電化學(xué)-分光光度法聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)水樣中Cu(Ⅱ)

陸 妍， 韓海濤， 王晨晨， 潘大為*

(1.中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)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)

銅作為一種人體必需微量元素，廣泛參與生命活動(dòng)，例如維持碳水化合物和脂質(zhì)代謝，作為酶輔因子參與紅細(xì)胞形成和血管活動(dòng)等[1]。然而，高濃度的銅對(duì)生物機(jī)體組織也具有毒副作用[2]。自然水環(huán)境中過度的Cu(Ⅱ)也可能損害水生生物的肝臟,腎臟和神經(jīng)系統(tǒng)[3]。人體攝取的銅主要是從水、食物及環(huán)境中獲得，它可以通過食物鏈累積和傳播[4]。因此，發(fā)展一種簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確測(cè)定水樣中Cu(Ⅱ)的分析方法對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

到目前為止，檢測(cè)Cu(Ⅱ)的方法包括原子吸收光譜法(AAS)[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)[7]、紫外-可見分光光度法(UV-Vis)[8]、高效液相色譜法(HPLC)[9]和電化學(xué)方法[10 - 13]。在這些方法中，紫外-可見分光光度法不僅靈敏可靠，同時(shí)也因?yàn)槊黠@的顏色變化使得檢測(cè)更加簡(jiǎn)單直接?，F(xiàn)有的水質(zhì)測(cè)定Cu(Ⅱ)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法是二乙基二硫代氨基甲酸鈉分光光度法(HJ 485-2009)[14]，然而，必要的預(yù)處理過程，特別是渾濁或有色水體，需要使用大量的化學(xué)試劑和繁瑣的處理步驟，可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的二次污染且操作費(fèi)時(shí)，并可導(dǎo)致各種誤差[15]。

電化學(xué)方法由于其固有的小型化、便攜化、靈敏度高、分離性好以及簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，將其作為預(yù)處理方法具有一定優(yōu)勢(shì)[16]。電極沉積過程增強(qiáng)了分析信號(hào)，減小了基質(zhì)的干擾[17]。電化學(xué)作為前處理富集方法已被用來進(jìn)行冷原子吸收光譜法[8]、陽極溶出伏安法[19]和ICP-MS法[20]等的分析。本文提出將電化學(xué)方法和分光光度法聯(lián)用，檢測(cè)渾濁或有色水樣中的Cu(Ⅱ)。其中電化學(xué)方法作為樣品預(yù)處理步驟，分光光度法作為Cu(Ⅱ)的定量分析方法。旨在改進(jìn)和優(yōu)化國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。檢測(cè)結(jié)果表明建立的方法具有很好的特性，包括高效性，較好選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

所有電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在 CHI660D 型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)上進(jìn)行，三電極體系：玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，Pt片為輔助電極；紫外檢測(cè)在DU800型紫外-可見分光光度計(jì)(美國(guó)，Beckman Coulter)上進(jìn)行；ELAN DRCⅡ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)，Perkin-Elmer Ltd.)。

所有試劑均購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，且均為分析純?cè)噭褂们盁o需進(jìn)一步純化處理；所有溶液均用去離子水(18.2 MΩ·cm)配制。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫(25 ℃)下進(jìn)行。

1.2 實(shí)際水樣處理

海水水樣采自黃海的沿岸區(qū)域(山東省)，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后置于酸洗凈的聚乙烯瓶中。河水水樣取自煙臺(tái)流入黃海的河流大沽夾河。電鍍廢水水樣取自煙臺(tái)本地污水處理廠。電沉積所用乙酸鹽緩沖溶液均由相應(yīng)的水樣配制而成。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

圖1為此聯(lián)用方法的原理圖。步驟A是電沉積步驟，將三電極體系置于10 mL 0.1 mol/L乙酸鹽緩沖溶液(pH=5.0)中，于-0.6 V下攪拌沉積600 s；步驟B是介質(zhì)轉(zhuǎn)移和電極清洗步驟，將沉積后的三電極體系轉(zhuǎn)移至10 mL 0.1 mol/L NaCl溶液中，于0.6 V下攪拌清洗電極400 s；步驟C是Cu(Ⅱ)的二乙基二硫代氨基甲酸鈉光度法測(cè)定。主要步驟如下：將清洗完電極的溶液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，加入5 mL EDTA-檸檬酸銨溶液，25 mL NH4Cl-NH4OH緩沖溶液(pH=9.0)和2.5 mL 2 mg/mL二乙基二硫代氨基甲酸鈉溶液，靜置顯色10 min后，加入5 mL四氯化碳，劇烈振蕩2 min后，以萃取有色絡(luò)合物用于吸光度測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

