韓海濤，潘大為

（中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003）

隨著全球工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量污染物被排放進(jìn)入海洋中.海洋中的金屬元素可能對生態(tài)系統(tǒng)及人類健康造成嚴(yán)重危害，因此該問題受到了人們的廣泛關(guān)注[1].而金屬元素如銅（Cu）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鋅（Zn）等在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中卻發(fā)揮著重要作用[2-5].

在以往研究中，通常只關(guān)注海水中痕量金屬的總?cè)芙鉂舛龋呛髞淼难芯孔C明，總?cè)芙鉂舛炔蛔阋杂行гu估其生物利用性和毒性[6-7].因此，需要采取有效的方法和途徑來確定海水中具有潛在生物可利用性的活性態(tài)金屬的濃度.

電化學(xué)技術(shù)是最有前景的元素形態(tài)分析方法之一，其具有高度的便利性和快速、直接的分析流程[8-9].電化學(xué)技術(shù)中的陽極溶出伏安法（anodic stripping voltammetry，ASV）是常用于金屬元素形態(tài)分析的電化學(xué)技術(shù)，其已成功用于不同環(huán)境樣品中金屬元素的形態(tài)分析，尤其是活性態(tài)（labile）金屬的測定[10-12].活性態(tài)金屬是指不添加任何試劑，在自然海水條件下，僅通過簡單過濾處理，用電化學(xué)溶出伏安法能夠檢測到的部分.雖然海水中活性態(tài)金屬的濃度較低，但其在海洋環(huán)境中具有高的生物可利用性和毒性[8].活性態(tài)金屬在操作上可定義為海水樣品經(jīng)簡單過濾（如0.45 μm 或0.22 μm）后，直接通過陽極溶出伏安法測得的部分[3,8].

基于陽極溶出伏安法，通過伏安極譜儀研究了富集電位和富集時間等關(guān)鍵參數(shù)對測定Cu、Pb、Cd、Zn 的影響，建立了海水中活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 檢測的方法.以煙臺四十里灣作為典型研究區(qū)域，通過所建立的方法，實現(xiàn)了煙臺四十里灣不同站位海水中活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 的測定，為海水中痕量金屬元素的形態(tài)分析及生物可利用性研究提供了有效技術(shù)手段.

1 材料和方法

1.1 儀器與試劑

電化學(xué)試驗在瑞士萬通797 型伏安極譜儀（圖1）上進(jìn)行，工作電極為懸滴汞電極（HMDE），輔助電極為鉑電極（Pt），參比電極為銀/氯化銀電極（Ag/AgCl）；去離子水由超純水儀（Cascade-Bio，美國Pall Cascada 公司）制得；Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心（CRMs，中國北京）提供，混合標(biāo)準(zhǔn)溶液由4 種離子標(biāo)準(zhǔn)儲備液混合、稀釋制得；1 mol/L 鹽酸（上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純）用于采樣瓶的清洗；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%硝酸（上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純）用于樣品瓶的浸泡；高純氮氣用于海水樣品除氧.

圖1 瑞士萬通797 型伏安極譜儀Fig. 1 797 Voltammetric polarograph (Metrohm,Switzerland)

1.2 海水樣品采集及處理

實際海水樣品采集自煙臺四十里灣（中國北黃海）的9 個不同站位點.使用聚四氟乙烯采樣器，采集海水樣品至聚丙烯瓶中.聚丙烯瓶在使用前至少在5%硝酸中浸泡24 h，使用時再用1 mol/L 鹽酸潤洗，并用去離子水進(jìn)行徹底沖洗.海水樣品采集后，立即使用0.45 μm 醋酸纖維素膜進(jìn)行過濾處理，并盡快進(jìn)行檢測，檢測前樣品存儲在4 ℃冰箱中.

1.3 檢測流程

陽極溶出伏安法檢測過程示意圖如圖2 所示.測定前，將10 mL 經(jīng)過濾處理的海水樣品注入伏安極譜儀的檢測池中，并用高純氮氣（0.1 MPa）鼓泡5 min 以排除樣品中的溶解氧.陽極溶出伏安法檢測流程：首先進(jìn)行富集過程，在一定的富集電位（-1.15 V）下，富集一定時間（60 s），將樣品中的Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+還原為金屬富集在電極上.靜止10 s后，采用差分脈沖伏安法（DPV）從-1.15 到0.02 V以0.03 V/s 的掃描速率進(jìn)行電位掃描，記錄得到Cu、Pb、Cd、Zn 的氧化溶出峰電流，至少進(jìn)行2 次重復(fù)測試.然后進(jìn)行2 次加標(biāo)試驗，加標(biāo)后按照相同的流程進(jìn)行檢測，分別得到2 次加標(biāo)后的溶出峰電流，即可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)加入法獲得相應(yīng)海水樣品中活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 的含量.

圖2 陽極溶出伏安法檢測過程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of detection process of anodic stripping voltammetry

2 結(jié)果與討論

2.1 海水檢測溶出伏安圖

圖3 顯示了通過伏安極譜儀測定海水中Cu、Pb、Cd、Zn 獲得的典型DPV 曲線，可以看出Cu、Pb、Cd、Zn 的出峰電位分別在-0.17、-0.41、-0.61和-1.00 V.以Zn 為例，圖中-1.00 V 自下而上分別是在海水樣品、加標(biāo)1 次、加標(biāo)2 次獲得的DPV 曲線.通過標(biāo)準(zhǔn)加入法即可計算樣品中Cu、Pb、Cd、Zn 的含量.圖4 顯示了Cu、Pb、Cd、Zn 這4 種元素標(biāo)準(zhǔn)加入法定量的典型曲線.通過此方法可得Cu、Pb、Cd、Zn 的檢出限分別為2.89×10-2、1.06×10-3、2.97×10-3和1.27×10-2μg/L.

