王艷坤

(河南財(cái)政金融學(xué)院 環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 河南 鄭州 450046)

蒲公英為菊科蒲公英屬植物，多年生草本。全世界蒲公英屬有2 000余種，分布極為廣泛[1-3]。蒲公英作為一種藥食同用的中草藥，具有極為悠久的用藥歷史，近年來(lái)對(duì)蒲公英有效成分和藥理作用的研究越來(lái)越深入，從而引起人們廣泛的關(guān)注[4-5]。由于蒲公英同屬種植物眾多，分布范圍廣泛，在干旱貧瘠土壤環(huán)境中均可存活，尤其在當(dāng)今土壤重金屬污染嚴(yán)重情況下，蒲公英在生長(zhǎng)過(guò)程中極易吸收鉛、鎘、汞、砷等重金屬，這些重金屬元素極易通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)富集，對(duì)人體心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等具有毒害作用，因此有效檢測(cè)蒲公英中的重金屬和微量元素含量對(duì)全面、有效、深入開發(fā)蒲公英有著重要參考價(jià)值。

目前對(duì)蒲公英中草藥中重金屬的檢測(cè)主要通過(guò)原子發(fā)射光譜法[6]、原子吸收光譜法[7]、原子熒光光譜法[8]、紫外可見(jiàn)分光光度法[9]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[10]等。然而這些檢測(cè)方法所用儀器較復(fù)雜昂貴，測(cè)試費(fèi)用高，操作復(fù)雜，只適于特定環(huán)境下運(yùn)行，從而限制了這些方法對(duì)大量樣本的常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。因此，開發(fā)一種便捷準(zhǔn)確快速的測(cè)定蒲公英中草藥中重金屬的方法成為亟待解決的問(wèn)題。

本研究將導(dǎo)電性優(yōu)異、比表面積巨大的石墨烯(graphene,GN)，離子交換性強(qiáng)、成膜性能穩(wěn)定的全氟代磺酸脂(Nafion，NA)及對(duì)重金屬離子具有強(qiáng)選擇性的苯并-18-冠醚-6(B18C6)采用滴涂法修飾在玻碳電極(glassy carbon electrode,GCE)表面制備出全氟代磺酸脂/石墨烯/苯并-18-冠醚-6復(fù)合膜修飾玻碳電極(NA/GN/B18C6/GCE)，將所制備的NA/GN/B18C6/GCE電極采用方波陽(yáng)極溶出伏安法(square wave anodic stripping voltammetry,SWASV)原位檢測(cè)蒲公英中草藥中的Pb2+離子，優(yōu)化了溶液pH值、富集電位和富集時(shí)間對(duì)陽(yáng)極溶出伏安曲線的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，NA/GN/B18C6/GCE電極3種組分的相互協(xié)同作用，極大提高了復(fù)合材料修飾電極對(duì)蒲公英中草藥中汞痕量重金屬的檢測(cè)伏安響應(yīng)，具有線性工作范圍寬，檢測(cè)限低，且重現(xiàn)性高，穩(wěn)定性好。本研究提供的簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)蒲公英中草藥中重金屬的方法，為蒲公英中草藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善及質(zhì)量控制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)開發(fā)利用中草藥這個(gè)中華民族智慧的瑰寶具有重要的理論指導(dǎo)及實(shí)際應(yīng)用意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

臺(tái)式微生物恒溫振蕩器(重慶英檢達(dá)儀器有限公司)，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)ThermoFisher Scientific公司)，CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(鶴壁市冶金機(jī)械設(shè)備有限公司)，實(shí)驗(yàn)采用3電極體系，分別以NA/GN/B18C6/GCE(Φ=3 mm)電極、Ag/AgCl(3M KCl)、Pt絲電極為工作電極，參比電極及對(duì)電極。

