陳宏碩，崔傳金，柳帥，趙平，張英楠，左月明

（1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山063210；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801；3.華北理工大學(xué)冀唐學(xué)院，河北唐山063210）

鎘（Cd）是一種對(duì)人體和動(dòng)物危害較大的重金屬，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署提出12種具有全球性意義的危險(xiǎn)化學(xué)物，鎘被列為首位。因此，建立鎘離子快速在線分析方法具有重要意義。最常用的重金屬鎘含量分析方法主要有原子吸收法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等，這些方法存在所要求的設(shè)備儀器昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)[1-3]。近年來(lái)，電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展為重金屬檢測(cè)提供了一種具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉、在線實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)的方法，而即拋式絲網(wǎng)印刷電極又以設(shè)計(jì)靈活、成本低和批量制作的優(yōu)點(diǎn)在電化學(xué)領(lǐng)域受到越來(lái)越多科研工作者的青睞。Nafion作為一種很好的陽(yáng)離子交換劑和多壁碳納米管（multiwalled carbon nanotubes，MWCNTs）在電化學(xué)修飾方面的應(yīng)用日益廣泛。碳納米管作為納米材料具有小粒徑、大比表面積效應(yīng)，且Nafion不會(huì)破壞碳納米管外壁本身的π電子結(jié)構(gòu)，而且能大大地降低碳納米管之間的范德華力[4-6]。差分脈沖溶出伏安法是目前溶出法中靈敏度最高的一種，它是在緩慢線性掃描的電壓上迭加一個(gè)小振幅的周期性脈沖，并在剛好加脈沖前后分別測(cè)量電流，將這兩次電流的差值由電子線路放大輸出。由于電容電流的衰減速率較法拉第電解電流快得多，在測(cè)量電解電流的時(shí)刻，電容電流已衰減趨近于零，因而該電化學(xué)分析法在重金屬痕量檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用空間[7-10]。

1 材料與儀器

皮皮蝦：唐山海鮮市場(chǎng)。

乙醇、硝酸、硫酸、磷酸、冰乙酸、硼酸等其他試劑：分析純，中國(guó)國(guó)藥集團(tuán)。

伯瑞坦-羅賓森（Britton-Robinson，BR）緩沖溶液（pH3.78）：在100 mL三酸混合液（磷酸、冰乙酸、硼酸，濃度均為0.04 mol/L）中，加入指定體積的0.2 mol/L NaOH調(diào)整至pH為3.78。

5%Nafion液：美國(guó)杜邦公司；羧基化多壁碳納米管：中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司；絲網(wǎng)印刷電極：蘇州長(zhǎng)三角系統(tǒng)生物交叉科學(xué)研究院有限公司；Gamry Reference 600電化學(xué)工作站：美國(guó)Gamry公司。

2 方法

2.1 絲網(wǎng)印刷裸電極預(yù)處理[11]

絲網(wǎng)印刷電極在乙醇、硝酸、超純水液中依次超聲清潔表面，然后采用循環(huán)伏安法在0.05 mol/L的硫酸溶液中進(jìn)行電極活化?；罨瘲l件：電位掃描區(qū)間是-1.5 V到0.5 V，掃描速度是50 mV/s。

2.2 制備MWCNTs/Nafion絲網(wǎng)印刷電極

2.2.1 配制MWCNTs/Nafion分散液[12-13]

1）取10mL5%Nafion液用無(wú)水乙醇定容至100mL即得0.5%Nafion液。

2）取10 mgMWCNTs加入至50 mL0.5%Nafion的無(wú)水乙醇中，同時(shí)加入0.2倍MWCNTs質(zhì)量的醇分散劑，超聲振蕩分散20 min成均勻淺黑色溶液，室溫下放置。每次使用前再次超聲波混勻。

2.2.2 MWCNTs/Nafion修飾電極

用微量移液器取10 μL超聲分散的0.2 mg/mL MWCNTs/Nafion乙醇溶液。分2次（5 μL/次）滴涂于電極表面，氮?dú)獯蹈珊笫覝叵旅荛]存放。

2.3 電化學(xué)方法測(cè)量

在電解池中加入pH為3.78的BR緩沖溶液和定量的鎘離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，在三電極體系中用差分脈沖溶出伏安法掃描并記錄溶出曲線（測(cè)定條件：富集電位-1.2 V，富集時(shí)間300 s，初始電位-1.2 V，終止電位-0.2V，脈沖幅度80mV，脈沖周期50ms，靜止時(shí)間20s）。

