聚合物膜鈣離子選擇性電極檢測(cè)游離鈣和總鈣濃度

劉淑文，尹坦姬，秦 偉

(1.中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái) 264003；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

聚合物膜鈣離子選擇性電極檢測(cè)游離鈣和總鈣濃度

劉淑文1,2，尹坦姬1*，秦 偉1

(1.中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái) 264003；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

利用聚合物膜鈣離子選擇性電極，通過(guò)使用不同的內(nèi)充液，分別實(shí)現(xiàn)了游離鈣和在絡(luò)合劑EDTA和腐殖酸存在下總鈣濃度的檢測(cè)。結(jié)果表明，采用0.1 mol·L-1NaCl+1×10-3mol·L-1CaCl2作為內(nèi)充液的電極，可以實(shí)現(xiàn)低至1×10-6mol·L-1游離鈣活度的檢測(cè)；而采用1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA (pH=9.0)作為內(nèi)充液的電極，在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內(nèi)有超能斯特現(xiàn)象發(fā)生，電位差值為180 mV，且在該范圍內(nèi)電位響應(yīng)與總鈣濃度呈線性相關(guān)，與游離鈣活度無(wú)關(guān)。該研究為進(jìn)一步開(kāi)展形態(tài)分析提供了一種簡(jiǎn)單、有效的技術(shù)手段。

聚合物膜；鈣離子選擇性電極；超能斯特響應(yīng)；形態(tài)分析

形態(tài)分析是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)、生物化學(xué)和生命科學(xué)研究領(lǐng)域中頗為活躍的前沿性課題。形態(tài)分析對(duì)于了解環(huán)境元素的毒性以及環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要作用[1-2]。痕量重金屬的環(huán)境效應(yīng)和微量元素的生物活性在很大程度上由其形態(tài)決定，不同的形態(tài)其環(huán)境效應(yīng)和生物可利用性不同[3]。因此，只有借助于形態(tài)分析，才能確切了解化學(xué)污染物對(duì)環(huán)境生態(tài)、環(huán)境質(zhì)量、人體健康等的影響[4-5]；認(rèn)識(shí)元素在無(wú)生命和有生命系統(tǒng)中的循環(huán)以及它們的生理功能，闡明地方性疾病的來(lái)源[6-7]，從而進(jìn)行有效的防治。

形態(tài)分析需要靈敏度高、檢出限低以及選擇性好的分析方法，而且要求在取樣和分析過(guò)程中盡可能保持樣品中原來(lái)存在元素的形態(tài)平衡。目前用于形態(tài)分析的主要方法是基于色譜(如氣相色譜GC、高效液相色譜HPLC、超臨界流體色譜SFC)、毛細(xì)管電泳(CE)等分離技術(shù)與光譜(原子吸收光譜AAS、原子熒光光譜AFS、電感耦合等離子體光譜ICP-AES)、質(zhì)譜(電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS)等分析技術(shù)的聯(lián)用[8-9]。但是這些聯(lián)用技術(shù)的靈敏度和選擇性很容易受樣品前處理、待測(cè)元素的物態(tài)以及干擾離子等影響[8]，并且設(shè)備昂貴，成本較高，需要專業(yè)的操作人員。

離子選擇性電極是電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要分支，其檢測(cè)原理是基于敏感膜的電位響應(yīng)與分析物離子活度關(guān)系符合Nernst方程。離子選擇性電極已廣泛應(yīng)用于游離態(tài)離子檢測(cè)[10]。然而，近年的研究表明，離子選擇性電極的超能斯特(super-Nernst)電位響應(yīng)與游離(未絡(luò)合)離子的活度無(wú)關(guān)，而與離子總濃度有關(guān)[11]。

鑒于此，作者以鈣為例，制備聚合物膜鈣離子選擇性電極，通過(guò)使用不同的內(nèi)充液，分別實(shí)現(xiàn)游離鈣和在絡(luò)合劑EDTA及腐殖酸存在下總鈣濃度的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