GN來(lái)源于本實(shí)驗(yàn)室，采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨烯(GO)，再用水合肼還原制成，具體方法如文獻(xiàn)[11-13]所述。實(shí)驗(yàn)所用Nafion(wt. 5%)、苯并-18-冠醚-6、Bi(NO3)3·5H2O、Pb(NO3)2、水合肼、HAc、NaAc、NaOH等藥品及試劑均為國(guó)藥集團(tuán)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純?cè)噭?，蒲公英樣?干株，切成1 cm短段)購(gòu)自本草堂大藥房。0.1 M HAc-NaAc緩沖液采用HAc和NaAc配制，并用1 M NaOH溶液調(diào)節(jié)pH=4.5。溶液的配制均采用自制蒸餾水。

1.2 NA/GN/B18C6/GCE電極的制備

采用滴涂法覆膜方式制備NA/GN/B18C6/GCE電極。準(zhǔn)確稱取1 mg B18C6溶解于2 mL稀釋至10%的NA乙醇溶液中，然后將1 mg GN超聲分散于上述溶液中形成均勻的黑色懸浮液。將GCE電極在麂皮上用0.05 μm的氧化鋁粉末加少量去離子水進(jìn)行打磨至光亮的鏡面，然后依次在乙醇、1∶1的HNO3和去離子水中超聲清洗，最后在1 M H2SO4溶液中在-1.0～1.0 V掃描范圍進(jìn)行循環(huán)伏安法活化，直至循環(huán)伏安曲線完全重合。取2 μL上述懸浮液采用蔓延方式滴涂于上述處理后的GCE電極表面，室溫下干燥24 h，然后用去離子水沖洗，晾干制得NA/GN/B18C6/GCE電極，用類似方法制得NA/GCE與NA/GN/GCE電極進(jìn)行對(duì)比。

1.3 測(cè)試方法

將上述制備的NA/GN/B18C6/GCE電極在0.5 mg/L Bi3+和待測(cè)濃度的Pb2+的0.1 M HAc-NaAc緩沖溶液中磁力攪拌下進(jìn)行富集，富集電位-1.2 V，富集時(shí)間為120 s，富集結(jié)束后停止攪拌，靜止10 s。采用方波陽(yáng)極溶出伏安法檢測(cè)蒲公英樣品中的Pb2+離子，具體溶出參數(shù)如下：初始電位為-1.2 V，終止電位為+0.2 V，電位增量5 mV，振幅25 mV，頻率20 Hz，靈敏度10-5A/V。為保證GCE電極的重現(xiàn)性，每一次富集/溶出測(cè)定結(jié)束后，均需在攪拌狀態(tài)下將NA/GN/B18C6/GCE電極于+0.4 V 恒定電位原位氧化 30 s以徹底去除電極表面殘存的痕量金屬。

1.4 蒲公英樣品的處理及測(cè)定

將蒲公英樣品置于烘箱中80℃干燥2 h，然后用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎并過(guò)80目篩。將0.5 g蒲公英樣品置于萃取瓶，加入40 mL的0.1 M醋酸溶液。將混合樣品置于恒溫振蕩器在室溫下振蕩24 h，然后對(duì)上述混合樣品進(jìn)行離心分離并對(duì)提取液用膜過(guò)濾以去除溶液中的微雜質(zhì)。準(zhǔn)確量取10 mL混合液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶，制成pH為4.5、含0.5 mg/L Bi3+和0.1 M HAc-NaAc緩沖溶液待測(cè)液。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下參照1.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)樣品進(jìn)行方波陽(yáng)極溶出伏安掃描測(cè)試。

