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美學(xué)者*提出氣泡成核電化學(xué)法來定量檢測(cè)表面活性劑
點(diǎn)擊次數(shù):639 更新時(shí)間:2019-12-12

    表面活性劑是指加入少量能使其溶液體系的界面狀態(tài)發(fā)生明顯變化的物質(zhì)。它能夠降低表面張力,具有分散、潤(rùn)濕、滲透、增溶、乳化、起泡等諸多性能,是一類用途廣泛的精細(xì)化工重要產(chǎn)品,素有“工業(yè)味精”的美稱。然而在實(shí)際使用過程中,大量含表面活性劑的廢水、廢渣不可避免地排入了水體、土壤等環(huán)境,未降解成分會(huì)造成土壤和水質(zhì)的污染,甚至給人體健康帶來危害。

 

     近,美國(guó)韋恩州立大學(xué)的Luo Long教授等人*提出基于氣泡成核(bubble-nucleation)的電化學(xué)方法來進(jìn)行表面活性劑的高選擇性、高靈敏度定量檢測(cè)。因?yàn)楸砻婊钚詣┑谋砻婊钚暂^高,通過觀察它對(duì)電極表面形成氣泡的影響,將氣泡成核條件的變化轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)表面活性劑濃度的測(cè)定。該方法操作方便,設(shè)備簡(jiǎn)單。以全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonate,PFOS)和全氟辛酸(perfluorooctanoate,PFOA)為目標(biāo)物,檢出限分別為80 μg/L和30 μg/L。并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典成核理論導(dǎo)出的理論模型結(jié)果是一致的。

 

     根據(jù)經(jīng)典氣泡成核理論,在氣泡形成過程中由于形成氣液界面時(shí)存在的能壘需要溶液中溶解的氣體達(dá)到過飽和狀態(tài)。而在表面活性劑分子存在時(shí),氣液界面的表面張力降低,有助于穩(wěn)定氣核,從而降低氣泡成核所需溶解氣體的過飽和程度。作者希望基于該原理將氣泡成核所需過飽和程度的變化轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào),以實(shí)現(xiàn)表面活性劑的高靈敏度和特異性檢測(cè)?;谥暗墓ぷ鳎↙angmuir, 2013, 29, 11169),作者發(fā)現(xiàn)表面活性劑具有很高的表面活性,在溶液中氫氣的濃度很低時(shí)就可以使氣泡成核。在鉑納米盤電極上能夠通過擴(kuò)散受限電流的下降來監(jiān)測(cè)鉑/氣/液界面處電還原單個(gè)氫氣氣泡的生成。在電位掃描過程中,在氣泡成核時(shí)電流快速降低,出現(xiàn)電流峰值。作者考慮通過檢測(cè)該電流峰值以實(shí)現(xiàn)水中表面活性劑的定量檢測(cè)。

 

     為了驗(yàn)證了該方法的可行性,作者以PFOS和PFOA作為模型。當(dāng)鉑納米電極在負(fù)掃過程中,電流逐漸增加到一個(gè)峰值,然后降低至低,這與氣泡在電極表面成核與形成的過程符合。因?yàn)殡S著析氫反應(yīng)的進(jìn)行,氫氣在電極表面形成氣泡并吸附在電極表面,極大增加電阻。其中,溶液中氫氣氣泡成核所需要的過飽和程度與電流峰值成正比。

 

    除此之外,作者還研究了不同碳鏈長(zhǎng)度的全氟羧酸(perfluorinated carboxylic acids,PFCA)對(duì)結(jié)果的影響(n=3, 5, 6和7),結(jié)果證明該電化學(xué)方法能很好的分辨出不同鏈長(zhǎng)的PFCA表面活性劑,并能實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。作者還利用經(jīng)典成核理論從理論計(jì)算上對(duì)該結(jié)果進(jìn)行了證明。接著作者通過加入聚乙二醇(PEG)的方式證明了該檢測(cè)方法的選擇性。

 

     在溶液中氣體成核和形成過程是一個(gè)常見的現(xiàn)象,在本工作中作者巧妙地將其與電化學(xué)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了選擇性和靈敏地檢測(cè)水體中的表面活性劑。線性范圍超過三個(gè)數(shù)量級(jí),低檢出限可達(dá)∼30 μg/L,遠(yuǎn)高于抑制型電導(dǎo)檢測(cè)法的檢出限(∼2 mg/L),比液質(zhì)聯(lián)用檢測(cè)的結(jié)果較差(0.5 μg/L)。但該方法操作簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,為檢測(cè)表面活性劑提供了一種新思路。

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