腐殖酸，上海阿拉丁股份有限公司。

聚氯乙烯(PVC)、癸二酸二異辛酯(DOS)、四(3，5-二(三氟甲基)苯基)硼酸鈉(Borate)、N,N-二環(huán)己基-N′，N′-雙十八烷基-3-氧雜戊二酰胺(ETH 5234)，Sigma-Aldrich公司；四氫呋喃(THF)、氯化鈉、無(wú)水氯化鈣、氫氧化鈉、鹽酸、乙二胺四乙酸二鈉(Na2EDTA)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

PXSJ-216型離子計(jì)、PHSJ-3F型雷磁pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；CASCADE-BIO型超純水系統(tǒng)，美國(guó)頗爾公司；XS105DU型精密電子天平，梅特勒-托利多公司。

1.2 電極的制備

聚合物敏感膜由鈣離子選擇性載體(ETH 5234)、親酯性的陽(yáng)離子交換劑(Borate)、增塑劑(DOS)和膜基體(PVC)組成。取2.71 mg(13 mmol·kg-1)ETH 5234、1.13 mg(4.6 mmol·kg-1)Borate、169.73 mg DOS、82.43 mg PVC，加3 mL THF，攪拌2 h至溶液均勻無(wú)沉淀后，倒入玻璃環(huán)中，靜置過(guò)夜使THF揮發(fā)完全，得到透明彈性膜，厚度約為200 μm。用打孔器將此膜切割成直徑6.0 mm的小圓片，并用THF粘在PVC管的末端，即得鈣離子選擇性電極。

實(shí)驗(yàn)中用于測(cè)定游離鈣的鈣離子選擇性電極[Ca2+-ISE(Ⅰ)]和總鈣濃度的鈣離子選擇性電極[Ca2+-ISE(Ⅱ)]的內(nèi)充液組成見(jiàn)表1。

表1 鈣離子選擇性電極的內(nèi)充液

Tab.1 Inner filling solutions of Ca2+-ISEs

Ca2+-ISE(Ⅰ)和Ca2+-ISEs(Ⅱ)使用前均在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合溶液中活化12 h，然后在1×10-9mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合溶液中活化48 h。

以制備的鈣離子選擇性電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，采用離子計(jì)記錄電極電位響應(yīng)。其中測(cè)試電池的結(jié)構(gòu)為：Ag，AgCl(3 mol·L-1KCl)|內(nèi)充液|PVC膜|待測(cè)液||NaCl(0.1 mol·L-1)|Ag，AgCl。

無(wú)緩沖CaCl2溶液是以2×10-4mol·L-1NaCl溶液為背景溶液配制的；CaCl2緩沖溶液的配制方法如下：利用1×10-3mol·L-1Na2EDTA和2×10-4mol·L-1NaCl溶液配制濃度(mol·L-1)為1×10-4、1×10-5、5×10-6、3×10-6、2×10-6、1×10-6CaCl2緩沖溶液，采用鹽酸溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)緩沖溶液的pH值分別為5.60、5.02、4.85、4.73、4.62、4.38，所配制溶液的Ca2+活度均為5×10-7mol·L-1。

實(shí)驗(yàn)中利用Debye-Hückel方程和Henderson公式對(duì)檢測(cè)過(guò)程中的離子活度及液接電位進(jìn)行校正。

2 結(jié)果與討論

2.1 電位檢測(cè)原理

根據(jù)Nernst方程，零電流條件下，Ca2+-ISE(Ⅰ)可以實(shí)現(xiàn)游離鈣的檢測(cè)；而改變內(nèi)充液的組成制備的Ca2+-ISE(Ⅱ)，其敏感膜在靠近內(nèi)充液一側(cè)的鈣離子濃度很低，在零電流條件下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從樣品溶液相到敏感膜相的強(qiáng)離子通量，并伴隨超能斯特現(xiàn)象的發(fā)生。而當(dāng)樣品溶液中含有鈣離子絡(luò)合物時(shí)，有效鈣離子通量會(huì)明顯增加。此時(shí)，聚合物膜鈣離子選擇性電極的電位響應(yīng)與Ca2+的總濃度有關(guān)，與Ca2+活度無(wú)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總鈣濃度的測(cè)定[11]。