2 結(jié)果及討論

2.1 NA/GN/B18C6/GCE電極的伏安性能

圖1給出了GCE、NA/GCE、NA/GN/GCE和NA/GN/B18C6/GCE電極在pH=4.5、Pb2+為20 μg/L的0.1M HAc-NaAc緩沖液溶液中的SWASV曲線圖。從圖1中曲線(a)和(b)可見(jiàn)Pb2+在裸GCE和NA/GCE電極上的溶出響應(yīng)非常微弱，這是因?yàn)槁鉍CE表面難以形成穩(wěn)定的Bi膜，Pb2+離子難以在裸GCE表面富集。而對(duì)于NA/GCE電極，盡管NA具有很強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力，但由于采用滴涂法制備的NA膜較致密，導(dǎo)致NA/GCE電極比表面積較小和導(dǎo)電性較差[14]。然而，將GN引入電極后，它對(duì)Pb2+的檢測(cè)表現(xiàn)出較高的靈敏性，呈現(xiàn)出清晰的溶出峰(圖1曲線(c) (d))。這可歸因于GN薄膜具有獨(dú)特的3維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有大量的空腔和微孔，這些多孔結(jié)構(gòu)可以提供大量的活性位點(diǎn)[15]，尤其是在比表面積大、導(dǎo)電性好的GN內(nèi)添加了離子交換能力強(qiáng)，成膜性能好的NA后所形成的NA/GN/B18C6/GCE電極，既克服了GN易團(tuán)聚、黏附性差易脫落等缺點(diǎn)，又利于Bi在富集過(guò)程中在GN褶皺狀表面還原生成均勻緊密的薄膜，有效避免了Bi的團(tuán)聚和修飾膜的脫落，因此，NA/GN/B18C6/GCE電極具有更高的溶出峰電流與分析靈敏度。

圖1 不同工作電極在20 μg·L-1 Pb2+溶液中的SWASV曲線圖

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 溶液pH的影響

圖2 給出了NA/GN/B18C6/GCE電極在不同pH的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中，Pb2+濃度固定為20 μg/L時(shí)的方波陽(yáng)極溶出伏安曲線。由圖2可見(jiàn)緩沖液pH顯著影響NA/GN/B18C6/GCE電極的溶出峰電流，在pH為4.5處可觀察到最大溶出峰電流。較低的pH(3.0、3.5和4.0)處峰值電流較小，這可能是由于親水基團(tuán)的質(zhì)子化減少了金屬離子的吸收[16]。而pH較高(5.0、5.5和6)時(shí)的溶出峰電流降低可歸因于高pH態(tài)下Pb2+離子發(fā)生了水解。因此實(shí)驗(yàn)選擇pH=4.5作為分析的最佳pH。

圖2 NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度固定為20 μg/L的不同pH HAc-NaAc緩沖液中的方波陽(yáng)極溶出伏安曲線

2.2.2 富集時(shí)間的影響

圖3給出了NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中不同富集時(shí)間對(duì)Pb2+溶出電流的影響。由圖3明顯可見(jiàn)在初始時(shí)間溶出峰電流隨富集時(shí)間呈線性增加，300 s后曲線增加趨勢(shì)變得緩慢，這是由于修飾電極表面Pb2+在Bi膜中達(dá)到了飽和?？紤]到實(shí)驗(yàn)周期與效率，溶出時(shí)間選擇300 s作為最佳富集時(shí)間。需要指出的是對(duì)于測(cè)定較低濃度的重金屬，建議使用較長(zhǎng)的沉積時(shí)間，因?yàn)槿艹龇咫娏饕嗳Q于離子濃度。在沉積過(guò)程中，較低的濃度梯度會(huì)減緩離子向電極表面的擴(kuò)散，因此需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖3 NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中不同富集時(shí)間對(duì)Pb2+溶出電流的影響

2.2.3 富集電勢(shì)的影響

圖4 給出了Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中NA/GN/B18C6/GCE電極的富集電位從-1.5 V增加到-1.0 V時(shí)對(duì)Pb2+溶出電流的影響。明顯可見(jiàn)溶出峰電流在-1.5 V初始電位時(shí)隨富集電位的增加而增加，并在-1.2 V達(dá)到最大值。初始階段的溶出峰電流隨富集電位的增加而增加可歸因于更低的富集電位能加速目標(biāo)金屬離子的沉積(富集)及Bi膜的生成[17]。但當(dāng)富集電位低于-1.2 V時(shí)溶出峰電流逐漸減少，這是由于NA/GN/B18C6/GCE電極表面發(fā)生了析氫反應(yīng)，從而干擾了目標(biāo)金屬離子的測(cè)定[18]。因此實(shí)驗(yàn)選擇具有最佳靈敏度的-1.2 V作為富集電位。

