陸紫琪， 劉 帥， 程蓋弼， 王曉康， 陳健強*，董元華*， 劉 云

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室，江蘇南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000；3.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210037;4.江蘇蓋亞環(huán)境科技股份有限公司，江蘇蘇州 215000)

當(dāng)下，重金屬污染是危害環(huán)境和人體健康的重要原因。人類高強度的生產(chǎn)活動，如開采礦山、冶煉金屬及使用農(nóng)藥化肥等行為，使部分生態(tài)系統(tǒng)面臨重金屬含量超出環(huán)境容許范圍的危機[1]。重金屬污染具有長期性、累積性、潛伏性等特點，在自然生態(tài)環(huán)境中難以降解[2]，各國對環(huán)境中重金屬含量都有嚴(yán)格要求[3]，如對于飲用水，中國、美國和加拿大規(guī)定砷、鎘最大允許濃度分別為10 μg/L和5 μg/L。其中，鎘作為一種典型的有毒有害重金屬，在低濃度即引起毒性反應(yīng)，當(dāng)Cd(Ⅱ)通過食物鏈積累在人體中，會引起神經(jīng)系統(tǒng)、胃腸道和骨骼疾病，最終危害人體健康[4]。

目前已有多種分析方法用于重金屬檢測，例如光譜法[5]、質(zhì)譜法[6]、比色法[7]以及電化學(xué)方法[8]。電化學(xué)檢測中方波陽極溶出伏安法(SWASV)測定重金屬具有快速、高靈敏度、低成本等優(yōu)點。我國在食品安全檢測、水質(zhì)檢測等領(lǐng)域近年來將其列為標(biāo)準(zhǔn)方法之一[9]。絲網(wǎng)印刷電極的開發(fā)促進(jìn)了電化學(xué)傳感器向小型化、批量化發(fā)展，通過對電極表面進(jìn)行特定的修飾，如改性納米材料包括金屬納米顆粒、金屬氧化物納米顆粒、碳質(zhì)納米材料及其納米復(fù)合材料等[10,11]，可以提高電化學(xué)傳感器測定重金屬離子的檢測性能。

凹凸棒石粘土礦物是一種具備納米孔道結(jié)構(gòu)的天然鎂鋁硅酸基的礦物，其特殊的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較強的吸附性能、高度分散性、耐高溫以及優(yōu)良的儲氫性能，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥及環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[12,13]。近年來，低廉價格且具有優(yōu)異性能的凹凸棒石粘土礦物在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用逐漸引起關(guān)注。Xiong等[14]制備了30 kGy輻射處理的凹凸棒石，將其和離子液體混合得到復(fù)合材料，該材料修飾的電極可用于同時檢測Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)，具有優(yōu)異的檢測性能。Sherman等[15]使用甲苯改性的凹凸棒石修飾玻碳電極檢測水中Pb2+，線性范圍4.0×10-12～4.0×10-11mol/L，Na+、K+、Cl-等共存離子對Pb(Ⅱ)檢測峰電流無明顯影響。凹凸棒粘土礦物也可作為載體將氧化還原蛋白質(zhì)固定在電極表面，提高電化學(xué)傳感器對葡萄糖[16]、細(xì)胞色素C和血紅蛋白等物質(zhì)[17]的檢測性能。但是，用于修飾電化學(xué)傳感器的凹凸棒石粘土礦物復(fù)合材料制備過程需精細(xì)把控，部分試劑對環(huán)境有污染危害。目前關(guān)于天然凹凸棒石粘土礦物直接應(yīng)用于重金屬檢測還鮮有報道。

本研究采用凹凸棒石粘土礦物對商品化的絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)進(jìn)行修飾，考察了材料修飾濃度、電解液pH值、富集電位和富集時間對檢測信號的影響，評價了方法的檢出限、線性范圍和穩(wěn)定性，并用于實際河水中的檢測。利用天然凹凸棒石粘土礦物材料構(gòu)建靈敏的重金屬電化學(xué)傳感器，為監(jiān)測環(huán)境中的Cd(Ⅱ)提供了一種快捷的新方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；絲網(wǎng)印刷碳電極(青島波碳科技有限公司)；7700x電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent，美國)；Avio200電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PerkinElmer，美國)；LEO1530VP掃描電子顯微鏡(LEO Electron Microscopy Ltd.，德國)；Ultima Ⅳ X射線衍射儀(理學(xué)株式會社，日本)；Nicolet iS 50傅里葉紅外光譜儀(ThermoFisher，美國)。

