郭佩佩，黃家懌，2※，孟祥寶，2，唐觀榮

（1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

0 前言

“民以食為天，食以安為先”，食品安全是關(guān)乎人民身體健康的重大社會問題，而重金屬污染是世界各國普遍關(guān)注的食品安全與環(huán)境污染問題之一[1]。汞（Hg）是一種具有強(qiáng)毒性且非生命體必需的元素[2]。它不易被微生物降解，易在生物體內(nèi)富集，并通過食物鏈、人體皮膚、呼吸道轉(zhuǎn)移或累積到人體內(nèi)，會對人體的心臟、肝臟、腎臟等多種器官造成損傷，引起水俁病、甲狀腺等疾病，嚴(yán)重時會引起神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、引發(fā)惡性腫瘤的形成[3-5]。因此，水環(huán)境和食品中汞含量的分析測定是全社會密切關(guān)注的問題和國內(nèi)外科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。

目前，傳統(tǒng)檢測汞的方法有冷原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、分光光度法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等[4-6]，這些方法準(zhǔn)確度和靈敏度高，但存在儀器昂貴、操作復(fù)雜、體積龐大、分析周期長等缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)方便、快捷的現(xiàn)場檢測，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。而陽極溶出伏安法是公認(rèn)的一種快速、靈敏的檢測痕量重金屬的有效檢測方法。電極材料的選擇與修飾是提高檢測靈敏度和改善選擇性的最關(guān)鍵部分。近年來，隨著納米科學(xué)的快速發(fā)展，基于納米材料如多壁碳納米管、石墨烯、納米二氧化鈦等修飾的電極，能有效提高重金屬鉛、鎘、鋅、銅等的檢測靈敏度和檢測限[7]。

納米三氧化二鐵（nano-Fe2O3）因無毒無污染、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、粒徑小、比表面積大、催化活性高、抗腐蝕等特點(diǎn)，在環(huán)境處理、化學(xué)催化、超級電容器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。在電化學(xué)傳感器方面，nano-Fe2O3修飾玻碳電極實(shí)現(xiàn)了痕量鎘離子的檢測，檢測限為10-10mol/L[9]；安徽師范大學(xué)代盼盼合成樹枝狀nano-Fe2O3，并將其與碳納米管復(fù)合修飾玻碳電極實(shí)現(xiàn)了痕量Hg2+的檢測，檢測限為0.07μM（即14μg/L）[7]。本文基于nano-Fe2O3修飾玻碳電極的多孔結(jié)構(gòu)，建立了一種成本低、制備簡單、檢測限更低的果汁中Hg2+檢測的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：CS350電化學(xué)工作站(武漢科思特儀器股份有限公司)，超聲清洗器，采用三電極系統(tǒng)，玻碳電極（GCE）及修飾電極作為工作電極，Ag/AgCl作為參比電極，鉑片電極作為輔助電極。

試劑：nano-Fe2O3（30 nm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），HCl、KCl（廣州試劑廠），Hg2+標(biāo)準(zhǔn)儲備液（1 mg/mL，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心），醋酸鹽緩沖溶液HAc-NaAc（0.1 mol/L）由無水乙酸鈉和冰醋酸配制而成。實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。

1.2 nano-Fe2O3修飾電極的制備

1.2.1 玻碳電極的預(yù)處理

玻碳電極依次在0.3，0.05μm三氧化二鋁懸濁液中拋光成鏡面，并依次在1∶1乙醇、1∶1硝酸和蒸餾水中超聲清洗3次，然后在空氣中自然晾干。

1.2.2 修飾電極的制備

圖1 Hg2+在nano-Fe2O3/GCE和裸GCE上的差分脈沖溶出伏安曲線

將nano-Fe2O3用蒸餾水配制成1 mg/mL的懸濁液，超聲分散20 min，形成較穩(wěn)定的磚紅色分散液。用微量進(jìn)樣器取適量的分散液，均勻滴涂于處理好的玻碳電極表面，然后在真空干燥器中晾干，即得到nano-Fe2O3/GCE修飾電極。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取一定量的Hg2+標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到50 mL電解池中，并用0.1 mol/L KCl稀釋至刻度。將三電極體系置于電解池中，設(shè)定富集電位和富集時間，并伴隨攪拌，預(yù)富集結(jié)束后停止攪拌，靜置15 s后，采用差分脈沖伏安法由負(fù)向正掃描，根據(jù)Hg2+的溶出峰電流值測定其含量。當(dāng)同一支修飾電極用于多次測量時，需將電極電位在+0.50 V保持120 s，以除去前一次測定所殘留的重金屬和沉積物。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 修飾電極對Hg2+伏安響應(yīng)

比較nano-Fe2O3/GCE與裸GCE對Hg2+的電化學(xué)響應(yīng)，結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出，在含有 Hg2+（16 μg/L）的 KCl（0.1 mol/L）溶液中，裸GCE對應(yīng)的差分脈沖溶出伏安曲線未出現(xiàn)Hg2+的響應(yīng)信號。在相同條件下，nano-Fe2O3/GCE對應(yīng)的溶出伏安曲線在+0.144 V附近有一強(qiáng)而尖銳的溶出峰，這主要是因?yàn)閚ano-Fe2O3粒徑小，具有納米尺寸效應(yīng)，因而比表面積大，對Hg2+的吸附能力強(qiáng)，增強(qiáng)了電極對Hg2+的富集能力，提高了檢測的靈敏度。

