彭愛(ài)紅，彭家偉，陳曉梅

（集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院 福建廈門361021）

貝類濾食性的特點(diǎn)，使其極易受到重金屬的污染。鉛（Pb）和鎘（Cd）是兩種蓄積性很強(qiáng)的有毒重金屬，在水產(chǎn)品安全中備受關(guān)注。Pb 主要影響神經(jīng)、造血及消化系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生病變；Cd 易與體內(nèi)硫蛋白結(jié)合而在人體內(nèi)蓄積，造成機(jī)體慢性中毒。目前，人們已有許多方法可檢測(cè)Pb、Cd 等重金屬離子，如電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP -MS）[1-3]、原子熒光光譜法（AFS）[4]、原子吸收光譜法（AAS）[5-7]等。這些方法雖可準(zhǔn)確測(cè)定樣品中的重金屬含量，但設(shè)備昂貴，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高，操作復(fù)雜，分析時(shí)間長(zhǎng)，很難大規(guī)模普及。與傳統(tǒng)分析方法不同，電化學(xué)法是一種靈敏、快速的檢測(cè)方法，其中微分脈沖陽(yáng)極溶出伏安法（DPASV）因可對(duì)某些重金屬離子快速定量分析而受到研究人員的廣泛關(guān)注[8-13]。經(jīng)典的DPASV 方法需要利用汞膜電極來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的富集，考慮到汞的毒性，許多國(guó)家或地區(qū)限制、甚至禁止汞電極的使用[14]。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，近年來(lái)，一些環(huán)境友好的綠色材料逐漸涌現(xiàn)出來(lái)。鉍是一種“綠色金屬”，毒性小，容易與其它金屬形成合金；石墨烯（GNs）是一種碳原子以sp2雜化軌道組成六角型晶格的新型碳質(zhì)材料，具有比表面積大、導(dǎo)電性好的優(yōu)點(diǎn)[15-18]；離子液體（IL）是一種新型、穩(wěn)定性良好的“綠色溶劑”[19-20]。目前，將這3 種材料結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)Pb 和Cd 的測(cè)定還未見(jiàn)報(bào)道。

本研究以檢測(cè)貝類中Pb 和Cd 為目的，用離子液體N-辛基吡啶六氟磷酸鹽（OPFP）作為GNs的黏結(jié)劑，通過(guò)研磨、裝管、成型，得到導(dǎo)電性良好、表面易于更新的電極（IL/GNs HME）。采用DPASV 法原位鍍鉍，實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量Pb 和Cd 的快速、準(zhǔn)確、靈敏測(cè)定。最后，將本方法應(yīng)用于扇貝、褶牡蠣、長(zhǎng)竹蟶、菲律賓蛤子中Pb2+、Cd2+含量的同時(shí)檢測(cè)。綜上所述，本研究提出了基于IL/GNs HME 的高效、靈敏的重金屬離子同步檢測(cè)方法，為食品中重金屬離子的檢測(cè)提供良好的方法補(bǔ)充，進(jìn)而為其速測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與設(shè)備

無(wú)水乙醇、65%～68%硝酸，西隴科學(xué)股份有限公司；1 000 mg/L 鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液【GBW（E）082825】、1 000 μg/mL 鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液【GBW（E）082822】，壇墨質(zhì)檢-國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；98%硝酸鉍（III）五水合物，西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；石墨烯（GNs），蘇州晶矽電子科技有限公司。

S-4800 掃描電子顯微鏡（SEM），日本HITACHI 公司；鉑片電極、Ag/AgCl 參比電極，武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司；電化學(xué)工作站Autolab PGSTAT302N，瑞士萬(wàn)通中國(guó)有限公司；pH 700 型酸度計(jì)，美國(guó)優(yōu)特儀器有限公司；GenPure 超純水系統(tǒng)，德國(guó)TKA 公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 IL/GNs HME 電極的制備 如圖1a所示，IL/GNs HME 電極采用碳糊電極的制作方法，主要包括研磨、裝管、成型3 個(gè)步驟，具體如下：首先，稱取質(zhì)量為0.8 g 的GNs 和0.11 g 的OPFP 置于研缽中，充分研磨使其混合均勻，將混合粉末轉(zhuǎn)移到一次性注射器中；其次，將銅線插入上述粉末中，再將注射器放入烘箱中加熱，待OPFP 熔化后，將其注入硅膠管中，OPFP 室溫冷卻固化后，即得到IL/GNs HME 電極。