2.4 單因素試驗(yàn)選擇檢測(cè)條件

單因素試驗(yàn)是在0.2 mg/L Cd2+濃度條件下進(jìn)行，以峰電流值為響應(yīng)值，得出不同單因素條件對(duì)峰電流的影響大小，進(jìn)而確定單因素最佳試驗(yàn)值，單因素試驗(yàn)用統(tǒng)計(jì)軟件SPASS19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 富集電壓對(duì)峰電流的影響

富集電壓對(duì)峰電流的影響見(jiàn)圖1。

圖1 富集電壓對(duì)峰電流的影響Fig.1 Effect of the accumulation potential on the peak current

從圖1中可看出，試驗(yàn)分別選取-1.0、-1.1、-1.2、-1.3、-1.4 V作為沉積電位，峰電流呈現(xiàn)先趨于平滑上升后直線下降的趨勢(shì)，在-1.2 V時(shí)達(dá)到最大值，與其它峰電流相比呈現(xiàn)極顯著性差異（P<0.05）。因?yàn)樵谒嵝匀芤褐校练e電位越負(fù)越容易引起劇烈的析氫反應(yīng)，在電極表面形成氣泡，從而影響金屬離子的沉積，故本試驗(yàn)選擇最優(yōu)沉積電位為-1.2 V。

3.1.2 富集時(shí)間對(duì)峰電流的影響

富集時(shí)間對(duì)峰電流的影響見(jiàn)圖2。

圖2 富集時(shí)間對(duì)峰電流的影響Fig.2 Effect of the accumulation time on the peak current

從圖2可以看出，富集時(shí)間分別選取120、140、160、180、200、220 s。從 120 s到 180 s時(shí)間段，峰電流呈現(xiàn)直線式上升；與其它峰電流相比，在180 s時(shí)的峰電流呈現(xiàn)顯著性差異（P<0.1）。但在180 s以后，峰電流曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，這說(shuō)明在180 s時(shí)富集已經(jīng)完成。因此為了保持測(cè)試試驗(yàn)的高靈敏度和高效率，本試驗(yàn)選擇最優(yōu)測(cè)定時(shí)間為180 s。

3.1.3 采樣步長(zhǎng)對(duì)峰電流的影響

采樣步長(zhǎng)對(duì)峰電流的影響見(jiàn)圖3。

圖3 采樣步長(zhǎng)對(duì)峰電流的影響Fig.3 Effect of the sampling step on the peak current

從圖3可以看出，分別選取 2、4、6、8、10 mV 作為采樣步長(zhǎng)，在各個(gè)步長(zhǎng)下的峰電流大小無(wú)明顯差異，但是在2 mV步長(zhǎng)下，峰型比較好，因此本試驗(yàn)選取2 mV作為采樣步長(zhǎng)。

3.1.4 攪拌速度對(duì)峰電流的影響

攪拌速度對(duì)峰電流的影響見(jiàn)圖4。

圖4 攪拌速度對(duì)峰電流的影響Fig.4 Effect of the stirring rate on the peak current

從圖4可以看出，分別選取攪拌速度為200、300、400、500、600 r/min，在不同攪拌速度下，300 r/min 條件下的峰電流值最大，且與其它攪拌速度下的峰電流值呈現(xiàn)極顯著差異（P<0.05），隨著速度的進(jìn)一步提高峰電流值出現(xiàn)下降趨勢(shì)。故本試驗(yàn)選取300 r/min攪拌速度。

3.1.5 脈沖時(shí)間對(duì)峰電流的影響

脈沖時(shí)間對(duì)峰電流的影響見(jiàn)圖5。

圖5 脈沖時(shí)間對(duì)峰電流的影響Fig.5 Effect of the impulse time on the peak current

從圖5可以看出，分別選取脈沖時(shí)間為40、50、60、70、80 ms作為試驗(yàn)條件，在脈沖時(shí)間為50 ms時(shí)峰電流出現(xiàn)了最大值，隨著脈沖時(shí)間的增大，峰電流出現(xiàn)了緩慢下降的現(xiàn)象，因此本試驗(yàn)選取脈沖時(shí)間為50 ms。

3.1.6 脈沖幅度對(duì)峰電流的影響

脈沖幅度對(duì)峰電流的影響見(jiàn)圖6。

圖6 脈沖幅度對(duì)峰電流的影響Fig.6 Effect of the impulse amplitude on the peak current

從圖6可以看出，分別選取脈沖幅度為20、40、60、80、100 mV作為試驗(yàn)條件，當(dāng)脈沖幅度為80 mV時(shí)，峰電流數(shù)值最大，與其它脈沖幅度下的峰電流相比呈現(xiàn)顯著性差異（P<0.1）。故本試驗(yàn)選取脈沖幅度為80 mV脈沖時(shí)間對(duì)峰電流的影響。