Cd(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)儲備液(1 000 mg/L，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心)，Pb2+、Zn2+、K+標(biāo)準(zhǔn)儲備液(1 000 mg/L，西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司)。5%全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液(Nafion，杜邦中國集團有限公司)，凹凸棒石粘土礦物(江蘇盱眙)，其他試劑均為分析純。實驗用水為Millipore-Q超純水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 修飾電極的制備

凹凸棒石粘土礦物分散于1%質(zhì)量濃度Nafion溶液(5%Nafion溶液用超純水稀釋)，得到修飾材料分散液，分散液每次使用前先超聲振蕩30 min。絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)，基底材質(zhì)為聚對苯二甲酸乙酯(PET)，工作電極和對電極為碳電極，參比電極為Ag/AgCl電極。取10 μL分散液滴涂在工作電極表面，在烘箱60 ℃條件下干燥30 min，即得到修飾的電極。不同濃度凹凸棒石粘土礦物修飾電極分別記為：A1-SPCE(1 mg/mL)，A2-SPCE(2 mg/mL)，A3-SPCE(3 mg/mL)。未修飾電極作為對照，記為SPCE。

1.3 Cd(Ⅱ)的電化學(xué)檢測

在室溫條件下采用三電極體系進(jìn)行電化學(xué)檢測，絲網(wǎng)印刷電極在10 mL 0.1 mol/L的HAc-NaAc電解溶液中測定Cd(Ⅱ)濃度。SWASV包括富集和溶出兩步，在恒定電位下攪拌富集一定時間，富集結(jié)束后靜置10 s使溶液平衡。研究電化學(xué)參數(shù)對檢測性能的影響，富集電位Ed區(qū)間為-1.3 V～-1.7 V，富集時間td區(qū)間為30～270 s，SWASV檢測的電位掃描范圍為-1.30～-0.30 V，方波振幅25 mV，電位階躍4 mV，頻率15 Hz。記錄Cd(Ⅱ)溶出伏安曲線，根據(jù)不同濃度Cd(Ⅱ)的溶出伏安曲線的峰值電流，繪制濃度-電流曲線。每次測量后將電位于0.30 V攪拌條件下保持180 s，更新電極表面，溶出前一次的富集物。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

圖1為不同放大倍數(shù)下凹凸棒石粘土礦物的掃描電鏡(SEM)圖。在放大2.00×103和10.0×103倍條件下(圖1(a)、1(b))，可以觀察到凹凸棒石粘土礦物呈現(xiàn)出團聚的顆粒狀態(tài)，且團聚的顆粒大小不一，在晶體表面上也能夠觀察到單獨的纖維和棒狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步放大倍數(shù)后(如圖1(c)、1(d))，可以清晰地看到凹凸棒石粘土礦物為纖維棒狀或針狀結(jié)構(gòu)，直徑50～60 nm左右，長度約為550 nm。

圖1 凹凸棒石粘土礦物在2.00×103(a)、10.0×103(b)、100×103(c)、400×103(d)放大倍數(shù)下掃描電鏡(SEM)圖像Fig.1 SEM image of attapulgite clay mineral at 2.00×103(a),10.0×103(b),100×103(c),400×103(d) magnification

X射線衍射(XRD)圖譜(圖2)顯示凹凸棒石粘土礦物在2θ=8.49°、13.85°、16.39°、19.83°、21.42°、26.65°和34.95°出現(xiàn)7個尖銳的衍射峰，在衍射角度2θ=8.49°處，凹凸棒土層間距為1.055 nm，是凹凸棒石粘土(110)晶面的特征衍射峰[19,20]。在2θ=13.85°、16.39°處是(200)和(130)晶面微弱的特征衍射峰，同時2θ=19.83°、21.42°是(040)和(310)晶面的衍射峰。2θ=26.65°出現(xiàn)的尖銳衍射峰是凹凸棒石共生礦物石英的衍射峰，為石英(041)晶面。其中(110)和(041)晶面是樣品中區(qū)別于其他礦物的特征峰，衍射峰尖銳且更高，表明這兩種晶面的原子陣列在樣品中存在較多，結(jié)晶度好。

