[发明专利]自支撑硼掺杂金刚石电化学传感器及制备方法

说明书

本发明提供了一种自支撑硼掺杂金刚石电化学传感器及制备方法和应用。该自支撑硼掺杂金刚石电化学传感器的制备方法包括如下步骤：1)以纳米金刚石粉为种晶籽料，均匀铺在预处理后的金属基材的表面，机械研磨后得到种晶后的金属基材；2)将所述种晶后的金属基材利用热丝化学气相沉积技术进行镀膜；其中，在金刚石形核阶段，以甲烷为碳源，氢气为刻蚀气体；在金刚石生长阶段，以乙醇为碳源，硼酸三甲酯为硼源；3)脱膜后封装，即得。本发明提供的自支撑硼掺杂金刚石电化学传感器可以满足在线监测系统对传感器提出的精准长效检测要求，有效克服了BDD薄膜传感器工作寿命短的缺点，具有在线监测水体中重金属离子，尤其是Pb²⁺的应用潜力。

技术领域

本发明涉及水体监测技术领域，更具体地，涉及一种自支撑硼掺杂金刚石电化学传感器及制备方法和应用。

背景技术

水生生态系统中Pb²⁺污染风险不断增加，要求检测传感装置满足精准长效检测的性能需求以实现重金属污染物的在线监测。相比于其他重金属离子，Pb²⁺因其快速的富集过程和严重的致毒特性已成为水质环境的监测重点。Pb²⁺还会在水生生物体内富集，并通过食物链的作用危害人类健康。

利用阳极溶出伏安法在线监测水体中的Pb²⁺是预防水质污染的唯一途径，遗憾的是，当前在线监测系统所用BDD薄膜电极无法满足精准长效检测的使用要求。阳极溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry，ASV)作为一种新型的电化学分析方法，能够有效克服色谱法、质谱法等检测方法存在的设备昂贵、检测过程繁琐、检测周期长等应用局限。同时，该方法的高灵敏度、快速的信号响应以及简便的检测过程是能满足水体现场检测和实时监测的必要条件。当前， BDD薄膜传感器逐渐成为ASV检测Pb²⁺的核心硬件。BDD作为一种新型环保的碳材料，其内部的B-C(sp³)键结构赋予其宽泛的电化学势窗、极低的背景电流、良好的理化稳定性以及低吸附特性等。BDD 上述理化优点使其在重金属监测领域具有广泛的应用潜力。然而，受限于金属基材较大的热膨胀系数和较弱的耐化学腐蚀性，BDD薄膜传感器易发生传感层的剥离而造成早期失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种自支撑硼掺杂金刚石 (Freestandingboron-doped diamond，FBDD)电化学传感器，以解决现有技术所用BDD薄膜传感器进行水中重金属检测时，无法兼具精确、长效应用要求的问题。

本发明第一目的在于提供一种自支撑硼掺杂金刚石电化学传感器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

1)以纳米金刚石粉为种晶籽料，均匀铺在预处理后的金属基材的表面，机械研磨后得到种晶后的金属基材；

2)以液态的硼酸三甲酯为硼源、甲烷为形核碳源、乙醇为生长碳源，氢气为刻蚀气体，将所述种晶后的金属基材使用热丝化学气相沉积进行镀膜；

3)脱膜后封装，即得。

本发明提供的FBDD传感器通过热丝化学气相沉积技术制得，通过鼓泡法实现硼元素在金刚石晶格中的掺杂作用。

本发明提供的自支撑材料能够完全脱离基材限制独立应用，可以克服BDD薄膜的性能缺点实现水质重金属的长效精准监测。因此，通过调整本发明的工艺参数可以制备出具有优良检测性能的FBDD电化学传感器用于检测各类水环境的重金属污染物，尤其是Pb²⁺，有效完善水质在线监测系统。

在本发明中一个优选实施方式中，步骤1)中，所述“预处理”包括如下步骤：去除金属基材的表面氧化物及不均匀固体颗粒，使用粒径为W0.5的金刚石抛光液进行抛光后，再置于乙醇和丙酮中进行超声清洗并吹干。