MOFs基微流控電化學(xué)芯片對(duì)多種重金屬離子的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)

陳曉萍，王旭潭，劉 寧，汪慶祥，倪建聰，楊偉強(qiáng)，林振宇

（1.閩南師范大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,漳州 363000;2.福建省現(xiàn)代分離分析科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,污染監(jiān)測(cè)與控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,漳州 363000;3.福州大學(xué)食品安全與生物分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建省食品安全分析與檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350108）

隨著現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重.環(huán)境中的重金屬容易通過(guò)食物鏈在生命體內(nèi)累積，對(duì)人類生命健康造成重大威脅［1，2］.檢測(cè)重金屬污染的方法主要有原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法等，但這些方法存在儀器價(jià)格昂貴、預(yù)處理過(guò)程繁瑣等不足，難以滿足環(huán)境污染現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)的要求［3，4］.電化學(xué)方法具有儀器簡(jiǎn)單、操作方便、分析速度快、選擇性好和可便攜等優(yōu)點(diǎn)，溶出伏安法可用于多種重金屬離子的檢測(cè)［4，5］.研究人員通常在傳感界面修飾上納米材料來(lái)提高檢測(cè)的靈敏度.金屬有機(jī)框架（MOFs）是由金屬離子與有機(jī)配體配位組成的一種三維有序晶體材料［6～8］，具有超大的比表面積、豐富的活性位點(diǎn)和多樣的微孔結(jié)構(gòu)，對(duì)金屬離子具有良好的吸附效果［9～11］.采用MOFs 材料修飾的電化學(xué)傳感器能夠有效地富集重金屬離子而提高檢測(cè)的靈敏度［11］.如，將ZIF-8 MOF 材料和殼聚糖修飾玻碳電極（GCE）結(jié)合，采用溶出伏安法可同時(shí)檢測(cè)Hg2+，Cu2+，Pb2+和Cd2+4種金屬離子［11］.這類傳感技術(shù)能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水樣中重金屬離子的測(cè)定，但在流動(dòng)性水體的測(cè)試中依然存在穩(wěn)定性不足的問(wèn)題.

微流控分析測(cè)試技術(shù)能精準(zhǔn)控制試劑消耗量、混合速度、驅(qū)動(dòng)及響應(yīng)等，已在藥物研發(fā)［12］、電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化［13］和生命科學(xué)［14］等多個(gè)研究方向具有重要的應(yīng)用.2024年，全球微流控產(chǎn)品市場(chǎng)的規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到173.8億美元［15］，全球企業(yè)對(duì)微流控芯片技術(shù)的研發(fā)投入在不斷增加.將微流控芯片與便攜式電化學(xué)檢測(cè)平臺(tái)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)小型化的實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)操作［16～18］.當(dāng)前，利用微流控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)重金屬主要包括光學(xué)和電化學(xué)檢測(cè)方法［4，18］.Wang等［19］設(shè)計(jì)了一種基于微柱陣列工作電極的微流控化學(xué)傳感器，能夠模仿鯊魚(yú)嗅覺(jué)纖毛受體細(xì)胞的傳感功能且有效降低Pb2+檢測(cè)限到0.8 ppb（～0.0039 μmol/L）.Channon等［20］制造了多層微流控電化學(xué)碳基傳感器，用于靈敏測(cè)定Cd2+和Pb2+［檢出限分別為1.2 μg/L（0.011 μmol/L）和1.8 μg/L（0.0087 μmol/L）］.然而，由于樣品溶液是通過(guò)紙基的毛細(xì)管作用被泵送到檢測(cè)電極，因此離子測(cè)定所需的時(shí)間很長(zhǎng).基于微流體流動(dòng)的通道是紙質(zhì)微流控的良好替代品，可實(shí)現(xiàn)樣品溶液的快速流動(dòng)和檢測(cè).Hong 等［21］開(kāi)發(fā)了由Mn2O3多孔納米材料集成的3D 打印微流控裝置，并應(yīng)用于Cd2+和Pb2+的測(cè)定，檢出限分別為0.5 μg/L（0.0045 μmol/L）和0.2 μg/L（0.00097 μmol/L）.