凹凸棒石粘土礦物的傅里葉紅外(FT-IR)光譜如圖3所示，出現(xiàn)在990 cm-1和1 031 cm-1的特征峰與凹凸棒石粘土礦物結(jié)構(gòu)框架中Si-O-Si鍵的彎曲振動有關(guān)[18]，在1 195 cm-1處檢測到的特征峰為Si-O鍵的伸縮振動，而在1 660 cm-1處的特征峰是由吸附在凹凸棒石粘土礦物表面水分子的彎曲振動引起的。3 700～3 200 cm-1之間出現(xiàn)特征峰屬于-OH的伸縮振動。其中，3 620 cm-1不僅與陽離子Al3+相結(jié)合的-OH的伸縮振動有關(guān)，還與Mg-OH中的-OH伸縮振動[19]。3 560 cm-1處的特征峰為(Fe,Mg)-OH和(Al,Mg)-OH中羥基的伸縮振動。峰值強度在3 390 cm-1處是吸收水中的-OH導(dǎo)致。此外，在795 cm-1處存在一個微弱的峰，是由于Mg-O-Si的振動產(chǎn)生的。

圖2 凹凸棒石粘土礦物的X射線衍射(XRD)圖譜Fig.2 XRD pattern of attapulgite clay mineral

圖3 凹凸棒石粘土礦物的傅里葉紅外(FT-IR)光譜圖Fig.3 FT-IR spectum of attapulgite clay mineral

2.2 電極的電化學(xué)表征

使用K3[Fe(CN)6]溶液與KCl的混合溶液作為探針，利用循環(huán)伏安法(CV)對修飾絲網(wǎng)印刷電極的電化學(xué)性能表征，結(jié)果見圖4(a)。相比于未修飾條件，凹凸棒石粘土礦物修飾阻礙了電極表面電子傳遞，但凹凸棒石粘土礦物提供的活性位點隨著修飾濃度的增加而增加，電子傳輸能力隨之提升。

圖4 (a)凹凸棒石粘土礦物不同修飾濃度條件下循環(huán)伏安圖；(b)不同溶液中修飾電極的EIS圖Fig.4 (a)CVs of different modified electrodes in 0.1 mol/L KCl solution(containing 5 mmol/L K3[Fe(CN)6]);(b) EIS of modified electrodes in HAc-NaAc solution and 0.1 mol/L KCl solution (containing 5 mmol/L K3[Fe(CN)6)]

圖4(b)為基于Nafion分散的凹凸棒石粘土礦物修飾濃度為1 mg/L電極分別在0.1 mol/L KCl-5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和pH=4.0 HAc-NaAc緩沖溶液中檢測得到的電化學(xué)交流阻抗(EIS)圖，電子傳遞阻抗分別約為300 Ω和470 Ω。修飾電極在0.1 mol/L KCl-5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的導(dǎo)電性優(yōu)于0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液，主要是因為溶液中KCl增強了導(dǎo)電性。

2.3 傳感器對Cd(Ⅱ)的檢測性能

2.3.1 凹凸棒石粘土礦物修飾濃度的影響為進(jìn)一步研究本實驗制備材料的性能，對不同濃度凹凸棒石粘土礦物修飾后的絲網(wǎng)印刷碳電極在同一條件下檢測性能進(jìn)行比較。圖5為三種凹凸棒石粘土礦物修飾條件和Nafion修飾條件下電極對Cd(Ⅱ)(50 μg/L)檢測的SWASV曲線。緩沖溶液為0.1 mol/L HAc-NaAc(pH=4.0)。Nafion是化學(xué)修飾電極中常用的具有粘度和陽離子交換作用的分散液，1%Nafion修飾電極(N-SPCE)SWASV曲線上存在著一個弱且不明顯的溶出峰。通過金屬氧化還原電勢與Ag/AgCl參比電極電位可知，溶出電位對應(yīng)于Cd(Ⅱ)。在檢測溶液體系條件相同情況下，溶出峰電位受到儀器測量性能、凹凸棒石粘土礦物的團聚顆粒大小和其在電極表面分散程度影響。通過凹凸棒石粘土礦物修飾后,電極的SWASV曲線上出現(xiàn)了明顯的Cd(Ⅱ)溶出峰信號，表明修飾材料增強了電極對Cd(Ⅱ)的檢測響應(yīng)，且凹凸棒石粘土礦物2 mg/mL濃度修飾檢測效果最佳。

