李欣，劉鑫鑫，崔聞?dòng)?，張喬，呂春艷

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院 國(guó)家教育部抗腫瘤天然藥物工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076)

山楂為藥食兩用品種，500余種藥方以其藥[1-2]。中藥材重金屬超標(biāo)問(wèn)題引起了人們的廣泛關(guān)注[3-4]。目前檢測(cè)重金屬鉛、鎘、砷的常用方法包括石墨爐原子吸收法[5]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[6]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)等[7]。陽(yáng)極溶出伏安法(ASV)作為一種電化學(xué)測(cè)試方法，在重金屬檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[8-9]。

本研究對(duì)三維石墨烯進(jìn)行功能化，產(chǎn)生遠(yuǎn)多于二維納米結(jié)構(gòu)石墨烯的活性中心，從而具有更優(yōu)良的電化學(xué)響應(yīng)，有望顯著提高靈敏度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

10% Nafion溶液、硝酸鎘、硝酸鈉、高錳酸鉀、醋酸鈉、醋酸、氫氧化鉀、過(guò)氧化氫、鹽酸、濃硫酸、甲醇、乙醇、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)、N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)、5-乙基-3-噻吩卡巴肼、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(EMIPF6)、氧化石墨烯分散液、泡沫鎳均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水為去離子水(電阻<18.2 MΩ，采用Milli-Q超純水系統(tǒng)制備)。

CHI660D電化學(xué)工作站；Multi PRO微波消解儀；Agilent 7700X ICP-MS電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀；320-s pH計(jì)。

1.2 功能化的三維石墨烯制備及工作電極修飾

采用分散聚合法制備硬模板聚苯乙烯(PS)微球[10]，經(jīng)硝化反應(yīng)得到帶正電荷的氨基化PS微球，與帶負(fù)電荷的氧化石墨烯(GO)超聲處理形成GO/PS分散液后，通過(guò)原位復(fù)合包覆在泡沫鎳上，經(jīng)3 mol/L HCl去除泡沫鎳骨架。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，采用KOH刻蝕、高溫還原后，即得三維石墨烯。

KMnO4、濃H2SO4、NaNO3和三維石墨烯0 ℃下攪拌2 h，室溫?cái)嚢? d后，依次加入稀H2SO4和H2O2，于98 ℃和室溫下各攪拌2 h，離心分離。用稀HCl和去離子水洗滌數(shù)次后，經(jīng)離子交換樹(shù)脂去除多余的酸，過(guò)濾、干燥后，得到羧基化的三維石墨烯。

將EDC和NHS 1∶1溶于甲醇后，加入羧基化的三維石墨烯，超聲振蕩8 h，離心，晾干。將經(jīng)過(guò)EDC/NHS活化的三維石墨烯與5-乙基-3-噻吩卡巴肼進(jìn)行共價(jià)反應(yīng)，經(jīng)離心、低溫烘干后，得到功能化的三維石墨烯，其合成路線、與重金屬鎘離子作用機(jī)制見(jiàn)圖1。

圖1 5-乙基-3-噻吩卡巴肼功能化的三維石墨烯合成路線及與重金屬離子作用示意圖Fig.1 Synthetic route and interaction with heavy metal ions of 3D graphene functionalized by 3-thiophenecarboxylicacid-5-ethyl-hydrazide

離子液體EMIPF6為粘合劑，均勻分散至10% Nafion溶液中后修飾在預(yù)處理過(guò)的玻碳電極表面(預(yù)處理方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11])，室溫下自然干燥，得到工作電極(3T-3DG電極)，可用于山楂中重金屬含量的檢測(cè)。

1.3 陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定重金屬離子

采用三電極系統(tǒng)：功能化三維石墨烯修飾玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。

將三電極系統(tǒng)置于Cd2+濃度為0.5 mg/kg的HAc-NaAc緩沖中，在恒電位下攪拌富集相應(yīng)時(shí)間再靜置2 s，進(jìn)行陽(yáng)極溶出伏安掃描，方法和參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。所有操作在室溫下進(jìn)行。

