同位鍍鉍絲網(wǎng)印刷電極快速檢測(cè)水中鉛、鎘離子

侯 博，白 雷，楊永忠，錢曉磊，李智敏，萬(wàn)廣平，王 倩

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；>2.國(guó)家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

重金屬離子，因其獨(dú)特的生物毒性與環(huán)境富集行為，其恣意排放引發(fā)的環(huán)境問題正逐漸阻礙人類社會(huì)發(fā)展。雖然，原子吸收分光光度法[1-2]和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[3-4]已漸臻成熟，以其為基礎(chǔ)構(gòu)建的分析方法準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，業(yè)已被應(yīng)用于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)而被普遍推廣。然而，其檢測(cè)成本高，測(cè)試環(huán)境要求苛刻、儀器體積龐大等問題，并不利于對(duì)突發(fā)環(huán)境污染現(xiàn)場(chǎng)開展快速檢測(cè)。近年來，以電化學(xué)檢測(cè)為基礎(chǔ)構(gòu)建的分析方法，以其靈敏度高、快速便捷等特點(diǎn)，引起廣泛的關(guān)注。

方波陽(yáng)極溶出伏安法和差分脈沖溶出伏安法脫胎于經(jīng)典的懸汞極譜法[5]，是目前實(shí)現(xiàn)電化學(xué)檢測(cè)重金屬離子的兩種主要手段。方波伏安法具有靈敏度高、可有效抑制背景電流影響的優(yōu)點(diǎn)[6]受到廣大學(xué)者的青睞。范清杰[7]以銀基汞膜電極為工作電極，采用方波陽(yáng)極溶出伏安法同時(shí)測(cè)定水體中鎘、鉛、銅、鉍含量，其回收率分別達(dá)92.3%～103.0%、94.7%～106.0%、89.0%～105.0%和 94.8%～108.0%。然而，汞的毒性強(qiáng)，對(duì)人體及試驗(yàn)環(huán)境的危害較大，并不符合 “環(huán)境友好”的測(cè)試?yán)砟睿虼说投尽o污染的鉍膜取代汞膜而備受推崇。鉍能夠與多種金屬離子形成類似汞齊的“合金”[8-10]，從而提高靈敏度。李建平[11]采用鉍膜修飾玻碳電極，通過電位溶出法測(cè)定水體中痕量鉛、鎘、鋅離子，三種金屬離子在鉍膜電極上得到靈敏的電位溶出峰，峰高和溶出電位與汞膜電極法相近。

本文使用商品化的絲網(wǎng)印刷電極三電極系統(tǒng)，通過同位鍍鉍方波陽(yáng)極溶出伏安法，針對(duì)水體中的鎘、鉛離子的電化學(xué)行為展開研究，通過考察方法的線性范圍、檢出限、準(zhǔn)確度、精密度及抗干擾能力，建立一種快速、便捷的能夠適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)重金屬離子的電化學(xué)方法。

1 試劑與儀器

1.1 主要儀器

REF 3000-37114電化學(xué)工作站(美國(guó)GAMRY公司)；FE28 pH計(jì)(梅特勒-托利多儀器有限公司)；絲網(wǎng)印刷電極(Xenslet，CL10)，其中工作電極和輔助電極為碳，參比電極為銀/氯化銀。

1.2 主要試劑

無水乙酸鈉(99.0%，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；乙酸(99.5%，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；氯化鉛(99.99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；氯化鎘(99.95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；鉍標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(1000.00 mg/L，北京壇墨質(zhì)檢科技有限公司)；實(shí)驗(yàn)用水均為一級(jí)水(電阻率>18.2 MΩ·cm)；其他試劑皆優(yōu)于分析純。

2 實(shí)驗(yàn)方法

在25.00 mL容量瓶中加入一定量的鉛離子或鎘離子儲(chǔ)備液(100.0 mg/L)，移取125.0 μL鉍標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000.00 mg/L)，用0.1 mol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH值=5)定容。采用同位鍍鉍法在-1.5 V電位下富集210 s，方波陽(yáng)極溶出伏安法溶出，溶出測(cè)量條件：電位增量8 mV，振幅50 mV，頻率20 Hz，溶出前靜止10 s；每次富集、溶出測(cè)量前在0.5 V電位下氧化60 s，更新電極表面，消除記憶效應(yīng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 考察pH值環(huán)境的影響

