一种重金属检测装置及其检测方法

摘要

本发明涉及传感器技术领域，公开了一种重金属检测装置以及检测方法，所述重金属检测装置包括：传感器装置设置于用于承装含有重金属离子的待测液的反应池装置中；所述传感器装置包括工作电极、参比电极和对电极，其中，所述工作电极为表面负载二氧化钛纳米管阵列层的钛片；所述传感器装置与所述恒电位仪连接；所述恒电位仪分别与信号处理模块和单片机模块连接，所述单片机模块与显示存储模块连接；所述的辅助系统包括至少一个激发光源和至少一个超声波装置。实施本发明的有益效果主要有：解决了现有技术中的重金属传感器测量准确性差和长期稳定性差的问题。

权利要求

1.一种重金属检测装置，其特征在于，所述重金属检测装置包括：传感器装置、反应池装置、辅助系统、恒电位仪模块、信号处理模块、单片机模块和显示存储模块；

所述传感器装置设置于所述反应池装置中，所述反应池装置用于承装含有重金属离子的待测液；

所述传感器装置包括工作电极、参比电极和对电极，其中，所述工作电极为在钛片上阳极氧化，并经高温煅烧处理得到的表面负载二氧化钛纳米管阵列层的钛片，所述二氧化钛纳米管阵列层的厚度为1～10μm；组成所述二氧化钛纳米管阵列层中的二氧化钛纳米管的外径为110～150nm、长径比为7～12，平均管壁厚度20～22nm；

所述工作电极、所述参比电极和所述对电极与所述恒电位仪连接；所述恒电位仪分别与所述信号处理模块及所述单片机模块连接，所述单片机模块与所述显示存储模块连接；

所述的辅助系统包括至少一个激发光源和至少一个超声波装置，其中，所述激发光源为水体消解和光催化还原光源；

其中，所述重金属以有机络合物的形式存在，所述重金属包括汞。

2.根据权利要求1所述的重金属检测装置，其特征在于：

所述反应池装置设置有至少一个用于透过激发光源的窗口，所述激发光源正对工作电极设置于所述反应池的窗口外侧。

3.根据权利要求1所述的重金属检测装置，其特征在于：

所述超声波装置包括超声波振子，所述超声波振子设置于所述反应池的底部。

4.根据权利要求1所述的重金属检测装置，其特征在于：

所述信号处理模块包括电流/电压转换电路，电压放大电路，A/D转换电路；其中，所述电流/电压转换电路，用于将工作电极产生的电流信号转换成电压信号；所述电压放大电路，用于将电压信号进行放大处理；所述A/D转换电路，用于将放大处理后的电压信号经模数转换后发送给单片机模块；

所述单片机模块，用于产生电压激励信号，接受工作电极在检测过程产生的电流响应信号，输出给显示存储模块；

所述显示储存模块，用于储存并显示检测结果。

5.根据权利要求1所述的重金属检测装置，其特征在于：所述传感器装置的工作电极的制备方法包括以下步骤：步骤S1：将钛片基体在化学抛光液中进行抛光，将抛光后的钛片基体分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15～25min，吹干待用；

步骤S2：采用两电极法进行阳极氧化反应，钛片基体为阳极放入电解液中，在钛片基体两侧各放置一根铂丝为阴极，其中，所述电解液包括体积比为50:50～60:40的丙三醇和去离子水，浓度为0.2～0.27M的氟化铵；

步骤S3：将所述钛片基体在15～35V阳极氧化电压下氧化0.5～1.5h后，退火处理在所述钛片基体表面得到结晶化的二氧化钛纳米管阵列层；其中退火温度为350～550℃，升温速率为1～3℃/min，保温时长为2～4h。

6.一种重金属检测装置的检测方法，其特征在于，所述重金属检测装置的检测方法包括：步骤1：将传感器装置的工作电极、参比电极和对电极分别通过导线与重金属检测装置的恒电位仪模块连接；其中，所述工作电极为在钛片上阳极氧化，并经高温煅烧处理得到的表面负载二氧化钛纳米管阵列层的钛片，所述二氧化钛纳米管阵列层的厚度为1～10μm；组成所述二氧化钛纳米管阵列层中的二氧化钛纳米管的外径为110～150nm、长径比为7～12，平均管壁厚度20～22nm；

