聚合物膜鈣離子選擇性電極檢測游離鈣和總鈣濃度

劉淑文，尹坦姬，秦 偉

(1.中國科學院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復重點實驗室 山東省海岸帶環(huán)境過程重點實驗室中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003；2.中國科學院大學，北京 100049)

聚合物膜鈣離子選擇性電極檢測游離鈣和總鈣濃度

劉淑文1,2，尹坦姬1*，秦 偉1

(1.中國科學院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復重點實驗室 山東省海岸帶環(huán)境過程重點實驗室中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003；2.中國科學院大學，北京 100049)

利用聚合物膜鈣離子選擇性電極，通過使用不同的內充液，分別實現了游離鈣和在絡合劑EDTA和腐殖酸存在下總鈣濃度的檢測。結果表明，采用0.1 mol·L-1NaCl+1×10-3mol·L-1CaCl2作為內充液的電極，可以實現低至1×10-6mol·L-1游離鈣活度的檢測；而采用1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA (pH=9.0)作為內充液的電極，在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內有超能斯特現象發(fā)生，電位差值為180 mV，且在該范圍內電位響應與總鈣濃度呈線性相關，與游離鈣活度無關。該研究為進一步開展形態(tài)分析提供了一種簡單、有效的技術手段。

聚合物膜；鈣離子選擇性電極；超能斯特響應；形態(tài)分析

形態(tài)分析是當前環(huán)境科學、生物化學和生命科學研究領域中頗為活躍的前沿性課題。形態(tài)分析對于了解環(huán)境元素的毒性以及環(huán)境污染物的遷移轉化規(guī)律具有重要作用[1-2]。痕量重金屬的環(huán)境效應和微量元素的生物活性在很大程度上由其形態(tài)決定，不同的形態(tài)其環(huán)境效應和生物可利用性不同[3]。因此，只有借助于形態(tài)分析，才能確切了解化學污染物對環(huán)境生態(tài)、環(huán)境質量、人體健康等的影響[4-5]；認識元素在無生命和有生命系統(tǒng)中的循環(huán)以及它們的生理功能，闡明地方性疾病的來源[6-7]，從而進行有效的防治。

形態(tài)分析需要靈敏度高、檢出限低以及選擇性好的分析方法，而且要求在取樣和分析過程中盡可能保持樣品中原來存在元素的形態(tài)平衡。目前用于形態(tài)分析的主要方法是基于色譜(如氣相色譜GC、高效液相色譜HPLC、超臨界流體色譜SFC)、毛細管電泳(CE)等分離技術與光譜(原子吸收光譜AAS、原子熒光光譜AFS、電感耦合等離子體光譜ICP-AES)、質譜(電感耦合等離子體質譜ICP-MS)等分析技術的聯用[8-9]。但是這些聯用技術的靈敏度和選擇性很容易受樣品前處理、待測元素的物態(tài)以及干擾離子等影響[8]，并且設備昂貴，成本較高，需要專業(yè)的操作人員。

離子選擇性電極是電化學傳感器的一個重要分支，其檢測原理是基于敏感膜的電位響應與分析物離子活度關系符合Nernst方程。離子選擇性電極已廣泛應用于游離態(tài)離子檢測[10]。然而，近年的研究表明，離子選擇性電極的超能斯特(super-Nernst)電位響應與游離(未絡合)離子的活度無關，而與離子總濃度有關[11]。

鑒于此，作者以鈣為例，制備聚合物膜鈣離子選擇性電極，通過使用不同的內充液，分別實現游離鈣和在絡合劑EDTA及腐殖酸存在下總鈣濃度的檢測。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

腐殖酸，上海阿拉丁股份有限公司。

聚氯乙烯(PVC)、癸二酸二異辛酯(DOS)、四(3，5-二(三氟甲基)苯基)硼酸鈉(Borate)、N,N-二環(huán)己基-N′，N′-雙十八烷基-3-氧雜戊二酰胺(ETH 5234)，Sigma-Aldrich公司；四氫呋喃(THF)、氯化鈉、無水氯化鈣、氫氧化鈉、鹽酸、乙二胺四乙酸二鈉(Na2EDTA)，國藥集團化學試劑有限公司。

PXSJ-216型離子計、PHSJ-3F型雷磁pH計，上海精密科學儀器有限公司；CASCADE-BIO型超純水系統(tǒng)，美國頗爾公司；XS105DU型精密電子天平，梅特勒-托利多公司。

1.2 電極的制備

聚合物敏感膜由鈣離子選擇性載體(ETH 5234)、親酯性的陽離子交換劑(Borate)、增塑劑(DOS)和膜基體(PVC)組成。取2.71 mg(13 mmol·kg-1)ETH 5234、1.13 mg(4.6 mmol·kg-1)Borate、169.73 mg DOS、82.43 mg PVC，加3 mL THF，攪拌2 h至溶液均勻無沉淀后，倒入玻璃環(huán)中，靜置過夜使THF揮發(fā)完全，得到透明彈性膜，厚度約為200 μm。用打孔器將此膜切割成直徑6.0 mm的小圓片，并用THF粘在PVC管的末端，即得鈣離子選擇性電極。