1.4 供試品溶液制備

精密稱定山楂飲片0.5 g，置于聚四氟乙烯消解罐，加入7.0 mL HNO3,80 ℃預(yù)消解0.5 h后冷卻。于微波消解儀中，升溫25 min溫度達(dá)到190 ℃，保溫30 min進(jìn)行消解。消解后自然冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶，用去離子水定容后待用[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極電化學(xué)響應(yīng)

采用ASV法研究了玻碳電極、3T-3DG電極對(duì)Cd2+(0.5 mg/kg)的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)，HAc-NaAc緩沖溶液的pH值為4.5,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 Cd2+的陽(yáng)極溶出伏安曲線Fig.2 Anodic stripping voltammetry (ASV) behaviors of Cd2+1.玻碳電極；2.5-乙基-3-噻吩卡巴肼功能化的三維石墨烯修飾的玻碳電極(3T-3DG電極)

由圖2可知，玻碳電極和3T-3DG電極均可以檢測(cè)到Cd2+，陽(yáng)極溶出峰電位均為-0.84 V，玻碳電極上Cd2+的峰電流值為0.711 μA；玻碳電極經(jīng)過(guò)5-乙基-3-噻吩卡巴肼功能化的三維石墨烯修飾后得到的3T-3DG電極上Cd2+的峰電流值顯著增大，為1.942 μA，原因在于：①三維石墨烯較大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)可提供更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)；②有機(jī)小分子化合物5-乙基-3-噻吩卡巴肼與三維石墨烯產(chǎn)生協(xié)同催化作用，更利于與重金屬發(fā)生配位作用而產(chǎn)生活性中心[13]。

2.2 測(cè)試條件對(duì)Cd2+檢測(cè)的影響

在含0.5 mg/kg Cd2+的HAc-NaAc緩沖溶液中，考察pH值、富集電位和富集時(shí)間對(duì)陽(yáng)極伏安法測(cè)試Cd2+溶出峰電位和峰電流值的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)試條件對(duì)3T-3GD電極上Cd2+陽(yáng)極溶出伏安法溶出峰的影響Fig.3 Influence of different determination conditions on peak current of Cd2+ on 3T-3GD electrodeA.pH值；B.富集電位；C.富集時(shí)間

由圖3(A)可知，Cd2+的溶出峰和電流值隨著HAc-NaAc緩沖溶液pH值的增大而先增大后降低，在pH值4.5時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)閜H值較小時(shí)，溶液中H+濃度高，沉積過(guò)程伴有析氫反應(yīng)發(fā)生，阻礙了Cd2+在電極表面的還原沉積[14]。當(dāng)pH值>4.5時(shí)，溶出峰電流值逐漸減小，因?yàn)閜H值較高時(shí)，OH-濃度大，導(dǎo)致重金屬離子的水解程度增加，削弱了電流相應(yīng)[15]。綜合考慮，選擇pH為4.5的HAc-NaAc緩沖溶液作為支持電解質(zhì)進(jìn)行山楂飲片中Cd2+含量測(cè)定。

由圖3(B)可知，以0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH4.5)為底液，富集電位從-0.8 V向-1.2 V遷移，Cd2+的溶出峰電流值增大；當(dāng)電位繼續(xù)向-1.4 V遷移時(shí)，由于析氫反應(yīng)的發(fā)生,影響了Cd2+的富集，導(dǎo)致Cd2+的溶出峰電流值減小[16]。因此，選擇富集電位-1.2 V進(jìn)行山楂飲片中Cd2+含量測(cè)定。

由圖3(C)可知，隨富集時(shí)間增加，Cd2+的溶出峰電流值增大，在3T-3DG電極上聚集的鎘離子隨著富集時(shí)間的延長(zhǎng)而增多，富集時(shí)間>180 s時(shí)，3T-3DG電極表面金屬離子數(shù)量趨于飽和，導(dǎo)致Cd2+溶出峰電流值緩慢增加。綜合考慮，選擇富集時(shí)間為180 s進(jìn)行山楂飲片中Cd2+含量測(cè)定。

