[发明专利]一种镀有导电聚合物纳米薄膜的伏安传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镀有导电聚合物纳米薄膜的伏安传感器及制备方法，该伏安传感器能用于监测溶液中的钙离子。本伏安传感器的制备方法也适用于制备监测其他金属离子（例如：Pb²⁺、Ni²⁺等）的伏安传感器。

背景技术

目前国内常用的地下水污染物（例如重金属）的监测分析方法有原子吸收法（AAS）、原子荧光法（AFS）、电感耦合等离子体法（ICP）、Ｘ荧光光谱（XRF）、电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）等。当前国内普遍采用从监测井取样，再送交实验室监测的手段，监测成本高、周期长，无法实时获取监测报告，往往会使污染防治工作在重金属污染突发事件中陷入被动。

当今，国际上常用以电化学传感器来定量地监测水溶液中的有害成分。伏安传感器是利用电子传输过程中电流和电压的关系而形成的一种传感器，适用于外加电流或电压变化的动力学控制的条件。

当前已成功地开发出基于固态电极-微颗粒-液界面的伏安传感器，与基于液-液界面和有机溶胶-液界面原理的传感器相比，有更好的重现性和可逆性。然而，这类传感器必须先要氧化或者还原离子选择膜/层中的电活性分子，从而有可能把被氧化的或者被还原的电活性分子引入到待监测的溶液中，这是人们所不想看到的。

最近，制备出一种以导电聚合物为底层结构的离子选择性PVC薄膜（厚度750nm）伏安传感器。通过控制导电聚合物通电和去电过程，从而控制ClO₄^-进入和析出离子选择层，并成功地应用于监测饮用水中的高氯酸根离子。但他们工作没有报道能够测量阳离子的传感器，也没有报道含有离子载体时其对伏安传感器传感过程的影响。

目前，对包含离子载体的导电聚合物基伏安传感器的研究还比较少，现有的伏安传感器还不能满足对痕量金属离子在线监测的要求。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明在理解和建立新型传感机理的基础上，应用功能导电聚合物纳米薄膜技术，开发和制备出具有开关可控性的高灵敏度和高选择性的伏安传感器，以满足现代化生产和工作对传感器高灵敏、快速和可控性强的要求，并应用于地下水的在线监测中，用于解决在水溶液离子监测方面存在的成本高、灵敏度低、感应时间长、不能达到快速监测要求等缺点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种镀有导电聚合物纳米薄膜的伏安传感器，包括如下制作步骤：

电化学聚合法制备可作为伏安传感器基层的导电聚合物纳米薄膜衬底材料。通过调控和优化制备导电聚合物的工艺，可制备出一系列高导电性和纳米厚度的导电聚合物衬底材料。

首先，利用电化学聚合法，通过调控和优化制备导电聚合物的工艺，制备可作为伏安传感器基层的、具有高导电性和纳米厚度的导电聚合物衬底材料(电极)。

然后，设计和构筑基于导电聚合物/聚氯乙烯纳米薄膜的离子选择性电极。使用旋转沉积技术制备含有离子载体和离子交换分子的聚氯乙烯复合材料，通过控制沉积条件，在上述导电聚合物纳米薄膜衬底材料的表面形成离子选择性聚合物纳米薄膜。研究薄膜厚度对离子选择性聚合物层导电离子性能的影响，并通过合理的选择和改变离子载体和离子交换分子的组分，制备出一系列不同的离子选择性电极材料，实现基于导电聚合物/聚氯乙烯纳米薄膜的高导电性离子选择性电极的可控设计和构筑。

所述镀有导电聚合物纳米薄膜的伏安传感器的具体制备步骤为：

①准备并清洗电极；

②配置导电聚合物溶液；以乙腈为溶剂，配置高氯酸锂和3-辛烷基噻吩浓度均为0.1M的混合溶液；

③电聚合导电聚合物纳米层；首先进行充电过程，采用循环伏安法将OCT单体聚合到电极表面；然后进行放电过程，采用时间电流法去除导电聚合物中多余的电子，使金电极表面的电位趋于零；

④配置具有离子载体的溶液；薄膜溶液溶剂为四氢呋喃，溶质成分为质量比1:2的PVC和DOS以及摩尔比为4.2:1：1.5～2.5的钾离子载体、氯离子载体和钙离子载体；

⑤制备具有无离子选择性的聚合物电极模板；利用步骤④配置的溶液来沉积厚度合适的无离子选择性的聚合物薄膜，从而获得伏安传感器模板。

所述步骤③和④之间还有清除导电聚合物纳米层中残留的高氯酸锂杂质的步骤；将所制备的电极在乙腈溶液中浸泡，以使杂质充分扩散到乙腈中。