2.2 檢測(cè)條件的優(yōu)化

2.2.1 內(nèi)充液的影響

離子選擇性電極內(nèi)充液中主離子濃度的變化影響著電極電位響應(yīng)性能?？疾炝藘煞N內(nèi)充液對(duì)Ca2+-ISE(Ⅱ)電極電位響應(yīng)性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 內(nèi)充液對(duì)Ca2+-ISE(Ⅱ)電位響應(yīng)的影響Fig.1 Effect of the inner filling solution on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ)

由圖1可以看出，當(dāng)內(nèi)充液為1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)時(shí)，在相同檢測(cè)條件下，所制備的3根電極的電位響應(yīng)表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性，且在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的超能斯特響應(yīng)(圖1a)；而當(dāng)內(nèi)充液為1×10-6mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)時(shí)，在相同檢測(cè)條件下，3根電極的電位響應(yīng)重現(xiàn)性差(圖1b)。原因可能是隨著電位的測(cè)定，膜相中Ca2+會(huì)與離子選擇性敏感膜內(nèi)側(cè)的Na+發(fā)生交換作用，使得電極的重現(xiàn)性變差。因此，選擇1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)為Ca2+-ISE(Ⅱ)的內(nèi)充液，進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 活化條件的影響(圖2)

由圖2可以看出，當(dāng)Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化12 h，再在1×10-5mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化48 h時(shí)，電極在1×10-6～1×10-3mol·L-1Ca2+濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)常規(guī)能斯特響應(yīng)(圖2曲線a)；而當(dāng)Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化12 h，然后轉(zhuǎn)移至1×10-9mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化48 h后，電極在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的超能斯特現(xiàn)象(圖2曲線b)。原因是采用低濃度Ca2+活化電極后，測(cè)定其電位響應(yīng)時(shí)，會(huì)有強(qiáng)離子流從樣品溶液相進(jìn)入離子選擇性敏感膜相，從而出現(xiàn)超能斯特電位響應(yīng)。超能斯特現(xiàn)象的出現(xiàn)，將有利于進(jìn)行總鈣濃度的分析[12]。因此，采用后者活化條件對(duì)Ca2+-ISE(Ⅱ)進(jìn)行活化。

圖2 活化條件對(duì)Ca2+-ISE(Ⅱ)電位響應(yīng)的影響Fig.2 Effect of the conditioning solution on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ)

2.3 電極電位響應(yīng)曲線

Ca2+-ISE(Ⅰ)在無(wú)緩沖CaCl2溶液和CaCl2緩沖溶液中的電位響應(yīng)如圖3所示，Ca2+-ISE(Ⅱ)在CaCl2緩沖溶液中的電位響應(yīng)如圖4所示。

圖3 Ca2+-ISE(Ⅰ)在無(wú)緩沖CaCl2溶液(a)和CaCl2緩沖溶液(b)中的電位響應(yīng)Fig.3 Potential responses of Ca2+-ISE(Ⅰ) in the unbuffered(a) and buffered calcium chloride solution(b)

圖4 Ca2+-ISE(Ⅱ)在CaCl2緩沖溶液中的電位響應(yīng)Fig.4 Potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ) in the buffered calcium chloride solution

由圖3可知，在活化條件下，Ca2+-ISE(Ⅰ)在1×10-3～1×10-6mol·L-1Ca2+濃度范圍內(nèi)呈能斯特響應(yīng)(圖3a)，而在相同的Ca2+活度、不同的總鈣濃度條件下，其電位響應(yīng)值近似相等(圖3b)。表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)的電位響應(yīng)只與待測(cè)溶液中游離的Ca2+活度有關(guān)。