本文結(jié)合微流控技術(shù)與電化學(xué)溶出伏安法，實(shí)現(xiàn)了高通量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)環(huán)境中的多種金屬離子污染物.在電化學(xué)傳感部位修飾上ZIF-8 MOF 納米材料，利用多孔MOFs 的大比表面積富集待測(cè)重金屬離子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流體中Cd2+，Pb2+和Hg2+的實(shí)時(shí)、靈敏檢測(cè).微流控通道所需樣液少，且能精準(zhǔn)控制待測(cè)溶液通過(guò)電化學(xué)池的流速，從而實(shí)現(xiàn)流動(dòng)性溶液的實(shí)時(shí)自動(dòng)化檢測(cè).所制備的傳感器有望實(shí)現(xiàn)污染環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)控；由柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）拓印的微流控通道還有望實(shí)現(xiàn)柔性電極的功能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

六水合硝酸鋅［Zn（NO3）2·6H2O］、2-甲基咪唑（2-Methylimidazole）、Nafion117溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%）、硝酸汞［Hg（NO3）2］、硝酸鉛［Pb（NO3）2］和九水合硝酸鎘［Cd（NO3）2·9H2O］購(gòu)自阿拉丁試劑有限公司；聚二甲基硅氧烷（PDMS）購(gòu)自美國(guó)道康寧公司；無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、丙酮、濃鹽酸（體積分?jǐn)?shù)37%）、無(wú)水醋酸鈉、冰醋酸、鐵氰化鉀（K3［Fe（CN）6］）、氯化鉀、甲醇、氨水溶液（濃度為25%）、氯化鈉、硫酸鐵［Fe2（SO4）3］、七水合硫酸鋅（ZnSO4·7H2O）、氯化鈣、硫酸鎂和六水合氯化鎳（NiCl2·6H2O）購(gòu)自西隴科學(xué)股份有限公司；高純氮?dú)夂透呒冄鯕赓?gòu)自佛山市佛倫氣體有限公司；氧化銦錫導(dǎo)電玻璃（ITO）購(gòu)自華南湘城科技有限公司、Ag/AgCl參比電極和對(duì)電極鉑絲等相關(guān)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)用品均購(gòu)自上海辰華儀器公司；銀絲購(gòu)自昆山盛世景新新材料有限公司；硅膠軟管購(gòu)自南京潤(rùn)澤流體控制設(shè)備有限公司；硅片（110）購(gòu)自廣州方導(dǎo)半導(dǎo)體有限公司；混合纖維素酯（MCE）膜（孔徑0.22 μm）購(gòu)自常德比克曼生物科技有限公司.

CHI660E 型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）；FR224CN 型電子天平（上海奧斯豪儀器有限公司）；KW-4A型臺(tái)式勻膠機(jī)（中科院微電子）；KDC-40型高速離心機(jī)（美國(guó)瓦里安公司）；DM500型徠卡光學(xué)顯微鏡（德國(guó)徠卡公司）.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 微流控模板的制備 以硅片為基底進(jìn)行光刻加工，制備硅片微流控模板，并采用PDMS拓印出微流控通道.首先在干凈的4 英寸硅片［（100）晶面］上旋涂上150 μm 厚的光膠SU8-3050，然后置于95 ℃烘箱內(nèi)烘干30 min.把預(yù)先設(shè)計(jì)和訂購(gòu)的具有通道圖形（2.0 cm×300 μm）的光罩對(duì)齊放置在涂有干燥光膠的硅片上，用紫外光照射2 min.然后于65和95 ℃烘箱中分別烘干1和5 min.用AZ 400 K顯影劑與水（質(zhì)量比為1∶1）的混合液浸泡硅片5 min，以除去未曝光的光膠.最后，用足量的異丙醇和去離子水清洗刻蝕好光膠的硅片模板，并用N2氣流吹干，再于150 ℃烘箱中烘干5 min.

PDMS 微流控通道的制備：稱取質(zhì)量比為10∶1 的PDMS 單體和PDMS 固化劑，充分?jǐn)嚢杈鶆虻玫絇DMS預(yù)聚物.放入真空干燥器中抽真空20 min，以除去混合過(guò)程產(chǎn)生的氣泡.將處理好的PDMS預(yù)聚物倒入微流控模板中，置于80 ℃烘箱干燥45 min.用刀片切出一個(gè)PDMS模板，用3 mm的打洞筆在通道兩端分別打上出口和入口，其中入口作為電化學(xué)池.在電化學(xué)池兩邊分別插入1根0.5 mm直徑的銀絲作為參比電極和對(duì)電極.

