一种使用疏水性深共晶溶剂的新方法：通过带有聚合物膜的离子选择性电极改进铅的检测效果

《ChemPhysChem》：A New Way to Use Hydrophobic Deep Eutectic Solvents: Improved Lead Detection Using an Ion-Selective Electrode with a Polymer Membrane Modified by them

本研究将薄荷醇和百里香酚与octanoic acid合成的深共熔溶剂（HDES）作为聚合物膜添加剂，制备了铅离子敏感电极。实验表明，HDES最佳添加量为5% wt./wt%，使检测限降至6.28×10^-8 mol/L，选择性系数log K≤-4.4，固体接触电极检测限进一步优化至5.3×10^-9 mol/L，并成功应用于真实环境水样分析。

　　本研究探讨了一种新型的离子选择性电极（ISE）制备方法，即使用基于萜烯的疏水性深共晶溶剂（HDES）作为聚合物膜的组成成分。这种电极专门用于检测铅离子（Pb(II)），在环境分析领域具有重要的应用价值。HDES是由薄荷醇和肉桂酸组成的疏水性溶剂，其独特的物理化学性质使其成为传统有机溶剂的潜在替代品。通过调整HDES在膜中的含量，研究者成功优化了电极的性能，包括检测限、响应线性范围和特征斜率等关键参数。最终确定5%的HDES含量为最佳配置，使得电极在铅离子检测方面表现出优异的灵敏度和选择性。

离子选择性电极是一种广泛应用于化学分析的传感器，其核心在于膜材料的选择和设计。膜的性能直接决定了电极对特定离子的选择性和响应能力。传统的电极膜通常依赖于特定的离子载体（ionophore）来实现对目标离子的识别，但膜的其他组成成分，如增塑剂、聚合物基质等，也对电极的性能产生重要影响。本研究中，HDES的引入不仅改变了膜的物理性质，还显著提升了其对铅离子的识别能力。通过一系列实验，研究者发现随着HDES含量的增加，电极的灵敏度和响应线性范围均有所提高，但当HDES含量超过5%时，电极的响应曲线开始出现非线性变化，且检测限反而上升。因此，5%的HDES添加量被认为是实现最佳性能的关键点。

在研究过程中，还特别关注了电极的稳定性与可逆性。这类电极在实际应用中容易受到环境因素的影响，例如pH值、温度、光照以及样品中气体的存在。通过实验，研究者发现电极在pH 3.0至7.0范围内表现出几乎恒定的电位，这一特性对于环境样品的分析至关重要。此外，测试表明，即使在存在氧气和二氧化碳的样品中，电极的电位变化也非常微小，说明其对气体干扰不敏感。这一特性使电极能够在复杂样品中保持稳定，从而提高检测的准确性。

对于光照的影响，研究者进行了对比实验，发现电极在光照和黑暗条件下的电位差异极小，表明其在不同光环境下具有良好的一致性。这一结果进一步增强了电极在实际应用中的可靠性。同时，电极对样品中有机物的耐受性也得到了验证。环境样品中常含有有机物质，如表面活性剂和腐殖酸类物质，这些物质可能干扰电极的响应。通过使用Amberlite XAD-7树脂对样品进行预处理，可以有效吸附这些干扰物，从而提高电极信号的稳定性。实验结果表明，经过树脂预处理的样品中，电极在存在高达10 ppm的干扰物时仍能保持良好的性能，说明其在复杂环境中的适用性。

本研究还探讨了电极在实际样品中的应用效果。通过将电极用于自来水和河水样本的检测，验证了其在真实环境下的适用性。实验中采用标准加入法（standard addition method）进行测定，并通过回收率测试评估电极的准确性。结果表明，电极在检测自来水和河水中的铅离子时，回收率接近100%，说明其具有良好的再现性和检测能力。此外，该电极在处理废水样本时也表现出优异的性能，与标准参考物质的检测结果一致，进一步证明了其在实际应用中的可靠性。

本研究的创新点在于首次将基于萜烯的HDES引入到离子选择性电极的膜材料中。与传统电极相比，HDES的加入不仅提升了电极的灵敏度和选择性，还改善了其对环境因素的耐受性。这种电极的结构设计和材料选择使其在检测低浓度铅离子时表现出更高的性能。此外，研究者还开发了一种有效的样品预处理方法，即通过树脂吸附去除有机干扰物，为电极在复杂环境中的使用提供了技术保障。

HDES作为一种绿色溶剂，具有低粘度、高疏水性和良好的环境兼容性。这些特性使其在液液萃取（LLE）过程中表现出高效的金属离子提取能力。特别是在铅离子的提取方面，HDES能够迅速与溶液中的铅离子发生交换反应，从而实现高效的分离和富集。由于HDES的这些优势，研究者将其引入电极膜中，期望能够进一步提升电极的性能。实验结果表明，HDES的加入确实改善了电极的响应特性，使得检测限降低，同时增强了对干扰离子的选择性。