圖2曲線b中，Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯的超能斯特現(xiàn)象。從圖4可知，該電極電位響應(yīng)在超能斯特范圍內(nèi)與Ca2+活度無(wú)關(guān)(圖4a)，與總鈣濃度呈近似線性相關(guān)(圖4b)。這一結(jié)果表明，在超能斯特范圍內(nèi)，膜外側(cè)Ca2+的活度由溶液中游離的Ca2+以及絡(luò)合解離出的Ca2+的總和決定，即與Ca2+總濃度有關(guān)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Ca2+-ISE(Ⅱ)用于總鈣濃度測(cè)定的可用性，在1×10-5mol·L-1CaCl2緩沖溶液中加入腐殖酸，并調(diào)節(jié)溶液pH=9.0[13-15]，觀察電極在腐殖酸存在條件下電位的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著腐殖酸的加入，Ca2+-ISE(Ⅰ)電位呈逐漸下降趨勢(shì)，而Ca2+-ISE(Ⅱ)保持1×10-5mol·L-1CaCl2電位響應(yīng)。這一結(jié)果進(jìn)一步表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)可用于游離鈣活度的檢測(cè)，而Ca2+-ISE(Ⅱ)可用于EDTA和腐殖酸介質(zhì)中總鈣濃度的測(cè)定。

3 結(jié)論

通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)充液制備了兩種聚合物膜鈣離子選擇性電極Ca2+-ISE(Ⅰ)和Ca2+-ISE(Ⅱ)，分別實(shí)現(xiàn)了游離鈣和在絡(luò)合劑EDTA和腐殖酸存在下總鈣濃度的檢測(cè)。結(jié)果表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)可以實(shí)現(xiàn)低至1×10-6mol·L-1游離鈣活度的檢測(cè)；Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+濃度范圍內(nèi)呈超能斯特響應(yīng)，電位響應(yīng)與總鈣濃度呈線性相關(guān)，與游離鈣活度無(wú)關(guān)。該研究為進(jìn)一步開(kāi)展形態(tài)分析提供了一種簡(jiǎn)單、有效的技術(shù)手段。

1.加入1×10-7 mol·L-1CaCl2 2.加入1×10-6 mol·L-1CaCl2 3.加入1×10-5 mol·L-1CaCl2 4.加入100 μL 500 mg·L-1腐殖酸 5.加入200 μL 500 mg·L-1腐殖酸 6.加入300 μL 500 mg·L-1腐殖酸圖5 腐殖酸添加量對(duì)Ca2+-ISE(Ⅰ)(a)和Ca2+-ISE(Ⅱ)(b)電位響應(yīng)的影響Fig.5 Effect of humid acid dosage on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅰ)(a) and Ca2+-ISE(Ⅱ)(b)

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Detection of Free and Total Calcium Concentration by Polymeric Membrane Calcium-Selective Electrodes

LIU Shu-wen1,2,YIN Tan-ji1*,QIN Wei1

(1.KeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcessesandEcologicalRemediation,ShandongProvincialKeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcesses,YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences，Yantai264003,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Twokindsofcalcium-selectivepolymericmembraneelectrodes(Ca2+-ISEs)withdifferentinnerfillingsolutionsforthedetectionoffreeandtotalCa2+concentrationsinthepresenceofEDTAandhumicacidaredescribed.Theresultsindicatethat,thefreeCa2+activity,aslowas1×10-6mol·L-1,couldbedetectedbyCa2+-ISE(Ⅰ)withtheinnerfillingsolutionof0.1mol·L-1NaCland1×10-3mol·L-1CaCl2,whileCa2+-ISE(Ⅱ)withtheinnerfillingsolutionof1×10-3mol·L-1CaCl2and5×10-2mol·L-1Na2EDTAadjustedtopH=9.0,exhibitsanapparentlysuper-Nernstianresponse(ΔE=180mV)intheconcentrationrangeof1×10-6to1×10-5mol·L-1Ca2+.Inthesuper-Nernstianpotentialresponserange,thepotentialislinearlyrelatedtothetotalCa2+concentration,butnottofreeCa2+activity.Thisstudyprovidesasimpleandeffectivemethodforspeciationanalysis.

polymericmembrane;calcium-selectiveelectrode;super-Nernstianresponse;speciationanalysis

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)(XDA11020702)，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21677172)

O 657.13

A

1672-5425(2017)01-0066-05

劉淑文，尹坦姬，秦偉.聚合物膜鈣離子選擇性電極檢測(cè)游離鈣和總鈣濃度[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(1)：66-70.