食品中重金屬檢測方法研究報告儀器研制

1、-. z食品中重金屬檢測的方法研究與儀器研制【摘要】：食品平安問題一直是人類關注的焦點。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速開展，食品污染問題越來越嚴重，其中重金屬是最主要的污染物質(zhì)之一。重金屬可以在土壤中積累和作物體殘留，通過食物鏈而進入人體蓄積，構(gòu)成對人體的潛在危害。人體重金屬含量過量時，會導致各種疾病的發(fā)生。食品重金屬污染問題已引起全世界的高度重視和深入研究，對不同種類食品和水體中的重金屬污染進展監(jiān)測和分析研究，對于評價食品質(zhì)量、保護人類*和維持社會經(jīng)濟可持續(xù)開展具有重要的現(xiàn)實意義。該課題得到了市世博會重點工程專項基金的資助。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于1100nm納米尺度圍或由它們作為根本單

2、元構(gòu)成的材料。納米復合材料是近年來開展較為迅速的一種新興納米材料，它是由兩種或兩種以上的吉布斯固相至少在一維以納米級大小復合而成的納米材料。在納米復合材料中，納米尺度的分散相不僅大大增加了兩相界面面積，而且由于其納米尺度效應將大大增強界面相互作用。它與單一納米材料和納米相材料不同，不僅具有納米尺度物質(zhì)單元的根本特性：量子尺寸效應、外表效應、小尺寸效應、量子隧道效應、介電限域效應等，又存在納米構(gòu)造組合所引起的新效應：量子耦合效應和協(xié)同增強效應等，使得納米復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而能夠滿足各種不同的實際應用要求，被譽為是21世紀最有前途的材料之一。隨著納米技術的開展，納米復合材料作為一種新

3、型的電極材料在電化學檢測和分析方面受到人們的日益關注。微波輻射作為一種快速、簡單和高效的加熱技術，已經(jīng)廣泛地被運用于化學反響和多種納米材料的合成。與傳統(tǒng)的加熱方法比擬，微波加熱具有快速和均勻的優(yōu)點，從而可以大大加快反響速度，得到更小和更均勻的納米粒子。微波電化學是將微波技術與電化學原理相結(jié)合形成的一種新型科學技術，將微波技術引入電化學檢測還是一個較新的領域，尤其是微波一電化學聯(lián)用技術應用于重金屬的檢測是一種全新的理念和思路。雖然微波技術在電化學檢測領域已經(jīng)得到初步的應用，但這一領域的研究目前還處于起步階段。特別是微波條件下快速合成納米材料，并將合成的納米材料應用于微波電化學檢測重金屬離子的研究

4、還未見報道。本論文通過電化學方法、微波輻射合成方法制備納米復合材料，并將其作為電極材料應用于食品中痕量重金屬，如Pb、Cd、Hg、As、Cr的電化學檢測與分析。通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡、能量散射*-射線光譜對合成的納米復合材料形貌和組成進展表征，運用陽極溶出伏安法、線性掃描伏安法、安培檢測法、微波電化學協(xié)同體系對痕量重金屬進展檢測與分析，并在此根底上研制與開發(fā)重金屬快速分析儀。本論文共分為九章：第一章緒論本章容主要包括重金屬污染及危害、重金屬檢測技術的研究與開展、納米復合材料及其應用于重金屬檢測的研究與進展、重金屬快速分析儀研究現(xiàn)狀四局部。文中簡要介紹了食品中重金屬污染

5、現(xiàn)狀、光譜方法應用于重金屬檢測的研究，著重綜述了電分析方法應用于重金屬的檢測和開展；對納米復合材料的分類、性能和制備進展了概述，著重闡述了微波合成納米復合材料及其應用于食品中重金屬檢測的研究與開展，并介紹了重金屬快速分析儀的研究現(xiàn)狀和應用前景。第二章Nafion修飾鉍膜電極應用于蔬菜中痕量重金屬的檢測研究本章以Nafion修飾鉍膜電極(NCBFE)為工作電極，采用微分脈沖陽極溶出伏安法直接檢測蔬菜中痕量鉛、鎘和鋅的研究?？疾煦G膜濃度、Nafion厚度、沉積時間和外表活性大分子對檢測結(jié)果的影響。實驗結(jié)果說明，Nafion修飾鉍膜電極對痕量鉛、鎘和鋅具有良好的電化學響應，鉍和待測元素形成“二元合金

