王 聰, 邱成軍, 曲 偉， 莊 遠(yuǎn)， 牙富東， 嚴(yán)怡柔

(1.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院, 欽州 535011; 2.北部灣大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,欽州 535011; 3.廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院, 南寧 530004)

0 引 言

重金屬離子在水中具有富集性和強(qiáng)毒性，會(huì)隨著工業(yè)廢水和生活污水排放量的增加，給整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重威脅[1-2]。其中Pb2+是一種高毒性重金屬離子，會(huì)對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)造成損害，也能引起部分器官衰竭[3-4]?？紤]到它的危害，世界衛(wèi)生組織(WHO)和美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)規(guī)定海水中Pb2+的最高含量為50 μg·L-1[5]，超過(guò)此濃度海洋生物和人類健康將面臨嚴(yán)重威脅。因此，檢測(cè)海水中Pb2+的含量尤為重要。

電化學(xué)溶出伏安法因其操作簡(jiǎn)便、靈敏性高、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，備受研究人員的廣泛關(guān)注[6]。其中差分脈沖溶出伏安(DPSV)法因其響應(yīng)速度快、背景電流低等優(yōu)點(diǎn)，成功用于多種環(huán)境下Pb2+的檢測(cè)分析。如文獻(xiàn)[6-9]通過(guò)DPSV法分別實(shí)現(xiàn)了礦山廢水、湖水以及飲用水中痕量Pb2+的測(cè)定。但目前對(duì)海水進(jìn)行檢測(cè)的相關(guān)報(bào)道較少，這是因?yàn)楹Ｋw環(huán)境復(fù)雜、干擾性強(qiáng)[10]。而多組分的修飾電極具有良好的協(xié)同和耦合作用，在靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性方面都要優(yōu)于單組分修飾電極，適合用于鉛離子含量低、基體干擾強(qiáng)的檢測(cè)[11-12]。軟磁材料四氧化三鐵(Fe3O4)是一種尖晶石類鐵氧體，在電子領(lǐng)域、生物領(lǐng)域以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用價(jià)值。而納米級(jí)的四氧化三鐵(Nano-Fe3O4)表現(xiàn)出的超順磁性使其在修飾電極上增加電極的導(dǎo)電性，加快電極與溶液反應(yīng)時(shí)電子的傳輸速率；其小尺寸效應(yīng)表現(xiàn)出了體積小和比表面積大的特點(diǎn)[13]。全氟磺酸又名Nafion，是一種金屬陽(yáng)離子交換劑，具有防污性能，其膜帶負(fù)電荷，可作為天然屏障阻止帶負(fù)電荷粒子的相互作用[14]。本文研究了一種多組分的納米復(fù)合材料修飾電極構(gòu)建的Pb2+傳感器，利用Nafion作為分散劑分散在Nano-Fe3O4中，Nafion不僅可以作為分散劑與成膜劑，還可以實(shí)現(xiàn)重金屬離子的萃取，提高檢測(cè)的靈敏度[15]。通過(guò)滴涂法在玻碳電極(GCE)表面實(shí)現(xiàn)Nano-Fe3O4/Nafion復(fù)合膜的修飾，基于DPSV法實(shí)現(xiàn)鉛離子傳感器對(duì)海水中Pb2+高靈敏度的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

本實(shí)驗(yàn)基于上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI 830D電化學(xué)分析儀進(jìn)行操作；采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系：工作電極為3 mm的GCE，輔助電極為鉑絲，參比電極為飽和甘汞電極。通過(guò)Sigma HD型掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝修飾電極的形貌。pH計(jì)、磁力攪拌器和電子天平購(gòu)于上海力辰儀器科技有限公司。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用的藥品分別為分析純(AR)的無(wú)水乙醇、氯化鐵、硫酸亞鐵、乙酸鈉、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，優(yōu)級(jí)純(GR)的氯化鉀、冰乙酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Nafion(乙醇與水混合液)以及100 μg·mL-1的Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液(1%硝酸)等藥品。實(shí)驗(yàn)用水為電阻率達(dá)到18.0 MΩ·cm的超純水。

