賀小云+王濟奎+洪穎+呂丹丹+楊曉露+劉暢+陸小華+陳國松

摘 要 首次提出了流場形（FFS）電極的概念，并印制了FFS三電極體系。結(jié)合3D打印的薄層流通池（TLFC），采用方波溶出伏安法（SWSV），構建了鎘離子（Cd2+）流動電化學檢測系統(tǒng)?？疾炝穗姌O形狀、測量方式、流速、介質(zhì)條件、富集時間等條件的影響。結(jié)果表明，此檢測系統(tǒng)測量靈敏度高，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。在優(yōu)化條件下，Cd2+濃度在2～100 μg/L范圍內(nèi)與溶出峰電流呈良好的線性關系，相關系數(shù)為0.997，檢出限為0.5 μg/L。將本方法應用于環(huán)境水樣和生物甲烷發(fā)酵液中痕量Cd2+的檢測，結(jié)果與ICP.AES無顯著性差異，加標回收率為90%～106%。

關鍵詞 鎘； 3D打印薄層流通池； 流場形電極； 流動電化學檢測體系

1 引 言

鎘（Cd）是環(huán)境中常見的有毒害重金屬，污染主要來源于冶煉、電鍍、塑料、印刷等行業(yè)排放的廢水、廢氣和廢渣。Cd被人體吸收后會在體內(nèi)蓄積，造成嚴重的慢性中毒，致畸、致癌、致突變。常見分析Cd的方法有原子吸收光譜法[1，2]、原子熒光光譜法[3]、電感耦合等離子質(zhì)譜法[4，5]、電化學分析法[6～9]、生物化學傳感器檢測[10～12]等。其中，電化學分析法具有快速、裝置簡單、靈敏度高、專屬性強、不受樣品基體濁度和色澤影響等優(yōu)點。

陽極溶出伏安（ASV）是檢測痕量重金屬離子的常用電化學分析法，一般是將三電極置于待測溶液中，在攪拌狀態(tài)下富集并在靜置狀態(tài)下溶出。因此試液用量較大，不便用于現(xiàn)場實時檢測。攪拌狀態(tài)的多變性也使得富集過程和分析結(jié)果的重現(xiàn)性均不理想。

絲網(wǎng)印刷技術可將三電極設計并印制在一張底板上，具有便攜性高和分析成本低的優(yōu)勢[13]。流動分析方式樣品需求量少，自動化程度高，樣品間的交叉污染少，且靈敏度高，重現(xiàn)性好，具有良好的應用前景[14，15]。

本研究將兩者有機結(jié)合，用3D打印機生成薄層流通池（TLFC），首次將三電極設計成順應理想流場的形狀，構建了痕量Cd2+的電化學檢測系統(tǒng)，以流動分析方式，采用同位鍍鉍膜.方波溶出伏安法對水樣中的痕量Cd2+進行測定，取得了令人滿意的結(jié)果。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CHI660E電化學工作站（上海辰華儀器公司）； BS 124S電子分析天平（德國賽多利斯公司）； PHS.3C數(shù)字式酸度計（上海雷磁儀器廠）； BT100.1L多通道蠕動泵（保定蘭格恒流泵有限公司）； DZE.6050真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）； PE ICP Optima 8000（美國珀金埃爾默公司）； 絲網(wǎng)印刷三電極（自制，其中工作電極和輔助電極為碳漿印制，參比電極為銀/氯化銀漿印制）

無水乙醇，硝酸鉍（西隴化工股份有限公司）； Cd標準溶液（1000 μg/mL，美國AccuStandard公司）； 0.1 mol/L不同pH的HAc.NaAc 緩沖液；所用試劑均為分析純；實驗用水均為超純水（電阻率>18.3 MΩ·cm）。 檢測水樣分別采自973計劃項目生物甲烷系統(tǒng)發(fā)酵罐（樣品1）、長江南京燕子磯段（樣品2）、長江南京長江大橋段（樣品3）及長江南京江心洲段（樣品4）。