1.2.2 ZIF-8 MOF的合成 ZIF-8的合成方法較多，采用的溶劑和所得晶體的粒徑和形狀也不盡相同，表S1列出了不同方法的對(duì)比（見(jiàn)本文支持信息）.經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以甲醇為溶劑的方法得到了菱形十二面體且粒徑分布較為均勻，因此本文采用甲醇作溶劑合成ZIF-8 材料［22］.將1.79 g 2-甲基咪唑溶解在60 mL 濃度為25%的氨水溶液中，將該溶液緩慢加入含有3.27 g Zn（NO3）2?6H2O和75 mL甲醇的錐形瓶中，常溫下靜置20 h.隨后，將上述混合物在4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心5 min，獲得白色固體，將白色固體重新溶解在甲醇中并離心5 min，重復(fù)該步驟3次.最后，將離心后的白色固體置于85 ℃的烘箱中干燥12 h.

1.2.3 ZIF-8-Nafion/ITO工作電極的修飾 將ITO電極浸入1 mol/L氫氧化鈉乙醇溶液中12 h，然后用去離子水清洗，用丙酮超聲5 min，再用無(wú)水乙醇超聲5 min.將清洗好的ITO 電極保存在無(wú)水乙醇中待用.將一定質(zhì)量的 ZIF-8粉末分散在1.0 mL乙醇溶液中形成分散液A，將溶液A與等體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Nafion 117乙醇溶液（分散液B）混合并超聲30 min，以形成ZIF-8-Nafion分散液C.將打有3 mm孔洞的雙面膠粘合在潔凈的ITO玻璃上使其僅暴露出直徑為3 mm的工作區(qū)域.取一定體積的分散液C滴在ITO電極的工作區(qū)域，置于室溫下直到ZIF-8-Nafion干燥成膜，再用去離子水沖洗電極表面，獲得ZIF-8-Nafion/ITO修飾電極.將上述制備好的PDMS微流控通道模板組裝到修飾的ITO電極上面即構(gòu)成一個(gè)微流控三電極工作平臺(tái).

1.2.4 重金屬離子溶液樣品的配制 量取5 mL 0.1 mol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖液（pH=5.5）于電解池中，分別加入10 μL 5 mmol/L 九水合硝酸鎘［Cd（NO3）2·9H2O］、硝酸鉛［Pb（NO3）2］、硝酸汞［Hg（NO3）2］溶液，置于超聲清洗器中超聲1 min，使重金屬離子分散均勻，從而配制成10 μmol/L 的Hg2+，Pb2+和Cd2+離子溶液.

實(shí)際樣品溶液的配制：稱量552.4 mg醋酸鈉固體溶于50 mL的湖水或?qū)嶒?yàn)室污水中再加入196.1 mg（約為1.87 mL）冰醋酸，最后加湖水至100 mL，用PH400酸度測(cè)定儀（美國(guó)科諾工業(yè)有限公司）測(cè)定其溶液pH值并用鹽酸或者氫氧化鈉溶液進(jìn)行微調(diào)，最終配制成pH=5.5的醋酸-醋酸鈉湖水樣品.稱取1.0 g 土壤樣品置于60 ℃烘箱中干燥2 h，研磨后溶于10 mL 醋酸-醋酸鈉緩沖液（0.1 mol/L，pH=5.5）中，所得懸濁液用0.22 μm MCE膜過(guò)濾.

1.2.5 電化學(xué)檢測(cè) 電化學(xué)CV 曲線在5 mmol/L K3Fe（CN）6，K4Fe（CN）6和0.1 mol/L KCl 的混合水溶液（簡(jiǎn)稱［Fe（CN）6］3-/4-溶液或［Fe（CN）6］3-/4-solution）中測(cè)試，掃描電壓為-0.2～0.6 V，掃描速率為0.1 V/s（除非特別指明）.電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試的交流電壓為10 mV，頻率為0.1～106Hz，直流電壓為0 V.重金屬離子測(cè)試在pH=5.5 的0.1 mol/L 醋酸-醋酸鈉緩沖液中進(jìn)行，在DPV 溶出前，需先在-0.9 V的電壓下富集120 s（除非特別指明）.DPV 溶出電壓為-1.05～1.0 V，增幅為0.05 V，脈沖寬度為0.05 s，脈沖周期為0.5 s.每次測(cè)試后需在干凈的緩沖液中施加+1.0 V 電壓30 s 解析重金屬離子，然后測(cè)DPV直到無(wú)明顯響應(yīng)信號(hào)為止.