圖1 IL/GNs HME 電極的制備及其對(duì)Pb2+和Cd2+響應(yīng)的示意圖Fig.1 The schematic diagram of the preparation of IL/GNS HME electrode and its response to Pb2+ and Cd2+

1.2.2 同步鍍鉍法測(cè)定Pb2+和Cd2+

1）IL/GNs HME 預(yù)處理 電極通過(guò)磨砂紙、稱量紙打磨后，用超純水沖洗干凈，再插入含10.0 mol/L[Fe（CN）6]3-/4-的1.0 mol/L KCl 溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安法（CV）掃描，當(dāng)氧化峰和還原峰電位差小于120 mV 時(shí)，電極符合測(cè)試要求，用超純水洗凈，備用。

2）DPASV 測(cè)試（圖1b）配制一系列不同質(zhì)量濃度的Pb2+、Cd2+標(biāo)液，用含500 μg/L Bi3+的NaAc-HAc 緩沖溶液（0.2 mol/L，pH=4.2）定容。以上述溶液為電解液，IL/GNs HME 為工作電極，Ag/AgCl 電極為參比電極，鉑絲為對(duì)電極，調(diào)節(jié)攪拌速度為600 r/min，設(shè)置DPASV 參數(shù)：富集時(shí)間420 s，富集電位-1.1 V，記錄Pb2+和Cd2+的峰電位和峰電流。

3）IL/GNs HME 的表面更新 測(cè)試結(jié)束后，在電極上施加0.3 V 電壓電解30 s，以除去電極表面所覆蓋的鉍膜，更新電極表面。

1.3 實(shí)際樣品預(yù)處理

從廈門不同地區(qū)收集扇貝、褶牡蠣、長(zhǎng)竹蟶、菲律賓蛤子，洗凈去殼后，參考GB 5009.12-2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測(cè)定》中的濕消化法來(lái)處理樣品。具體如下：稱取3 g 貝類組織于30 mL 消解罐中，加入10 mL 濃硝酸和0.5 mL 高氯酸，于電熱爐180 ℃消解4 h，至消化液呈無(wú)色透明或略帶黃色為止。冷卻后將消解液移至25 mL 容量瓶，用NaAc-HAc 緩沖溶液（0.2 mol/L，pH 4.2）定容，得到樣液。加標(biāo)樣品采用在長(zhǎng)竹蟶組織中加入一定量的Pb2+和Cd2+，再根據(jù)上述濕消化法處理樣品，得到加標(biāo)樣液。

測(cè)試時(shí)，將樣液（加標(biāo)液）進(jìn)一步用含500 μg/L Bi3+的HAc-NaAc 緩沖溶液稀釋后，加入電解池中作為待測(cè)液。利用DPASV 同步鍍鉍法測(cè)定Pb2+和Cd2+溶出峰電流強(qiáng)度，根據(jù)1.2.2 節(jié)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，求出樣液（加標(biāo)液）中Pb2+和Cd2+的質(zhì)量濃度，所得結(jié)果均與ICP-MS 結(jié)果相比較。

2 結(jié)果和討論

2.1 IL/GNs HME 電極的形貌及電化學(xué)表征

IL/GNs HME 電極的外觀如圖2a所示，電極總長(zhǎng)約6 cm，電極底部黑色部分為IL/GNs 復(fù)合物，填充內(nèi)徑約2 mm。從圖2b 的SEM 結(jié)果可見(jiàn)，IL/GNs 復(fù)合物分布均勻，表面可見(jiàn)不規(guī)則的微孔，這些結(jié)構(gòu)增大了電極的比表面積，為后續(xù)鉍膜的沉積提供了良好的條件。

圖2 IL/GNs HME 的圖片（a）和SEM 圖（b）Fig.2 The picture（a）and SEM image（b）of IL/GNs HME

為了驗(yàn)證IL/GNs HME 的電化學(xué)性能，試驗(yàn)研究了IL/GNs HME 在含有10.0 mmol/L[Fe（CN）6]3-/4-的1.0 mol/L KCl 溶液中的CV 行為及電化學(xué)阻抗（EIS）行為。如圖3a所示，IL/GNs HME上的氧化峰和還原峰峰電位接近，電位差為103 mV，峰電流對(duì)稱，且連續(xù)掃描5 次，CV 曲線基本重合，說(shuō)明電極電化學(xué)性能好，且比表面積較為穩(wěn)定。而從圖3b 中可見(jiàn)，IL/GNs HME 的阻抗半圓直徑接近玻碳電極（GCE）的半圓直徑，說(shuō)明[Fe（CN）6]3-/4-的電子轉(zhuǎn)移到IL/GNs HME 表面的速率和玻碳電極近似，表明IL/GNs HME 的導(dǎo)電性能良好。這主要是因?yàn)镚Ns 有良好的導(dǎo)電性，加入IL 后，可以有效促進(jìn)電極表面的電子傳導(dǎo)效率，從而提高后續(xù)傳感器的電化學(xué)響應(yīng)性能。