2.2 流動式電化學檢測系統(tǒng)的構建

傳統(tǒng)溶出伏安分析中，溶液中的金屬離子在攪拌下與棒狀工作電極接觸而在其表面還原沉積，從而得到富集。待測溶液須完全浸沒電極，待測物質(zhì)需在攪拌下從溶液本體向電極表面擴散，因而完成測定所需溶液的體積較大，富集量易受電極實物形狀及其在燒杯中相對位置的影響。若在平面電極表面構建一個微米級的（< 1 mm）薄層空間，用蠕動泵驅(qū)動被測溶液持續(xù)地流過電極的表面，則富集量的重現(xiàn)性有望得到顯著提高。此外，電極表面源源不斷地有未經(jīng)損耗的新鮮待測溶液流過，相同時間內(nèi)會有更多的待測物質(zhì)被還原沉積，可以在減小所需溶液體積的同時提高富集量。若將電極形狀設計成順應流場的方向，則富集效率將進一步改善，提高方法的靈敏度。本研究中所采用的流動式電化學檢測系統(tǒng)如圖1所示。

2.2.1 薄層流通池（TLFC）的設計制作 用AutoCAD設計的TLFC結(jié)構如圖2A。兩個透明方塊形成合葉夾住平面電極，在電極的有效工作區(qū)表面留有鞍形的薄層空間及進出口，實物照片如圖2B。被測溶液由蠕動泵驅(qū)動流經(jīng)電極表面。

2.2.2 絲網(wǎng)印刷三電極體系的設計制作 經(jīng)COMSOL Multiphysics軟件用有限元方法對薄層鞍形空間內(nèi)溶液的運動狀態(tài)進行模擬?；陧槕硐肓鲌鲂螤畹脑O計思路，三電極設計及其印制過程如圖3所示。電極觸腳與標準USB接口4個觸腳中的3個匹配，以便與電化學工作站連接及應用。

2.3 實驗方法

用無水乙醇清洗批量的絲網(wǎng)印刷電極表面，再用去離子水洗凈晾干后，裝入自封袋中備用。移取適量硝酸鉍溶液和Cd標準溶液于50 mL容量瓶內(nèi)，用0.1 mol/L HAc.NaAc緩沖溶液（pH 4.7）定容， 待測。

傳統(tǒng)陽極溶出伏安法（ASV）：將待測溶液倒入50 mL帶攪拌子的燒杯中，將絲網(wǎng)印刷碳工作電極、常規(guī)棒狀銀.氯化銀參比電極和鉑絲對電極置于燒杯中并與電化學工作站連接。在1.2 V恒電位富集240 s后靜置60 s，采用方波溶出伏安法溶出富集在工作電極上的Cd，并記錄溶出曲線。參數(shù)設置為：掃描范圍0.3 V，頻率30 Hz；速度6 mV；振幅25 mV。

自制電極.流動ASV：將絲網(wǎng)印刷電極按圖2B連接，開啟蠕動泵，待溶液充滿流通池后啟動富集和溶出過程。富集期間待測溶液以1.2 mL/min連續(xù)流經(jīng)流通池，富集及溶出條件與傳統(tǒng)ASV一致。

滴液式ASV：吸取適量待測溶液，滴于自制電極三電極區(qū)域，并確保完全覆蓋，通過USB接口將其與電化學工作站連接（如圖4A），進行富集和溶出，富集及溶出條件與傳統(tǒng)ASV法一致。

常規(guī)電極.流動ASV：將流動ASV中使用的自制絲網(wǎng)印刷三電極替換為常規(guī)三電極（如圖4B），其它實驗過程與傳統(tǒng)ASV法相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 流動式絲網(wǎng)印刷三電極體系的電化學檢測性能評價

利用循環(huán)伏安（CV）法表征自制絲網(wǎng)印刷電極的電化學特性，圖5為多次掃描所得CV圖，該絲網(wǎng)印刷三電極體系上的氧化還原反應為可逆過程，較大的峰電流及重合性良好的伏安曲線說明此電極體系靈敏度較高，且穩(wěn)定性良好。

3.2 不同形狀電極.流動ASV比較

將設計的絲網(wǎng)印刷三電極及常規(guī)絲網(wǎng)印刷三電極分別置于流通裝置中進行流動狀態(tài)下Cd2+（60 μg/L）的檢測，圖6為兩者的溶出伏安圖。結(jié)果表明，本實驗設計的流場形絲網(wǎng)印刷三電極能得到峰形較好的溶出峰及較大的峰電流，而常規(guī)形狀的電極未能出現(xiàn)Cd的溶出峰。這可能是由于常規(guī)電極的工作電極面積較小，且經(jīng)實際測量，該電極的對電極電阻與工作電極相當，不利于在此檢測體系中的檢測。而流場形電極工作面積較大，對電極電阻較小，且更符合薄層鞍形空間內(nèi)流體的流場分布，在此流動檢測體系中能獲得理想的檢測效果。

