基于全固态离子选择性电极分析性能的改善研究

【摘要】全固态离子选择性电极的出现复兴了电位传感这一古老的电化学学科分支。相比于经典的离子选择电极，其全固态的结构在诸多制备和应用方面具有明显优势。但这类电极在电位稳定性表现较差，缺乏有效的传感单元使得其无法保证各界面电势的稳定性。本文回顾全固态离子选择性电极的发展，介绍其分析性能，并且从以下几个方面上来改善全固态离子选择性电极的分析性能：1）石墨烯纳米材料首次作为固接材料，用于调节离子载体基选择性聚合膜和玻碳电极基底之间的离子-电子转化。将石墨烯滴涂于玻碳表面形成石墨烯修饰电极，用透射电子显微镜、循环伏安法和阻抗测量表征其形貌和电化学行为。在石墨烯层表面覆上钾离子选择性膜后制备新型的全固态离子选择性电极，通过电位水层测试、电位测量和反向电流计时电位法来表征其性能。其校正曲线在10-4.5到0.1M的钾离子浓度范围内展现出近能斯特斜率的灵敏度(59.2mV/decade)。由于石墨烯具有良好的双电层电容，新制备电极的经过三周仍然具有良好的电位稳定性。当钾离子浓度高于10-5M时，电极的响应时间少于10秒。电极电位的漂移也通过计时电位曲线的斜率来计算，不同电流下的结果分别为1.2×10-5V/s(I=1nA)和5.5×10-5V/s(I=5nA)。以上的结果都表明了石墨烯可以作为一种有效的转接层材料，使用于全固态离子选择性电极中。2）提出一种方法有效改善全固态离子选择性电极界面的疏水性。这种方法是基于将高疏水性的正己硫醇与电沉积在石墨烯固接材料表面的金纳米粒子作用，形成一层疏水的自组装膜。接触角的测试结果为135.4°，其高疏水性能是源自于固接表面粗糙的形貌。这样制备全固态离子选择性电极具有非凡的电容性和良好的机械强度，展现出良好的电位稳定性，电极电位重现性和更长的使用寿命。另外，实验证明这种方法同样适用于其他常用固接材料，展现出其广泛可适用性。3）信号的高稳定性和设备制备的简易性是发展电位传感器的两个重要要求。这里我们将单层保护的金纳米簇作为一种有效的离子-电子传感材料，溶到传统的离子选择性膜中，制备可靠的单片层全固态钾离子选择性电极。单层保护金纳米簇在有机相中具有高可溶性，良好的疏水性和大的电容，这些独特的性质使得它非常适用于制备具有良好性能的单片层电极。在离子选择性膜中加入2.0%纳米簇可以有效提高单片电极的电位稳定性(12.9μV/h)，降低检测限(10-6.1M)并且延长电极的使用寿命。混合价态的纳米簇在膜中加速了离子-电子转化，提高电位平衡响应速度。同时其良好的化学惰性使得电极的选择性和抗干扰能力不受到影响。
【作者】叶君谨；
【导师】张志权；牛利；
【作者基本信息】吉林大学，分析化学，2014，硕士
【关键词】离子选择性电极；全固态；石墨烯；传感层；纳米簇；

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