缺陷型Def-Mn3O4電化學檢測水中Pb(Ⅱ)的研究

朱俊健，孫宇峰

(安徽工程大學 機械工程學院，安徽 蕪湖 241000)

我國長期以來粗獷的經(jīng)濟發(fā)展模式使大氣、水土受到不同程度的污染，尤其是水土中含有的重金屬離子(HMIs)對生態(tài)系統(tǒng)中的各類環(huán)境要素造成嚴重的危害。重金屬離子被大量排放到自然環(huán)境中，一方面破壞了生態(tài)系統(tǒng)，另一方面也給人類健康帶來極大的隱患。鉛離子作為一種典型的重金屬離子，具有低量高毒性，對人體危害極大。長期攝入過量的鉛會導致兒童體內(nèi)鉛含量超標，嚴重影響兒童的智力發(fā)育和身體發(fā)育，此外，鉛也能破壞人的神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)，甚至誘發(fā)癌癥[1-2]。因此，快速準確地檢測出水中痕量重金屬離子，對于有效地治理鉛污染以及其他重金屬離子的污染來說至關重要。

檢測低濃度痕量金屬的常規(guī)方法一般包括原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體/原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、微探針(MP)和X射線熒光光譜(XFS)等[3]。盡管這些方法已經(jīng)發(fā)展成熟，能夠有效地檢測出重金屬離子，但是實施這些方法所需的儀器設備過于笨重且操作不便，檢測耗時長，維護成本高，因此無法得到大規(guī)模的應用。電化學方法是近些年來飛速發(fā)展的檢測技術，易操作、檢測靈敏度高、檢測成本低、效率高是電化學方法的優(yōu)勢[4]。電化學分析方法一般包括電導分析、電位法、伏安法、極譜法、安培法和庫侖法，這些電化學技術通?；谝粋€由工作電極、對電極和參比電極組成的三電極系統(tǒng)[5]。伏安法由于其靈敏度高，檢測效率高，儀器價格便宜，易于集成芯片，被廣泛應用于重金屬檢測[6-7]。目前，研究人員已經(jīng)實現(xiàn)了對鉛、銅、鉻、鎘、汞、鋅等重金屬離子的有效檢測[8]，降低檢測過程中的干擾，保證檢測結果的可持續(xù)性是電化學技術發(fā)展的方向。

電極修飾材料是構造電化學傳感界面的關鍵所在。一般來說，電極修飾材料為納米材料，包括近年來廣受關注的碳基材料，如碳納米管(CNT)、石墨烯和氮化碳[9]等，均擁有超高的比表面積和優(yōu)異的導電性能。還有納米金屬氧化物，如各類過渡族元素的氧化物氧化鐵(FeOX)、氧化銅(CuOX)、氧化鋅(ZnOX)[10]等，具有諸如特殊的晶格結構、高比表面積、表面活性、獨特的界面效應等物化性能，以及擁有優(yōu)異催化特性的各類貴金屬金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)、鈀(Pd)[11]等。不同于碳基材料，金屬氧化物的優(yōu)異催化特性吸引了大量的關注[12]，并且可以通過雜元素摻雜[13]、制造缺陷[14]等處理方式改變其原有的物化性質(zhì)，獲得新的特性，且成本比貴金屬要低得多。氧化錳由于其儲量大、價格低，并且擁有優(yōu)異的催化活性和傳感特性而受到廣泛的關注，使得其在電化學檢測方面具備較大的潛力。因此，氧化錳被選為電極修飾材料，用來檢測重金屬離子。

研究中采用水熱法合成了Mn3O4，采用了煅燒處理，對比了煅燒前后檢測Pb(Ⅱ)的不同，并結合XPS、TEM的表征圖譜和吸附實驗結果分析了表面缺陷對檢測Pb(Ⅱ)的影響。最后，進行材料的穩(wěn)定性和重復性，抗干擾性能和真實水樣檢測的研究。