圖3 IL/GNs HME 在含10.0 mmol/L[Fe（CN）6]3-/4-的1.0 mol/L KCl 中的CV（a）和EIS（b）曲線Fig.3 CV（a）and EIS（b）curves of IL/GNs HME in 1.0 mol/L KCl containing 10.0 mmol/L[Fe（CN）6]3-/4-

IL/GNs HME 在不同溶液中的DPASV 曲線如圖4所示。從圖中可知，IL/GNs HME 在HAc-NaAc 緩沖溶液（0.2 mol/L，pH=4.2）中沒(méi)有電流峰，當(dāng)溶液中含有90 μg/L Cd2+和Pb2+時(shí)，在-0.78 V 和-0.56 V 處分別產(chǎn)生二者的溶出峰，且峰位置相差較大，說(shuō)明利用DPASV 法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Cd2+和Pb2+的同步測(cè)定。同時(shí)，當(dāng)溶液中含有500 μg/L Bi3+時(shí)，IL/GNs HME 的溶出峰顯著增強(qiáng)，Cd2+和Pb2+的溶出電流分別為未加入Bi3+時(shí)的2.1 和2.4倍，這可能由于Bi 同Cd 和Pb 形成鉍齊，有效預(yù)濃縮Cd 和Pb[21]，從而增強(qiáng)了二者的溶出峰電流。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明通過(guò)同步鍍鉍法可以提高Cd2+和Pb2+的檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量Cd2+和Pb2+的同時(shí)檢測(cè)。

圖4 IL/GNs HME 在不同溶液中的DPASV 曲線Fig.4 The DPASV curves of IL/GNs HME in different solutions

2.2 條件優(yōu)化

為獲得對(duì)Cd2+和Pb2+的最佳檢測(cè)條件，試驗(yàn)選取對(duì)DPASV 影響較顯著的因素進(jìn)行優(yōu)化，考察了Bi3+質(zhì)量濃度、富集時(shí)間、緩沖液pH 值、攪拌速度、富集電壓對(duì)檢測(cè)體系的影響。

如圖5所示，當(dāng)Bi3+質(zhì)量濃度在300～500 μg/L時(shí)，隨著B(niǎo)i3+質(zhì)量濃度升高，Cd2+和Pb2+的溶出電流不斷增大，這是由于隨著鉍膜量增大，形成的Bi-Cd 和Bi-Pb 不斷增多。當(dāng)Bi3+質(zhì)量濃度進(jìn)一步增大時(shí)，鉍膜厚度過(guò)大，影響了電極表面電荷傳遞以及Bi-Cd（Pb）合金在電極表面的遷移，二者溶出峰降低。后續(xù)試驗(yàn)選擇Bi3+質(zhì)量濃度為500 μg/L。

圖5 Bi3+質(zhì)量濃度對(duì)檢測(cè)25 μg/L Cd2+和Pb2+的影響Fig.5 Effects of Bi3+ mass concentration on the detection of 25 μg/L Cd2+ and Pb2+

試驗(yàn)考察了富集時(shí)間和富集電位對(duì)Cd2+和Pb2+溶出峰的影響。如圖6a所示，Cd2+和Pb2+的溶出電流隨富集時(shí)間的增加而增強(qiáng)，當(dāng)富集時(shí)間不足時(shí)，不利于Cd2+和Pb2+的富集和溶出，而在富集時(shí)間達(dá)到420 s 后，繼續(xù)增加富集時(shí)間，Cd2+和Pb2+的溶出峰電流趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象可能歸因于多層沉積物的形成以及鉍膜的飽和效應(yīng)[22-23]。綜上，為節(jié)約時(shí)間，提高檢測(cè)效率，本試驗(yàn)選取420 s 作為富集時(shí)間。