2 結(jié)果與討論

2.1 ZIF-8 MOF及ZIF-8-Nafion的表征

采用XRD，F(xiàn)TIR及SEM技術(shù)對(duì)合成的MOF進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖1所示.圖1（A）為ZIF-8 MOF材料的XRD譜圖，2θ的峰位在 7.26°，10.30°，12.62°，14.60°，16.38°，17.99°和22.04°，分別對(duì)應(yīng)沸石咪唑酯骨架的（110），（200），（211），（220），（310），（222）及（411）晶面（JCPDS 00-062-1030）［22，23］.FTIR 譜圖［圖1（B）］中2932 和3134 cm-1處的吸收帶對(duì)應(yīng)咪唑上芳基與脂肪鏈的C—H 伸縮振動(dòng)；1376～1580 cm-1處的吸收帶對(duì)應(yīng)整個(gè)咪唑環(huán)的伸縮振動(dòng)，其中1580 cm-1處的峰可以歸屬于2-甲基咪唑的C=N 鍵伸縮振動(dòng)；693～759 cm-1和949～1307 cm-1處吸收帶分別為咪唑環(huán)在平面內(nèi)與平面外的彎曲形變；1460～1143 cm-1和421 cm-1吸收峰分別為C—N鍵和Zn—N鍵的伸縮振動(dòng)［22，23］.所得XRD 與紅外光譜表征結(jié)果與文獻(xiàn)［22～24］報(bào)道的數(shù)據(jù)一致.采用SEM 表征了ZIF-8 材料的形貌和元素分布，從圖1（C）可以看出，ZIF-8晶體顆粒邊緣清晰且呈現(xiàn)正六面體與菱形十二面體的混合物，對(duì)晶體顆粒大小進(jìn)行柱狀圖及Gaussian函數(shù)擬合分析（見(jiàn)支持信息中圖S1）得出平均顆粒大小為（74±24）nm，與文獻(xiàn)［11，22，23］報(bào)道的結(jié)果相當(dāng).圖1（D）～（F）展示了ZIF-8 材料的ZnLα，CKα及NKα的能量色散光譜（EDX）掃描圖，可以看出Zn，C，N 3種元素分布相對(duì)均勻.

Fig.1 XRD pattern(A),FTIR spectrum(B),SEM image,and Zn Lα(D),C Kα(E),N Kα(F) EDX mappings of ZIF-8 nanocrystals

采用0.5%的Nafion 117乙醇溶液與ZIF-8乙醇溶液混合來(lái)修飾ITO電極（其中Nafion乙醇溶液干燥成膜的性能可有效包覆和固定ZIF-8在電極表面［25］）.從圖S2（A）（見(jiàn)本文支持信息）的XRD譜圖可以看出，隨著Nafion 的加入譜圖在15°～25°處出現(xiàn)一個(gè)寬峰，為非晶體Nafion 膜的2θ峰［26］，ZIF-8 的特征峰依然存在說(shuō)明晶體性質(zhì)未發(fā)生本質(zhì)變化［27］.從圖S2（B）的FTIR 譜圖可以看出，ZIF-8-Nafion 比ZIF-8在1250 cm-1（—CF2）、1062 cm-1（—SO3）、639 cm-1（—C—H）和520 cm-1（—C—F）處增加了透射峰，和文獻(xiàn)［28］報(bào)道相符.ZIF-8-Nafion 的SEM 照片［圖S2（C）］證明了Nafion 包裹的ZIF-8 在電極表面成膜，部分ZIF-8顆粒凸出在膜表面，與Nafion包裹SiO2/SiWA（SiWA為硅鎢酸）膜相似［28］；其EDX圖（見(jiàn)本文支持信息中圖S3）表明ZIF-8-Nafion 膜的各元素（ZnLα，NKα，F(xiàn)Kα，CKα及SKα）均衡分布在電極表面，即使部分凸起的 ZIF-8顆粒仍通過(guò)Nafion與電極緊密結(jié)合.

