食品安全问题一直是人类关注的焦点。随着工农业生产的迅速发展，食品污染问题越来越严重，其中重金属是最主要的污染物质之一。重金属可以在土壤中积累和作物体内残留，通过食物链而进入人体内蓄积，构成对人体的潜在危害。人体内重金属含量过量时，会导致各种疾病的发生。食品重金属污染问题已引起全世界的高度重视和深入研究，对不同种类食品和水体中的重金属污染进行监测和分析研究，对于评价食品质量、保护人类健康和维持社会经济可持续发展具有重要的现实意义。该课题得到了上海市世博会重点项目专项基金的资助。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于1～100nm纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米复合材料是近年来发展较为迅速的一种新兴纳米材料，它是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一维以纳米级大小复合而成的纳米材料。在纳米复合材料中，纳米尺度的分散相不仅大大增加了两相界面面积，而且由于其纳米尺度效应将大大增强界面相互作用。它与单一纳米材料和纳米相材料不同，不仅具有纳米尺度物质单元的基本特性：量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、量子隧道效应、介电限域效应等，又存在纳米结构组合所引起的新效应：量子耦合效应和协同增强效应等，使得纳米复合材料的综合性能优于原组成材料而能够满足各种不同的实际应用要求，被誉为是21世纪最有前途的材料之一。随着纳米技术的发展，纳米复合材料作为一种新型的电极材料在电化学检测和分析方面受到人们的日益关注。微波辐射作为一种快速、简单和高效的加热技术，已经广泛地被运用于化学反应和多种纳米材料的合成。与传统的加热方法比较，微波加热具有快速和均匀的优点，从而可以大大加快反应速度，得到更小和更均匀的纳米粒子。微波—电化学是将微波技术与电化学原理相结合形成的一种新型科学技术，将微波技术引入电化学检测还是一个较新的领域，尤其是微波一电化学联用技术应用于重金属的检测是一种全新的理念和思路。虽然微波技术在电化学检测领域已经得到初步的应用，但这一领域的研究目前还处于起步阶段。特别是微波条件下快速合成纳米材料，并将合成的纳米材料应用于微波—电化学检测重金属离子的研究还未见报道。本论文通过电化学方法、微波辐射合成方法制备纳米复合材料，并将其作为电极材料应用于食品中痕量重金属，如Pb、Cd、Hg、As、Cr的电化学检测与分析。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、能量散射X-射线光谱对合成的纳米复合材料形貌和组成进行表征，运用阳极溶出伏安法、线性扫描伏安法、安培检测法、微波—电化学协同体系对痕量重金属进行检测与分析，并在此基础上研制与开发重金属快速分析仪。本论文共分为九章：第一章绪论本章内容主要包括重金属污染及危害、重金属检测技术的研究与发展、纳米复合材料及其应用于重金属检测的研究与进展、重金属快速分析仪研究现状四部分。文中简要介绍了食品中重金属污染现状、光谱方法应用于重金属检测的研究，着重综述了电分析方法应用于重金属的检测和发展；对纳米复合材料的分类、性能和制备进行了概述，着重阐述了微波合成纳米复合材料及其应用于食品中重金属检测的研究与发展，并介绍了重金属快速分析仪的研究现状和应用前景。第二章Nafion修饰铋膜电极应用于蔬菜中痕量重金属的检测研究本章以Nafion修饰铋膜电极（NCBFE）为工作电极，采用微分脉冲阳极溶出伏安法直接检测蔬菜中痕量铅、镉和锌的研究。考察铋膜浓度、Nafion厚度、沉积时间和表面活性大分子对检测结果的影响。实验结果表明，Nafion修饰铋膜电极对痕量铅、镉和锌具有良好的电化学响应，铋和待测元素形成“二元”合金，极大地提高了富集效率，且Nafion膜的存在，大大提高了检测方法的灵敏度和工作电极的抗干扰能力，方法的稳定性和重现性增强。该方法成功应用于蔬菜中痕量重金属的测定，检测结果与石墨炉原子吸收法有良好的相关性，具有极大的应用前景。第三章MWCNTs／Bi／Nafion复合材料电极应用于饮用水中痕量Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的检测研究本章采用电化学沉积的方法制备多壁碳纳米管／铋膜／Nafion（MWCNTs／Bi／Nafion）复合材料，并将其作为工作电极应用于检测饮用水中痕量Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的研究。运用阳极溶出伏安法考察MWCNTs／Bi／Nafion复合材料电极对Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的电化学响应，并考察MWCNTs／Nafion悬浮液体积、铋膜浓度对检测结果的影响。研究结果表明，MWCNTs／Bi／Nafion复合材料电极对水体中的痕量Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）具有优异的电化学信号，灵敏度和稳定性均优于MWCNTs／Nafion和Bi／Nafion复合电极。采用该复合材料电极应用于饮用水中痕量Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的检测，实测样品值与石墨炉原子吸收法结果相符，回收率为95-107％，证明该方法具有良好的准确性和可靠性，具有实际应用意义。