圖2 渾濁有色介質(zhì)(上)和干凈轉(zhuǎn)移介質(zhì)(下)中紫外-可見(UV-Vis)分光光度法的信號(hào)對(duì)比Fig.2 A comparison of signals of UV-Vis spectrophotometry in the turbid,colored water(above) and the clean transferred medium(bottom)

2.1 不同水介質(zhì)中紫外-可見吸收信號(hào)的比較

不同的水介質(zhì)中紫外-可見分光光度法測(cè)定的信號(hào)比較如圖2。添加相應(yīng)的指示劑后，沒有電化學(xué)預(yù)處理的渾濁有色介質(zhì)中的信號(hào)雜亂無章且沒有明顯的可定量的峰，而轉(zhuǎn)移介質(zhì)后的干凈介質(zhì)中的信號(hào)峰峰形光滑突出并且很容易進(jìn)行定量。表明這種聯(lián)用方法可以有效避免水樣濁度或顏色的干擾。

2.2 沉積電位的影響

探索了由電極上沉積的Cu(Ⅱ)溶出而產(chǎn)生的電流信號(hào)與沉積電位之間的關(guān)系。如圖3所示，沉積電位從-0.8 V變化至-0.6 V時(shí)溶出峰電流隨之增大，并在-0.6 V時(shí)達(dá)到最大值，之后峰電流隨著電位的變化而減小。當(dāng)電位大于0.2 V時(shí)，峰電流減至平臺(tái)期，這可能是由于這些電位都不夠負(fù)而無法導(dǎo)致Cu(Ⅱ)在電極上的還原。因此，之后的實(shí)驗(yàn)中，沉積電位采用-0.6 V。

2.3 沉積液pH的影響

考慮到沉積液的pH會(huì)大大影響沉積過程的效率和穩(wěn)定性，并且Cu(Ⅱ)在中性或堿性溶液中易于發(fā)生水解，因此探索了pH在3.0～ 6.0之間沉積所用乙酸鹽緩沖溶液的最適宜pH。如圖4所示，當(dāng)pH為5.0時(shí)溶出峰電流最大；當(dāng)pH低于5.0時(shí)峰電流有所降低，可能是由于電極表面上H+和Cu(Ⅱ)之間的競(jìng)爭(zhēng)還原造成；當(dāng)pH大于5.0時(shí)，峰電流也有所降低，可能是由于pH升高，導(dǎo)致Cu(Ⅱ)水解。因此，接下來的實(shí)驗(yàn)中沉積液的pH選為5.0。

圖3 沉積電位的影響Fig.3 Effect of deposition potentialConditions:0.1 mol/L acetate buffer(pH=5.0) containing 0.5 μg/mL Cu(Ⅱ),with deposition time of 600 s.

圖4 pH的影響Fig.4 Effect of the pH valuesConditions:0.1 mol/L acetate buffer containing 0.5 μg/mL Cu(Ⅱ),with deposition time of 600 s and deposition potential of -0.6 V.

2.4 沉積時(shí)間的影響

圖5 沉積時(shí)間的影響Fig.5 Effect of deposition timeConditions:0.1 mol/L acetate buffer(pH=5.0) containing 0.5 μg/mL Cu(Ⅱ).Other conditions are the same as in Fig.4.

電極上沉積的Cu(Ⅱ)的量與沉積時(shí)間相關(guān)，因此在沉積時(shí)間50～900 s之間探索了沉積時(shí)間的影響。如圖5所示，600 s之前，峰電流隨著沉積時(shí)間約呈線性增長(zhǎng)，這說明在到達(dá)沉積飽和之前，沉積時(shí)間越長(zhǎng)，沉積Cu(Ⅱ)越多，峰電流越大。在一定的沉積時(shí)間后，峰電流趨向平穩(wěn)，這表明此時(shí)電極表面Cu(Ⅱ)富集趨向飽和?？紤]到分析時(shí)間和能量消耗等因素，選取600 s為最佳沉積時(shí)間。