步骤2：将待测液装入反应池装置中，所述工作电极、所述参比电极和所述对电极浸入被检测溶液中，开启激发光源和超声波装置对待测液进行消解，使被有机物络合的重金属离子充分释放出来，重金属离子在所述工作电极表面被光催化还原成零价的重金属单质，沉积在所述工作电极表面；

步骤3：关闭所述激发光源和所述超声波装置，在单片机模块上设置溶出伏安参数；

步骤4：所述单片机模块产生电压激励信号并发送给信号处理模块，所述信号处理模块将所述单片机模块发送的电压激励信号加载到传感器装置的所述参比电极和所述对电极上；

步骤5：步骤2中的零价重金属再次被氧化成二价的重金属离子，所述信号处理模块采集工作电极在检测过程中产生的电流响应信号，所述电流响应信号经放大电路放大并发送给单片机模块；所述单片机模块接收到的电流响应信号进行处理后，获得溶出伏安曲线和重金属检测结果进行存储和显示；

步骤6:打开所述超声波振子电源，在所述单片机模块上设置清洗参数，将步骤5中未被氧化的零价重金属彻底氧化成二价的重金属离子，并在超声辅助下从所述工作电极表面脱附释放回待测液；

采用溶出伏安曲线表征金属离子的检测结果；其中，溶出伏安曲线上在-0.6V左右的溶出峰对应Pb2+离子信号，Pb2+离子浓度对应于电流响应信号大小；溶出伏安曲线上在+0.3V左右的溶出峰对应Hg2+离子信号，Hg2+离子浓度对应于电流响应信号大小。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，步骤3中的所述溶出伏安参数设置如下：扫描起始电位：-1.2V；结束电位：0.5V；扫描频率：15Hz；幅值：25mV；步进电压：5mV。

说明书

一种重金属检测装置及其检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器领域，特别涉及一种重金属检测装置及其检测方法。

背景技术

[0002] 随着社会工业的发展，人类的生存环境也逐渐恶化，其中水体的重金属离子污染尤为突出。重金属离子，如铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、铜(Cu)、砷(As)等，即使微量存在都会对人体和环境产生极大的危害。在重金属检测中最常用的是阳极溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry,ASV)，它是一种重要的电化学分析方法。ASV测试包括三个步骤：
电沉积、溶出、清洗。首先，将重金属离子于恒电位下在工作电极表面还原成金属单质，静置一段时间后，再通过电位扫描使重金属在特定峰位溶出并形成峰电流。由于阳极溶出峰电流的大小与被测离子的浓度成线性关系，可作为对其定量分析的依据。

[0003] 因此，电沉积过程(重金属离子还原成重金属单质)在ASV中作用明显，它决定了重金属检测装置性能的好坏。越多重金属离子被还原，响应信号越大，表明水体中重金属离子浓度越高。在实际水体中，部分重金属以有机络合物的形式存在，很难采用电沉积方法将其还原出来。因此，需在测量前端加入紫外光消解环节，等待水样消解完毕后在转移至测量池，这往往耗时且不利于现场的快速检测。此外，为了提高检出性能，常采用纳米材料来修饰玻碳电极，利用纳米材料的高表面积、高吸附容量等特性，来增大被还原重金属单质的总量。然而，在实际使用中，纳米材料易于从玻碳电极表面流失，影响了重金属检测装置的测量准确性和长期稳定性。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是现有技术中的重金属传感器测量准确性差和长期稳定性差的问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种基于集成光催化还原和超声波辅助的重金属检测装置及其检测方法，本发明的技术方案是这样实施的：

[0006] 一种重金属检测装置，所述重金属检测装置包括：传感器装置、反应池装置、辅助系统、恒电位仪模块、信号处理模块、单片机模块和显示存储模块。所述传感器装置设置于所述反应池装置中，所述反应池装置用于承装含有重金属离子的待测液；所述传感器装置包括工作电极、参比电极和对电极，其中，所述工作电极为表面负载二氧化钛纳米管阵列层的钛片；所述工作电极、参比电极和对电极与所述恒电位仪连接；所述恒电位仪，用于保证工作电极和参比电极间的电位恒定；所述恒电位仪分别与信号处理模块和单片机模块连接，所述单片机模块与显示存储模块连接；所述的辅助系统包括至少一个激发光源和至少一个超声波装置。