環(huán)境的酸堿度與緩沖離子種類，不僅影響體系中金屬離子的物種形態(tài)，也影響方法的靈敏度。李建平[11]等，通過對(duì)比相同酸度的“檸檬酸-鹽酸”、“氫氧化鈉-磷酸”及“醋酸-醋酸鈉”緩沖溶液體系，發(fā)現(xiàn)在pH值=5的“醋酸-醋酸鈉”緩沖溶液體系中，鉛、鎘離子有靈敏的溶出峰。因此，本文考察了0.1 mol/L的“醋酸-醋酸鈉”緩沖溶液pH值分別為3～7時(shí)的影響，pH值對(duì)溶出峰面積的影響如圖1所示。由圖中可以看出，當(dāng)pH值小于5時(shí)，兩種金屬離子的溶出峰面積與pH值的變化呈正相關(guān)；當(dāng)pH值大于5時(shí)呈負(fù)相關(guān)，這是由于隨著pH值逐漸增大的過程中，鉍離子發(fā)生水解[12]，故選擇pH值=5的0.1 mol/L的“醋酸-醋酸鈉”緩沖溶液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道一致。

圖1 pH值對(duì)溶出峰面積的影響Fig.1 The effect of pH on stripping peak area

3.2 考察鉍膜的影響

鉍膜電極因其良好的電化學(xué)性能與環(huán)境友好的特點(diǎn)而迅速發(fā)展，鉍膜修飾電極報(bào)道較多，鍍鉍的最佳濃度也不盡相同。在鉛離子、鎘離子的混合溶液中，對(duì)比了鍍鉍與未鍍鉍時(shí)兩種金屬離子的溶出峰，如圖2所示。從圖2中可以直觀地發(fā)現(xiàn)，工作電極鍍鉍后，能顯著提高鉛離子與鎘離子的靈敏度。采用同位鍍鉍法，使鉍離子與鉛離子、鎘離子同時(shí)沉積在電極表面，鉍離子濃度對(duì)兩種金屬離子的溶出峰面積的影響如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)鉍的濃度為5 mg/L時(shí)，鉛離子和鎘離子的溶出峰最好；鉍濃度小于5 mg/L時(shí)，電極表面形成的鉍膜薄，檢出靈敏度較低，溶出峰面積隨鉍濃度增加而增大；當(dāng)鉍濃度大于5 mg/L時(shí)，在電極表面形成的鉍膜較厚，阻礙電極表面電子的傳遞，靈敏度下降[13]，溶出峰面積隨濃度的繼續(xù)增加而減小；故選擇鍍鉍濃度為5 mg/L。

圖2 鉍膜對(duì)鉛離子、鎘離子溶出峰的影響Fig.2 Effect of bismuth membrane on stripping peak current of lead ion and cadmium ion

圖3 鉍離子濃度對(duì)溶出峰面積的影響Fig.3 Effect of bismuth ion concentration on the stripping peak area

3.3 優(yōu)化測(cè)量條件

圖4 富集電位對(duì)峰面積的影響Fig.4 Effect of accumulation potential on stripping peak area

王興磊[14]研究表明：富集電位與時(shí)間直接影響檢測(cè)方法的靈敏度，富集電位太低，電極表面產(chǎn)生析氫反應(yīng)；富集時(shí)間較長(zhǎng)，電沉積得到的膜增厚，影響電子的傳輸，二者均可降低檢測(cè)的靈敏度。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了富集電位和時(shí)間。富集電位與峰面積的變化關(guān)系如圖4所示，在-1.5 V同步鍍鉍時(shí)，兩種金屬離子的溶出峰最好；富集時(shí)間與峰面積的變化關(guān)系如圖5所示，當(dāng)富集時(shí)間大于210 s時(shí)，溶出峰面積的變化率明顯下降，最后趨于穩(wěn)定。為了兼顧靈敏度與測(cè)試效率，故選擇在-1.5 V電位下、富集210 s進(jìn)行測(cè)量。