第四章微波辐射合成Au-NPs／CNTs复合材料的制备、性能表征及其应用于水体中痕量Hg（Ⅱ）的检测研究本章利用微波辐射快速合成金纳米粒子／碳纳米管（Au-NPs／CNTs）复合材料，并首次将其应用于溶出伏安法检测水体中痕量Hg（Ⅱ）。通过透射电子显微（TEM）、能量散射X-射线光谱（EDX）、紫外可见吸收光谱（UV-vis）和循环伏安法对合成的Au-NPs／CNTs复合材料的形貌和组成进行表征。采用溶出伏安法，Au-NPs／CNTs修饰玻碳电极（Au-NPs／CNTs／GCE）对痕量Hg（Ⅱ）的检测显示出优良的电化学性能，具有线性范围宽，灵敏度高，稳定性好，可重复使用等优点，该方法可以成功应用于实际样品中痕量Hg（Ⅱ）的检测与分析，具有实际应用价值。第五章微波辐射合成Ptnano／CNTs复合材料及其应用于氧化检测水体中痕量As（Ⅲ）的研究本章以微波辐射快速合成Pt纳米粒子／碳纳米管（Ptnano／CNTs）复合材料，并且首次将其应用于氧化检测痕量砷（Ⅲ）的研究。运用透射电子显微镜（TEM）对Pt_nANO／CNTs复合材料的形貌进行表征，负载在CNTs表面的Pt纳米粒子直径为15±3nm。采用循环伏安法和线性扫描伏安法对Ptnano／CNTs纳米复合材料的电化学性能进行考察，结果显示，与电化学沉积法制备的Pt纳米粒子修饰玻碳电极(Pt_nano／GCE)、Pt盘电极相比，Pt_nano／CNTs修饰的玻碳电极（Ptnano／CNTs／GCE）显示出更优越的检测砷（Ⅲ）的性能，具有良好的重现性和稳定性，且本方法的检测限为比Ptnano／GCE和Pt盘电极低1-2个数量级，同时避免了Cu（Ⅱ）离子和氯离子的干扰，该方法快速、准确，适合于痕量砷（Ⅲ）的常规检测。第六章高度有序铂纳米管阵列电极应用于氧化检测痕量砷（Ⅲ）的研究本章报道一种新颖的方法，即高度有序铂纳米管（PtNTs）阵列电极应用于氧化检测痕量砷As（Ⅲ）的研究。运用3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）修饰的多孔氧化铝模板（PAA）在含有AuCl₄^-溶液中，采用电化学沉积的方法得到高度有序PtNTs阵列结构。利用扫描电子显微镜（SEM）和X-射线衍射（XRD）对PtNTs阵列的形貌和结构进行表征。通过电化学研究表明，PtNTs阵列结构具有更大的有效面积和更高的催化性能。与Pt纳米粒子修饰玻碳电极（Pt-NPs／GC）和Pt盘电极相比，痕量砷（Ⅲ）在PtNTs阵列电极上具有更优良的电化学信号，具有线性范围宽，灵敏度高，选择性好等优点，且检测限比文献报道的Pt-NPs／GC和Pt盘电极低1-2个数量级，证明该方法具有更优异的电化学性能，对于痕量As（Ⅲ）的常规检测具有潜在的应用价值。第七章微波—伏安法协同体系应用于水体中痕量Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）的检测研究本章研究微波-伏安法协同体系对金纳米粒子修饰的铂微电极（Au-NPs／Pt）与裸Pt微电极分别检测Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）电化学性质的影响，研究微波辐射的“自聚焦”作用在电极／电解质扩散层形成的“热点效应”、温度梯度和对流传质。采用单电子转移的Fe（CN）6^3-／4-／K₂SO₄（pH 3）标准溶液对电极／电解质界面温度进行校正。研究结果发现，低功率微波对Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）离子在Au-NPs／Pt和Pt微电极上的电化学性质影响较为明显；微波-伏安法协同作用下，采用循环伏安法检测Cu（Ⅱ）和示差脉冲阳极溶出伏安法检测Pb（Ⅱ），它们的电流响应极大增强，比传统方法增加近10倍；常规条件下易于阻塞电极的表面活性剂在微波-伏安协同体系中对Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）峰电流的影响大大减小。本文提出的微波-伏安协同体系有望应用于重金属和其他有毒污染物检测装置的研制与开发。第八章AuNPs／PtNF纳米复合电极的制备、性能表征及其应用于检测废水中痕量Cr（Ⅵ）的研究本章以简单快速和环保的方式制备金纳米粒子修饰铂纳米多孔膜（AuNPs／PtNF）复合电极。Pt盘电极在高压6V电压下阳极氧化后，经抗坏血酸还原后得到铂纳米多孔膜（PtNF）电极；采用循环伏安法在PtNF电极表面电沉积Au纳米粒子制备AuNPs／PtNF复合电极。运用扫描电子显微镜（SEM）和能量散射X-射线光谱（EDX）对AuNPs／PtNF纳米复合电极的形貌和组成进行表征。通过循环伏安法（CV）考察AuNPs／PtNF纳米复合电极的电化学性质。研究结果表明，利用该电化学方法制备的AuNPs／PtNF纳米复合电极具有更大的电活性面积和更优异的电催化性能。AuNPs／PtNF纳米复合电极成功应用于安培检测痕量Cr（Ⅵ）的研究，与Pt盘电极和PtNF电极相比，该复合电极对Cr（Ⅵ）具有更好的电化学响应，更易于Cr（Ⅵ）的还原检测。采用此方法制备的AuNPs／PtNF纳米复合电极简单方便、反应时间短、样品消耗量少，是一种新颖的制备复合材料的方法。第九章重金属快速分析仪的研制与开发本章根据电化学原理，结合纳米复合材料的特殊性能，研制开发了一种以电化学分析为检测手段的重金属快速分析仪。本仪器对重金属的检测具有快速、灵敏、准确和无污染等特点，而且可以同时测定多种重金属元素，与光谱检测方法具有较好的一致性。该仪器小型化设计，携带方便，性能稳定，质量可靠，是一种极有推广应用前景的分析仪器。