[0007] 优选地，所述二氧化钛纳米管阵列层的厚度为1～10μm；组成所述二氧化钛纳米管阵列层中的二氧化钛纳米管的外径为110～150nm、长径比为7～12，平均管壁厚度20～22nm。

[0008] 优选地，所述反应池装置设置有至少一个用于透过激发光源的窗口，所述激发光源正对工作电极设置于所述反应池的窗口外侧；其中，所述激发光源为水体消解和光催化还原光源。

[0009] 优选地，所述超声波装置包括超声波振子，所述超声波振子设置于所述反应池的底部。

[0010] 优选地，所述信号处理模块包括电流/电压转换电路，电压放大电路，A/D转换电路；其中，所述电流/电压转换电路，用于将工作电极产生的电流信号转换成电压信号；所述电压放大电路，用于将电压信号进行放大处理；所述A/D转换电路，用于将放大处理后的电压信号经模数转换后发送给单片机模块；所述单片机模块，用于产生电压激励信号，接受工作电极在检测过程产生的电流响应信号，输出给显示存储模块；所述显示储存模块，用于储存并显示检测结果。

[0011] 优选地，所述传感器装置的工作电极的制备方法包括以下步骤：步骤S1：将钛片基体在化学抛光液中进行抛光，将抛光后的钛片基体分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15～25min，吹干待用；步骤S2：采用两电极法进行阳极氧化反应，钛片基体为阳极放入电解液中，在钛片基体两侧各放置一根铂丝为阴极，其中，所述电解液包括体积比为50:50～60:40的丙三醇和去离子水，浓度为0.2～0.27M的氟化铵；步骤S3：将所述钛片基体在15～35V阳极氧化电压下氧化0.5～1.5h后，退火处理在钛片基体表面得到结晶化的二氧化钛纳米管阵列层；其中退火温度为350～550℃，升温速率为1～3℃/min，保温时长为2～
4h。

[0012] 一种重金属检测装置的检测方法，所述重金属检测装置的检测方法包括：步骤1.将传感器装置的工作电极、参比电极和对电极分别通过导线与重金属检测装置的恒电位仪模块连接；步骤2.将待测液装入反应池装置中，所述工作电极、参比电极和对电极浸入被检测溶液中，开启激发光源和超声波装置对待测液进行消解，使被有机物络合的重金属离子充分释放出来，重金属离子在工作电极表面被光催化还原成零价的重金属单质，沉积在工作电极表面；步骤3.关闭激发光源和超声波装置，在单片机模块上设置溶出伏安参数；步骤4.单片机模块产生电压激励信号并发送给信号处理模块，信号处理模块将将单片机模块发送的电压激励信号加载到传感器装置的参比电极和对电极上；步骤5.步骤S2中的零价重金属再次被氧化成二价的重金属离子，信号处理模块采集工作电极在检测过程中产生的电流响应信号，所述电流响应信号经放大电路放大并发送给单片机模块；单片机模块接收到的电流响应信号进行处理后，获得溶出伏安曲线和重金属检测结果进行存储和显示。

[0013] 优选地，所述步骤3中的所述溶出伏安参数设置如下：扫描起始电位：-1.2V；结束电位：0.5V；扫描频率：15Hz；幅值：25mV；步进电压：5mV。

[0014] 优选地，所述步骤5之后还包括如下步骤6:打开超声波振子电源，在单片机模块上设置清洗参数，将步骤5中未被氧化的零价重金属彻底氧化成二价的重金属离子，并在超声辅助下从工作电极表面脱附释放回待测液。

[0015] 优选地，采用溶出伏安曲线表征金属离子的检测结果；其中，溶出伏安曲线上在-2+ 2+
0.6V左右的溶出峰对应Pb 离子信号，Pb 离子浓度对应于电流响应信号大小；溶出伏安曲线上在+0.3V左右的溶出峰对应Hg2+离子信号，Hg2+离子浓度对应于电流响应信号大小。

[0016] 实施本发明的有益效果主要有：

[0017] 1、本发明采用二氧化钛纳米管阵列作为工作电极，通过在金属钛片上阳极氧化，并经高温煅烧处理得到，克服了纳米材料修饰玻碳电极在水溶液中长时间浸泡后易于脱落流失，稳定性差的问题。

[0018] 2、二氧化钛纳米管阵列是在钛片金属基底通过电化学氧化的方式原位生长，再经高温煅烧处理，加固了纳米材料与基底的牢固程度，利于重金属检测的长期稳定性，并且二氧化钛作为一种高效的光催化剂，可分解去除表面吸附的有机物杂质，提供了更多的重金属吸附位。