1.2 修飾溶液的制備

利用電子天平分別稱取3.244 g氯化鐵和8.344 g硫酸亞鐵，放入燒杯中，加入100 mL超純水，超聲20 min；再加20 mL濃氨水，在恒溫50 ℃下，通過(guò)磁力攪拌器劇烈攪拌1 h，傾去上層清液，沖洗至中性，抽濾并在干燥箱內(nèi)干燥；在研缽中研磨成粉末，就得到了Nano-Fe3O4。將Nafion經(jīng)無(wú)水乙醇稀釋到0.5%，稱取10 mg Nano-Fe3O4粉末與25 μL Nafion一起放入燒杯中，利用DMF定容至10 mL，超聲30 min以上，使其分散均勻，即可得到Nano-Fe3O4/Nafion修飾電極溶液。

1.3 Pb2+傳感器的制備

分別用0.3和0.05 μL的Al2O3粉末對(duì)裸GCE進(jìn)行拋光；然后再經(jīng)超純水、無(wú)水乙醇沖洗電極；最后將裸GCE在H2SO4(0.5 mol·L-1)溶液中活化，用循環(huán)伏安法(CV)進(jìn)行掃描，直至得到穩(wěn)定的CV曲線，用超純水沖洗電極，晾干即可。用移液器精確移取5 μL Nano-Fe3O4/Nafion修飾溶液均勻地滴加到GCE上，并置于紅外燈下烘烤，待溶液揮發(fā)后即可得到Nano-Fe3O4/Nafion/GCE，一層致密的薄膜粘附在GCE表面，表明Pb2+傳感器構(gòu)建成功。

1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

配制0.1 mol·L-1pH 4.5的HAc-NaAc支持電解質(zhì)溶液，將一定量的鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到支持電解質(zhì)溶液中，通N2除氧10 min。將Nano-Fe3O4/Nafion/GCE、鉑絲電極、飽和甘汞電極浸入溶液中。在攪拌的作用下，利用電化學(xué)分析儀的恒電位(I-t)法進(jìn)行富集，電位-1.1 V，時(shí)間180 s；利用DPSV法記錄Pb2+的溶出曲線，操作參數(shù)：起始、終止電位分別為-0.9和-0.3 V，電位增量0.05 V，其他參數(shù)為儀器默認(rèn)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Nano-Fe3O4的形貌表征

通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)表征了本文制備的Nano-Fe3O4微觀形貌結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示，在Mag=50 kx放大倍數(shù)下可以發(fā)現(xiàn)Nano-Fe3O4呈球形或近球形；進(jìn)一步放大，在Mag=100 kx倍數(shù)下，如圖1(b)所示，直徑大約為30～40 nm，尺寸大小均一，分布均勻，顆粒感好，形貌良好。

圖1 Nano-Fe3O4 SEM圖: (a) Mag=50.00 kx; (b) Mag=100.00 kxFig.1 SEM images of Nano-Fe3O4: (a) Mag=50.00 kx; (b) Mag=100.00 kx

2.2 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的電化學(xué)表征

為了驗(yàn)證Nano-Fe3O4/Nafion修飾材料是否被成功修飾在傳感器的電極上，在0.1 mol·L-1KCl溶液中(含0.01 mol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-)進(jìn)行了不同電極的CV測(cè)試。如圖2所示，對(duì)比裸GCE (曲線a)和Nano-Fe3O4/Nafion/GCE (曲線b)，可以發(fā)現(xiàn)Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的Fe3+/Fe2+的氧化還原峰明顯大于裸GCE的，說(shuō)明Nano-Fe3O4/Nafion被成功修飾到了電極表面，增加電極的比表面積，改善了電極的電化學(xué)性能。為了精確地求出不同電極的電活性面積，根據(jù)Randles-Sevcik方程[16]，利用下式：

圖2 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE與 裸GCE的CV對(duì)比圖Fig.2 Comparison of CV between Nano-Fe3O4/ Nafion/GCE and bare GCE

