李炎林，劉福明，張亦倫，林宏亮，張亞莉

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州　510642）

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氮摻雜石墨烯修飾電極檢測(cè)稻田水中重金屬污染的研究

李炎林，劉福明，張亦倫，林宏亮，張亞莉※

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642）

摘要：水稻是我國(guó)主要糧食作物，在糧食安全中占有極其重要的地位，鎘（Cd(2+)）和鉛（Pb(2+)）是稻田水中常見的重金屬污染物，受到污染的水用于下游農(nóng)田的灌溉，將進(jìn)一步擴(kuò)大重金屬的污染，給人們食品安全和身體健康造成威脅，因此稻田水中重金屬污染的檢測(cè)非常重要。本文以差分脈沖陽(yáng)極溶出伏安法，制備了氮摻雜石墨烯修飾的電極并使用該電極對(duì)稻田水溶液中鎘（Cd(2+)）、鉛（Pb(2+)）兩種重金屬的含量進(jìn)行檢測(cè)，并在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)躍進(jìn)農(nóng)場(chǎng)水稻田采集了水樣，經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，該水樣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵詞：氮摻雜石墨烯，重金屬，差分脈沖陽(yáng)極溶出伏安法，稻田水

隨著工業(yè)化、城市化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，人類通過大量開發(fā)利用礦產(chǎn)資源、金屬冶煉、農(nóng)藥化肥使用、生活垃圾焚燒、污泥污水利用、汽車尾氣排放等途徑，向環(huán)境中排放的重金屬逐年增加[1]。近幾年來(lái)，重金屬對(duì)水稻的污染也變得越來(lái)越顯著。

據(jù)資料顯示，鎘（Cd2+）能夠減少每株穗數(shù)和每穗總粒數(shù)、降低結(jié)實(shí)率、減輕粒重等，從而顯著降低水稻的產(chǎn)量，引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)性狀[2]。而鉛（Pb2+）污染則會(huì)抑制水稻的芽長(zhǎng)和水稻幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育、刺激地下節(jié)間伸長(zhǎng)、減少葉片表面積和影響稻米的品質(zhì)等[3]。過量的重金屬在水稻的根、莖、葉以及籽粒中富集后具有生物放大效應(yīng)，不僅影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至是整個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，而且還會(huì)通過食物鏈危及動(dòng)物和人類的健康[4]。水稻是我國(guó)主要糧食作物，在糧食安全中占有極其重要的地位，因此稻田水中重金屬污染的檢測(cè)也就顯得十分重要。

目前應(yīng)用于水體中重金屬離子含量的檢測(cè)方法主要有絡(luò)合滴定法、分光光度法、化學(xué)發(fā)光法、電化學(xué)分析法、色譜法、光譜法和質(zhì)譜法等[5]。相比之下，電化學(xué)溶出伏安分析技術(shù)在檢測(cè)水體重金屬中是強(qiáng)有力的工具。由于儀器簡(jiǎn)單、操作方便、靈敏度高、檢測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，差分脈沖溶出伏安法（DPASV）備受化學(xué)分析工作者的青睞[6]。

陽(yáng)極溶出伏安法是先將被測(cè)物質(zhì)通過陰極還原富集在電極上，再由負(fù)向正電位掃描溶出，然后根據(jù)溶出伏安曲線進(jìn)行分析測(cè)定的。如今，陽(yáng)極溶出伏安法在應(yīng)用鎘（Cd2+）和鉛（Pb2+）的檢測(cè)分析中已經(jīng)取得顯著的成果。Prego[7]等采用差分脈沖陽(yáng)極溶出伏安法（DPASV）測(cè)定大西洋東北部因油輪失事引起的表層海水（0～200 m）重金屬鉛（Pb2+）、鎘（Cd2+）、銅（Cu2+）的污染情況，效果滿意。趙會(huì)欣[8]等人基于差分脈沖陽(yáng)極溶出伏安法（DPASV），研制出一種用于監(jiān)測(cè)水環(huán)境痕量重金屬濃度的化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了鋅（Zn2+）、鐵（Fe2+）、鉛（Pb2+）、銅（Cu2+）的同時(shí)測(cè)定。羅立強(qiáng)[9]等提出了鉍膜修飾的碳糊電極方波陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定水樣中微量的鉛（Pb2+）和鎘（Cd2+）的新方法，靈敏度高，電極表面易更新，且鉍無(wú)毒性。