[0019] 3、本发明采用采用超声/光催化/紫外三重消解方式对待测液进行消解，使被有机物络合的重金属离子充分释放出来，于此同时，二氧化钛纳米管阵列工作电极表面发生光催化还原反应，使二价的重金属离子还原成零价的重金属。因此，本发明中水样消解和重金属离子的还原过程是同时发生的，避免了传统水样检测中需独立的消解池和检测池，优化了检测工艺，有利于实现重金属检测的在线实时监测。

[0020] 4、在清洗步骤中，本发明采用超声波辅助的方法替代电磁转子辅助的传统方式。超声波辅助是一种更为高效的清洗脱附方式，它利用超声波在水体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对工作电极表面的重金属离子脱附处理。因此，超声波清洗是一种充分清洗的工艺，有利于节约检测时间和工作电极的重复使用。并且，传统的纳米材料修饰玻碳电极不适合于超声波清洗，这受限于纳米材料修饰玻碳电极的制备工艺。纳米材料是采用滴涂的方式修饰到玻碳电极表面，之后任其自然挥发干燥并与玻碳电极结合，纳米材料和玻碳电极之间结合力较小，因此只能采用电磁转子这种温和的方式来辅助清洗。

附图说明

[0021] 为更好地理解本发明的技术方案，可参考下列的、用于对现有技术或实施例进行说明的的附图。这些附图将对部分实施例或现有技术涉及的产品或方法进行简单的展示。这些附图的基本信息如下：

[0022] 图1为一个实施例中，重金属检测装置结构示意图。

[0023] 上述附图中，附图标记及其所对应的技术特征被主要地罗列于下表内：

[0024] 附图标记 对应的技术特征11 工作电极
12 参比电极
13 对电极
2 反应池装置
31 激发光源
32 超声波装置
4 恒电位仪模块
5 信号处理模块
6 单片机模块
7 显示存储模块

[0025] 需要注意的是，这些附图是参考图，有时为了便于突出技术细节，便于读者理解，可能会对局部的图案、形状采用夸张的手法显示出来，也可能会对线条的宽度、长度、密度，或附图构成要素的大小进行选择性地突显。对于一些实施例而言，在实施的过程中，其涉及到的物体的比例、尺寸、位置、数目等并不一定需要严格按照附图实施。为实现本发明的精神、旨意，实施人员可合理地对附图进行组合以及细节上的增减，并且实施方法也可不受以上附图的限制。

具体实施方式

[0026] 下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案或有益效果作进一步的展开描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施方式，而并非全部。

[0027] 文中提及的“本领域技术人员”或其同义词，是指代这样的一种对象：其可知晓本发明申请的申请日或者优先权日之前发明创造所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力；如果所要解决的技术问题能够促使本领域的技术人员在其他技术领域寻找技术手段，其也应具有从该其他技术领域中获知该申请日或优先权日之前的相关现有技术、普通技术知识和常规实验手段的能力。

[0028] 文中采用带有“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词语，主要是出于便于读者理解的考虑。这些词语指出了基于附图所示的相对方位或相对位置关系，或者是一些物体在使用时惯常摆放的相对方位或相对位置关系，但并不一定指示或暗示着绝对的方向或位置，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

[0029] 文中采用“第一”、“第二”、“第三”以及类似词语仅用于区分一些要素，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不表示任何顺序、数量。

[0030] 文中采用“水平”、“竖直”以及类似词语仅为了方便描述及理解，并不表示要求部件在任何实施例中必须为绝对水平或悬垂，在实际情况中可以是具有一定倾斜角度的。

[0031] 除非特指，应对术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等作广义的理解。例如，连接可以理解为固定连接、可拆卸连接，或一体地连接；可以理解为机械连接，或电连接；可以理解为直接相连、通过中间媒介间接相连，或是两个部件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0032] 除非特指，本文出现的其他技术术语或者科学术语可以具有本领域技术人员从现有技术中获取到的通常意义，若一个术语具有多种通常意义或者解释，读者应结合上下文以及本发明的旨意进行合理理解。