2.5 清洗時(shí)間的影響

為了保證沉積在電極表面的Cu(Ⅱ)完全被氧化進(jìn)入用于光度法定量檢測(cè)的干凈空白介質(zhì)中，探索了電極清洗時(shí)間的影響。沉積上Cu(Ⅱ)的電極被轉(zhuǎn)移至10 mL 0.1 mol/L NaCl溶液中，于0.6 V電位下分別清洗0、100、200、300、400 s后差示脈沖伏安法(DPV)掃描。如圖6所示，清洗后的電極的峰電流隨著時(shí)間的增加而減小，清洗400 s后幾乎降為0，表明400 s 足夠完全清洗下沉積在電極表面的Cu(Ⅱ)。因此，清洗時(shí)間定為400 s。

2.6 顯色時(shí)間的影響

為了保證Cu(Ⅱ)和顯色劑二乙基二硫代氨基甲酸鈉能夠絡(luò)合顯色完全，因此對(duì)顯色時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。如圖7所示，當(dāng)顯色時(shí)間小于10 min時(shí)，隨著時(shí)間的增加，吸光度增大，當(dāng)時(shí)間大于10 min以后，隨著時(shí)間的增加，吸光度只略微有所增大，總體趨于平穩(wěn)。因此考慮到分析時(shí)間和能量消耗等因素，選取10 min為最佳顯色時(shí)間。

圖6 清洗時(shí)間的影響Fig.6 Effect of cleansing time0.1 mol/L NaCl,with cleaning potential of 0.6 V.

圖7 顯色時(shí)間的影響Fig.7 Effect of coloration time

圖8 Cu(Ⅱ)濃度與吸光度的校準(zhǔn)曲線Fig.8 Calibration curve of Cu(Ⅱ) concentration and the absorbance

2.7 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢測(cè)限、重現(xiàn)性和選擇性

在優(yōu)化條件下建立了檢測(cè)Cu(Ⅱ)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。電極在乙酸鹽緩沖溶液(pH=5.0)中以-0.6 V沉積600 s后，轉(zhuǎn)移至0.1 mol/L NaCl 溶液中，0.6 V電位下清洗400 s后顯色10 min，Cu(Ⅱ) 和吸光度之間的線性關(guān)系如圖8所示。線性回歸方程為：A=0.0039c-0.0119，相關(guān)系數(shù)R2=0.98,線性范圍為10～100 μg/mL，檢測(cè)限為1.6 μg/mL。此方法的高檢測(cè)限可能是由于電極的低富集效率?？疾炝朔椒ǖ闹噩F(xiàn)性。在同樣的條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.1%。此外，由于電極和光信號(hào)的穩(wěn)定性，說明此方法具有良好且可靠的穩(wěn)定性。因此，本文所建立方法表現(xiàn)出了良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

考察了共存離子干擾，結(jié)果表明在5 mL掩蔽劑EDTA-檸檬酸銨溶液存在下，當(dāng)測(cè)定2 μg/mL Cu(Ⅱ)，相對(duì)誤差小于5%時(shí)，下列離子的允許倍數(shù)為：Mn2+(200)、Fe3+(125)、Fe2+(75)、Ni2+(50)、Co2+(150)，而Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Al3+等與二乙基二硫代氨基甲酸鈉生成無色配合物，不干擾Cu(Ⅱ)的測(cè)定，并且不同有色化合物的最大吸收波長(zhǎng)是不同的，Cu(Ⅱ)和二乙基二硫代氨基甲酸鈉反應(yīng)所產(chǎn)生的配合物的最大吸收波長(zhǎng)在433 nm。所以，針對(duì)Cu(Ⅱ)的檢測(cè)，此聯(lián)用方法具有良好的選擇性。

2.8 實(shí)際水樣檢測(cè)

對(duì)取自不同地點(diǎn)的河水、海水和電鍍廢水中的Cu(Ⅱ)進(jìn)行了檢測(cè)。電沉積所用的乙酸鹽緩沖溶液由相應(yīng)的水樣配制而成。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。此外，檢測(cè)結(jié)果也與ICP-MS法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，具有良好的一致性。說明該聯(lián)用方法是可靠的，且適用于不同水樣中Cu(Ⅱ)的檢測(cè)。

表1 不同水樣中Cu(Ⅱ)檢測(cè)結(jié)果比較

3 結(jié)論

本文提出了一種檢測(cè)水樣中Cu(Ⅱ)的電化學(xué)-分光光度法聯(lián)用技術(shù)，此方法具有良好的選擇性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了在渾濁、污染的水樣中對(duì)Cu(Ⅱ)的檢測(cè)。此聯(lián)用體系具有多種優(yōu)勢(shì)，如簡(jiǎn)易方便、高效、良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和選擇性。電極的低富集效率導(dǎo)致了此方法的檢測(cè)限偏高，此問題會(huì)在未來的研究中著重改善及解決。