基于电化学传感器的总氮检测系统研究

李 洋 任振兴 齐仁龙 佟建华 边 超 董汉鹏 夏善红

1(中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室， 北京 100190)2(成都大学机械工程学院， 成都 610106) 3(郑州科技学院电气学院， 郑州 450064)

1 引 言

生态环境部发布的2018年中国生态环境状况公报[3]明确指出，我国江河重要渔业水域主要超标指标为总氮; 湖泊(水库)重要渔业水域主要超标指标为总氮、总磷和高锰酸盐指数。与2017年相比，总氮、总磷和铜超标范围均有所增加。41个国家级水产种质资源保护区(内陆)水体中主要超标指标也为总氮[2]。许多研究都已证明，水体中总氮含量超标会引发严重的生态和健康问题。 如不同形式的总氮组分随着河流汇入湖泊或近海，并在局部水域不断聚集后，会使水质迅速富营养化，严重时还会引起蓝藻、赤潮的大面积爆发，毒害水生动植物，造成鱼类大量死亡。同时，总氮超标的水体中还可能含有高浓度的亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用，中毒致病几率将明显增加。近年来，我国湖库水体的总氮指数超标情况严重，太湖、洞庭湖等内陆湖泊频繁发生的蓝藻爆发都与总氮浓度超标有直接关联，水体中总氮超标已经严重影响饮用水安全和正常的渔业生产。因此，对水体中总氮浓度的测量和监控具有重要的现实意义。

基于电化学原理的检测设备通常具有体积小、成本低、操作简单等优点[19～22]。本研究针对水质总氮指标现场、快速、多点检测的需求，基于碱性过硫酸钾消解-电化学离子识别联用的原理，使用国标方法对水样进行消解预处理，将不同形态的含氮化合物全部转化为硝酸盐氮; 然后结合微传感电极和电化学沉积表面修饰技术检测消解后水样中硝酸盐的浓度，进而实现总氮浓度的测量。在此基础上，研制了一种用于总氮检测的安培型微传感器系统，并将其应用于总氮标准样品和实际湖库水样中总氮浓度的测量，测试结果与专业水质检测机构的测试值一致。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

S-4800扫描电镜 (FE-SEM，日本Hitachi公司); 凯美瑞Reference-600电化学分析仪(美国Gamry公司); AUW电子天平、BioSpec-nano紫外分光光度计(日本岛津公司); Direct-Q3UV高纯水机(美国Millipore公司); pHS-25型数显pH计(上海智光公司); 5B-2P型消解仪(连华科技公司)。

CuSO4·5H2O、NaNO3、98% H2SO4、NaOH(北京化学试剂公司)。总氮标准试样20 mg/L(以N计，下同)和总氮标准样品5 mg/L(北京，环境保护部标准化研究所); 过硫酸钾(K2S2O8，纯度99.99%，德国，Sigma& Aldrich公司); 所有试剂均为分析纯，实验用水均为18 MΩ·cm去离子水，如无特殊说明，所有溶液均为室温25℃条件下，将定量的固体试剂溶解于去离子水中得到。采用三电极体系， 参比电极为Ag/AgCl参比电极，工作电极和对电极为自主研制的微型两电极传感芯片，此微传感电极采用标准微加工工艺在玻璃基片上制备[23]，工作电极和对电极均是厚度为300 nm的铂金属膜电极，两者呈对称式“圆-环形”结构。加工过程中还使用SU-8绝缘层精确定义薄膜金属电极的几何形状，确保工作电极是面积为1 mm2的标准圆[24]。

2.2 实验方法

图1 总氮检测方案Fig.1 Schematic for detection of total nitrogen (TN)WE: working electrode; CE: counter electrode; SU-8: insulating layer

整个实验流程如图1所示， 包括3步: (1)收集水样; (2)水样的消解: 将不同的含氮物质全部转化为硝酸盐氮; (3)硝酸盐检测: 最终实现总氮浓度的测量。

2.2.1 水样的消解预处理消解液为50 g/L K2S2O8(保存于棕色试剂瓶)和75 g/L NaOH(保存于聚乙烯试剂瓶)的混合溶液。实验前5 min内，按照体积比为待测水样: K2S2O8∶NaOH=10 mL∶54 mL∶51 mL的配比混合3种溶液，加入容积为15 mL的石英消解管中，并将消解管放入控温加热器的加热槽内，升温到120℃，并在120℃条件下保持30 min，消解结束后自然冷却。

图2 传感器在含不同Na2SO4的测试水样中的响应电流曲线: (a) 4 mg/L TN标样; (b) 4 mg/L TN标样和0.05 mol/L Na2SO4的混合溶液; (c) 4 mg/L TN标样和0.1 mol/L Na2SO4的混合溶液; (d) 4 mg/L TN标样和0.5 mol/L Na2SO4的混合溶液。线性扫描范围: -250～-650 mV， 扫描速率: 50 mV/sFig.2 Linear sweep voltammetric (LSV) curves of the sensor in testing samples with different concentrations of Na2SO4: (a) 4 mg/L TN sample; (b) 4 mg/L TN sample and 0.05mol/L Na2SO4; (c) 4 mg/L TN sample and 0.1mol/L Na2SO4; (d) 4 mg/L TN sample and 0.5mol/L Na2SO4. Scaning range: from -250 mV to -650 mV; Scan rate: 50 mV/s