Ip=2.69×105AD1/2n2/3γ1/2C

(1)

式中:Ip為電流峰值，A；A為有效電極面積，cm2；D為擴(kuò)散系數(shù)，cm2·s-1；n為參與反應(yīng)的電子數(shù)；γ為電位變化速率，V·s-1；C為濃度，mol·cm-3。將D=7.6×10-6cm2·s-1，n=1，C=10 mmol·L-1代入上式計(jì)算可得Nano-Fe3O4/Nafion/GCE、裸GCE的電活性面積分別為0.010 8和0.008 4 cm2。進(jìn)一步說(shuō)明了Nano-Fe3O4/Nafion有效地增加GCE的電活性面積，提高了傳感器的導(dǎo)電性能。

電極在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí),可分為表面過(guò)程控制和擴(kuò)散過(guò)程控制，為了驗(yàn)證Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的電極表面特性，將Nano-Fe3O4/Nafion/GCE置于KCl、[Fe(CN)6]3-/4-溶液中，進(jìn)行不同掃速的CV測(cè)試，得到如圖3(a)所示的CV圖。隨著掃速的增加，峰電流在增大，且峰電流Ip與掃速V1/2成一定的線性關(guān)系，如圖3(b)所示，表明Nano-Fe3O4/Nafion修飾的Pb2+傳感器的電極反應(yīng)由擴(kuò)散過(guò)程控制。

圖3 (a) 不同掃速下Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的CV圖; (b) 峰電流Ip與掃速V1/2圖Fig.3 (a) CV diagram of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE at different scanning speed; (b) relationship of peak current and scanning speed

Pb2+在不同修飾電極上的響應(yīng)效果如圖4所示。采用DPSV法在50 μg·L-1Pb2+溶液中對(duì)Nano-Fe3O4/Nafion/GCE與裸GCE進(jìn)行溶出伏安曲線對(duì)比，可以看出，Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的Pb2+溶出峰電流要明顯大于裸GCE的，這是由于Nano-Fe3O4/Nafion材料獨(dú)特的性能，提高了電極表面的電子傳輸速率，更利于Pb2+的吸附，因此，Nano-Fe3O4/Nafion/GCE展現(xiàn)出了更高的靈敏度與峰電流。

圖4 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE(曲線a)與裸GCE(曲線b) 在50 μg·L-1 Pb2+溶液中的DPSV曲線Fig.4 DPSV curves of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE (curve a) and bare GCE (curve b) in 50 μg·L-1 Pb2+ solution

2.3 Pb2+傳感器檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.3.1 支持電解質(zhì)的影響

不同的支持電解質(zhì)會(huì)直接影響Pb2+傳感器溶出曲線基線的平穩(wěn)、峰形的大小以及重現(xiàn)性。如圖5所示，分別在含有50 μg·L-1Pb2+的HAc-NaAc、HCl、KCl(均為0.1 mol·L-1、pH 5.0)三種不同支持電解質(zhì)內(nèi)對(duì)Nano-Fe3O4/Nafion/GCE進(jìn)行了DPSV測(cè)試，通過(guò)對(duì)比基線、峰電流的大小以及峰形確定了HAc-NaAc作為Pb2+傳感器檢測(cè)Pb2+的支持電解質(zhì)。

2.3.2 富集電位影響

最優(yōu)的富集電位可以加速目標(biāo)金屬離子的富集，提高Pb2+傳感器檢測(cè)的準(zhǔn)確性[17]。在-0.8 ～1.2 V范圍進(jìn)行富集電位的優(yōu)化結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯S著電位的增大，峰電流也在增大。當(dāng)電位為-1.1 V時(shí)，峰電流信號(hào)達(dá)到最大值。繼續(xù)增加富集電位，峰電流反而下降，由于傳感器的修飾電極表面會(huì)有析氫現(xiàn)象，導(dǎo)致修飾電極表面已經(jīng)被富集的Pb2+會(huì)脫落。因此,選取-1.1 V作為富集電位。

