便携式电化学工作站用于Cd(II)和Pb(II)的测定

在过去的三十年里，由于工农业的不可持续发展，许多活动在中国造成了各种环境问题，包括空气、水和土壤污染¹。在农业方面，过度使用化肥和农药，追求作物产量最大化，忽视了可持续发展的理念，给农业环境尤其是土壤环境造成了大量严重污染。镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍、DDT、多环芳烃等土壤污染物亟待修复。

土壤中的重金属离子很容易被作物吸收，这些作物被食用后沿食物链进入动物和人体内，在肾、肝、肺、胰腺等器官中不可逆积累。如果重金属离子过量，会引起一些严重的疾病，包括神经、胃肠、骨骼疾病。经统计，中国良田占比仅为19.4%，其余主要为不同程度的重金属污染。因此，有必要建立一种简单、快速、廉价的方法来追踪土壤中重金属的质量和数量，为评估土壤污染的潜在风险提供基础。

以紫外分光光度计、x射线荧光检测、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法等光谱方法为基础的不同分析技术在研究实验室和专业检测机构中得到了发展和应用，具有较高的灵敏度和检测精度。然而，这些仪器非常昂贵，体积大，耗时且操作复杂，不适合农民和工人进行现场重金属监测。

相比之下，电化学方法具有便携、简单、成本低、检测速度快等优点，克服了光谱方法的不足。多年来，为了提高重金属离子检测的灵敏度和选择性，研究几乎都集中在探索电化学电极上，而忽视了专业便携式电化学工作站的开发和完善。因此，迫切需要开发一种准确、便携、廉价和易于使用的设备来轻松地评估土壤中的重金属离子。

如图1所示，硬件主要由MSP430单片机、恒电位器电路、I/V转换电路、滤波电路、串行通信电路和辅助电路等功能模块组成。它能产生方波剥伏安法的电信号，采集电压值和相应的电流信号，对信号进行处理，并将结果传送给上位机。

图1 整体结构。

图2 不同浓度Cd(II)和Pb(II)的方波阳极溶出伏安法.

Wang等人²设计并研制了一种便携式重金属离子检测电化学工作站。该装置的硬件部分采用精确可靠的功能模块，如控制单元、恒电位器、信号调理电路和电源模块，可以产生方波剥离伏安法信号，并采集重金属电极产生的电压电流信号。相关软件采用c#语言编写，可实现参数设置、命令发送、数据处理、剥出伏安图绘制等功能。为了提高实用性，需要利用便携式设备开发一种用于重金属检测的便携式传感器。

设计并制作了一种以多壁碳纳米管(MWNT)、离子液体(IL)和铋膜(BI)原位修饰的一次性丝网印刷碳电极(SPCE)，以提高其灵敏度，并与便携式电化学工作站相匹配，用于Cd(II)和Pb(II)的检测。采用电化学方法研究了BI/MWNT-IL/SPCE的性能。此外，利用便携式电化学工作站和BI/MWNT-IL/SPCE对电分析参数进行了优化。

1.Shi, P.;  Xiao, J.;  Wang, Y.; Chen, L. Assessment of Ecological and Human Health Risks of Heavy Metal Contamination in Agriculture Soils Disturbed by Pipeline Construction Int. J. Environ. Res. Public Health [Online], 2014, p. 2504-2520.

2.Wang, H.;  Zhao, G.;  Zhang, Z.;  Yi, Y.;  Wang, Z.; Liu, G., A Portable Electrochemical workstation using Disposable Screen-Printed Carbon Electrode decorated with Multiwall Carbon Nanotube-Ionic Liquid and Bismuth Film for Cd(II) and Pb(II) Determination. Int. J. Electrochem. Sci. 2017, 12 (6), 4702-4713.

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