6、，極提高了富集效率，且Nafion膜的存在，大大提高了檢測方法的靈敏度和工作電極的抗干擾能力，方法的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性增強。該方法成功應用于蔬菜中痕量重金屬的測定，檢測結(jié)果與石墨爐原子吸收法有良好的相關性，具有極大的應用前景。第三章MWTsBiNafion復合材料電極應用于飲用水中痕量Pb()和Cd()的檢測研究本章采用電化學沉積的方法制備多壁碳納米管鉍膜Nafion(MWTsBiNafion)復合材料，并將其作為工作電極應用于檢測飲用水中痕量Pb()和Cd()的研究。運用陽極溶出伏安法考察MWTsBiNafion復合材料電極對Pb()和Cd()的電化學響應，并考察MWTsNafion懸浮液體積、

7、鉍膜濃度對檢測結(jié)果的影響。研究結(jié)果說明，MWTsBiNafion復合材料電極對水體中的痕量Pb()和Cd()具有優(yōu)異的電化學信號，靈敏度和穩(wěn)定性均優(yōu)于MWTsNafion和BiNafion復合電極。采用該復合材料電極應用于飲用水中痕量Pb()和Cd()的檢測，實測樣品值與石墨爐原子吸收法結(jié)果相符，回收率為95-107，證明該方法具有良好的準確性和可靠性，具有實際應用意義。第四章微波輻射合成Au-NPsTs復合材料的制備、性能表征及其應用于水體中痕量Hg()的檢測研究本章利用微波輻射快速合成金納米粒子碳納米管(Au-NPsTs)復合材料，并首次將其應用于溶出伏安法檢測水體中痕量Hg()。通過透射

8、電子顯微(TEM)、能量散射*-射線光譜(ED*)、紫外可見吸收光譜(UV-vis)和循環(huán)伏安法對合成的Au-NPsTs復合材料的形貌和組成進展表征。采用溶出伏安法，Au-NPsTs修飾玻碳電極(Au-NPsTsGCE)對痕量Hg()的檢測顯示出優(yōu)良的電化學性能，具有線性圍寬，靈敏度高，穩(wěn)定性好，可重復使用等優(yōu)點，該方法可以成功應用于實際樣品中痕量Hg()的檢測與分析，具有實際應用價值。第五章微波輻射合成PtnanoTs復合材料及其應用于氧化檢測水體中痕量As()的研究本章以微波輻射快速合成Pt納米粒子碳納米管(PtnanoTs)復合材料，并且首次將其應用于氧化檢測痕量砷()的研究。運用透射電

9、子顯微鏡(TEM)對Pt_(nANO)Ts復合材料的形貌進展表征，負載在Ts外表的Pt納米粒子直徑為153nm。采用循環(huán)伏安法和線性掃描伏安法對PtnanoTs納米復合材料的電化學性能進展考察，結(jié)果顯示，與電化學沉積法制備的Pt納米粒子修飾玻碳電極(Pt_(nano)GCE)、Pt盤電極相比，Pt_(nano)Ts修飾的玻碳電極(PtnanoTsGCE)顯示出更優(yōu)越的檢測砷()的性能，具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，且本方法的檢測限為比PtnanoGCE和Pt盤電極低1-2個數(shù)量級，同時防止了Cu()離子和氯離子的干擾，該方法快速、準確，適合于痕量砷()的常規(guī)檢測。第六章高度有序鉑納米管陣列電極應用

10、于氧化檢測痕量砷()的研究本章報道一種新穎的方法，即高度有序鉑納米管(PtNTs)陣列電極應用于氧化檢測痕量砷As()的研究。運用3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)修飾的多孔氧化鋁模板(PAA)在含有AuCl_4-溶液中，采用電化學沉積的方法得到高度有序PtNTs陣列構(gòu)造。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和*-射線衍射(*RD)對PtNTs陣列的形貌和構(gòu)造進展表征。通過電化學研究說明，PtNTs陣列構(gòu)造具有更大的有效面積和更高的催化性能。與Pt納米粒子修飾玻碳電極(Pt-NPsGC)和Pt盤電極相比，痕量砷()在PtNTs陣列電極上具有更優(yōu)良的電化學信號，具有線性圍寬，靈敏度高，選擇性好等優(yōu)點，且檢