2.2 ZIF-8-Nafion/ITO 工作電極的電化學(xué)性能

為了驗(yàn)證ZIF-8-Nafion 修飾ITO 電極（ZIF-8-Nafion/ITO）的導(dǎo)電性，測(cè)定了ZIF-8-Nafion/ITO 和Nafion修飾ITO（Nafion/ITO）電極在5 mmol/L［Fe（CN）6］3-/4-溶液中的循環(huán)伏安曲線（CV）和EIS譜.從圖2（A）可以看出，ZIF-8-Nafion/ITO 修飾電極的陽(yáng)極峰電流Ipa（120 μA）比Nafion/ITO 的Ipa（6.1 μA）更高；圖2（B）所示EIS圖也證明Nafion/ITO電極（14.9 kΩ）相對(duì)于ZIF-8-Nafion/ITO（409 Ω）具有更高的薄膜電阻.CV 和EIS 表征都證明ZIF-8-Nafion/ITO 比Nafion/ITO 具有更好的導(dǎo)電性，潛在原因是ZIF-8 乙醇溶液和Nafion乙醇溶液的混合（體積比1∶1），將Nafion溶液濃度降低1倍，使得干燥后的Nafion薄膜厚度有效降低從而阻抗減小.圖2（C）及其插圖顯示了ZIF-8-Nafion/ITO隨電化學(xué)掃速變化的CV圖和Ipa及Ipc與掃速平方根v1/2的線性關(guān)系，說(shuō)明氧化還原物質(zhì)在電極表面的反應(yīng)是受擴(kuò)散控制的.圖2（D）展示了ZIF-8-Nafion/ITO 和Nafion/ITO 電極對(duì)Cd2+，Pb2+及Hg2+的微分脈沖伏安法（DPV）響應(yīng)，ZIF-8-Nafion/ITO修飾電極對(duì)Cd2+，Pb2+及Hg2+的Ipa分別為40.5，55.0 及26.4 μA 而Nafion/ITO 電極僅為20.4，22.0 和7.64 μA.ZIF-8-Nafion/ITO中ZIF-8材料具有大的比表面積，能夠通過(guò)金屬與N和 O原子間的靜電交換作用實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度金屬離子（濃度<250 mg/L時(shí)）的表面吸附［29］.

Fig.2 CV curves of ZIF-8-Nafion/ITO(a) and Nafion/ITO(b) electrodes in 5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4- solution(A),and the associated Nyquist curves(B),scan rate-dependent CV and the peak current vs.v1/2 with v from 0.5,0.3,0.1,0.05,0.03 to 0.01 V/s(C),DPV responses of ZIF-8-Nafion/ITO(a) and Nafion/ITO(b) electrodes to 0.010 mmol/L Cd2+,Pb2+ and Hg2+ in NaAc-HAc buffer(pH=4.5)(D)

2.3 基于微流控通道電化學(xué)傳感器的工作原理

為了考察MOF多孔材料、微流控技術(shù)及電化學(xué)方法結(jié)合對(duì)重金屬檢測(cè)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)了以ZIF-8 MOF材料修飾的ITO玻璃作為工作電極的微流控通道電化學(xué)池結(jié)果如圖3所示.首先用光刻硅片的方法制備相關(guān)的微流控通道硅片模板，將PDMS 預(yù)聚物澆筑在硅片模板上并烘干使PDMS 聚合硬化為PDMS微流控通道，在通道一端打孔3 mm做電化學(xué)池并在兩端分別接上硅膠導(dǎo)管作為微流控通道的上部［圖3（A）］.采用ZIF-8-Nafion 溶液修飾ITO 電極的工作區(qū)域作為微流控電化學(xué)池的下部，隨后把PDMS 微流控通道模板組裝到工作電極表面，即制成含有三電極系統(tǒng)微型電化學(xué)池的微流控芯片［圖3（B）及本文支持信息圖S4（C）～（E）］.微流控技術(shù)能夠連續(xù)不斷地泵取容器中的溶液進(jìn)入芯片中心的電化學(xué)池中，并保持電極表面溶液的更新，可以模擬攪動(dòng)狀態(tài)下的恒電壓金屬離子沉積技術(shù)，對(duì)金屬離子在電極表面的富集沉積以及電極的穩(wěn)定性是有利的；同時(shí)ZIF-8多孔材料能夠有效地吸附金屬離子，因而制備的微流控電化學(xué)池可以用來(lái)實(shí)時(shí)、高靈敏地監(jiān)測(cè)流動(dòng)溶液中重金屬離子的濃度［圖3（C）］.