2.3 線性范圍和檢出限

在優(yōu)化的測(cè)試條件下，測(cè)試了含不同Cd2+濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液的陽(yáng)極溶出伏安曲線，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 陽(yáng)極溶出伏安法溶出峰電流與Cd2+濃度的線性關(guān)系曲線Fig.4 Linear relationship between the stripping currents and concentrations of Cd2+ on 3T-3DG electrode

由圖4可知，在0～4 mg/kg的區(qū)間內(nèi)，3T-3DG電極對(duì)于Cd2+的檢測(cè)線性良好，Cd2+的溶出峰電流值隨著其濃度的增大而線性增大，線性回歸方程為I(μA)=3.951 6C-0.145 7，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.991，檢出限為0.6 ng/kg(S/N=3)。

2.4 電極重復(fù)性、穩(wěn)定性和選擇性

在-1.2 V富集電位和180 s富集時(shí)間條件下，含Cd2+0.5 mg/kg的0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH4.5)中，重復(fù)測(cè)定陽(yáng)極溶出伏安曲線6次，得到Cd2+的溶出峰電流值代入線性回歸方程，計(jì)算出Cd2+濃度的平均值以及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，RSD為1.2%，表明3T-3DG電極測(cè)定Cd2+濃度具有良好的重復(fù)性。此外，研究了3T-3DG電極的穩(wěn)定性，時(shí)隔72 h測(cè)量相同濃度Cd2+(0.5 mg/kg)的溶出峰電流值的RSD為1.9%，表明3T-3DG電極測(cè)定Cd2+濃度在72 h內(nèi)基本穩(wěn)定。在含Cd2+0.5 mg/kg的0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH4.5)中，加入50倍濃度的K+、Na+、Ca2+、Zn2+、Mg2+陽(yáng)離子(濃度均為25 mg/kg)，研究不同陽(yáng)離子對(duì)3T-3DG電極檢測(cè)Cd2+的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，所有陽(yáng)離子對(duì)Cd2+溶出峰電流值的影響范圍為-2.7%～+2.8%，表明3T-3DG電極檢測(cè)Cd2+的選擇性良好。

2.5 山楂飲片中鎘離子的檢測(cè)

準(zhǔn)確稱取山楂飲片0.5 g，按1.4節(jié)方法處理后，在3T-3DG電極上采用陽(yáng)極溶出伏安法以及ICP-MS法各重復(fù)測(cè)定6次，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3T-3DG電極陽(yáng)極溶出伏安法與電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測(cè)山楂飲片中Cd2+濃度的結(jié)果對(duì)照Table 1 Comparison of ASV method at 3T-3DG electrode with ICP-MS method for detection of Cd2+ in samples

由表1可知，SPSS22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明ASV法與ICP-MS法測(cè)定山楂飲片中Cd2+結(jié)果無(wú)顯著性差異(P>0.05)，3T-3DG電極陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定Cd2+濃度的RSD<5%，表明該方法可以用來(lái)測(cè)定山楂飲片中Cd2+含量。

3 結(jié)論

(1)采用硬模板法制備三維石墨烯,經(jīng)5-乙基-3噻吩卡巴肼功能化后，采用陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定山楂飲片中鎘離子的含量。三維石墨烯經(jīng)過(guò)功能化后，比表面積和電化學(xué)活性中心增加，改善了電化學(xué)響應(yīng)性能，檢測(cè)痕量重金屬鎘離子，檢測(cè)限為0.6 ng/kg。

(2)在0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH4.5)為支持電解質(zhì)，富集電位-1.2 V，富集時(shí)間180 s的優(yōu)化測(cè)試條件下，陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定Cd2+峰電流值的線性范圍為0～4 mg/kg(R2為0.991)，穩(wěn)定性、重復(fù)性和選擇性均較好。ASV法與ICP-MS法(2020版中國(guó)藥典規(guī)定的測(cè)定方法)測(cè)定山楂飲片中Cd2+含量無(wú)顯著性差異，且3T-3DG電極成本低廉，操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景良好。