圖4 NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc

2.3 NA/GN/B18C6/GCE電極對(duì)Pb2+的線性檢測(cè)范圍及檢測(cè)限

在優(yōu)化參數(shù)測(cè)試條件下，NA/GN/B18C6/GCE電極對(duì)Pb2+濃度分別為5、10、20、30、40和60 μg/L的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中方波陽(yáng)極溶出伏安曲線如圖5所示，內(nèi)插圖為Pb2+在不同濃度時(shí)的相應(yīng)校準(zhǔn)曲線。明顯可見(jiàn)在5～60 μg/L濃度范圍內(nèi)，溶出峰電流與Pb2+離子的溶出響應(yīng)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為y=1.5 563x+4.5 645，回歸系數(shù)R2為0.998 2。在上述最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，富集時(shí)間為10 min，3倍噪聲條件下(S/N=3)， Pb2+離子的檢出限經(jīng)計(jì)算約為0.04 μg/L。

圖5 優(yōu)化參數(shù)測(cè)試條件下NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度分別為5、10、20、30、40和60 μg/L的方波陽(yáng)極溶出伏安曲線，內(nèi)插圖為Pb2+在不同濃度時(shí)的校準(zhǔn)曲線

2.4 蒲公英樣品中Pb含量的測(cè)定

將處理后的蒲公英中草藥樣品提取液采用NA/GN/B18C6/GCE電極檢測(cè)其中所含的重金屬Pb的含量，并與采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。準(zhǔn)確量取5 mL試樣，以為NA/GN/B18C6/GCE電極為工作電極，首先在-1.2 V恒電位下進(jìn)行富集，時(shí)間為300 s，靜止10 s后采用方波陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定重金屬Pb，溶出參數(shù)設(shè)定為初始電位-1.2 V，終止電位+0.2 V，電位增量5 mV，振幅25 mV，頻率20 Hz，靈敏度10-5 A/V。每次測(cè)試完成后均在+0.4 V電位下清洗電極30 s。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)得蒲公英中草藥樣品中Pb2+的含量為8.35±0.05 μg/L，在忽略樣品制備過(guò)程質(zhì)量損失情況下，該樣品中Pb2+含量經(jīng)計(jì)算為1.67 mg/kg。將該樣品采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)得Pb2+的含量為8.30±0.05 μg/L，顯然兩種方法的測(cè)定結(jié)果吻合度較高，表明該方法具有良好的準(zhǔn)確性和可靠性，可以作為有效的方法用于蒲公英等中草藥樣品中重金屬Pb的測(cè)定。

3 結(jié)論

采用滴涂法所制備的NA/GN/B18C6/GCE電極充分結(jié)合了NA良好的陽(yáng)離子交換性能、成膜穩(wěn)定；GN的高導(dǎo)電性與巨大的比表面積以及對(duì)重金屬離子具有強(qiáng)選擇性絡(luò)合的B18C6特性，3種組分的相互協(xié)同作用使NA/GN/B18C6/GCE電極用于方波陽(yáng)極溶出法測(cè)定蒲公英中草藥中痕量重金屬元素Pb具有電極制備簡(jiǎn)單、復(fù)合膜表面易更新、檢測(cè)靈敏度高、重現(xiàn)性好、檢出限低和無(wú)毒無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。在最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)下該方法對(duì)實(shí)際蒲公英樣品的測(cè)定結(jié)果與ICP-MS結(jié)果近似，表明該方法具有良好的準(zhǔn)確性和可靠性。該方法可擴(kuò)展對(duì)中草藥中鎘、銅等痕量重金屬的實(shí)際測(cè)定，在食品、藥品行業(yè)極具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。