Fig.3 Schematic illustration of the fabrication of PDMS microfluidic channel(A),the PDMS device with ZIF-8-Nafion/ITO working electrode and Ag reference and counter electrodes(B),and using of syringe and pump for microfluidic-control determination of metal ions(C)

2.4 微流控通道的性能驗(yàn)證

微流控通道的硅片模板實(shí)物圖如圖S2（A）所示，其拓印的PDMS 通道寬度為300 μm［圖S4（B）］.采用具有可逆氧化還原反應(yīng)的K3Fe（CN）6和K4Fe（CN）6混合溶液對(duì)微流控電化學(xué)池［圖4（A）］進(jìn)行了電化學(xué)可行性驗(yàn)證.采用微流泵控制注射器真空吸微流控通道尾端的硅膠管使K3Fe（CN）6和K4Fe（CN）6混合溶液流入電化學(xué)池并同時(shí)采用循環(huán)伏安法（CV）測(cè)試.如圖4（B）所示，在溶液流動(dòng)的狀態(tài)下K3Fe（CN）6和K4Fe（CN）6探針在微流控電化學(xué)池中的氧化還原峰分別在0.270和0.058 V，展現(xiàn)出良好、可逆且穩(wěn)定的（連續(xù)掃描100圈）氧化還原性質(zhì).以上結(jié)果證明微流控電化學(xué)池在待測(cè)溶液流動(dòng)的狀態(tài)下展現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，并能穩(wěn)定控制流速在30 μL/min工作1 h以上.

Fig.4 Photo of PDMS microfluidic device on an ITO electrode(A),and CV characterization(100 cycles) of the ZIF-8-Nafion/ITO incorporated PDMS microfluidic chip using 5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4- solution(B)

2.5 條件優(yōu)化及線性關(guān)系

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)條件顯著影響金屬離子的電流響應(yīng)，因此對(duì)ZIF-8的載量、ZIF-8-Nafion溶液的滴涂量、緩沖液pH 值、沉積電位（Ed）和時(shí)間（td）等進(jìn)行了優(yōu)化.圖5（A）～（D）展示了ZIF-8 在0.5%Nafion 乙醇溶液中的載量?jī)?yōu)化（0～3.0 mg/mL）結(jié)果.從圖5（A）可以看出，［Fe（CN）6］3-/4-的氧化還原電流先隨著ZIF-8載量的增加而增大，當(dāng)ZIF-8載量為2.0 mg/mL 時(shí)最大.隨后，隨著ZIF-8載量的增加，氧化還原信號(hào)開(kāi)始下降.該CV的響應(yīng)趨勢(shì)與EIS得出的薄膜電阻［圖5（B）］的趨勢(shì)一致，說(shuō)明其氧化還原信號(hào)的改變主要是由ZIF-8-Nafion修飾層的電阻改變引起的.采用不同ZIF-8載量的修飾電極對(duì)含有0.010 mmol/L Cd2+，Pb2+及Hg2+的醋酸-醋酸鈉溶液（pH=4.5）進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其金屬離子的溶出峰電流Ip［圖5（C）和（D）］呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，即在ZIF-8載量為2.0 mg/mL時(shí)其峰電流最高.需要注意的是，當(dāng)ZIF-8 載量為0 時(shí)（此時(shí)電極表面為純Nafion 膜），Cd2+，Pb2+及Hg2+的響應(yīng)信號(hào)分別為2.3，4.7 和1.7 μA，說(shuō)明金屬離子可以在純Nafion膜上沉積，但是ZIF-8的適當(dāng)引入能夠增加金屬離子的沉積.