[0033] 另外，在不被现有技术所披露的前提下，文中记载的任何技术特征或实施例，应视为申请人作出了创造性的劳动而产生的智力成果。

[0034] 实施例一

[0035] 如图1所示，本发明提供一种集成光催化还原和超声波辅助的重金属检测装置的重金属检测装置。

[0036] 如图1所示，所述重金属检测装置包括：传感器装置、反应池装置2、辅助系统、恒电位仪模块4、信号处理模块5、单片机模块6和显示存储模块7。

[0037] 所述传感器装置设置于所述反应池装置2中，所述反应池装置2用于承装含有重金属离子的待测液。所述传感器装置包括工作电极11、所述参比电极12和所述对电极13，所述工作电极11、参比电极12和对电极13与所述恒电位仪连接，所述工作电极11为表面负载二氧化钛纳米管阵列层的钛片；所述恒电位仪模块4，用于保证工作电极11和参比电极12间的电位恒定。所述恒电位仪分别与信号处理模块5及单片机模块6连接，所述单片机模块6与显示存储模块7连接。所述单片机模块6，用于产生电压激励信号，接受工作电极11在检测过程产生的电流响应信号，输出给显示存储模块7。显示储存模块，用于储存并显示检测结果。

[0038] 本实施例中，所述恒电位仪采用AD8638作为电压跟随器，用以使对电极13始终跟随参比电极12电位变化，并与其保持同相位，从而保证工作电极11与参比电极12间的电位恒定。其中，所述工作电极11为表面负载二氧化钛纳米管阵列层的钛片，参比电极12为Ag/AgCl电极，电极为铂丝电极。具体的，所述工作电极11上的二氧化钛纳米管阵列层的厚度为1～10μm；组成二氧化钛纳米管阵列层中的二氧化钛纳米管的外径为110～150nm，长径比为
7～12，平均管壁厚度20nm。本实施例中，工作电极11由金属钛片为基体，通过在含F-电解液中阳极氧化生长二氧化钛纳米管阵列膜。垂直的纳米管阵列结构有助于缩短H+离子扩散路径，提高了检测的响应速度。

[0039] 在一个优选的实施例中，钛片基体的宽度为3～5mm，厚度为2mm，高度为3～5cm；铂丝电极的直径为1mm；钛片的纯度为99.4％。二氧化钛纳米管阵列层的厚度为6～7μm；组成所述二氧化钛纳米管阵列层中的二氧化钛纳米管的外径为120～135nm、长径比为7～10，平均管壁厚度20nm。

[0040] 所述信号处理模块5，用于采集所述重金属检测装置在检测过程中产生的电流信号，将所述电流信号转换成电压信号并进行放大处理，将经过放大的电压信号由模拟信号转换成数字信号，将所述数字信号发送至所述单片机模块6。具体的，所述信号处理模块5包括电流/电压转换电路、电压放大电路、A/D转换电路，其输出信号经单片机模块6处理后送到显示模块显示。在一个优选的实施例中，所述的电流/电压转换电路采用OP37运算放大器，将工作电极11产生的电流信号转换成电压信号。所述显示屏为液晶显示屏。所述的电压放大电路通过INA122放大器将电压信号进行放大处理后，经模数转换后发送给单片机模块6。本实施例中，所述单片机模块6为STM32芯片。采用STM32芯片作为控制器，用以产生电压激励信号，接受工作电极11在检测过程产生的电流响应信号，输出给液晶显示屏实时地显示检测结果。

[0041] 在一个优选的实施例中，所述单片机模块6包括计算机系统。具体的，所述单片机STM32与安装有重金属检测程序的笔记本电脑相连，通过软件程序设置溶出伏安参数和清洗参数，并能够实时地将检测结果显示存储。软件程序可采用Lab view、C语言、VB语言等编写。

[0042] 所述的辅助系统包括至少一个激发光源31和至少一个超声波装置32。其中，所述反应池装置2设置有至少一个用于透过激发光源31的窗口，所述激发光源31正对工作电极11设置于所述反应池的窗口外侧。所述激发光源31，为水体消解和光催化还原光源。本实施例中，所述激发光源31为波长范围在250nm～420nm的紫外激发光源31，照射时间优选15～
50min。