3 结果与讨论

3.1 检测环境优化

图3 K2S2O8残留对传感器响应电流的影响: (a) 1 mg/L TN标样; (b) 1 mg/L TN标样与10 mg K2S2O8的混合溶液; (c) 4 mg/L TN标样; (d) 4 mg/L TN标样与10 mg K2S2O8的混合溶液Fig.3 Effect of residual K2S2O8 on LSV response of the sensor: (a) 1 mg/L TN sample; (b) 1 mg/L TN sample mixed with 10 mg K2S2O8; (c) 4 mg/L TN sample; (d) 4 mg/L TN sample mixed with 10 mg K2S2O8. Scaning range: from -250 mV to -650 mV; Scan rate: 50 mV/s

3.2 传感器对总氮样品的标定及检测性能

考察了微传感器对总氮样品的电化学响应特性。使用20 mg/L的总氮标准品稀释, 按照国标规定的国标Ⅰ～Ⅴ类水总氮浓度界限值，配制理论浓度分别为0、0.2、0.5、1.0、1.5和2.0 mg/L的6个总氮标样(标准方法标定后6个试样的实际总氮浓度值分别为0、0.17、0.42、0.84、1.19和1.62 mg/L)，采用上述消解方案对试样进行消解和预处理，然后使用微传感器对试样进行检测，结果如图4所示，微传感器的电流响应信号随着标样中总氮浓度的增加而增大，在-520 mV处的还原电流值与总氮浓度呈良好的线性关系，线性方程为:

y(μA)=7.31x(mg/L)14.98(R2=0.9950)

(1)

图4 总氮标样的标定曲线: (A) 消解后6个水样的线性扫描曲线，总氮浓度分别为0, 0.17, 0.42, 0.84, 1.19, 1.62 mg/L; (B) 峰电流值与总氮浓度的关系曲线(n=5)Fig.4 Calibration curve of standard total nitrogen samples: (A) LSV curves recorded in standard TN samples with TN concentrations of 0, 0.17, 0.42, 0.84, 1.19 and 1.62 mg/L respectively; (B) Calibration plot of current value versus TN concentration recorded at -520 mV (n=5)

考察了传感器对总氮标准样品的检测性能。传感器可以实现0.2～2.0 mg/L浓度范围内的总氮检测，检出限为0.1 mg/L(S/N=3)， 覆盖国标Ⅰ～Ⅴ类水的TN范围， 响应灵敏度(标准曲线斜率)为7．31 μA·L/mg。 使用同一个传感器探头对3个浓度分别为0.41、0.82 和1.59 mg/L的总氮标准样品进行6次平行测试，最大相对标准偏差为15.1%; 使用3个传感器探头对1.59 mg/L总氮标准样品进行3次平行测试，最大相对标准偏差为11.8%。结果表明，此传感器可以用于国标Ⅰ～Ⅴ类水的总氮浓度检测。

3.3 实际水样中总氮浓度的检测

使用总氮标样对微传感器进行标定、获取线性拟合方程后，对实验室配制的总氮样品和实际的湖库水样进行测试，并将测试结果与专业水质检测机构(PONY谱尼)的测试数据做比对。以稀释20 mg/L总氮标准品的方式分别配制试样1～3，同时，采集周边的湖库水样1～3，检测结果见表1。微传感器的测试结果与测试机构具的测试值偏差在-25.6%～26.9%之间，两种测试方法的结果基本吻合。实验结果表明，本研究建立的基于电化学原理的总氮检测方法可用于实际水样中总氮浓度的检测。

表1 总氮试样及水样的测试结果

Table 1 Testing results of TN in simulated samples and real water samples

图5 便携式总氮检测仪表: (A) 总氮检测仪表照片; (B) 基于三电极体系的电化学探头; (C) 微型传感电极; (D) 工作电极表面修饰的纳米铜质敏感膜的显微照片(×5000倍)Fig.5 Portable TN detection system: (A) photograph of the portable meter; (B) the sensor probe; (C) the microelectrode chip; (D) micrograph of the sensitive material composed with copper nanoparticles on the surface of the working electrode (×5000)

3.4 总氮传感器系统的研制及性能测试

基于电化学分析仪，进行原理验证实验后，研制了一款基于电化学微传感电极的便携式仪表。此仪表主要可实现4个功能: (1)提供电流脉冲信号，完成微传感电极的表面修饰; (2)模拟电化学分析仪的线性扫描功能，向传感器的工作电极输出扫描电压信号(扫描范围: -250～-600 mV，扫描速率: 50 mV/s); (3)记录工作电极与对电极之间的电流响应信号(电流范围3～100 μA); (4)显示、存储功能，实现仪表与PC端的数据通讯。所研制的便携式仪表如图5所示。

为考察总氮传感器系统对水样总氮浓度检测的准确性，采集了多个湖库的实际水样，分别以传感器系统和专业水质检测机构进行测试， 水样的总氮浓度结果见表2。两种方法得到的测试结果基本一致，偏差在-22.0%～8.4%之间。 实验结果表明，此传感器系统可用于实际水样的总氮检测，检测结果与专业水质检测机构测得的结果具有较高的一致性。

表2 采用便携式总氮检测仪表的实际水样的测试结果

Table 2 Testing results of real water samples by portable TN detection system

4 结 论