3.2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)[14-16]

3.2.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，表明富集電壓、富集時(shí)間、攪拌速度、脈沖幅度是顯著影響峰電流的4個(gè)關(guān)鍵因子。以 X1、X2、X3、X4來(lái)表示關(guān)鍵因子（自變量），+1、0、-1代表其高、中、低水平。以峰電流值為相應(yīng)值，進(jìn)行四因素三水平Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理采用Design Expert8.0來(lái)完成。試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnke試驗(yàn)因素水平Table 1 Experimental variables and levels for Box-Behnke

依據(jù)Box-Behnke中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以X1（富集電壓）、X2（富集時(shí)間）、X3（攪拌速度）、X4（脈沖幅度）為自變量，以峰電流Y（μA）為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析試驗(yàn)，Box-Behnke試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。二次多項(xiàng)式模型方差分析見(jiàn)表3。模型的可信度分析見(jiàn)表4。

表2 Box-Behnke試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of Box-Behnke

表3 二次多項(xiàng)式模型方差分析表Table 3 ANOVA for response surface quadratic model

續(xù)表3 二次多項(xiàng)式模型方差分析表Continue table 3 ANOVA for response surface quadratic model

表4 模型的可信度分析Table 4 Fit statistics for model

利用Design Expert8.0軟件進(jìn)行多元方程回歸，得回歸方程為：Y=9.31+0.43X1+0.47X2+0.16X3+0.074X4+0.12X1X2-0.035X1X3+0.18X1X4+2.77556×10-17X2X3+0.080X2X4-0.32X3X4-1.04X12-0.80X22-1.03X32-1.15X42

從回歸方程一次項(xiàng)系數(shù)大小比較得出，影響峰電流值大小的因素依次為X2>X1>X3>X4，即富集時(shí)間>富集電壓>攪拌速度>脈沖幅度。

從表3可以看出，模型F值17.18且P<0.000 1，這表明該模型在α=0.01水平上回歸顯著。失擬項(xiàng)F值為3.75且P=0.107 3>0.05，說(shuō)明方程擬合中非正常誤差所占比例小，實(shí)際擬合度較高。從表4中可以看出，信噪比大于4，且復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.944 986 6，這說(shuō)明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，能夠解釋94.50%比例的峰電流響應(yīng)值。綜上所述，該模型適合于以峰電流為響應(yīng)值，差分脈沖溶出伏安法測(cè)定溶液中Cd2+離子濃度的分析和預(yù)測(cè)。

3.2.2 交互因子響應(yīng)分析及驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)回歸方程來(lái)繪制分析圖，以考察所擬合響應(yīng)曲面的形狀，響應(yīng)曲面等高線分析見(jiàn)下圖7（a、b、c、d、e、f）。

圖7 交互因子對(duì)峰電流的影響Fig.7 The influence of the interaction factors to the peak current

從等高線的形狀和疏密程度，我們可以看出各因素交互影響下，均存在一個(gè)峰電流最大值。且各因素之間交互作用明顯，圖7（a）～圖7（c）表明：與富集時(shí)間、脈沖幅度、攪拌時(shí)間交互作用中，電壓對(duì)峰電流的影響較大。圖7（d）表明與攪拌速度交互作用中，富集時(shí)間對(duì)峰電流影響較大。圖7（e）表明與富集時(shí)間交互作用中，脈沖幅度對(duì)峰電流影響較大。圖7（f）表明與攪拌速度交互作用中，脈沖幅度對(duì)峰電流影響較大。

綜上所述，從圖中及軟件分析，回歸方程存在穩(wěn)定點(diǎn)，穩(wěn)定點(diǎn)是極大值點(diǎn)。通過(guò)嶺嵴分析（ridgeanalysis）得到極大值所對(duì)應(yīng)的各主要因素（X1，X2，X3，X4）的編碼值分別為：（0.226，0.314，0.065，0.052），即富集電壓、富集時(shí)間、攪拌速度、脈沖幅度分別為－1.22 V、186.27 s、306.52 r/min、81.03 mV。