對(duì)于稻田水中的重金屬濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的快速檢測(cè)，也有助于對(duì)潛在的環(huán)境污染做出及時(shí)的響應(yīng)。本研究基于差分脈沖溶出伏安法，使用鉍膜修飾的絲網(wǎng)印刷電極來(lái)測(cè)定稻田水樣中微量的鎘（Cd2+）和鉛（Pb2+）。然后通過一系列實(shí)驗(yàn)條件的對(duì)比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，最后按照國(guó)家農(nóng)業(yè)水環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在田間取樣檢測(cè)稻田水中重金屬鎘（Cd2+）和鉛（Pb2+）的濃度是否達(dá)到農(nóng)業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為進(jìn)一步研制便攜式的重金屬檢測(cè)傳感器系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器包括上海辰華儀器有限公司的電化學(xué)工作站（CHI760e）；超聲波清洗機(jī)；移液槍等，具體見表1。本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系：Ag/AgCl電極和鉑電極分別作為參比電極和對(duì)電極，絲網(wǎng)印刷電極作為工作電極。

表1　實(shí)驗(yàn)儀器

試劑：1 000 mg/L Bi3+標(biāo)準(zhǔn)溶液；100 mg/L Cd2+、Pb2+混合標(biāo)準(zhǔn)溶液；1M NaAc-HAc緩沖溶液（pH=4.5）；2 mg/mL 1∶100 N-doped rGO溶液；去離子水；無(wú)水乙醇；稻田水（水樣）。

1.2電極制備的方法和材料

因?yàn)榈氐碾娯?fù)性比碳元素大，氮摻雜可使得周圍的碳原子帶上更多的正電荷，從而有利于重金屬陽(yáng)離子在電極表面的吸附效果[10]。而本實(shí)驗(yàn)所用的1∶100N-doped rGO是使用尿素作為GO（氧化石墨烯）水分散體的化學(xué)摻雜質(zhì)，通過水熱法合成的。通常情況下，10 mL的GO（40 mg）水分散體是用25 mL去離子水稀釋，然后向GO分散體加入一個(gè)給定的量的尿素，在超聲波下處理3 h；在此之后，將溶液密封在50 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中，并且溫度保持為180℃，持續(xù)12 h；其中固體（N摻雜的石墨烯片）過濾出來(lái)，用蒸餾水洗滌幾次；最后，將收集的樣品放在80℃的真空烘箱中干燥[11]。

在本實(shí)驗(yàn)中，首先將活化好的SPE徹底清潔、干燥后，使用微量注射器吸取0.4μL的1∶100N-doped rGO混合液滴加到SPE表面，操作如圖1，并在熾光燈下干燥；接著再次吸取0.5μL的1∶100N-doped rGO溶液滴加到SPE表面，干燥之后，重復(fù)此步驟2次；最后將修飾電極罩在潔凈的小燒杯里，防止外界污染。待溶劑完全揮發(fā)后，即制得氮摻雜的石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷電極（標(biāo)記為N-rGO/SPE）。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

在小燒杯中加入1 mol/L NaAc-HAc緩沖溶液9 mL及水樣1 mL，在溶液中加入1 000 mg/L Bi3+標(biāo)準(zhǔn)溶液3 μL，插入三電極系統(tǒng)，用差分脈沖溶出伏安法掃描并記錄溶出曲線（測(cè)定條件：沉積電位-1.0 V，沉積時(shí)間120 s，初始電位-1.0 V，終止電位0 V，電位增量5 mV，脈沖幅度50 mV，脈沖寬度60 ms，脈沖周期100 ms，清洗電位500 mV，清洗時(shí)間60 s，等待時(shí)間15 s）。