由圖6b 可知，當(dāng)負(fù)電位低于-1.1 V 時(shí)，溶出峰電流信號(hào)隨負(fù)電位的降低而降低，這是由于負(fù)電位越低，氫越容易在電極處析出[11，24]，且一些雜質(zhì)的還原峰也會(huì)對(duì)Cd2+和Pb2+在IL/GNs HME 電極上的溶出產(chǎn)生干擾；而當(dāng)負(fù)電位正向增大至超過(guò)-1.1 V 時(shí)，不利于Cd2+和Pb2+的同步還原，因此選取-1.1 V 作為本試驗(yàn)的最佳富集電位。

圖6 富集時(shí)間（a）和富集電位（b）對(duì)檢測(cè)25 μg/L Cd2+ 和Pb2+的影響Fig.6 Effects of enrich time（a）and enrich potential（b）on the detection of 25 μg/L Cd2+ and Pb2+

如圖7a所示，當(dāng)攪拌速度在400～600 r/min時(shí)，溶出峰電流強(qiáng)度隨攪拌速度的增加而增加，進(jìn)一步加快攪拌速度，溶出峰電流隨之降低。這可能由于適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣龋欣贑d2+和Pb2+在電極表面?zhèn)髻|(zhì)；而攪拌速度太快，會(huì)對(duì)IL/GNs HME 電極表面的鉍膜產(chǎn)生一定的機(jī)械損傷[25]，不利于Cd2+和Pb2+在電極上的富集和溶出，因此選擇攪拌速度為600 r/min。圖7b 顯示了pH 值對(duì)測(cè)試體系的影響，當(dāng)pH 值在3.6～4.2 范圍不斷增加，溶出峰電流也不斷增加，然而若pH 值高于4.2，Cd2+和Pb2+傾向于形成氫氧化合物，影響了其溶出峰電流[26-28]，因此選取pH 4.2 作為本試驗(yàn)緩沖液的pH值。

圖7 攪拌速度（a）和pH（b）對(duì)檢測(cè)25 μg/L Cd2+和Pb2+的影響Fig.7 Effects of stirring speed（a）and pH（b）on the detection of 25 μg/L Cd2+ and Pb2+

2.3 線性范圍和檢測(cè)限

根據(jù)上述分析，本方法的最佳試驗(yàn)條件為：富集時(shí)間420 s，富集電位-1.1 V，攪拌速度600 r/min，Bi3+質(zhì)量濃度500 μg/L，HAc-NaAc 緩沖液pH 4.2。圖8a 為在最佳試驗(yàn)條件下，IL/GNs HME 電極對(duì)不同質(zhì)量濃度Cd2+和Pb2+的DPASV 測(cè)試曲線，可見(jiàn)溶出峰電流均隨二者質(zhì)量濃度的升高而不斷增大。從圖8b 中可知在1.0～45.0 μg/L 范圍，Pb2+和Cd2+的質(zhì)量濃度均與溶出峰電流呈良好的線性關(guān)系，Pb2+和Cd2+的回歸方程分別為：ΔIPb=0.0668CPb-0.0611，相關(guān)系數(shù)為0.9953；ΔICd=0.0895CCd-0.0699，相關(guān)系數(shù)為0.9958；Pb2+和Cd2+檢測(cè)限分別達(dá)0.5 μg/L 和0.8 μg/L。雖然利用修飾電極檢測(cè)Pb2+和Cd2+已有較多文獻(xiàn)報(bào)道，但相比較而言[11，29-33]，本試驗(yàn)所用IL/GNs HME 具有較高的靈敏度和較低的檢測(cè)限，更重要的是，本試驗(yàn)所用電極的制備方法簡(jiǎn)單、廉價(jià)、綠色環(huán)保。

圖8 不同Pb2+和Cd2+質(zhì)量濃度下的IL/GNs HME DPASV 曲線（a）和峰電流相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線（b）Fig.8 DPASV curves（a）of IL/GNs HME and the corresponding calibration curve of the peak currents（b）under different mass concentrations Pb2+ and Cd2+

2.4 共存離子的影響

試驗(yàn)考察了常見(jiàn)的K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+、Fe3+離子對(duì)于同時(shí)測(cè)定Cd2+和Pb2+的影響。在質(zhì)量濃度25 μg/L 的Cd2+和Pb2+溶液中加入質(zhì)量濃度均為100 μg/L 的各干擾離子，考察干擾離子對(duì)ΔI/ΔI0（I0和I和分別為加入干擾離子前、后的溶出峰電流）的影響。結(jié)果顯示，用IL/GNs HME 電極同步鍍鉍法測(cè)定Cd2+和Pb2+時(shí)，干擾離子所產(chǎn)生的偏差均在±10%范圍內(nèi)，說(shuō)明干擾離子對(duì)測(cè)試Cd2+和Pb2+的影響較小，可忽略不計(jì)。