圖5 富集時(shí)間對(duì)峰面積的影響Fig.5 Effect of accumulation time on stripping peak area

3.4 線性關(guān)系考察

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下(即0.1 mol/L的“醋酸-醋酸鈉”緩沖溶液，pH值=5，富集電位-1.5 V，富集時(shí)間210 s)，對(duì)鉛離子和鎘離子混合離子的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定。每片電極平行測(cè)定6次取平均值，相同濃度溶液用3片不同電極進(jìn)行測(cè)定，并用Grubbs檢驗(yàn)法，按95%置信度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離群值檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。取三組數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行線性擬合，擬合方程如表2所示。對(duì)空白標(biāo)樣平行測(cè)定12次，以3倍的信噪比計(jì)算其檢出限，鎘離子、鉛離子的檢出限分別達(dá)0.028 mg/L、0.034 mg/L。不同濃度鎘離子、鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的方波溶出伏安曲線疊加如圖6所示。鎘離子、鉛離子溶出伏安曲線峰面積與濃度擬合曲線如圖7所示。

表1 標(biāo)樣Grubbs檢驗(yàn)法顯著性評(píng)價(jià)G0.95,3=1.153(n=3)[15]Table 1 Evaluation of the significant difference of standard sample G0.95,3=1.153(n=3)[15]

表2 鎘離子和鉛離子的擬合方程及檢出限Table 2 Fitting equations and detection limits of cadmium ion and lead ion金屬

濃度分別為0.1mg/L，0.2mg/L，0.3mg/L，0.4mg/L，0.5mg/L，0.6mg/L，0.7mg/L

圖6 不同濃度鎘離子、鉛離子的方波溶出伏安曲線疊加圖

Fig.6 Superposition diagram of square wave stripping voltammetry curves of different concentrations of cadmium ion and lead ion

圖7 鎘離子、鉛離子溶出 峰面積的濃度擬合曲線Fig.7 Concentration fitting curves of cadmium ion and lead ion

3.5 樣品加標(biāo)回收率考察

為驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，采用三水平六平行樣品加標(biāo)回收率進(jìn)行考察。取已知濃度的鎘離子、鉛離子溶液于25.00 mL容量瓶中，測(cè)量步驟同工作曲線測(cè)試方法，分別進(jìn)行0.5 eq、1.0 eq、1.5 eq三水平加標(biāo)，共完成6組三水平加標(biāo)試驗(yàn)，測(cè)得鎘離子、鉛離子的回收率如表3。鎘離子的樣品加標(biāo)回收率：83.11%～100%，平均回收率：91.07%，RSD：5.35%；鉛離子的樣品加標(biāo)回收率：96.89%～111.27%，平均回收率：102.51%，RSD：3.97%；表明該方法準(zhǔn)確。

表3 樣品加標(biāo)回收率試驗(yàn)Table 3 The sample recovery rate

3.6 精密度考察

為了考察方法的穩(wěn)定性，在相同條件下，對(duì)6組相同濃度的混合樣品平行測(cè)定，每組樣品平行測(cè)定6次，對(duì)6次測(cè)定的平均值計(jì)算樣品濃度，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。計(jì)算6組樣品中鉛離子、鎘離子的RSD分別為8.32%和8.92%，表明該方法的精密度較好。

表4 精密度測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 The precision test data

3.7 干擾離子考察

(1)強(qiáng)氧化性離子干擾考察

圖8 鉻離子濃度對(duì)鉛離子、 鎘離子溶出峰面積的影響Fig.8 Effect of chromium ion(VI) concentration on lead ion and cadmium ion stripping peak area