11、測限比文獻報道的Pt-NPsGC和Pt盤電極低1-2個數(shù)量級，證明該方法具有更優(yōu)異的電化學性能，對于痕量As()的常規(guī)檢測具有潛在的應用價值。第七章微波伏安法協(xié)同體系應用于水體中痕量Cu()和Pb()的檢測研究本章研究微波-伏安法協(xié)同體系對金納米粒子修飾的鉑微電極(Au-NPsPt)與裸Pt微電極分別檢測Cu()和Pb()電化學性質(zhì)的影響，研究微波輻射的“自聚焦作用在電極電解質(zhì)擴散層形成的“熱點效應、溫度梯度和對流傳質(zhì)。采用單電子轉(zhuǎn)移的Fe()6(3-4-)K_2SO_4(pH3)標準溶液對電極電解質(zhì)界面溫度進展校正。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低功率微波對Cu()和Pb()離子在Au-NPsPt和Pt微電

12、極上的電化學性質(zhì)影響較為明顯；微波-伏安法協(xié)同作用下，采用循環(huán)伏安法檢測Cu()和示差脈沖陽極溶出伏安法檢測Pb()，它們的電流響應極大增強，比傳統(tǒng)方法增加近10倍；常規(guī)條件下易于阻塞電極的外表活性劑在微波-伏安協(xié)同體系中對Cu()和Pb()峰電流的影響大大減小。本文提出的微波-伏安協(xié)同體系有望應用于重金屬和其他有毒污染物檢測裝置的研制與開發(fā)。第八章AuNPsPtNF納米復合電極的制備、性能表征及其應用于檢測廢水中痕量Cr()的研究本章以簡單快速和環(huán)保的方式制備金納米粒子修飾鉑納米多孔膜(AuNPsPtNF)復合電極。Pt盤電極在高壓6V電壓下陽極氧化后，經(jīng)抗壞血酸復原后得到鉑納米多孔膜(Pt

13、NF)電極；采用循環(huán)伏安法在PtNF電極外表電沉積Au納米粒子制備AuNPsPtNF復合電極。運用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量散射*-射線光譜(ED*)對AuNPsPtNF納米復合電極的形貌和組成進展表征。通過循環(huán)伏安法(CV)考察AuNPsPtNF納米復合電極的電化學性質(zhì)。研究結(jié)果說明，利用該電化學方法制備的AuNPsPtNF納米復合電極具有更大的電活性面積和更優(yōu)異的電催化性能。AuNPsPtNF納米復合電極成功應用于安培檢測痕量Cr()的研究，與Pt盤電極和PtNF電極相比，該復合電極對Cr()具有更好的電化學響應，更易于Cr()的復原檢測。采用此方法制備的AuNPsPtNF納米復合電極

14、簡單方便、反響時間短、樣品消耗量少，是一種新穎的制備復合材料的方法。第九章重金屬快速分析儀的研制與開發(fā)本章根據(jù)電化學原理，結(jié)合納米復合材料的特殊性能，研制開發(fā)了一種以電化學分析為檢測手段的重金屬快速分析儀。本儀器對重金屬的檢測具有快速、靈敏、準確和無污染等特點，而且可以同時測定多種重金屬元素，與光譜檢測方法具有較好的一致性。該儀器小型化設計，攜帶方便，性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，是一種極有推廣應用前景的分析儀器?！娟P鍵詞】：食品污染重金屬檢測溶出伏安法納米復合材料電化學分析【學位授予單位】：華東師大學【學位級別】：博士【學位授予年份】：2021【】：TS207.3【目錄】：摘要6-11ABSTRACT