为了进一步提高电极的性能，研究者还开发了一种固态接触电极（SCISE）。这种电极不需要内部电解液，结构更为简单，且具备更高的稳定性和可逆性。在固态接触电极的制备过程中，使用了铜氧化物纳米颗粒与多壁碳纳米管（MWCNTs）组成的复合材料作为固态接触层。这种复合材料不仅具有良好的导电性，还能够增强电极的表面活性，从而提高其对铅离子的响应能力。实验结果显示，固态接触电极在优化后的条件下，检测限可降低至5.3×10?? mol·L?1，比传统电极具有更高的灵敏度。

本研究的另一项重要成果是开发了一种适用于实际样品的检测方法。通过对样品进行预处理，特别是使用Amberlite XAD-7树脂去除有机干扰物，研究者成功地将该电极应用于复杂环境样品的检测。这一方法不仅简化了样品处理流程，还提高了检测的准确性。此外，该电极在不同浓度的铅离子溶液中表现出良好的线性响应，说明其在宽浓度范围内具有较高的检测能力。

HDES在电极膜中的应用为环境监测提供了一种新的思路。传统的电极膜材料通常依赖于特定的离子载体，而HDES的引入使得电极膜能够更有效地识别目标离子。这不仅提高了电极的性能，还减少了对环境友好型材料的需求。此外，HDES的使用也降低了电极的制备成本，因为其可以通过简单的物理混合过程制备，无需复杂的化学合成步骤。

本研究的实验结果表明，HDES在提高电极性能方面具有显著优势。首先，HDES的加入能够有效降低电极的检测限，使其能够检测更低浓度的铅离子。其次，HDES的高疏水性使其能够减少样品中其他离子的干扰，从而提高电极的选择性。此外，HDES的使用还提高了电极的稳定性，使其在不同环境条件下仍能保持良好的响应性能。这些特性使得该电极在环境监测、工业检测和生物医学分析等领域具有广泛的应用前景。

为了验证电极的性能，研究者进行了多组实验，包括不同HDES含量的电极性能对比、电极在不同pH条件下的响应稳定性、电极对光照和气体的耐受性测试，以及在真实样品中的应用效果评估。所有实验结果均表明，该电极在检测铅离子方面具有优异的性能，特别是在降低检测限、提高选择性和增强稳定性方面表现突出。此外，该电极在实际样品中的应用也证明了其在复杂环境中的可靠性。

在实际应用中，电极的稳定性与可逆性是关键因素。研究者通过长期的电位测量和多次重复实验，确认了电极在长时间使用中电位变化极小，表明其具有良好的稳定性。同时，电极在不同浓度的铅离子溶液中表现出高度可逆的响应，说明其在重复使用时仍能保持一致的检测性能。这些特性使得该电极在实际操作中更加可靠，适用于需要长期监测的场景。

本研究的实验方法主要包括HDES的制备、电极膜的合成、电极的组装以及实际样品的检测。HDES的制备过程简单，只需将两种固体组分按一定比例混合即可。而电极膜的合成则涉及多种材料的混合与均匀化处理，以确保其良好的物理和化学性能。电极的组装过程包括膜的涂覆、电极的填充和固化，确保其在使用过程中保持稳定。实际样品的检测则通过标准加入法和回收率测试来评估电极的准确性和灵敏度。

研究者还特别关注了HDES对电极性能的具体影响机制。通过对比不同HDES含量的电极，发现其对电极响应的增强主要源于其对铅离子的高亲和力和对干扰离子的低响应。这表明HDES的引入不仅提高了电极的灵敏度，还增强了其对特定离子的选择性。此外，HDES的疏水性使其在样品中能够有效分离铅离子，减少其他离子的干扰，从而提高检测的准确性。

本研究的成果不仅拓展了HDES的应用范围，还为离子选择性电极的设计提供了新的思路。通过将HDES引入电极膜中，研究者成功开发出一种性能优越的铅离子检测电极。这种电极在检测低浓度铅离子时表现出更高的灵敏度，同时在实际样品中的应用也证明了其在复杂环境中的适用性。未来，该技术可以进一步拓展到其他重金属离子的检测，为环境监测和污染控制提供新的工具。

总之，本研究通过将基于萜烯的HDES引入到离子选择性电极的膜材料中，成功开发出一种性能优异的铅离子检测电极。该电极在检测限、选择性和稳定性方面均表现出显著优势，且在实际样品中的应用也验证了其可靠性。研究结果为HDES在环境分析中的应用提供了新的思路，也为进一步开发其他重金属离子的检测电极奠定了基础。这种新型电极的出现，不仅有助于提高检测的准确性，还为实现绿色化学和可持续分析技术提供了重要支持。