基于光电化学分析法检测金属离子

李海燕 刘占芳

内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司

内蒙古 包头 014080

摘要：金属离子根据含量的不同会对人类健康和生态系统产生有益或有害的影响。因此，灵敏性和准确性地检测金属离子是分析化学领域的一个父键问题。光电化学(PEc)检测是一种新兴的金属离子生物／化学检测技术，具有响应速度快、成本低、灵敏度高等特点。本文列举了日前报道的具有代表性的金属离子检测，首先介绍检测金属离子的基本原理，并总结PEc检测的最新进展。此外，讨论了设计特定PEc金属离子传感器的有效策略。

关键词：光电化学分析法；检测；金属离子

前言：实现对金属离子的灵敏性和选择性检测是分析人员不可或缺的任务。传统的金属离子检测技术包括原子吸收／发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法和冷蒸汽原子荧光光谱法等 。然而，这些技术通常存在局限性，如昂贵的仪器、专门的人员、费力的样品预处理过程，以及不适应现场测量等。冠然，开发能够简单、廉价和现场检测金属离子的新技术对于环境、生物以及工业生产应用是非常理想的。

一、国内金属离子检测技术现状

目前，国内危废品重金属离子检测技术主要有光谱法、电化学分析法。其中光谱分析法是最常见的分析方法，主要有原子吸收光谱法、紫外 - 可见分光光度法、原子发射光谱法、质谱法、原子荧光法等分析方法。电化学分析法检测成本较低，主要利用电池、溶液的化学性质，再结合传感器技术进而对离子浓度进行定量测量，因此在重离子检测中得到广泛的应用，其中应用最广泛的主要有伏安法和电位法 。光谱法和电化学分析方法均很难实现实时在线监测，且检测费用较高，因此有必要研究低成本、实时监测、操作简单的检测方法，以提升检测效率和实时数据分析能力，光电化学分析法便是在这种背景下应运而生。

二、光电化学分析法

光电化学分析法可以实现危废品液体检测的动态检测，该方法采用的激光信号和检测互不干扰，因此可降低彼此间干扰度，进而提升了检测的准确度、灵敏度，因此，研究光电化学分析法在危废品中的检测研究具有较好的应用前景。光电化学的原理主要是光电转化，即光激发半导体材料促使材料产生电荷转移，进而实现光电转化。光电化学分析法即是在电化学的基础上，基于光电转换原理，通过构建待检样本的光电转换传感器，实现待检样本的精准检测。光电转换传感器主要由光电转化、生物识别两个部分组成，光电转化元件主要由有机或无机半导体材料组成 。

三、光电化学分析法检测金属离子

阳极溶出法是一种常用的光电化学检测方法，用于检测可溶性金属离子的浓度。该方法基于金属离子在阳极上被氧化并溶解的特性进行分析。在实验中，将含有金属离子的样品溶液置于阳极上，并通过施加电位使阳极上的金属离子被氧化为更高的价态，然后溶解到溶液中。通过测量溶解过程中的电流变化，可以确定金属离子的浓度。阳极溶出法适用于各种可溶性金属离子的检测，如铜、铅、镍等。由于阳极溶出法具有高灵敏度、快速响应和简便操作等优点，因此在环境监测和金属离子分析中得到广泛应用。

还原法是一种常用的光电化学检测方法，用于检测可还原金属离子的浓度。该方法基于金属离子在电极表面被还原为金属原子或金属团簇的特性进行分析。在实验中，通过施加适当的电位，在电极表面上还原金属离子，使其析出形成金属沉积物。通过测量析出过程中的电流或电势变化，可以确定金属离子的浓度。还原法适用于各种可还原金属离子的检测，．如银、汞、铂等。由于还原法具有高灵敏度、快速响应和实时监测等优点，因此在环境监测和电化学分析中得到广泛应用。在进行实验前，需要进行样品准备和处理，以确保样品的准确性和可靠性。样品可以是水样、土壤样品、食品样品或生物体系等。对于液态样品，通常需要进行前处理步骤，如样品的稀释、酸化或碱化、过滤等，以适应光电化学分析的要求。对于固态样品，需要进行样品的溶解或提取，以得到可测量的溶液样品。在样品处理过程中，还需要注意对样品的预处理和干扰因素的控制。预处理步骤包括样品的收集、保存和前处理，以保证样品的完整性和稳定性。