圖3 海水中Cu、Pb、Cd、Zn 標(biāo)準(zhǔn)加入法測定的典型DPV 曲線Fig. 3 Typical DPV curves of Cu, Pb, Cd and Zn in seawater obtained by standard addition method

圖4 海水中（a）Cu、（b）Pb、（c）Cd、（d）Zn 標(biāo)準(zhǔn)加入法定量的典型曲線Fig. 4 Typical curves for quantitative determination of (a) Cu, (b) Pb, (c) Cd and (d) Zn in seawater by standard addition method

2.2 富集電位的影響

富集電位能夠顯著影響金屬離子陽極溶出伏安檢測時的氧化溶出峰大小.固定富集時間為60 s，富集電位在-1.40 到-1.05 V 范圍內(nèi)，對海水中Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰電流進(jìn)行了探究，結(jié)果如表1 所列.由表1 可見，當(dāng)富集電位從-1.40 V升高至-1.05 V 時，Zn2+的氧化溶出峰逐漸降低，Cd2+的氧化溶出峰逐漸升高，而Cu2+和Pb2+的氧化溶出峰沒有明顯變化.由于隨著富集電位的升高，Cd2+和Zn2+的氧化溶出峰呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，而在-1.15 V 時，Cd2+和Zn2+同時具有較大的氧化溶出峰，因此，選擇-1.15 V 作為海水中Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+同時檢測的富集電位.

表1 不同富集電位下Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰電流Table 1 Oxidation peak currents of Cu2+, Pb2+, Cd2+ and Zn2+ obtained at different accumulation potentials

2.3 富集時間的影響

將富集電位固定為-1.15 V，探究富集時間在30~120 s 時對海水中Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+氧化溶出峰電流的影響，結(jié)果如表2 所列.Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰電流均隨富集時間的延長而逐漸增大.由于60 s 的富集時間就足以對海水樣品中的活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 進(jìn)行檢測，因此選擇60 s作為富集時間.

表2 不同富集時間下Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰電流Table 2 Oxidation peak currents of Cu2+, Pb2+, Cd2+ and Zn2+ obtained at different accumulation times

2.4 準(zhǔn)確性驗證

為驗證本方法的準(zhǔn)確性，將本方法海水中Cu、Pb、Cd、Zn 的檢測結(jié)果與電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）進(jìn)行對比.為進(jìn)行對比，采用兩種方法分別對海水中的總?cè)芙鈶B(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 進(jìn)行了檢測.經(jīng)過酸化（pH＜2）、紫外消解（500 W 功率，30 min）后的海水樣品通過本方法進(jìn)行檢測.對比結(jié)果如表3 所列.結(jié)果顯示，本方法在用于海水中Cu、Pb、Cd、Zn 的檢測時，與ICP-MS 的檢測結(jié)果較為一致，說明本方法具有較好的準(zhǔn)確性.

表3 本方法與ICP-MS 測定海水樣品結(jié)果的對比Table 3 Comparison of this method and ICP-MS for determination of seawater samples/（μg/L）

2.5 煙臺四十里灣海水檢測結(jié)果

基于上述方法，通過伏安極譜儀對煙臺四十里灣9 個站位點的海水樣品中活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 的含量進(jìn)行測定，結(jié)果如表4 所列.總體來說，煙臺四十里灣活性態(tài)金屬的濃度存在以下關(guān)系：Zn>Cu>Pb>Cd，活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 的質(zhì)量濃度范圍分別為1.00~4.45 μg/L、0.68~1.36 μg/L、0.052~0.127 μg/L、6.93~21.22 μg/L（每個站位點的濃度取其3 次檢測結(jié)果的平均值）.活性態(tài)金屬的含量與其總?cè)芙鉂舛燃吧飻z取、排污輸入等有關(guān).

表4 煙臺四十里灣不同站位點活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 的含量Table 4 Contents of labile Cu, Pb, Cd and Zn at different sites in Yantai Sishili Bay/（μg/L）

3 結(jié)論

本文從條件優(yōu)化、方法建立、實際樣品檢測、典型海域分布特征等方面進(jìn)行了探究.

（1）對采用伏安極譜儀同時檢測Cu、Pb、Cd、Zn 的試驗條件進(jìn)行了優(yōu)化，最終選擇-1.15 V 和60 s分別作為富集電位和富集時間，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行定量分析，建立了伏安極譜儀測定海水中活性態(tài)痕量金屬元素的方法.

（2）對實際海水樣品進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)在不添加任何試劑，不改變海水自然環(huán)境的條件下，Cu、Pb、Cd、Zn 的出峰電位分別在-0.17、-0.41、-0.58、-1.00 V.

（3）采用所建立的方法，對煙臺四十里灣9 個不同站位點的海水樣品進(jìn)行測定，結(jié)果顯示煙臺四十里灣活性態(tài)金屬的濃度存在以下關(guān)系：Zn>Cu>Pb>Cd，活性態(tài)Cu、Pb、Cd、Zn 的質(zhì)量濃度范圍分別為1.00~4.45 μg/L、0.68~1.36 μg/L、0.052~0.127 μg/L、6.93~21.22 μg/L.