線性掃描極譜法檢測環(huán)境水樣中四環(huán)素

孫雪梅,吉 喆,高婭玲,王 餌,張增強,陳 文*

(1.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610059;2.四川省礦產(chǎn)資源化學(xué)高校重點實驗室，四川成都 601159)

抗生素的大量生產(chǎn)及使用所造成的環(huán)境污染近年來引起廣泛重視。全國主要河流如海河、長江入?？?、黃浦江、珠江、遼河等河流部分點位都檢出抗生素，甚至在南京居民家中的自來水中也檢出了抗生素[1]，可見水體中抗生素污染的嚴(yán)重與廣泛。在眾多的抗生素中，四環(huán)素類抗生素(TCs)因其水溶性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、治療效果好而且價格便宜，在畜牧業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中廣泛應(yīng)用[2]。而生產(chǎn)中污水的排放，以及使用藥物中未被吸收的四環(huán)素以原藥的形式重新回到環(huán)境中[3]，都加劇了環(huán)境水體的污染。為預(yù)防和控制四環(huán)素引起的危害，及時、準(zhǔn)確地檢測監(jiān)控環(huán)境水體中四環(huán)素的含量尤為必要。目前，四環(huán)素的檢測方法有微生物法[4,5]、光譜法[6,7]、色譜法及其聯(lián)用技術(shù)[8，9]、免疫分析法[10,11]，以修飾電極[12,13]等電化學(xué)方法測定四環(huán)素也有報道。但這些方法大多設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜且前處理要求較高，方法不夠簡便。

四環(huán)素分子中含有酮基和烯醇的共扼雙鍵系統(tǒng)，因此，在電極上容易發(fā)生還原反應(yīng)。目前有文獻(xiàn)報道極譜法檢測四環(huán)素類藥物的含量，如葉憲曾等[14]用示波導(dǎo)數(shù)和微分脈沖極譜法檢測四環(huán)素，檢測限分別為5.0×10-8、2.0×10-7mol/L。王乃興等[15]用微分脈沖極譜法檢測四環(huán)素，檢測限為8.0×10-7mol/L。本文建立了一種環(huán)境水樣中四環(huán)素的極譜檢測方法，該方法體系更簡單，線性范圍更寬(0.1～30 μg/mL，30～90 μg/mL)，檢出限更低(0.0024 μg/mL即5.4×10-9mol/L)，在優(yōu)化的電化學(xué)參數(shù)條件下，實現(xiàn)了對環(huán)境水樣中四環(huán)素含量的測定，得到了較好的結(jié)果。方法不僅具有應(yīng)用價值還具有一定的理論價值。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

JP-3型示波極譜儀(成都儀器廠)，三電極體系：滴汞電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極；PXS-1離子活度計(成都世紀(jì)方舟科技有限公司)；電子分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)。

四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)儲備液：準(zhǔn)確稱取0.02 g鹽酸四環(huán)素(上海勵瑞生物科技有限公司)于50 mL容量瓶中，配制成400 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，保存在冰箱中，用時用水稀釋到所需濃度。NaH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液(PBS)、HAc-NaAc緩沖溶液、酒石酸-酒石酸鈉緩沖溶液、檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、檸檬酸鈉-HCl緩沖溶液、NaH2PO4-硼砂緩沖溶液，各溶液均按濃度為0.1 mol/L于PXS -1離子活度計下配制所需pH值溶液。所用試劑均為分析純，實驗用水為蒸餾水。

1.2 實驗方法

于25 mL比色管中，依次準(zhǔn)確加入2.5 mL 400 μg/mL四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)溶液，14 mL檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液(pH=5.5)，用水稀釋至25 mL。取適量倒入10 mL小燒杯中，然后于起始電位-0.9 V，掃描速率0.6 V/s，靜止時間5 s，掃描次數(shù)3次，量程0～6.0×104nA，在常溫下記錄峰電流的二階導(dǎo)數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 極譜行為