3.3 滴液式ASV與流動ASV比較

圖7為相同條件下滴液ASV和流動ASV兩次檢測60 μg/L Cd2+所得溶出曲線。由圖7可見，由于試樣體積的差別，流動ASV所得溶出峰遠高于滴液法。同時由于滴液法檢測時，電極表面的溶液擴散緩慢，導致富集效果不及流動富集方法。

3.4 傳統(tǒng)ASV法與流動ASV分析法實驗結(jié)果的比較

圖8為Cd2+濃度為60 μg/L時，傳統(tǒng)ASV法與流動ASV法富集時的i.t曲線， 可見流動ASV法的富集曲線顯然比傳統(tǒng)ASV法平滑得多，表明傳統(tǒng)方法中攪拌使得燒杯中溶液的狀態(tài)極不穩(wěn)定，電流變化幅度劇烈，富集電流圖波動明顯，對富集量的重現(xiàn)性有不利影響。而流動分析下的富集過程始終保持試樣以恒定的流速平緩流經(jīng)電極表面，試液與電極的接觸狀態(tài)高度重復，沉積狀態(tài)基本穩(wěn)定，因此富集電流相對平滑。

分別采用傳統(tǒng)ASV法及流動ASV法在相同實驗條件下3次測定60 μg/L的Cd2+標準溶液所得溶出曲線， 流動分析所得3次溶出峰電流基本一致， 且溶出曲線基本重合，表明本方法測定Cd2+具有良好的重現(xiàn)性。而傳統(tǒng)分析法的各次溶出峰形及峰電流均存在較大差異。

3.5 流動檢測體系條件的優(yōu)化

3.5.1 流速對溶出峰電流的影響 流動ASV中，新鮮試樣不斷流經(jīng)電極表面，及時補充反應消耗的Cd2+，且新鮮試液中的Cd2+尚未經(jīng)消耗，始終保持了最高濃度的狀態(tài)，從而提高了檢測的靈敏度。實驗采用60 μg/L Cd2+標準溶液進行實驗，Cd2+考察流速在0.6～1.8 mL/min范圍內(nèi)對溶出峰電流的影響。

由圖9可見，隨著流速增大，補充的待測離子增多，峰電流逐漸增大，當流速為1.2 mL/min時，峰電流達到最大值，此后便呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，表明過快的流速可導致還原產(chǎn)生的Cd附著不牢固，甚至部分被液流帶走。綜合考慮靈敏度及穩(wěn)定性因素，實驗采用1.2 mL/min作為富集時的最佳流速。

3.5.2 不同緩沖體系及pH值對溶出信號的影響

考察了濃度為0.1 mol/L幾種常見緩沖液對Cd溶出峰的影響，如圖10A，選用0.1 mol/L的醋酸.醋酸鈉緩沖體系，溶出峰信號最強。緩沖體系pH對峰電流的影響如圖10所示，pH值較低時，還原產(chǎn)生的Cd易酸溶損失；pH值較高時，鉍膜易羥基化，形成Bi（OH） 3，從而導致富集效率降低。實驗選擇最佳pH 4.7。

3.5.3 鉍離子濃度對試驗的影響 采用0.1 mol/L醋酸緩沖液（pH 4.7）為測量介質(zhì)，在200～800 μg/L濃度范圍內(nèi)，考察了Bi3+溶液濃度對其溶出峰的影響。由圖11可見，當體系Bi3+濃度為零時，工作電極近乎呈現(xiàn)出直線的阻抗譜圖，這說明無Bi3+時，幾乎沒有Cd富集到電極表面，電極表面的電子傳遞幾乎不存在阻礙。隨著Bi3+濃度增大，在工作電極表面形成的金屬鉍齊數(shù)量逐漸增多，膜層越厚，則阻抗值逐漸增大，溶出峰電流也逐漸增大。而濃度過大時，阻抗值及峰電流變化不大，甚至有所減小，這是由于此時鉍膜的多孔特性變差，且有封閉的傾向，會阻礙富集和溶出過程中電極表面電子及離子的傳遞，影響電化學反應效果。因此實驗選用Bi3+濃度為600 μg/L。