考慮到實(shí)際操作，選取富集電壓－1.22 V、富集時(shí)間186 s、攪拌速度306 r/min、脈沖幅度81 mV為最優(yōu)試驗(yàn)條件，測(cè)得峰電流值為9.30 μA，與預(yù)測(cè)值9.44 μA是非常接近；同時(shí)，與單因素試驗(yàn)峰電流最大值相比提高8.32%?？梢?jiàn)，通過(guò)Design Expert8.0響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)條件能夠有效提高檢測(cè)信號(hào)峰電流值，表明該回歸模型比較可靠，能夠?yàn)橹亟饘俚碾娀瘜W(xué)檢測(cè)方法提供理論支持。

3.3 不同鎘離子濃度下的溶出伏安曲線

分別配置 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L 濃度的 Cd2+離子標(biāo)準(zhǔn)液，運(yùn)用MWCNTs/nafion絲網(wǎng)印刷碳電極檢測(cè)并繪制差分脈沖伏安標(biāo)準(zhǔn)曲線和線性擬合曲線，見(jiàn)圖8（a，b）。

求得線性回歸方程為y=13.052x－12.464，線性范圍為 1.7×10－6mol/L～8.9×10－6/L，線性相關(guān)系數(shù) R2=0.982 2，表明自變量x與因變量y正相關(guān)，即峰電流與Cd2+離子濃度是正比例線性關(guān)系。

圖8 不同Cd2+離子濃度下的差分脈沖伏安圖和線性擬合曲線Fig.8 Differential pulse stripping and linear fitting curve in different concentrations Cd2+

3.4 電極穩(wěn)定性與重現(xiàn)性試驗(yàn)

絲網(wǎng)印刷電極為一次性使用電極，在0.2 mg/L Cd2+濃度BR緩沖溶液中，用同一片MWCNTs/nafion絲網(wǎng)印刷碳電極每隔1周測(cè)定1次（電極不用時(shí)，置冰箱中于4℃密閉保存，連續(xù)測(cè)定5周）。電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性見(jiàn)表5。

由表5可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，6組數(shù)據(jù)顯示不同時(shí)間段對(duì)峰電流值無(wú)顯著性差異，說(shuō)明該修飾電極具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性[17－18]。

表5 電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性Table 5 The stability and repeatability of electrode

同時(shí)，我們又在測(cè)試底液中分別對(duì)制備的同批次6片MWCNTs/nafion絲網(wǎng)印刷碳電極進(jìn)行了電化學(xué)信號(hào)測(cè)定，結(jié)果顯示其響應(yīng)峰電流相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）為3.5%，表明該傳感器有良好的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。

3.5 樣品測(cè)定與加標(biāo)回收率測(cè)定

采取微波消解法[19-20]進(jìn)行樣品前處理。皮皮蝦分割為蝦頭與蝦肉（含皮）兩部分，分別于研缽中搗碎，再取1 g放入聚四氟乙烯消解罐中消解，然后將消解液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，用BR緩沖溶液清洗消解罐3次后定容至50 mL，采用三電極體系進(jìn)行鎘離子濃度測(cè)定，然后再添加鎘標(biāo)準(zhǔn)物做添加回收試驗(yàn)（n=3），測(cè)定值見(jiàn)表6。

表6 樣品與回收率測(cè)定結(jié)果Table 6 The measured result of the sample and the recovery rate

可以看出，該方法的精密度和準(zhǔn)確度能夠滿足食品中Cd2+的檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)Design Expert8.0響應(yīng)面軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最佳試驗(yàn)條件為富集電壓-1.22 V、富集時(shí)間186 s、攪拌速度306 r/min、脈沖幅度81 mV。在最佳試驗(yàn)條件下，獲得了增強(qiáng)的峰電流信號(hào)。通過(guò)測(cè)試不同Cd2+離子濃度下的差分脈沖溶出伏安圖并建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，得出線性方程為y=13.052x-12.464，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.982 2，這充分說(shuō)明y的變異中有98.22%是由變量x引起的，y與x是正相關(guān)關(guān)系，能夠?yàn)橹亟饘貱d2+離子的實(shí)際檢測(cè)提供理論參考依據(jù)。同時(shí)，電極穩(wěn)定性與重現(xiàn)性試驗(yàn)充分說(shuō)明了電極的良好性能。最后，樣品與加標(biāo)回收率測(cè)定試驗(yàn)表明該方法能夠檢測(cè)皮皮蝦中Cd2+的有效濃度。下一步我們應(yīng)該研究電極表面微觀狀態(tài)，采用光譜電化學(xué)平臺(tái)技術(shù)深層次探討電極表面修飾狀態(tài)與檢測(cè)機(jī)理，從而拓寬電化學(xué)分析檢測(cè)法的應(yīng)用范圍[21-22]。