按實驗方法測定四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)溶液，結(jié)果在-1.21 V、-1.4 V(vs.SCE)左右出現(xiàn)兩個尖銳的極譜波，其二階導(dǎo)數(shù)極譜圖如圖1中曲線c所示。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，后者的靈敏度及相關(guān)性更佳，故選擇該極譜峰進(jìn)行后續(xù)的實驗。

2.2 實驗條件的選擇

2.2.1底液條件的選擇本研究首先考察了四環(huán)素在PBS中的極譜行為，發(fā)現(xiàn)有圖1的極譜峰出現(xiàn)，進(jìn)而考察了緩沖溶液酸度對峰電流的影響，結(jié)果見圖2。由圖2知，pH=5.5是最佳的酸度條件。進(jìn)一步研究了最佳酸度下的PBS、HAc-NaAc緩沖溶液、酒石酸-酒石酸鈉緩沖溶液、檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、檸檬酸鈉-HCl緩沖溶液、NaH2PO4-硼砂緩沖溶液中四環(huán)素的極譜行為。結(jié)果表明：在檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中極譜波峰電流最大最穩(wěn)定。按照實驗方法，分別配制40 μg/mL(高)、4.0 μg/mL(低)濃度的兩個四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)系列對檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液的用量進(jìn)行了考察，結(jié)果表明最佳用量為14 mL。

2.2.2儀器及溫度條件的選擇在最佳底液的條件下分別配制40 μg/mL(高)、4.0 μg/mL(低)濃度的兩個四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)系列，分別考察了掃描速率、起始電位、靜止時間、檢測溫度等對峰電流的影響。在汞柱高度45 cm，從0.1～0.7 V/s改變掃描速率，從-0.9～-1.1 V改變起始電位，從0～10 s改變滴汞靜止時間，從0～40 ℃改變測試溫度，選擇出本研究最佳的儀器及溫度條件為：掃描速率：0.6 V/s，起始電位：-0.9 V，靜止時間：7 s，溫度：15～25 ℃。

2.3 共存物質(zhì)的影響

表1 共存物質(zhì)的干擾

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

配制一系列濃度的四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別測定其峰電流并對四環(huán)素的濃度作圖，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明：峰電流的Ip″與四環(huán)素的濃度分別在0.1～30、30～90 μg/mL范圍內(nèi)具有很好的線性關(guān)系，其線性回歸方程分別為：Ip″(×103nA)=-0.4507+0.9926c(μg/mL)(R2=0.9968);Ip″(×103nA)=12.314+0.3739c(μg/mL)(R2=0.9984)。按照實驗方法配制濃度為0.1 μg/mL的四環(huán)素溶液，并對溶液進(jìn)行10次連續(xù)測定，得出該方法的檢出限為0.0024 μg/mL。

2.5 精密度與穩(wěn)定性實驗

配制四環(huán)素濃度分別為4.0、40 μg/mL的溶液，在最佳實驗條件下進(jìn)行6次重復(fù)實驗，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.27% 和0.13%。對兩個濃度(4.0、40 μg/mL)標(biāo)準(zhǔn)系列的穩(wěn)定性進(jìn)行考察發(fā)現(xiàn)，敞開情況下，低濃度和高濃度四環(huán)素在5 h內(nèi)都可以穩(wěn)定檢測；密閉情況下，低濃度四環(huán)素應(yīng)在48 h內(nèi)檢測，高濃度的四環(huán)素則應(yīng)該在24 h內(nèi)檢測。

2.6 樣品分析

分別取自來水、學(xué)校湖水、東風(fēng)渠水及某飼料廠污水分別編號為1、2、3、4，靜置12 h后取上層清液2.5 mL于25 mL比色管中，加入pH=5.5的檸檬酸-檸檬酸鈉溶液14 mL進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。由表2可知，回收率在97.8%～102.9%之間，說明該方法測定樣品中的四環(huán)素，有較好的準(zhǔn)確度。