2.5 IL/GNs HME 的可重復(fù)使用性

將同一根IL/GNs HME 電極按照1.2.2 節(jié)中的表面更新方法處理后，在優(yōu)化條件下，對(duì)質(zhì)量濃度45 μg/L 的Cd2+和Pb2+進(jìn)行DPASV 測(cè)定，重復(fù)上述操作3 次，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。Pb2+和Cd2+的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為1.5%和2.4%，說(shuō)明在電極上施加0.3 V 電壓電解30 s 后，IL/GNs HME 電極表面修飾的鉍膜被氧化，電極表面獲得更新，節(jié)約了電極使用成本。

圖9 IL/GNs HME 的可重復(fù)使用性Fig.9 The reusability of IL/GNs HME

2.6 實(shí)際樣品的檢測(cè)

試驗(yàn)選取扇貝、褶牡蠣、長(zhǎng)竹蟶、菲律賓蛤子4 種貝類，測(cè)定其中的Pb2+和Cd2+的含量。如表1所示，所得結(jié)果均與ICP-MS 結(jié)果相符，說(shuō)明所建立的基于IL/GNs HME 電極的同步鍍鉍DPASV法能準(zhǔn)確檢測(cè)貝類中Pb2+和Cd2+的含量。

表1 DPASV 法和傳統(tǒng)ICP-MS 法多檢測(cè)貝類樣品中Pb2+和Cd2+的對(duì)比結(jié)果Table 1 Comparison results of DPASV method and the traditional ICP-MS method for the detection of Pb2+ and Cd2+in shellfish samples

為了考察基質(zhì)對(duì)測(cè)試體系的影響，選取長(zhǎng)竹蟶進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)。首先以ICP-MS 測(cè)得的結(jié)果作為加標(biāo)樣品中Pb2+和Cd2+的準(zhǔn)確值，再在樣品中加入已知量的Pb2+和Cd2+，利用本方法測(cè)定加標(biāo)后的重金屬離子含量，從表2 可知，Pb2+和Cd2+的回收率范圍分別為91.3%～105.7%和93.7%～97.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，說(shuō)明利用本方法檢測(cè)貝類中的Pb2+和Cd2+，基質(zhì)效應(yīng)較小，精密度較高，有望應(yīng)用于其它實(shí)際樣品中Pb2+和Cd2+的檢測(cè)。

表2 使用IL/GNs HME 對(duì)長(zhǎng)竹蟶中Pb2+和Cd2+檢測(cè)的回收率結(jié)果Table 2 Recovery results of Pb2+ and Cd2+ in Solen gouldi sample using IL/GNs HME

3 結(jié)論

本研究基于自制的離子液體/石墨烯電極（IL/GNs HME），結(jié)合DPASV 同步鍍鉍法，測(cè)定貝類中痕量Pb2+和Cd2+。在最佳試驗(yàn)條件下測(cè)得Pb2+和Cd2+的線性范圍均為1.0～45.0 μg/L，檢測(cè)限分別達(dá)0.5 μg/L 和0.8 μg/L；將所建立的分析方法應(yīng)用于扇貝、褶牡蠣、長(zhǎng)竹蟶、菲律賓蛤子中Pb2+、Cd2+含量的同時(shí)檢測(cè)，所得結(jié)果與ICP-MS 結(jié)果相符；最后，試驗(yàn)分析了本方法對(duì)長(zhǎng)竹蟶中Pb2+和Cd2+的加標(biāo)回收情況，二者的加標(biāo)回收率范圍分別為91.3%～105.7%和93.7%～97.6%，說(shuō)明基質(zhì)效應(yīng)較小。本試驗(yàn)首次使用自制的GNs/IL HME 電極來(lái)進(jìn)行重金屬離子的檢測(cè)，電極材料廉價(jià)易得、制作簡(jiǎn)便、性能良好，此外，GNs/IL HME 電極可通過(guò)簡(jiǎn)便的表面更新實(shí)現(xiàn)電極的重復(fù)利用，極大地降低電極的使用成本。本研究所建立的檢測(cè)方法可進(jìn)一步應(yīng)用于其它水產(chǎn)品中重金屬含量的測(cè)定，也可推廣到其它食品安全方面的應(yīng)用。