15、11-22第一章緒論22-60第一節(jié)重金屬污染的現(xiàn)狀及危害23-251.1食品中重金屬污染現(xiàn)狀23-241.2重金屬污染對人類的危害24-25第二節(jié)重金屬檢測技術的研究與開展25-332.1光譜法應用于重金屬檢測的研究25-272.2電化學分析法應用于重金屬檢測的研究27-292.3溶出伏安法應用于重金屬檢測的研究與進展29-33第三節(jié)納米復合材料及其應用于重金屬檢測的研究與進展33-463.1納米材料的涵33-343.2納米復合材料的分類和性能34-353.3納米復合材料的制備方法35-363.4微涉及其微波合成納米復合材料的研究與應用36-443.4.1微波的概念363.4.2微波的特點3

16、6-373.4.3微波與材料的相互作用373.4.4微波加熱原理37-393.4.5微波加熱的特點39-403.4.6微波在合成納米復合材料方面的應用40-443.5納米材料及納米復合材料應用于重金屬檢測的研究與開展44-46第四節(jié)重金屬分析儀器的現(xiàn)狀及進展46-47第五節(jié)本論文的工作及意義47-52參考文獻52-60第二章Nafion修飾鉍膜電極應用于蔬菜中痕量重金屬的檢測研究60-711.前言60-612.實驗局部61-633.結(jié)果與討論63-693.1測定原理633.2bareGC、BFE、NCBFE溶出伏安性能的比擬63-643.3NCBFE與NCMFE溶出伏安性能的比擬643.4Bi

17、離子濃度的影響64-653.5Nafion厚度的影響65-663.6富集時間的影響663.7外表活性劑的影響66-673.8標準曲線和檢測限67-683.9實際樣品的檢測68-694.結(jié)論69-70參考文獻70-71第三章MWTs/Bi/Nafion復合材料電極應用于飲用水中痕量Pb()和Cd()的檢測研究71-841.前言71-722.實驗局部72-733.結(jié)果與討論73-823.1MWTs/Nafion和MWTs/Bi/Nafion形貌表征73-743.2MWTs/Bi/Nafion復合材料電極的電化學表征74-763.3實驗條件的優(yōu)化76-773.3.1MWTs/Nafion懸浮液體積的

18、影響76-773.3.2Bi離子濃度的影響773.4干擾離子的影響77-783.5電極的重現(xiàn)性78-793.6標準曲線和檢測限79-803.7復合材料電極應用于檢測飲用水中痕量Pb和Cd80-824.結(jié)論82參考文獻82-84第四章微波輻射合成Au-NPs/Ts復合材料的制備、性能表征及其應用于水體中痕量Hg()的檢測研究84-951.前言84-852.實驗局部85-863.結(jié)果和討論86-923.1Au-NPs/Ts的形貌和性能表征86-883.2電解質(zhì)和沉積電壓的影響883.3固體金盤電極與Au-NPs/Ts復合電極的電化學性能比擬88-903.4Au-NPs/Ts應用于痕量Hg()的檢測

19、研究90-923.5實際樣品的測定924.結(jié)論92-93參考文獻93-95第五章微波輻射合成Ptnano/Ts復合材料及其應用于氧化檢測水體中痕量As()的研究95-1051.前言95-962.實驗局部96-973.結(jié)果和討論97-1023.1Pt_(nano)Ts的形貌表征97-983.2Pt_(nano)/Ts/GCE的電化學表征98-993.3Pt_(nano)/Ts/GCE氧化檢測砷()的電化學響應993.4Cu()離子的干擾99-1013.5氯離子的干擾1013.6標準曲線和檢測限101-1023.7實際樣品的測定1024.結(jié)論102-103參考文獻103-105第六章高度有序Pt納

20、米管陣列電極應用于氧化檢測痕量As()的研究105-1141.前言105-1062.實驗局部1063.結(jié)果與討論106-1113.1PtNTs陣列電極的制備106-1073.2PtNTs陣列電極的形貌和構(gòu)造表征107-1083.3PtNTs陣列電極的電化學表征108-1093.4Pt盤電極、Pt_(nano)/GCE、PtNTs陣列電極的電化學性能比擬1093.5PtNTs氧化檢測As()的機理探討109-1103.6標準曲線和檢測限110-1113.7實際樣品的測定1114.結(jié)論111參考文獻111-114第七章微波伏安法協(xié)同體系應用于水體中痕量Cu()和Pb()的檢測研究114-1271.前言114-1152.實驗115