3.5.4 富集電位和富集時間的影響

在1.4 V范圍內(nèi)改變富集電位，研究富集電位對Cd溶出峰的影響。結(jié)果表明，富集電位為 1.2 V時，峰電流增至最大且峰形最好，隨后降低，且峰電位向負偏移。為確保較好的峰形與較大的峰電流， 避免電位過負時其它離子的溶出產(chǎn)生干擾，選擇最佳富集電位為 1.2 V。

隨著富集時間延長，被富集的Cd不斷增多直至達到飽和狀態(tài)，隨后再增加時間，會導致鉍齊中的Cd深入鉍膜中難以溶出。在選定 1.2 V富集電位下，考察了富集時間與溶出峰電流之間的關系，當富集時間在100～240 s之間， 隨富集時間延長，峰電流顯著增大。當富集時間大于240 s時，峰電流逐漸減小。因此選擇240 s作為最佳富集時間。

3.6 流動檢測體系的分析性能

3.6.1 標準曲線 在最佳操作條件下測定不同濃度的Cd2+標準溶液，溶出曲線見圖12A。以溶出峰峰電流ip（μA）為縱坐標，Cd2+濃度c （μg/L）為橫坐標，繪制標準曲線（圖12B）。在2～100 μg/L濃度范圍內(nèi)， ip與Cd2+濃度呈良好的線性關系，檢出限為0.5 μg/L，線性方程為ip=0.091c-0.280，相關系數(shù)R=0.997。

3.6.2 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及抗干擾性 取同一批次印制的電極重復測定60 μg/L Cd2+標液，獲得組間RSD為3.6%（n=3），表明此流動檢測系統(tǒng)具有較好的重現(xiàn)性。每隔5天測定一次60 μg/L Cd2+標液，3個月內(nèi)測定結(jié)果沒有顯著性差異，批內(nèi)RSD為2.7%，批間RSD為3.1%，表明實驗電極及檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。

在60 μg/L Cd2+標準溶液中添加不同濃度倍數(shù)的各種干擾離子，在相對誤差小于±5%的前提下，200倍濃度的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Mn2+、Ba2+、NH+4、Cl 、NO 、SO2 4、PO3 4及100倍濃度的Co2+、Ni2+、Fe3+及Zn2+對Cd2+的測定沒有影響。然而，Pb2+、Cu2+和Hg2+的干擾較嚴重，可向試液中添加掩蔽劑硫脲來消除Cu2+和Hg2+的干擾。

3.7 實際樣品分析

在優(yōu)化的實驗條件下，將此檢測體系用于環(huán)境水樣和生物甲烷發(fā)酵液中Cd2+的測定，并將測定結(jié)果與ICP.AES的測定結(jié)果對照，同時做標準加入回收實驗，結(jié)果見表1。

4 結(jié) 論

本研究采用自制流場形電極，結(jié)合3D打印薄層流通池檢測單元，構建了一種新的流動檢測體系，用于測定水樣中的痕量Cd。絲網(wǎng)印刷電極及3D打印流通池制作工藝簡單，不僅節(jié)省了檢測空間，而且檢測成本低。此檢測體系靈敏度高，重現(xiàn)性及穩(wěn)定性良好。用于檢測環(huán)境水樣及生物甲烷發(fā)酵液中的痕量Cd，結(jié)果與ICP.AES相符。此檢測系統(tǒng)為便攜式重金屬檢測儀器的開發(fā)提供了有價值的參考。

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Abstract The concept of flow.field shaped （FFS） electrode was firstly put forward and the FFS three.electrode system was built. Combined with the 3D.printed thin.layer flow cell （TLFC）， the flowing electrochemical detection system for detection of Cd by square wave stripping voltammetry （SWSV） was thus constructed. Several factors affecting the determination were investigated， including the shape of the electrode， measuring method， buffer medium， flow rate and deposition time. This detection system exhibited attractive properties， such as high sensitivity， good reproducibility and stability. Under optimized conditions， Cd concentration presented a good linear relationship with the stripping current in a range of 2-100 μg/L. The correlation coefficient was 0.997 and the detection limit was 0.5 μg/L. The proposed system was applied to determine trace Cd in environmental water and biological methane fermentation liquor. The detection results were consistent with the results obtained by ICP.AES and the recovery was 90%-106%.

Keywords Cadmium； 3D.Printed thin.layer cell； Flow.field shaped electrode； Flowing electrochemical detection system