1 實驗部分

1.1 主要化學藥品

所有試劑均為分析純級別。乙酸錳四水合物(MnC4H6O4·4H2O)購自阿拉丁試劑公司，聚乙烯吡咯烷酮(PVP，KW=30)購自國藥控股化學試劑有限公司。0.1 M乙酸鹽緩沖溶液(HAc-NaAc)是用0.1 M NaAc和0.1 M HAc按一定配比混合而成，0.1 M磷酸鹽緩沖溶液(PBS)是用0.1 M KH2PO4和0.1 M Na2HPO4按一定配比混合而成，0.1 M NH3·H2O-NH4Cl溶液是用0.1 M NH4Cl和0.1 M NH3·H2O按一定配比混合而成。以上緩沖液均可通過不同比例調(diào)配成不同的pH，0.2 M HCl或0.2 M NaOH也用于調(diào)節(jié)以上緩沖液的pH值。

1.2 缺陷型Def-Mn3O4的制備

將0.6 g乙酸錳和0.3 g聚乙烯吡咯烷酮(KW=30)與30 mL超純水混合，攪拌15 min后獲得澄清液體。然后，將澄清溶液轉(zhuǎn)移到襯有特氟龍的不銹鋼高壓釜(容積為50 mL)中，150 ℃溫度條件下保持4 h。冷卻至室溫后，取上層懸液，通過離心收集樣品，用超純水和乙醇交替清洗數(shù)次后，放入冷凍干燥機中冷凍干燥。接著，將得到的樣品粉末放入管式爐中于氬氣條件下煅燒2 h，煅燒溫度為600 ℃，最后得到Def-Mn3O4。

1.3 修飾電極的組裝

先對玻碳電極(GCE)表面進行拋光，以獲得潔凈的表面。然后，取用適量的HNO3溶液(用超純水稀釋一倍)、乙醇和去離子水。將玻碳電極依次放入上述溶液進行超聲處理(30 s)，再用氮氣吹干玻碳電極表面?zhèn)溆?。接下來，? mg制備的樣品加入4 mL去離子水中，通過超聲處理分散均勻后備用。然后，用移液槍取7.0 μL的上述懸浮液，再滴加到GCE的表面。最后，待修飾液充分干燥后用于電化學檢測。

1.4 電化學測試

所有實驗步驟均在CHI660D計算機控制的恒電位儀(中國上海晨華儀器有限公司)下進行。通過SWASV檢測Pb(Ⅱ)的最優(yōu)檢測條件如下所述。在800 rpm的攪拌速度下，沉積電位設定為-1.3 V持續(xù)150 s，以將Pb(Ⅱ)還原為Pb(0)。然后，將SWASV測量的電位范圍定為從-0.8～-0.2 V，最后在每次測量后施加0.8 V的解吸附電位持續(xù)150 s，以去除殘留的Pb(0)。通過線性校準方程計算檢測靈敏度(S)，并從3 SD/S的計算公式中獲得檢測極限(LOD)(SD是測量的標準偏差)。

1.5 吸附實驗

將20 mg Def-Mn3O4添加到6 mL HAc-NaAc溶液中，同時添加1.0 mL Pb(Ⅱ)，1.0 mL Hg(Ⅱ)，1.0 mL Cu(Ⅱ)和1.0 mL Cd(Ⅱ)。另外，將20 mg Mn3O4納米復合材料和20 mg Def-Mn3O4分別移到9 mL HAc-NaAc溶液中，并各加入1 mL Pb(Ⅱ)。之后，將這些樣品的懸浮液在室溫下連續(xù)搖動24 h。最后經(jīng)離心收集吸附劑，洗滌后在真空冷凍干燥機中干燥10 h，以確?？梢允褂肵PS分析對其進行測試。以上所用重金屬離子液的濃度均為1 mM，HAc-NaAc溶液的pH值為5.0。