配位反应法金属离子的检测还可以利用金属离子与特定配体或染料之间的配位反应。配体或染料与金属离子形成络合物后，光电化学反应的性质会发生变化，产生与金属离子浓度相关的信号。在实验中选择合适的配体或染料，使其与目标金属离子发生配位反应。通过测量光电流或电位变化，可以确定金属离子的浓度。这种方法常用于检测特定金属离子，如铁、锰和铬等。通过选择适当的配体或染料，可以实现对特定金属离子的高选择性检测。在进行基于光电化学分析法检测金属离子的实验时，需要准备相应的实验材料和仪器设备。实验材料包括溶液、电极、标准样品和试剂等。首先，需要准备所需金属离子的标准样品溶液，以便建立标准曲线和浓度校准。此外，还需要准备电极材料，如玻碳电极、金电极或玻璃碳电极等，用于光电化学反应的进行和电流的测量。实验中还需要一些试剂用于调节溶液的pH值、控制反应条件或进行背景校正。仪器设备方面，常用的包括电化学工作站、光源、光电流计、电位计、数据采集系统等。电化学工作站是进行光电化学实验的核心设备，用于控制电极的电位和测量电流。光源可以提供所需的光照条件，例如可见光或紫外光。光电流计用于测量光电化学反应产生的电流信号。电位计用于测量电极的电位变化，用于记录电势数据。数据采集系统用于采集和记录实验数据，方便后续数据处理和分析。

四、展望

金属离子的检测能够分析丰富的离子目标，大多数报道的研究满足世卫组织对重金属离子检测限度的要求，一些工作成功应用于追踪生命系统内的变化。现在，随着越来越多的科学论文表明，更多的努力致力于开发先进的金属离子PEC检测及其对特定金属离子的生物分析应用。随着PEC检测的快速发展，我们相信这一研究领域将变得更有活力，并将不断取得重要的成果。事实上，由于金属离子的PEc检测仍处于起步阶段，有很多开发和挑战，例如：(a)为具有更高灵敏度和选择性的创新检测策略定制纳米材料／生物分子／离子混合系统，例如，巧妙地使用各种功能性离子依赖性脱氧核糖核酸酶和相关脱氧核糖核酸分子；(b)开发新的方案，以检测许多其他金属离子，包括砷、锌、铁、锰、锡等，以及对不同金属离子的多路检测。(c)一种元素的每一种物理化学形式表现出不同的生物毒性，某些离子物种需要选择性区分，如Cr(ITT)一Cr(VI)和TI(T)一TT(III)；(d)应用PEc检测尿液、唾液、m上液等生物样本和生命系统巾的金属离子；(e)基于目前所报告的方法仅针对金属离子的检测，设计新颖的金属离子双功能PEC检测同时能够去除靶向有毒金属离子似乎具有重要意义；(f)该技术在实际样品中的检测分析，例如在水中实现对有毒金属离子的持续监测检测系统，能够高度重复使用以及大规模生产以实现商业化应用。

结束语：本文综述了基于光电化学分析法检、狈4金属离子的原理、优势和应用。光电化学分析法通过光激发的电子转移过程实现对金属离子的检测，具有高灵敏度、快速响应和选择性强的特点。光电化学分析法在金属离子检测中具有广泛的应用前景，为环境保护、食品安全和医药研究等领域提供了一种有效的分析方法。未来的研究和发展将进一步完善光电化学分析法的灵敏度、选择性和应用范围，以满足不断增长的金属离子分析需求。

参考文献：

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