[0043] 在一个优选的实施例中，所述反应池装置2对称的两侧壁设置有二个激发光源31。所述激发光源31为LED紫外灯。

[0044] 所述超声波装置32包括超声波振子，所述超声波振子设置于所述反应池的底部，用于辅助清洗脱附过程。超声波振子位于反应池底部。主要起到三个作用：1)采用超声/光催化/紫外三重消解方式对待测液进行消解，使被有机物络合的重金属离子充分释放出来；2)使工作电极11表面发生光催化还原反应，使二价的重金属离子还原成零价的重金属；3)在清洗步骤中，采用超声波辅助的方法在高于溶出电位下将工作电极11表面残余的重金属单质彻底氧化成重金属离子，使其加速脱附并释放到待测液中。

[0045] 在一个优选的实施例中，将工作电极、参比电极和对电极固定设置于反应池装置2，超声波振子也固定设置于反应池装置2，使得制备更简单，检测结果更精确。

[0046] 实施例二

[0047] 本发明提供一种重金属检测装置的制备方法，所述重金属检测装置中的传感器装置的工作电极11的制备方法包括以下步骤：

[0048] 步骤S1：采用两电极法进行阳极氧化反应前，将钛片基体在化学抛光液中进行抛光，将抛光后的钛片基体分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15～25min，吹干待用。在一个优选的实施例中，所述抛光液包括体积比1:4:5的HF、HNO3和H2O。

[0049] 步骤S2：采用两电极法进行阳极氧化反应，将钛片基体放入电解液中，在钛片基体两侧各放置一根铂丝，有利于二氧化钛纳米管在钛片基体表面均匀生长。本实施例中以钛片基体为阳极，铂丝基体为阴极，将钛片基体表面氧化，得到表面负载二氧化钛纳米管阵列层的工作电极11。本实施中，所述钛片基体的宽度为3mm，厚度为2mm，高度为5cm；所述阳极和阴极之间间距为2mm。优选的，所述钛片的纯度为99.4％。

[0050] 采用双电极法进行阳极氧化反应时，所述电解液为含有氟化铵(NH4F)的丙三醇电解液。其中，所述电解液包括体积比为50:50～60:40的丙三醇和去离子水，浓度为0.2～0.27M的氟化铵。在一个优选的实施例中，反应的电解液为0.27M氟化铵的溶液，溶剂为水和丙三醇体积比为1:1的混合溶液。

[0051] 步骤S3：将所述钛片基体在25～50V阳极氧化电压下氧化0.5～1.5h后，退火处理在钛片基体表面得到结晶化的二氧化钛纳米管阵列层；其中退火温度为350～550℃，升温速率为1～3℃/min，保温为2～4h。本实施例中得到的二氧化钛纳米管阵列层的厚度为1～10μm；组成所述二氧化钛纳米管阵列层中的二氧化钛纳米管的外径为110～150nm、长径比为7～12，平均管壁厚度20～22nm。

[0052] 在一个优选的实施例中，将钛片基体在25V阳极氧化电压下氧化1h后，退火处理使二氧化钛纳米管结晶化，其中退火温度为450℃，升温速率为2℃/min，保温3h。所述优选例中制备的二氧化钛纳米管阵列是在钛片金属基底通过电化学氧化的方式原位生长，再经高温煅烧处理，加固了纳米材料与基底的牢固程度，利于重金属检测的长期稳定性。本优选实施例得到的二氧化钛纳米管阵列层的厚度为2μm；组成所述二氧化钛纳米管阵列层中的二氧化钛纳米管的外径为120nm、长径比为7，平均管壁厚度20nm。

[0053] 阳极氧化的工艺参数影响纳米管管径尺寸和纳米管长度，上述步骤中所提供的工艺参数范围可以保证纳米管结构的生成，但是在不同的工艺参数下(包括电解液体系、氧化电压、氧化时间、电极间距)，制备所得的纳米管管径尺寸和纳米管长度是不同的，纳米管的粘附性能和光催化性能均有不同。

[0054] 实施例三

[0055] 本实施例提供一种重金属检测装置的检测方法，所述重金属检测装置的检测方法包括：

[0056] 步骤1：将传感器装置的工作电极11、参比电极12和对电极13分别通过导线与重金属检测装置的恒电位仪模块4连接。

[0057] 步骤2：将待测液装入反应池装置2中，所述工作电极11、参比电极12和对电极13浸入被检测溶液中，开启激发光源31和超声波装置32对待测液进行消解，使被有机物络合的重金属离子充分释放出来，重金属离子在工作电极11表面被光催化还原成零价的重金属单质，沉积在所述工作电极表面。本实施例中，所述待测液为10～15mL，优选的所述待测液为10mL。所述激发光源31为紫外激发光源31。本实施例中开启紫外激发光源31和超声波装置
32的电源后，超声波振子产生超声波振动，具有超声/光催化/紫外三重消解方式对待测液进行消解。