2 結果與討論

2.1 材料表征

材料的XRD圖譜如圖1所示。由圖1可以看出，能夠看出氧化錳產(chǎn)物顯示出強而尖銳的衍射峰，與鈣錳礦Mn3O4(JCPDS 24-0743)的圖譜相吻合。

圖1 Mn3O4的XRD圖譜

煅燒前和煅燒后的Mn3O4如圖2所示。從圖2中可以看出，材料為正八面體形貌，尺寸約在150～200 nm之間，且顆粒大小比較均勻，煅燒后的顆粒表現(xiàn)出良好的分散性。此外，通過觀察高分辨SEM圖(圖2b和圖2e)，未煅燒的Mn3O4顆粒之間有少量的粘結，而煅燒后的Mn3O4更加光滑。為了進一步說明煅燒處理對樣品的影響，通過高分辨率透射電鏡來觀察樣品表面的變化，如圖2c所示。Mn3O4顯示出規(guī)整的晶格形貌，其晶格間距經(jīng)計算為0.276 nm，對應于(103)晶面，而圖2f顯示出部分的晶格受到了破壞，圖中被圈住的部分為晶格被破壞而導致的表面缺陷，其晶格間距經(jīng)計算為0.308 nm，對應于(112)晶面。綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)煅燒處理會對材料表面產(chǎn)生一定的作用，但是僅僅通過觀察形貌變化無法更加具體地闡明這種變化。

圖2 Mn3O4和Def-Mn3O4的SEM圖像、精細SEM圖像、TEM圖像

X射線光電子能譜(XPS)一般被用來定量分析元素的組成以及材料的表界面結構。O1和Mn2p的高分辨XPS如圖3所示。由圖3a可知，對應于Mn3O4和Def-Mn3O4的O1s，Mn3O4中530.0 eV和531.6 eV處分別對應于Mn3O4中的晶格氧和表面氧，而Def-Mn3O4的峰向正向偏移了0.4 eV，在531.3 eV處出現(xiàn)了新的峰，該峰可能是由于煅燒后形成的缺陷氧。此外，對于圖3b中的Mn2p，Mn3O4和Def-Mn3O4的主峰和對應的衛(wèi)星峰之間的自旋軌道分裂值為11.5 eV，與報道的Mn3O4數(shù)據(jù)一致[15]。通過XPS光譜分析可知，煅燒處理改變了Mn3O4表面的元素組分，產(chǎn)生了新的缺陷氧，而這種變化帶來的影響會在后文詳細闡述。

圖3 O1和Mn2p的高分辨XPS

2.2 電化學表征

循環(huán)伏安法(CV)和電化學阻抗譜(EIS)能夠直觀地反映出Mn3O4和Def-Mn3O4的導電性能。裸GCE、Mn3O4修飾的GCE和Def-Mn3O4修飾的GCE的CV曲線、EIS曲線如圖4所示。由圖4a可知，除裸GCE外，Def-Mn3O4的陽極和陰極電流明顯高于Mn3O4改性的GCE，說明Def-Mn3O4改性的GCE具有比Mn3O4更好的導電性。盡管修飾電極的電子轉(zhuǎn)移能力比裸玻碳電極要低，但是較之未煅燒前的Mn3O4、Def-Mn3O4修飾電極的電子轉(zhuǎn)移能力得到了明顯的改善，這同樣能從EIS的結果看出來。由圖4b可知，Def-Mn3O4修飾電極的電阻低于Mn3O4電極，與CV數(shù)據(jù)一致。

圖4 裸GCE、Mn3O4修飾的GCE和Def-Mn3O4修飾的GCE的CV曲線、EIS曲線

2.3 檢測條件優(yōu)化

圖5 根據(jù)支持電解液、pH、沉積電勢、沉積時間優(yōu)化實驗條件

2.4 電化學檢測鉛離子

通過優(yōu)化實驗條件，確定了NH3·H2O-NH4Cl溶液(pH 5.0)，-1.3 V的沉積電勢和150 s的沉積時間作為最終的實驗條件。將Def-Mn3O4修飾的GCE與Mn3O4修飾的GCE以及裸GCE進行對比，來比較它們檢測Pb(Ⅱ)的效果，結果如圖6所示。由圖6可知，裸GCE、Mn3O4/GCE、Def-Mn3O4/GCE檢測Pb(Ⅱ)的靈敏度分別為4.67 μA/μM、22.94 μA/μM和76.37 μA/μM，修飾了Mn3O4和Def-Mn3O4的GCE檢測Pb(Ⅱ)的靈敏度遠遠大于單純的裸玻碳電極，這說明正八面體的氧化錳對于檢測Pb(Ⅱ)具有一定的作用，因為其本身具有一定的催化性能[21-22]。并且，含有表面缺陷的Def-Mn3O4，其檢測靈敏度是未經(jīng)煅燒處理的3.3倍，說明煅燒處理大大促進了鉛離子的檢測效果。此外，根據(jù)3σ方法計算出3種電極檢測Pb(Ⅱ)的檢出限(LOD)分別為0.098 μM、0.039 μM、0.009 μM，其中Def-Mn3O4檢測Pb(Ⅱ)的LOD遠遠低于世界衛(wèi)生組織(WHO)的飲用水標準(0.048 μM)[23]，說明含有表面缺陷的Def-Mn3O4有應用于檢測實際水樣的潛力。