圖5 不同濃度凹凸棒石粘土礦物修飾電極在含有Cd(Ⅱ)(50 μg/L)的0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.0)中的SWASV曲線Fig.5 SWASV curves of different modified electrodes in HAc-NaAc solution (0.1 mol/L pH=4.0) containing 50 μg/L Cd(Ⅱ)

2.3.2 溶液pH的影響緩沖溶液的pH值是影響檢測靈敏度的重要因素。研究Cd(Ⅱ)在不同pH的HAc-NaAc緩沖溶液中的溶出曲線。如圖6所示，Cd(Ⅱ)在緩沖溶液pH=4.0條件下峰電流最大，且在緩沖溶液pH=4.0時修飾電極的阻抗值相對較低，這與文獻(xiàn)報道中被廣泛接受的HAc-NaAc緩沖液pH=4.5不同[20 - 22]，溶液pH較低時存在較高濃度的H+，H+和金屬離子均會在工作電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生競爭從而影響金屬離子的富集效果；溶液pH增大時，OH-通過與金屬離子絡(luò)合，進(jìn)而影響金屬離子在電極表面的富集導(dǎo)致溶出電流減小[23]。凹凸棒石粘土礦物修飾電極在緩沖溶液pH=4.0時，電化學(xué)信號最強，因此選擇0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.0)為反應(yīng)底液。

圖6 (a)0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液pH值對凹凸棒石粘土礦物修飾電極檢測Cd(Ⅱ)的影響；(b)0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液pH值對凹凸棒石粘土礦物修飾電極EIS的影響Fig.6 (a)The influence of pH of 0.1 mol/L HAc-NaAc solution on the detection of Cd(Ⅱ) by the modified electrodes;(b) EIS of modified electrodes in 0.1 mol/L HAc-NaAc solutions with different pH

2.3.3 富集電位和富集時間的影響固定富集時間為180 s，改變富集電位，研究Cd(Ⅱ)溶出峰電流隨富集電位變化的情況，結(jié)果如圖7(a)所示。隨著富集電位從-1.3 V降到-1.5 V，Cd(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸增大，富集電位為-1.5 V時，Cd(Ⅱ)溶出峰電流達(dá)到最大。富集電位繼續(xù)負(fù)移時，溶出電流開始降低。在-1.7 V時的溶出峰電流高于-1.6 V，雖然過高的富集電位也會加快富集過程，但是容易富集雜離子而產(chǎn)生干擾，因此選擇富集電位為-1.5 V。

對不同的富集時間進(jìn)行分析，富集時間從30 s到270 s，固定富集電位-1.5 V，Cd(Ⅱ)濃度為50 μg/L。富集時間和峰電流關(guān)系如圖7(b)所示，溶出電流隨著富集時間的增加而一直增大，說明峰電流受富集時間影響較大，富集到電極表面的Cd(Ⅱ)隨著富集時間的增加逐漸增多，溶出性能也得到進(jìn)一步提高。但是當(dāng)富集時間超過210 s時，溶出電流增大的趨勢減緩，說明修飾電極表面已開始趨近于飽和狀態(tài)，繼續(xù)增加富集時間對于我們所期望的快速檢測是不利的。因此，為了獲得更低的檢出限和更寬的響應(yīng)范圍，實驗選擇210 s作為電化學(xué)檢測的富集時間。

圖7 (a)富集電位對Cd(Ⅱ) (50 μg/L)溶出峰電流的影響；(b)富集時間對Cd(Ⅱ) (50 μg/L)溶出峰電流的影響Fig.7 (a)Influence of accumulation potential on currents of Cd(Ⅱ) (50 μg/L);(b)Influence of accumulation time on currents of Cd(Ⅱ) (50 μg/L)