實驗中用于測定游離鈣的鈣離子選擇性電極[Ca2+-ISE(Ⅰ)]和總鈣濃度的鈣離子選擇性電極[Ca2+-ISE(Ⅱ)]的內充液組成見表1。

表1 鈣離子選擇性電極的內充液

Tab.1 Inner filling solutions of Ca2+-ISEs

Ca2+-ISE(Ⅰ)和Ca2+-ISEs(Ⅱ)使用前均在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合溶液中活化12 h，然后在1×10-9mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合溶液中活化48 h。

以制備的鈣離子選擇性電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，采用離子計記錄電極電位響應。其中測試電池的結構為：Ag，AgCl(3 mol·L-1KCl)|內充液|PVC膜|待測液||NaCl(0.1 mol·L-1)|Ag，AgCl。

無緩沖CaCl2溶液是以2×10-4mol·L-1NaCl溶液為背景溶液配制的；CaCl2緩沖溶液的配制方法如下：利用1×10-3mol·L-1Na2EDTA和2×10-4mol·L-1NaCl溶液配制濃度(mol·L-1)為1×10-4、1×10-5、5×10-6、3×10-6、2×10-6、1×10-6CaCl2緩沖溶液，采用鹽酸溶液和NaOH溶液調節(jié)緩沖溶液的pH值分別為5.60、5.02、4.85、4.73、4.62、4.38，所配制溶液的Ca2+活度均為5×10-7mol·L-1。

實驗中利用Debye-Hückel方程和Henderson公式對檢測過程中的離子活度及液接電位進行校正。

2 結果與討論

2.1 電位檢測原理

根據Nernst方程，零電流條件下，Ca2+-ISE(Ⅰ)可以實現游離鈣的檢測；而改變內充液的組成制備的Ca2+-ISE(Ⅱ)，其敏感膜在靠近內充液一側的鈣離子濃度很低，在零電流條件下會產生一個從樣品溶液相到敏感膜相的強離子通量，并伴隨超能斯特現象的發(fā)生。而當樣品溶液中含有鈣離子絡合物時，有效鈣離子通量會明顯增加。此時，聚合物膜鈣離子選擇性電極的電位響應與Ca2+的總濃度有關，與Ca2+活度無關，進而實現總鈣濃度的測定[11]。

2.2 檢測條件的優(yōu)化

2.2.1 內充液的影響

離子選擇性電極內充液中主離子濃度的變化影響著電極電位響應性能。考察了兩種內充液對Ca2+-ISE(Ⅱ)電極電位響應性能的影響，結果如圖1所示。

圖1 內充液對Ca2+-ISE(Ⅱ)電位響應的影響Fig.1 Effect of the inner filling solution on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ)

由圖1可以看出，當內充液為1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)時，在相同檢測條件下，所制備的3根電極的電位響應表現出良好的重現性，且在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內出現明顯的超能斯特響應(圖1a)；而當內充液為1×10-6mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)時，在相同檢測條件下，3根電極的電位響應重現性差(圖1b)。原因可能是隨著電位的測定，膜相中Ca2+會與離子選擇性敏感膜內側的Na+發(fā)生交換作用，使得電極的重現性變差。因此，選擇1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)為Ca2+-ISE(Ⅱ)的內充液，進行后續(xù)實驗。

2.2.2 活化條件的影響(圖2)

由圖2可以看出，當Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化12 h，再在1×10-5mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化48 h時，電極在1×10-6～1×10-3mol·L-1Ca2+濃度范圍內呈現常規(guī)能斯特響應(圖2曲線a)；而當Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化12 h，然后轉移至1×10-9mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化48 h后，電極在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內出現明顯的超能斯特現象(圖2曲線b)。原因是采用低濃度Ca2+活化電極后，測定其電位響應時，會有強離子流從樣品溶液相進入離子選擇性敏感膜相，從而出現超能斯特電位響應。超能斯特現象的出現，將有利于進行總鈣濃度的分析[12]。因此，采用后者活化條件對Ca2+-ISE(Ⅱ)進行活化。

圖2 活化條件對Ca2+-ISE(Ⅱ)電位響應的影響Fig.2 Effect of the conditioning solution on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ)

2.3 電極電位響應曲線

Ca2+-ISE(Ⅰ)在無緩沖CaCl2溶液和CaCl2緩沖溶液中的電位響應如圖3所示，Ca2+-ISE(Ⅱ)在CaCl2緩沖溶液中的電位響應如圖4所示。

圖3 Ca2+-ISE(Ⅰ)在無緩沖CaCl2溶液(a)和CaCl2緩沖溶液(b)中的電位響應Fig.3 Potential responses of Ca2+-ISE(Ⅰ) in the unbuffered(a) and buffered calcium chloride solution(b)