2.2 支持電解質(zhì)的選擇

圖2 不同支持電解液對Hg2+溶出信號的影響

支持電解質(zhì)的選擇是影響汞溶出峰大小的一個重要因素。實(shí)驗(yàn)分別考察了以0.1 mol/LHAc-NaAc、0.1 mol/LHCl、0.1 mol/LKCl作為支持電解質(zhì)時，Hg2+溶出峰的情況，如圖2所示。相同修飾電極在不同的支持電解質(zhì)中，Hg2+溶出峰電位有所偏移。在KCl中，溶出峰信號最強(qiáng)，峰形尖銳，波形好；而在HAc-NaAc中，Hg2+溶出峰變寬；在HCl中，峰形雖較為尖銳，但基線呈鋸齒狀，故選擇KCl作為支持電解質(zhì)。

2.3 溶出條件的考察

2.3.1 富集電位的影響

富集電位和富集時間的選擇對溶出峰電流具有重要影響。實(shí)驗(yàn)考察了不同富集電位（-0.4 V、-0.6 V、-0.8 V、-1.0 V、-1.2 V、-1.4 V）對Hg2+的溶出信號的影響，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明，富集電位從-0.4 V開始負(fù)移，溶出峰電流整體呈不斷增大的趨勢，在-1.2 V時，溶出峰電流增加減緩。雖然富集電位越負(fù)，溶出峰電流越大，但其他干擾物質(zhì)也會在電極表面還原，導(dǎo)致背景電流變大，從而對測定產(chǎn)生干擾，故選擇-1.2 V作為最佳富集電位。

圖3 富集電位對Hg2+溶出信號的影響

2.3.2 富集時間的影響

實(shí)驗(yàn)考察了不同富集時間對Hg2+的影響，如圖4所示。從圖4中可以看出，溶出峰電流隨著富集時間的延長而增大。但是富集時間超過300 s 后，溶出峰電流增加緩慢，曲線變緩。這是因?yàn)殡姌O表面的Hg2+吸附達(dá)到了飽和狀態(tài)，過量的重金屬離子在修飾電極表面不能很快被富集還原，從而導(dǎo)致峰電流緩慢增加。所以選擇300 s為最佳富集時間。

圖4 富集時間對Hg2+溶出信號的影響

2.4 線性范圍、檢測限和重現(xiàn)性

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法建立溶出峰電流和Hg2+濃度之間的定量分析標(biāo)準(zhǔn)。Hg2+溶出峰電流與Hg2+的濃度在3~13 μg/L的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，見圖5，得出回歸方程為y =0.539x - 1.385（y為峰電流強(qiáng)度，μA；x為Hg2+濃度，μg/L），線性相關(guān)系數(shù)r2=0.993 6，檢測限為0.18 μg/L，低于《GB 5749—2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的最大允許汞濃度1μg/L。相比于文獻(xiàn)[7]報道的nano-Fe2O3/ MWCNT / GCE檢測Hg2+的檢測限為14 μg/L，該nano-Fe2O3/ GCE修飾電極具有更低的檢測限，可能原因是本實(shí)驗(yàn)所用的nano-Fe2O3的形貌結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)中合成的樹枝狀nano-Fe2O3不同，且所用的支持電解質(zhì)也不相同，從而導(dǎo)致檢測出的Hg2+電化學(xué)響應(yīng)信號的極大差異。

采用同一修飾電極對同一Hg2+溶液重復(fù)測定8次，溶出峰電流的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.8%。在同一玻碳電極上，采用相同方法修飾30次，對同一濃度的Hg2+溶液進(jìn)行測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.9%。實(shí)驗(yàn)表明該修飾電極重現(xiàn)性較好。

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

主要研究nano-Fe2O3/GCE電極測定Hg2+時，K+、Na+、Cl-、Ca2+等宏觀離子和Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+等重金屬離子對Hg2+測定的影響。結(jié)果表明，在允許相對偏差為±5%時，1 000倍的K+、Na+、Cl-、Ca2+，50 倍的 Zn2+、Pb2+、Cd2+，150 倍的Cu2+對Hg2+的測定沒有影響。由此可知，該修飾電極對Hg2+的測定具有較高的抗干擾能力。

圖5 最佳條件下不同濃度Hg2+溶出伏安圖及標(biāo)準(zhǔn)工作曲線圖

2.6 青提檢測實(shí)例

稱取一定量的無核青提，置于攪拌機(jī)中搗碎并過濾，得到較為清澈的濾液，從中移取一定量的濾液作為樣品。在樣品中加入支持電解質(zhì)，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)所得到的Hg2+溶出峰偏小，且基線不平穩(wěn)。通過不斷調(diào)節(jié)溶液pH值，發(fā)現(xiàn)將pH值調(diào)至3左右，測定Hg2+溶出峰明顯增強(qiáng)，這是因?yàn)榍嗵崽崛∫撼煞謴?fù)雜，果肉中含豐富維生素C、維生素E、葡萄糖、果糖和氨基酸，果皮中含白藜蘆醇，核中含花青素[10-12]，這些物質(zhì)可能與Hg2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)或絮凝作用，使得檢測濃度降低，導(dǎo)致其溶出峰電流減小，而pH的減小，溶液酸性增強(qiáng)，使得干擾反應(yīng)大大減弱，Hg2+溶出峰增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，加標(biāo)回收率為95.2%~100.7%，表明該方法用于檢測青提中Hg2+的含量是可行的。

表1 測定青提汁檢測結(jié)果及回收率

3 結(jié)論

本文制備的基于nano-Fe2O3修飾玻碳電極的電化學(xué)傳感器，對Hg2+的溶出伏安行為有著良好的增強(qiáng)作用，在3~13 μg/L的濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，檢測限為0.18 μg/L，并實(shí)現(xiàn)了對青提汁中的Hg2+含量的快速檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器無需特定合成的修飾物、制備簡單、對環(huán)境無污染，且靈敏度高、重現(xiàn)性較好，有望在基體復(fù)雜的實(shí)際樣品中廣泛應(yīng)用。

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