Fig.5 CV curves of ZIF-8-Nafion/ITO electrodes with different ZIF-8 loading concentrations(0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,and 3.0 mg/mL in 0.5% Nafion ethanolic solution) in 5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4- solution(A),the associated Nyquist curves from EIS measurement(the full curve of Nafion film is shown in Supplementary Information Fig.S5)(B),the DPV responses of above mentioned ZIF-8-Nafion/ITO electrodes to 0.010 mmol/L Cd2+,Pb2+,Hg2+ in NaAc-HAc buffer(pH=4.5)(C),the associated Ip vs.ZIF-8 loading amount(D),Ip vs.ZIF-8 loading volume(E),Ed(F),td(G),and pH(H) optimization results

由圖5（E）可見(jiàn)，當(dāng)?shù)瓮苛繛?8 μL/cm2時(shí)Ip響應(yīng)最高（相應(yīng)的DPV 曲線見(jiàn)本文支持信息中圖S6）.ZIF-8具有多納米孔腔的構(gòu)造［6～8］，對(duì)金屬離子具有良好的吸附作用，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬離子在其表面的富集［9～11］，因此當(dāng)ZIF-8滴涂量從4 μL/cm2增加到28 μL/cm2時(shí)，Ip逐步增加.隨著ZIF-8-Nafion滴涂量的繼續(xù)增加，其復(fù)合膜的電阻作用顯著提高，使得電極的導(dǎo)電性降低，Ip也隨之降低.從圖5（F）可以看出，在Ed=-0.9 V時(shí)Cd2+，Pb2+及Hg2+的Ip最高.較低的Ip有助于保證金屬離子在電極表面沉積，因此當(dāng)Ed從-0.6 V降低到-0.9 V時(shí)金屬離子的Ip不斷增加.但是當(dāng)Ed降低到-1.0 V時(shí)，ITO電極中的SnO和SnO2被沉積和溶出（圖S6中相應(yīng)的DPV曲線可以看到很強(qiáng)的Sn2+溶出峰）.沉積時(shí)間（td）對(duì)金屬離子的沉積量同樣有影響，td過(guò)短不利于金屬離子的充分沉積，而太長(zhǎng)則影響測(cè)量的時(shí)間和效率.從圖5（G）可以看出，td對(duì)Cd2+和Pb2+的影響較大而對(duì)Hg2+的影響較小，故選擇120 s作為最佳td.緩沖液pH值對(duì)ITO電極的穩(wěn)定性、金屬離子的水解和沉淀有顯著的影響，pH值較低將使ITO的氧化銦錫發(fā)生溶解，而較高則金屬離子會(huì)發(fā)生水解沉淀而導(dǎo)致信號(hào)下降，由圖5（H）可知，pH=5.5為金屬離子檢測(cè)的最佳值.

在最佳的檢測(cè)條件下，通過(guò)對(duì)不同濃度的重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在0.1～100 μmol/L 的濃度（c，μmol）范圍內(nèi)微流控傳感器的Ip與Cd2+，Pb2+及Hg2+的濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系（圖6），其線性回歸方程分別為

Cd2+，Pb2+及Hg2+的檢出限分別為0.055，0.0025及0.0016 μmol/L（S/N=3）.該法的檢出限低于重金屬污染管控標(biāo)準(zhǔn)（Cd2+，Pb2+及Hg2+的要求分別為2.7，103.6和6.5 μmol/L），所以該傳感器的靈敏度滿足檢測(cè)要求［30］.

Fig.6 DPV responses of different concentrations of Cd2+,Pb2+ and Hg2+ using ZIF-8-Nafion/ITO-based PDMS microfluidic devices(A) and the corresponding Ip vs.c with straight lines of linear fit of the scatters(B)