2.4 線性范圍和檢出限

在富集電位-1.5 V，富集時間210 s，0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.0)條件下，采用SWASV測定不同濃度Cd(Ⅱ)得到的溶出曲線，如圖8所示。Cd(Ⅱ)濃度在10～175 μg/L范圍內(nèi)，溶出曲線的峰形良好，溶出峰電流隨著濃度的增加而線性增大，Cd(Ⅱ)濃度(x)與峰電流(y)線性回歸方程為：y(μA)=0.09056x+0.33497(R2=0.9951)，檢出限(S/N=3)為1.18 μg/L，低于世界衛(wèi)生組織和我國規(guī)定的飲用水中允許的最大含量。與文獻(xiàn)報道的修飾電極檢測Cd(Ⅱ)的方法相比(表1)，凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷電極具有良好的溶出伏安特性。

圖8 (a)凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷碳電極檢測不同Cd(Ⅱ)濃度的溶出伏安圖；(b)Cd(Ⅱ)溶出峰電流與濃度的線性關(guān)系Fig.8 (a) SWASV curves of different concentrations of Cd(Ⅱ) on modified electrodes;(b) The linear calibration between the current responses and the concentration of Cd(Ⅱ)

表1 基于不同修飾的絲網(wǎng)印刷電極檢測Cd(Ⅱ)的性能比較

2.5 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和抗干擾能力

為了考察優(yōu)化條件下修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，在相同條件下，從修飾電極中隨機選取5支，檢測5組Cd(Ⅱ)溶液樣品，每組樣品分別進(jìn)行7次平行測定，對7次測定的峰電流計算平均值，峰電流數(shù)據(jù)之間的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.0%，說明修飾的電極具有較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

實驗選擇加入Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+和Pb2+作為干擾離子。結(jié)果表明，在Zn2+和Pb2+為1.25×103μg/L時，即Cd(Ⅱ)濃度50倍的情況下，與單獨檢測Cd(Ⅱ)的溶出信號相比變化在±2%內(nèi)；在Na+、K+、Ca2+、Mg2+為5.0×103μg/L時，即為Cd(Ⅱ)濃度100倍時，溶出曲線與單獨檢測Cd(Ⅱ)的溶出信號相比變化在±5%內(nèi)，表明凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷碳電極具有良好的抗干擾性能。

2.6 實際水樣分析

采集南京林業(yè)大學(xué)紫湖溪河水水樣，使用制備的改性電極結(jié)合SWASV對水體中的Cd(Ⅱ)含量進(jìn)行了檢測。首先將水樣本過濾，濾除泥沙等大顆粒固態(tài)雜質(zhì)。過濾后的實際水樣與0.2 mol/L HAc-NaAc溶液以體積比1∶1混合，使用NaOH溶液將被測溶液pH值調(diào)節(jié)至4.0。過濾后的河水樣本使用ICP-MS檢測Cd(Ⅱ)含量為0.465 μg/L。通過使用標(biāo)準(zhǔn)加入方法對先前檢測到的樣品進(jìn)行驗證，重復(fù)測定3次。結(jié)果顯示(表2)，RSD小于3%，Cd(Ⅱ)回收率為98.6%～103.5%，表明制備的改性電極可用于實際水環(huán)境中Cd(Ⅱ)的實時快速分析。

表2 實際水樣測定結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論

本研究基于方波陽極溶出伏安法，構(gòu)建了凹凸棒石粘土礦物修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極傳感器，可用于檢測水溶液中Cd(Ⅱ)含量。在優(yōu)化檢測參數(shù)實驗條件下，Cd(Ⅱ)溶出峰電流與濃度具有良好的線性關(guān)系。在實際水樣的加標(biāo)回收檢測中，該修飾電極顯示出了良好的回收率。凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷電極制備簡單，價格低廉，商業(yè)化生產(chǎn)可行性高，且重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和抗干擾能力令人滿意，為基于現(xiàn)場的重金屬快速檢測提供了一種成本低且安全的新方法。