圖4 Ca2+-ISE(Ⅱ)在CaCl2緩沖溶液中的電位響應Fig.4 Potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ) in the buffered calcium chloride solution

由圖3可知，在活化條件下，Ca2+-ISE(Ⅰ)在1×10-3～1×10-6mol·L-1Ca2+濃度范圍內呈能斯特響應(圖3a)，而在相同的Ca2+活度、不同的總鈣濃度條件下，其電位響應值近似相等(圖3b)。表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)的電位響應只與待測溶液中游離的Ca2+活度有關。

圖2曲線b中，Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內產生明顯的超能斯特現象。從圖4可知，該電極電位響應在超能斯特范圍內與Ca2+活度無關(圖4a)，與總鈣濃度呈近似線性相關(圖4b)。這一結果表明，在超能斯特范圍內，膜外側Ca2+的活度由溶液中游離的Ca2+以及絡合解離出的Ca2+的總和決定，即與Ca2+總濃度有關。

為了進一步驗證Ca2+-ISE(Ⅱ)用于總鈣濃度測定的可用性，在1×10-5mol·L-1CaCl2緩沖溶液中加入腐殖酸，并調節(jié)溶液pH=9.0[13-15]，觀察電極在腐殖酸存在條件下電位的變化情況，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著腐殖酸的加入，Ca2+-ISE(Ⅰ)電位呈逐漸下降趨勢，而Ca2+-ISE(Ⅱ)保持1×10-5mol·L-1CaCl2電位響應。這一結果進一步表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)可用于游離鈣活度的檢測，而Ca2+-ISE(Ⅱ)可用于EDTA和腐殖酸介質中總鈣濃度的測定。

3 結論

通過調節(jié)內充液制備了兩種聚合物膜鈣離子選擇性電極Ca2+-ISE(Ⅰ)和Ca2+-ISE(Ⅱ)，分別實現了游離鈣和在絡合劑EDTA和腐殖酸存在下總鈣濃度的檢測。結果表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)可以實現低至1×10-6mol·L-1游離鈣活度的檢測；Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內呈超能斯特響應，電位響應與總鈣濃度呈線性相關，與游離鈣活度無關。該研究為進一步開展形態(tài)分析提供了一種簡單、有效的技術手段。

1.加入1×10-7 mol·L-1CaCl2 2.加入1×10-6 mol·L-1CaCl2 3.加入1×10-5 mol·L-1CaCl2 4.加入100 μL 500 mg·L-1腐殖酸 5.加入200 μL 500 mg·L-1腐殖酸 6.加入300 μL 500 mg·L-1腐殖酸圖5 腐殖酸添加量對Ca2+-ISE(Ⅰ)(a)和Ca2+-ISE(Ⅱ)(b)電位響應的影響Fig.5 Effect of humid acid dosage on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅰ)(a) and Ca2+-ISE(Ⅱ)(b)

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Detection of Free and Total Calcium Concentration by Polymeric Membrane Calcium-Selective Electrodes

LIU Shu-wen1,2,YIN Tan-ji1*,QIN Wei1

(1.KeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcessesandEcologicalRemediation,ShandongProvincialKeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcesses,YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences，Yantai264003,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Twokindsofcalcium-selectivepolymericmembraneelectrodes(Ca2+-ISEs)withdifferentinnerfillingsolutionsforthedetectionoffreeandtotalCa2+concentrationsinthepresenceofEDTAandhumicacidaredescribed.Theresultsindicatethat,thefreeCa2+activity,aslowas1×10-6mol·L-1,couldbedetectedbyCa2+-ISE(Ⅰ)withtheinnerfillingsolutionof0.1mol·L-1NaCland1×10-3mol·L-1CaCl2,whileCa2+-ISE(Ⅱ)withtheinnerfillingsolutionof1×10-3mol·L-1CaCl2and5×10-2mol·L-1Na2EDTAadjustedtopH=9.0,exhibitsanapparentlysuper-Nernstianresponse(ΔE=180mV)intheconcentrationrangeof1×10-6to1×10-5mol·L-1Ca2+.Inthesuper-Nernstianpotentialresponserange,thepotentialislinearlyrelatedtothetotalCa2+concentration,butnottofreeCa2+activity.Thisstudyprovidesasimpleandeffectivemethodforspeciationanalysis.

polymericmembrane;calcium-selectiveelectrode;super-Nernstianresponse;speciationanalysis

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(A類)(XDA11020702)，國家自然科學基金資助項目(21677172)

O 657.13

A

1672-5425(2017)01-0066-05

劉淑文，尹坦姬，秦偉.聚合物膜鈣離子選擇性電極檢測游離鈣和總鈣濃度[J].化學與生物工程，2017，34(1)：66-70.