表2 加標(biāo)回收實驗

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3 極譜機理分析

3.1 循環(huán)伏安分析

配制濃度為40 μg/mL的四環(huán)素溶液，在最佳實驗條件下選擇常規(guī)峰進(jìn)行循環(huán)伏安法測試，結(jié)果如圖3所示。正向掃描時有還原峰出現(xiàn)，正好與單向掃描極譜法出現(xiàn)還原峰的位置一致，而反向掃描時對應(yīng)的電位上并無氧化峰，說明該極譜波為不可逆吸附波。

3.2 極譜檢測機理

實驗配制三種溶液：A：檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液(pH=5.5)；B：40 μg/mL的四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)溶液；C：檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液(pH=5.5)+40 μg/mL的四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)溶液，并按照實驗方法進(jìn)行測定，結(jié)果見圖1。由圖1可知，A、B溶液(曲線a、b)在掃描范圍內(nèi)無峰，當(dāng)上述兩種溶液混合后，即C溶液(曲線c)，在-1.2 V和-1.4 V處有兩個還原峰，且隨著四環(huán)素濃度的增加，峰電流逐漸增大，表現(xiàn)出與四環(huán)素濃度的顯著相關(guān)性，從而可用于四環(huán)素濃度的檢測。

3.3 電化學(xué)行為研究

配制40 μg/mL的四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)溶液，在最佳儀器條件下，于0.4～1.0 V/s的范圍內(nèi)改變掃描速率，考察峰電流及峰電位隨掃描速率的變化關(guān)系。在此掃速范圍內(nèi)，峰電流與掃描速率呈正比，說明該電極反應(yīng)受吸附控制，線性回歸方程為：Ip″(×104nA)=-1.3112v(V/s)+1.1017(n=13，R2=0.9842)。Ep隨v的增大而負(fù)移，且Ep與lnv呈負(fù)的線性關(guān)系，其線性回歸方程為：

Ep(V)=-0.0213lnv-1.4444 (n=10，R2=0.9906)

(1)

當(dāng)體系為受吸附控制的不可逆體系時，符合下列的Laviron’s公式[20]:

(2)

式中，E0(V)為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，ks為表面反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)速率常數(shù)，α是電子轉(zhuǎn)移系數(shù)。

由式(1)可知，Ep和lnv有線性關(guān)系,進(jìn)一步說明四環(huán)素在pH=5.5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液存在下在滴汞電極上發(fā)生了由吸附控制的不可逆電極反應(yīng)。

由公式(2)求得αn=1.205，ks=0.074s-1，E0′=-1.401 V；因為0<α<0.5，所以得n=4、α=0.3，故電極過程中有4個電子參加反應(yīng)。在pH=4～6.5范圍內(nèi)，峰電位Ep隨著pH的增加逐漸負(fù)移，說明在此酸度范圍，電極過程中有質(zhì)子參加反應(yīng)。故反應(yīng)機理推斷如下[21]：

四環(huán)素本身是一種多堿有機酸，它的分子結(jié)構(gòu)中存在四個可解離的氫原子，分別位于C4上的二甲胺基和C3、C10、C12上的羥基，其pK分別為3.3、7.5、9.7、10.04。在強酸性介質(zhì)中，四環(huán)素首先被質(zhì)子化[22]，其過程為:

質(zhì)子化的四環(huán)素(Ⅱ)態(tài)可以吸附在滴汞電極表面，同時C1和C11的酮基被還原。

4 結(jié)論

通過實驗研究，本文建立了一種簡易的檢測水環(huán)境中四環(huán)素的極譜方法，線性回歸方程分析表明，在檢測質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)R2=0.998，線性關(guān)系較好，線性范圍寬，檢出限低。并進(jìn)行了四環(huán)素的電化學(xué)行為研究，證明其極譜波為不可逆還原吸附波。該方法的加標(biāo)回收率在97.78%～102.9%之間，表明分析方法可靠，可用于環(huán)境水樣中四環(huán)素的檢測。