2.6 微流控傳感器的檢測(cè)性能

采用200 μmol/L 的Ni+，Mg2+，Na+，K+，F(xiàn)e2+，Zn2+，Ca2+，Cl-，SO42-及NO3-考察了干擾離子對(duì)傳感器檢測(cè)信號(hào)的影響.如圖7（A）和（B）所示，3種金屬離子的Ip值基本保持不變，Ip相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均低于6.0%，說(shuō)明電極具有良好的抗干擾能力.測(cè)定了6 個(gè)獨(dú)立微流控電化學(xué)池對(duì)金屬離子的DPV（圖S7，見(jiàn)本文支持信息）和Ip值［圖7（C）］，發(fā)現(xiàn)不同電極之間的重現(xiàn)性良好（3 種離子Ip值的RSD<10%）.為探究證微流控器件流動(dòng)狀態(tài)對(duì)重金屬離子檢測(cè)的影響，首先在微流控電化學(xué)池溶液靜止的條件下連續(xù)進(jìn)行金屬離子測(cè)定，發(fā)現(xiàn)Ip值隨著掃描圈數(shù)的增加而遞減（圖S8，見(jiàn)本文支持信息），說(shuō)明小電化學(xué)池（體積為28.3 μL）中溶液的靜止?fàn)顟B(tài)不利于金屬離子的沉積.而在溶液流動(dòng)的狀態(tài)下，對(duì)同一支傳感器進(jìn)行連續(xù)富集和DPV 掃描5次［圖7（D）］，3種離子Ip的RSD 值<3.0%，說(shuō)明流動(dòng)的溶液有利于電極表面溶液的更新，提高了電極的穩(wěn)定性；對(duì)同一傳感器進(jìn)行連續(xù)15 天的測(cè)試［隔天一測(cè)，圖7（E）］，其第15天的Ip值仍然分別保留了首次檢測(cè)值的90%，92%和97%，證明了傳感器具有良好的穩(wěn)定性.傳感器的再生性能對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)不同濃度的重金屬離子具有重要作用.通過(guò)對(duì)同一微流控電化學(xué)池連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)試5，20 和10 μmol/L 的流動(dòng)溶液，發(fā)現(xiàn)傳感器在測(cè)量20 μmol/L 高濃度溶液之后對(duì)10 μmol/L的低濃度溶液還具有準(zhǔn)確的響應(yīng)［圖7（F）］，證明該類型傳感器具有良好的再生性能，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重金屬離子濃度的變化.

Fig.7 DPV responses(A) and Ip of the as-fabricated devices to 10 μmol/L Cd2+,Pb2+ and Hg2+ with interfering ions(B),Ip of 6 separated PDMS devices(C),Ip of the 5 continuous cycles(D),Ip of determination using a PDMS device for 15 d with 1 d interval(E),and Ip of the real time determination of 5,20,and 10 μmol/L Cd2+,Pb2+ and Hg2+ in buffer solutions(F)

采用微流控傳感器對(duì)湖水、土壤和實(shí)驗(yàn)室污水樣品進(jìn)行檢測(cè).通過(guò)對(duì)空白緩沖溶液的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，湖水樣品含有0.705 μmol/L Pb2+和0.133 μmol/L Hg2+.不同濃度（5，20和50 μmol/L）的加標(biāo)檢測(cè)結(jié)果和加標(biāo)回收率如表1所示（實(shí)驗(yàn)室污水樣品檢測(cè)結(jié)果列于表S2，見(jiàn)本文支持信息）.加標(biāo)回收率在91.4%～108%之間，證明該微流控電化學(xué)平臺(tái)具有良好的實(shí)際樣品檢測(cè)能力，具有廣泛的應(yīng)用前景.

Table 1 Determination of Cd2+,Pb2+ and Hg2+ in lake water and soil

3 結(jié)論

構(gòu)建了基于ZIF-8 MOF基修飾ITO電極的微流控電化學(xué)檢測(cè)傳感器，并將其用于電化學(xué)同時(shí)檢測(cè)Cd2+，Pb2+及Hg2+.基于具有大比表面積的豐富微孔ZIF-8材料吸收和固定多種重金屬離子、微流控技術(shù)使得待測(cè)溶液大通量地通過(guò)活性工作電極表面以及電化學(xué)恒電位富集和溶出伏安法的多重優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多種金屬離子的高靈敏檢測(cè).該類傳感器對(duì)Cd2+，Pb2+及Hg2+在0.1～100 μmol/L的濃度范圍內(nèi)具有良好的檢測(cè)性能，檢出限分別為0.055，0.0025及0.0016 μmol/L（S/N=3）.同時(shí)，研制的傳感器體積小、樣品需求量低、便于攜帶及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)，具有潛在的應(yīng)用前景.

支持信息見(jiàn)http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20230395.

感謝閩南師范大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院高鳳副教授在實(shí)驗(yàn)過(guò)程的探討與方案制定,為后續(xù)項(xiàng)目順利進(jìn)行提供了可行性.