圖1　工作電極修飾

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1Cd2+、Pb2+的溶出伏安特性

在上述測(cè)定方法中，水樣以去離子水代替，加入100 mg/L的Pb2+、Cd2+混合標(biāo)準(zhǔn)溶液5 μL，其他條件不變，即溶液中Pb2+、Cd2+濃度為50 ppb，測(cè)定結(jié)果如圖2。由圖可以看出，在-0.793 V、-0.597 V分別出現(xiàn)Cd2+、Pb2+的溶出峰。

圖2　Cd2+、Pb2+的溶出伏安特性

2.2實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

為了減少不同沉積電位、不同沉積時(shí)間和Bi3+濃度對(duì)試驗(yàn)的影響，在對(duì)土壤溶液進(jìn)行試驗(yàn)之前，進(jìn)行了以下條件的優(yōu)化。

2.2.1沉積時(shí)間的影響

沉積時(shí)間是影響鉍膜在印刷電極表面形成的一個(gè)重要因素。當(dāng)沉積電位為1.0 V，沉積時(shí)間從30 s增加到210 s時(shí)，峰電流的變化情況如圖3。在120 s附近，Cd2+曲線斜率略微變??；而Pb2+在整個(gè)時(shí)間變化區(qū)間上，峰電流呈線性增加。由曲線變化趨勢(shì)可知，沉積時(shí)間的增加能顯著提高測(cè)定的靈敏度。在保持較高靈敏度的情況下，考慮測(cè)試效率，本實(shí)驗(yàn)選擇的最優(yōu)測(cè)定時(shí)間為120 s。

圖3　沉積時(shí)間的影響

2.2.2沉積電位的影響

在-1.2～-0.9 V改變沉積電位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由圖4可得知峰電流先緩慢上升然后下降，在-1.0 V時(shí)達(dá)到最大值。由于沉積電位越小，析氫反應(yīng)越劇烈，從而在電極表面形成氣泡而影響金屬的沉積，故本實(shí)驗(yàn)選擇最優(yōu)沉積電位為-1.0 V。

圖4　沉積電位的影響

2.2.3Bi3+濃度的影響

在上述條件中，改變加入的Bi3+的濃度，在待測(cè)溶液中Bi3+濃度范圍在100～1 200 ppb之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定濃度均為50 ppb的重金屬Cd2+和Pb2+。由圖5可知，隨著Bi3+濃度的增加，對(duì)于Cd2+和Pb2+，峰電流是先增加后急劇下降，但均在Bi3+濃度為300 ppb時(shí)達(dá)到最大值。因此本實(shí)驗(yàn)選擇Bi3+濃度為300 ppb。

圖5　Bi3+濃度的影響

2.3工作曲線

在選定的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定一系列Pb2+、Cd2+混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，由于Pb2+、Cd2+濃度較大時(shí)，峰變寬導(dǎo)致峰電流變小，線性變差，所以選用峰面積作定量分析比峰電流更佳。由圖6可知，Pb2+在濃度大于100 ppb時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，Cd2+在濃度大于200 ppb時(shí)才出現(xiàn)拐點(diǎn)。由于測(cè)定的水樣中重金屬濃度較低，而由圖7可知，Cd2+和Pb2+均在濃度范圍為0～100 ppb與溶出峰面積呈線性關(guān)系。故選擇在0～100 ppb范圍內(nèi)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如下：

圖6　峰面積隨Cd2+、Pb2+濃度的變化

圖7　濃度為0～100 ppb的Cd2+和Pb2+的溶出伏安曲線（插圖為相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖）

3測(cè)試與實(shí)驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)取樣

取樣時(shí)間：2015年10月10日。

取樣地點(diǎn)：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)躍進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)水稻田。