[0058] 步骤3：关闭激发光源31和超声波装置32，在单片机模块6上设置溶出伏安参数。本实施例中，溶出伏安参数设置如下：扫描起始电位：-1.2V；结束电位：0.5V；扫描频率：15Hz；幅值：25mV；步进电压：5mV。

[0059] 步骤4：单片机模块6产生电压激励信号并发送给信号处理模块5，信号处理模块5将将单片机模块6发送的电压激励信号加载到传感器装置的参比电极12和对电极13上。

[0060] 步骤5：步骤S2中的零价重金属再次被氧化成二价的重金属离子，信号处理模块5采集工作电极11在检测过程中产生的电流响应信号，所述电流响应信号经放大电路放大并发送给单片机模块6；单片机模块6接收到的电流响应信号进行处理后，获得溶出伏安曲线和重金属检测结果进行存储和显示。本实施例中，采用溶出伏安曲线表征金属离子的检测结果。其中，溶出伏安曲线上在-0.6V左右的溶出峰对应Pb2+离子信号，Pb2+离子浓度对应于电流响应信号大小；溶出伏安曲线上在+0.3V左右的溶出峰对应Hg2+离子信号，Hg2+离子浓度对应于电流响应信号大小。采用重金属检测程序自动测量溶出峰的高度，并利用预先建立的重金属浓度与峰高之间的线性关系可得到被检测溶液中铅和镉的浓度。其它实施例中，本发明还可以检测其它重金属离子，例如镉，铜，砷，铬，银，锌，钴或镍。

[0061] 本实施例用实施例二中的优选实施例制得的工作电极进行重金属检测，发现本实施例对10mL海水(取自海南省海口市白沙门公园)中的Pb2+离子和Hg2+离子进行了检测都出现了溶出峰,结果表明本重金属检测装置具有很好的检测灵敏度。优选地，进行重金属检测前，进行过滤，将海水中的泥沙等杂物去除。

[0062] 步骤6：打开超声波振子电源，在单片机模块6上设置清洗参数，将步骤5中未被氧化的零价重金属彻底氧化成二价的重金属离子，并在超声辅助下从工作电极11表面脱附释放回待测液。本实施例中清洗参数设置如下：扫描电位：0.2V，扫描时间：100s。

[0063] 本发明首先采用超声/光催化/紫外三重消解方式对待测液进行消解，使被有机物络合的重金属离子充分释放出来，于此同时，二氧化钛纳米管阵列工作电极11表面发生光催化还原反应，使二价的重金属离子还原成零价的重金属。因此，本发明中水样消解和重金属离子的还原过程是同时发生的，避免了传统水样检测中需独立的消解池和检测池，优化了检测工艺，有利于实现重金属检测的在线实时监测。

[0064] 在清洗步骤中，本发明采用超声波辅助的方法替代电磁转子辅助的传统方式，有利于节约检测时间和工作电极11的重复使用。超声波辅助是一种更为高效的清洗脱附方式，它利用超声波在水体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对工作电极11表面的重金属离子脱附处理。因此，超声波清洗是一种充分清洗的工艺，有利于节约检测时间和工作电极11的重复使用。并且，传统的纳米材料修饰玻碳电极不适合于超声波清洗，这受限于纳米材料修饰玻碳电极的制备工艺。纳米材料是采用滴涂的方式修饰到玻碳电极表面，之后任其自然挥发干燥并与玻碳电极结合，纳米材料和玻碳电极之间结合力较小，因此只能采用电磁转子这种温和的方式来辅助清洗。

[0065] 在符合本领域技术人员的知识和能力水平范围内，本文实施例提及的各种实施例或者技术特征在不冲突的情况下，可以相互组合而作为另外一些可选实施例，这些并未被一一罗列出来的、由有限数量的技术特征组合形成的有限数量的可选实施例，仍属于本发明揭露的技术范围内，亦是本领域技术人员结合附图和上文所能理解或推断而得出的。

[0066] 最后需要指出的是，上文所列举的实施例，为本发明较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本发明的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本发明的保护范围或者应用。因此，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本发明的保护范围之内。