由圖8可以看出：待測(cè)離子溶出峰面積隨著鉻酸根離子的加入，整體呈下降趨勢(shì)，但在較低濃度時(shí)，出現(xiàn)小幅度的上升。這可能是因?yàn)樵谒嵝原h(huán)境中，強(qiáng)氧化劑鉻酸根將鉍離子氧化為單質(zhì)鉍，與共鍍鉍過程產(chǎn)生協(xié)同作用，促進(jìn)鉍膜快速形成，提高了靈敏度；但隨著鉻酸根的濃度不斷增加，形成的鉍膜逐漸變厚，影響電子傳遞，不利于待測(cè)離子的溶出，導(dǎo)致溶出峰面積逐漸下降。此外，根據(jù)何艷貞[16]等對(duì)難容物質(zhì)性質(zhì)的研究表明：鉻酸根與鎘離子可形成沉淀，pKsp(CdCrO4)=4.12；鉻酸根與鉛離子亦可形成沉淀：pKsp(PbCrO4)=12.55[17]；在待測(cè)溶液中鉍離子含量遠(yuǎn)大于待測(cè)金屬離子含量，且鉻離子與待測(cè)離子產(chǎn)生沉淀的條件相對(duì)苛刻，因此在待測(cè)液中以鉻離子的氧化影響為主。控制誤差在±10%以內(nèi)，得1.4 mg/L的鉻酸根離子不干擾鉛離子、鎘離子定量。

(2)共鍍“合金”離子考察

關(guān)于汞膜、鉍膜、銻膜各自修飾電極的研究均有文獻(xiàn)報(bào)道，王靜[18]等探究了同位鍍汞膜修飾玻碳電極用于測(cè)定水中的鉛、鎘，檢出限分別為0.38 μg/L和0.31 μg/L，測(cè)定地表水和污染源廢水的回收率均接近100%；王娜[19]用碳納米管-Nafion-鉍膜鉍膜修飾玻碳電極測(cè)定痕量的鉛和鎘，得到靈敏的溶出峰，預(yù)富集10 min的鉛、鎘檢出限分別達(dá)10 ng/L、15 ng/L；尹麗君[20]通過復(fù)合銻膜修飾銅電極測(cè)定水中的鎘和鉛，在1 μg/L～100 μg/L有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)分別為為0.9960、0.9952，檢出限分別為0.25 μg/L、0.08 μg/L，樣品加標(biāo)回收率為91.1%～108.0%；均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)行為。但針對(duì)能夠與鉍膜共同形成鍍層的金屬離子的電化學(xué)行為，鮮有報(bào)道。本文以可與鉍協(xié)同共鍍的汞離子為例，探究其對(duì)定量穩(wěn)定性的干擾。待測(cè)離子的溶出峰與汞離子含量變化關(guān)系如圖9所示。

圖9 汞離子濃度鉛離子、鎘離子溶出峰的影響Fig.9 Effect of mercury ion concentration on lead ion and cadmium ion stripping peak area

3.8 樣品檢測(cè)

對(duì)包含鎘離子、鉛離子、鉻離子、汞離子的模擬水樣進(jìn)行測(cè)定，每組平行測(cè)定4次，平行測(cè)定3組，測(cè)試結(jié)果見表5，測(cè)定值與ICP-AES的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)顯著差異，表明該方法較為穩(wěn)定準(zhǔn)確，可以用于鉛、鎘兩種重金屬離子的快速測(cè)定。

表5 模擬樣品測(cè)試結(jié)果Table 5 The results of simulated sample test

注：“-”代表未檢出。

4 結(jié)論

本文采用鉍膜絲網(wǎng)印刷電極方波陽(yáng)極溶出伏安法快速測(cè)定水中重金屬鉛離子、鎘離子，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，鉛、鎘離子的溶出峰面積與濃度呈良好的線性關(guān)系，其檢出限較低，樣品回收率滿意，重點(diǎn)考察了氧化性環(huán)境與共鍍型離子對(duì)鉛、鎘離子測(cè)定的干擾，為今后的相關(guān)研究提供了可靠的依據(jù)，樣品測(cè)試結(jié)果與ICP測(cè)試結(jié)果對(duì)比一致。本方法簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確，可用于突發(fā)環(huán)境事件的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。