在不同農(nóng)田的不同位置，取水溝中部距水面以下3～5 cm共6瓶稻田水作為樣本，具體位置如圖8所示。

圖8　取樣位置

3.2對(duì)土壤溶液的處理

濕法消化：先用移液槍吸取1.00 mL樣品到25 mL燒杯中，然后置于電磁攪拌器上攪拌蒸發(fā)，直至樣品完全蒸干；取下稍冷后，加入1 mL濃硫酸、1 mL過氧化氫，于通風(fēng)櫥內(nèi)攪拌，加熱消化。如果消化液顏色較深，繼續(xù)滴加過氧化氫溶液，直至消化液無(wú)色透明。待消化液冷卻后，將其定容于10 mL的容量瓶中（盛放消化液的燒杯要記得清洗，并且清洗后的溶液要倒進(jìn)容量瓶里）。

3.3儀器最優(yōu)工作參數(shù)設(shè)置

表2　最優(yōu)工作參數(shù)

3.4試驗(yàn)步驟

1）取1 mL處理后的水樣溶液和9 mL NaAC-HAC緩沖液于25 mL的燒杯中，加入攪拌子；

2）將已完成優(yōu)化的修飾絲網(wǎng)電極、參比電極和對(duì)電極分別夾于電化學(xué)工作站的三個(gè)數(shù)據(jù)夾上，并將電化學(xué)工作站的操作參數(shù)設(shè)置為最優(yōu)工作參數(shù)；

3）啟動(dòng)軟件，開始測(cè)試；測(cè)試完畢，清洗電極；

4）測(cè)出峰面積，代入線性擬合方程，計(jì)算出重金屬濃度，如表3所示。

表3　水樣的Cd2+與Pb2+濃度

3.5檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V類標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域：Cd2+的濃度不高于0.01 mg/L，Pb2+濃度不高于0.1 mg/L。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可得，這些水樣均符合V類標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)論

本研究以化學(xué)修飾電極和電化學(xué)傳感技術(shù)為理論依據(jù)，結(jié)合納米材料和金屬修飾劑的選擇性、實(shí)用性的特點(diǎn)，以新型的碳納米材料為媒介，并通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，得出了一種能有效檢測(cè)稻田水中重金屬鎘、鉛的響應(yīng)性能優(yōu)良的新型電流型傳感方法。

與玻碳電極相比，絲網(wǎng)印刷電極作為新型電化學(xué)傳感器的重要選擇對(duì)象之一，因價(jià)格低廉、便攜、一次可拋等優(yōu)勢(shì)逐漸引起了電化學(xué)分析領(lǐng)域的學(xué)者和工業(yè)應(yīng)用工程師的關(guān)注。本文用氮摻雜的石墨烯修飾一次性絲網(wǎng)印刷電極的制備方法簡(jiǎn)單，且具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制不苛刻，極大地方便了實(shí)驗(yàn)者的工作安排。所以運(yùn)用修飾電極技術(shù)，逐步改善絲網(wǎng)印刷電極的性能，可以使之在便攜檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究得到快速的發(fā)展。

納米材料不僅有奇特的空間結(jié)構(gòu)，較大的比表面積和優(yōu)良的化學(xué)熱穩(wěn)定性，而且在機(jī)械、電學(xué)和電化學(xué)方面的屬性性質(zhì)也非常卓越，為科研工作者們?cè)陔娀瘜W(xué)、電化學(xué)傳感、生物傳感及電催化等領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了優(yōu)良的材料支持。

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通訊作者：※張亞莉（1975-），女，講師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)情信息快速檢測(cè)方法及傳感器系統(tǒng)研究。E-mail：ylzhang@scau.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：李炎林（1994-），男，在讀本科，農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動(dòng)化（機(jī)電一體化方向）專業(yè)。E-mail：liyanlin3@qq.com

基金項(xiàng)目：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目