圖6 裸GCE、Mn3O4/GCE和Def-Mn3O4/GCE檢測Pb(Ⅱ)的SWASV響應信號

此外，通過Def-Mn3O4/GCE檢測了其他的重金屬離子，以分析其在檢測重金屬時是否具有普適性。以另外3種常見的重金屬離子Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)作為被檢測的對象。Def-Mn3O4/GCE檢測另外3種重金屬離子的檢測靈敏度如圖7所示。對于Cd(Ⅱ)的檢測靈敏度為3.23 μA/μM，對于Cu(Ⅱ)的檢測靈敏度為3.81 μA/μM，對于Hg(Ⅱ)的檢測靈敏度為6.97 μA/μM，可以發(fā)現(xiàn)Def-Mn3O4/GCE對于Pb(Ⅱ)的檢測靈敏度要遠遠高于其他3種離子。此外，由圖7d能夠看出，Def-Mn3O4/GCE檢測Pb(Ⅱ)的LOD也要遠遠低于另外3種作為參比的重金屬離子。綜上所述，Def-Mn3O4對于Pb(Ⅱ)擁有優(yōu)異的檢測效果和優(yōu)秀的檢測選擇性。

圖7 Def-Mn3O4/GCE在相同條件下電化學檢測Cd(Ⅱ)/Cd(Ⅱ)/Hg(Ⅱ)的SWASV響應信號及不同重金屬離子檢測靈敏度的比較

2.5 檢測鉛離子信號增強的機理討論

材料的吸附性能與重金屬離子的檢測性能密切相關。在電化學檢測的過程中，首先要將溶液中的重金屬離子富集到含有電極修飾劑的電極表面上，隨后電極表面的Pb單質(zhì)被氧化，同時輸出為相應的溶出信號。因此，考慮到材料吸附性能對電化學信號的影響，研究進行相應的吸附實驗并用XPS進行表征來探究材料吸附性能對于檢測靈敏度的影響。吸附重金屬前與吸附后的XPS譜圖如圖8所示。由圖8可知，吸附重金屬后，在XPS光譜中只發(fā)現(xiàn)了Pb的峰信號，其他重金屬離子的峰信號并不明顯。Pb4f、Cu2p、Cd3d和Hg4f的高分辨率XPS光譜如圖9所示。由圖9可以看出，其他重金屬離子的峰并不明顯，說明Def-Mn3O4對于Pb(Ⅱ)的吸附能力遠遠大于其他3種重金屬離子。此外，吸附重金屬后Pb、Cu、Cd和Hg的原子比如圖10所示。其結果分別為0.41%、0.03%、0.02%和0.00%，這也與電化學檢測重金屬對應的結果類似，說明Def-Mn3O4對Pb(Ⅱ)的選擇性檢測是基于其對Pb(Ⅱ)的優(yōu)異的吸附性能。