圖6 富集電位對(duì)Pb2+溶出峰電流的影響Fig.6 Effect of accumulation potential on the peak current of Pb2+ dissolution

2.3.3 HAc-NaAc電解質(zhì)pH的影響

當(dāng)pH過(guò)低時(shí)，溶液中的H+與Pb2+存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系(即析氫可能會(huì)干擾沉積富集過(guò)程)，pH過(guò)高時(shí)，Pb2+可能會(huì)水解形成金屬氫氧化物和絡(luò)合物等，從而減少溶液中金屬離子的量[18]。于是考察了不同pH的HAc-NaAc支持電解質(zhì)溶液對(duì)峰電流的影響，如圖7所示。HAc-NaAc電解質(zhì)的pH從4.0變化到5.0時(shí)，峰電流不斷增大。在5.0處最大，當(dāng)pH繼續(xù)增大，峰電流反而呈下降趨勢(shì)。因此，HAc-NaAc緩沖溶液的pH選擇5.0。

2.3.4 Nano-Fe3O4濃度的影響

由于Nano-Fe3O4濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致背景電流過(guò)大，相反濃度過(guò)低會(huì)影響電極對(duì)Pb2+的吸附能力。優(yōu)化了Nano-Fe3O4濃度對(duì)Pb2+溶出峰的影響，如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)Fe3O4濃度為4 mg·mL-1時(shí)，Pb2+的峰電流值最大。因此，Nano-Fe3O4濃度選擇4 mg·mL-1。

圖8 Nano-Fe3O4濃度對(duì)Pb2+溶出峰電流的影響Fig.8 Effect of Fe3O4 concentration on the peak current of Pb2+ dissolution

2.3.5 富集時(shí)間的影響

由于Nano-Fe3O4的吸附能力會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，直至達(dá)到飽和。對(duì)富集時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果如圖9所示，峰電流隨著富集時(shí)間的延長(zhǎng)而變大，當(dāng)富集時(shí)間大于300 s后，峰電流增長(zhǎng)緩慢，考慮到靈敏度與效率等因素，選取300 s作為富集時(shí)間。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線

通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線有助于準(zhǔn)確分析傳感器對(duì)鉛離子檢測(cè)的可行性與準(zhǔn)確性。配制一系列不同濃度的Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，將Nano-Fe3O4/Nafion/GCE插入到標(biāo)準(zhǔn)溶液當(dāng)中，在攪拌的條件下富集300 s。通過(guò)DPSV法檢測(cè)不同Pb2+濃度下的響應(yīng)電流信號(hào)，繪制濃度與Pb2+溶出峰電流的關(guān)系圖,如圖10(a)所示,得到相應(yīng)的線性回歸方程如圖10(b)所示，線性回歸曲線y=0.241+0.699c，相關(guān)系數(shù)R2=0.993 73，檢出限為0.5 μg·L-1(3σ/m，σ為空白溶液標(biāo)準(zhǔn)偏差，m為方程斜率)。

圖10 (a)Nano-Fe3O4/Nafion/GCE對(duì)不同濃度Pb2+的溶出伏安圖; (b)相應(yīng)的線性回歸曲線Fig.10 (a) Dissolution voltammogram curves of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE to different concentrations of Pb2+; (b) corresponding linear regression curve

2.5 Pb2+傳感器的抗干擾性

為了評(píng)估Pb2+傳感器在海水基中的檢測(cè)性能，通過(guò)添加不同干擾離子來(lái)研究傳感器對(duì)Pb2+檢測(cè)的抗干擾性。如圖11所示，在30 μg·L-1的Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別加入了150倍的K+、Cl-、Na+干擾離子，發(fā)現(xiàn)上述濃度的干擾離子對(duì)Pb2+的峰電流無(wú)顯著影響，峰電流變化率都在10%以內(nèi)，說(shuō)明該鉛離子傳感器具有良好的抗干擾性。

圖11 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE對(duì)30 μg·L-1 Pb2+ 中加入150倍K+、Cl-、Na+的峰電流影響Fig.11 Effect of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE pairs after adding 150 times K+, Cl-, Na+ to 30 μg·L-1 Pb2+

2.6 Pb2+傳感器的重現(xiàn)性

在實(shí)際應(yīng)用中，重現(xiàn)性是表征傳感器實(shí)用性的重要指標(biāo)。為了驗(yàn)證本文傳感器的重現(xiàn)性，在相同實(shí)驗(yàn)條件下制備了5支Nano-Fe3O4/Nafion/GCE對(duì)5 μg·L-1Pb2+溶液進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖12所示，計(jì)算得到了其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為5.93%，表明該傳感器的重現(xiàn)性良好。

2.7 樣品分析

分別采集了茅尾海2處不同地點(diǎn)的海水樣品，靜置3 d，經(jīng)0.45 μL微孔濾膜過(guò)濾和紫外線預(yù)處理后，利用Pb2+傳感器對(duì)所采集的海水進(jìn)行Pb2+濃度的測(cè)定，并通過(guò)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)對(duì)海水樣品進(jìn)行回收率的檢測(cè),結(jié)果如表1所示。加標(biāo)回收率90.0%～99.3%，表明該傳感器可應(yīng)用于實(shí)際樣品中Pb2+濃度的檢測(cè)。

表1 實(shí)際樣品中Pb2+濃度的檢測(cè)Table 1 Detection of Pb2+ concentration in actual samples

為了進(jìn)一步評(píng)估本文研制的Nano-Fe3O4/Nafion/GCE鉛離子傳感器的性能，其結(jié)果與近年來(lái)報(bào)道的基于不同材料修飾GCE制備的檢測(cè)鉛離子的傳感器性能對(duì)比結(jié)果如表2所示。所制作的Nano-Fe3O4/Nafion/GCE鉛離子傳感器在檢測(cè)限要低于BOC/GCE[19]鉛離子傳感器，高于PGA/cCNSs/GCE[20]、p-Tyr/Bi/GCE[21]、PtNFs/GCE[22]、Ergo-MWNTs-L-Cys/GCE[23]鉛離子傳感器，但仍可應(yīng)用于海水中μg·L-1(ppb)級(jí)別Pb2+的檢測(cè)[24]，并且低于WHO與EPA規(guī)定的50 μg·L-1[5]。同時(shí)，所研制的鉛離子傳感器在靈敏度上要高于BOC/GCE、p-Tyr/Bi/GCE、PtNFs/GCE、Ergo-MWNTs-L-Cys/GCE的鉛離子傳感器，表明該傳感器靈敏度高、響應(yīng)快速、穩(wěn)定性好，可應(yīng)用于海水中不低于ppb級(jí)別的鉛離子檢測(cè)。

表2 不同Pb2+傳感器的性能分析對(duì)比Table 2 Performance comparison of different Pb2+ sensors

3 結(jié) 論

將比表面積大、電子傳輸速率快的Nano-Fe3O4與Nafion混合作為敏感材料，采用滴涂法將Nano-Fe3O4/Nafion成功修飾到GCE上，構(gòu)建了用于檢測(cè)Pb2+的傳感器。通過(guò)SEM、CV法對(duì)修飾電極進(jìn)行了表征，并對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。得出了富集電位為-1.1 V、支持電解質(zhì)pH為5.0、Fe3O4濃度為4 mg·mL-1及富集時(shí)間為300 s的最優(yōu)條件，該傳感器所得到的DPSV響應(yīng)電流與Pb2+濃度在5～80 μg·L-1內(nèi)呈正比，檢出限為0.5 μg·L-1(3σ/m)。在外加干擾離子的環(huán)境內(nèi)，Pb2+傳感器表現(xiàn)出了一定的抗干擾性，同時(shí),重現(xiàn)性良好，可用于實(shí)際海水中Pb2+的檢測(cè)，對(duì)海洋環(huán)境與人類健康的保護(hù)具有良好的應(yīng)用價(jià)值。