圖8 吸附重金屬前與吸附后的XPS譜圖

圖9 Pb4f、Cu2p、Cd3d和Hg4f的高分辨率XPS光譜

此外，將煅燒處理前后的氧化錳分別做了單純吸附鉛的實驗，以探究表面缺陷對于吸附性能的影響，其結果如圖10a所示。由圖10a可知，含有表面缺陷的Def-Mn3O4吸附鉛后的Pb4f信號強于沒有經(jīng)過煅燒處理的Mn3O4，并且從插入的表格能夠看出Def-Mn3O4中鉛原子比是Mn3O4中鉛原子比的1.5倍，表明Def-Mn3O4對Pb(Ⅱ)的吸附性能比Mn3O4好，這可能是因為煅燒產(chǎn)生的表面缺陷提供了大量吸附位點，使得更多的Pb(Ⅱ)被吸附到正八面體氧化錳的表面[24]。但是，這只能說明吸附性能增強是電化學檢測Pb(Ⅱ)信號增強的重要原因，除此之外，根據(jù)先前的Def-Mn3O4和Mn3O4電化學表征數(shù)據(jù)(見圖4)能夠看出Def-Mn3O4的導電性能優(yōu)于Mn3O4的導電性能，煅燒處理使得氧化錳轉(zhuǎn)移電子的能力得到大大改善，因此電化學檢測Pb(Ⅱ)的過程中，電子傳輸遇到的阻礙減少，同時由于材料吸附Pb(Ⅱ)能力的增強，使得檢測Pb(Ⅱ)的峰電信號相較于未經(jīng)煅燒處理的Mn3O4有了顯著的增強。

圖10 吸附Pb(Ⅱ)后的Mn3O4和Def-Mn3O4中的Pb4f對比以及吸附在Def-Mn3O4上的Pb、Cu、Cd和Hg的原子比

2.6 干擾研究

在實際水環(huán)境中，由于水樣復雜存在金屬離子的相互干擾問題，會對檢測結果產(chǎn)生一定影響。因此，研究進行了相應的干擾試驗，對應的干擾研究結果如圖11所示。由圖11可知，0.2 μM Pb(Ⅱ)與另一種重金屬離子(包括1.0 μM Cd(Ⅱ)、1.0 μM Cu(Ⅱ)和10.0 μM Hg(Ⅱ))共存時重復測量10次的峰值電流變化和相應的SWASV響應曲線。在圖11a中，加入1.0 μM Cd(Ⅱ)后，Pb(Ⅱ)的峰值電流增加了2.0 μA，10次重復檢測結果顯示出良好的穩(wěn)定性，其相對標準差(RSD)為1.44%(小于5%)，而峰值電流增加的原因可能是在電極表面形成一層鎘膜，促進了Pb(Ⅱ)的富集[25]。由圖11b可知，加入1.0 μM Cu(Ⅱ)后，Pb(Ⅱ)的峰值電流下降了4.5 μA，并且10次重復檢測Pb(Ⅱ)結果的RSD為1.97%(小于5%)，表明銅離子的存在對Pb(Ⅱ)的檢測有明顯的影響。除此之外，Pb(Ⅱ)與Cu(Ⅱ)之間出現(xiàn)了一個明顯的新峰，這可能是由于電極表面形成了Pb-Cu金屬間化合物，而氧化Pb-Cu合金需要比Pb更正但比Cu負的電位，因此導致了該新峰的產(chǎn)生[26]。對于Hg(Ⅱ)的干擾如圖11c所示。由圖11c可知，Pb(Ⅱ)的峰值電流平均增加了11.5 μA，說明Hg(Ⅱ)確實對Pb(Ⅱ)的檢測有嚴重的干擾。峰電流的增強可能是在電極表面形成Hg膜，使得更多的Pb(Ⅱ)在被氧化還原，進一步提升了Pb(Ⅱ)的峰電流信號[19,27]。綜上可知，盡管Def-Mn3O4修飾的玻碳電極對Pb(Ⅱ)檢測擁有良好的檢測效果，但在實際水樣的檢測中，如果其他重金屬離子的含量過高則會干擾檢測的準確性。

圖11 Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)對Pb(Ⅱ)檢測的干擾

2.7 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性評估

良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性是評判納米材料能否應用于實際檢測的重要一方面，Def-Mn3O4修飾的玻碳電極檢測穩(wěn)定性和重復性如圖12所示。由圖12a可知，將Def-Mn3O4修飾的玻碳電極分別測量10次0.2 μM的Pb(Ⅱ)并記錄下相應的實驗數(shù)據(jù)，結果表明10次檢測的結果并無明顯的變化。此外，將10次測量的不同電流值進行了相對標準偏差計算(RSD)，結果顯示其RSD為2.56%，說明Def-Mn3O4修飾的玻碳電極檢測Pb(Ⅱ)具有良好的檢測穩(wěn)定性。由圖12b可知，在另一根玻碳電極上10次重復檢測0.3 μM的Pb(Ⅱ)，其電流值也沒有明顯的變化，經(jīng)過計算可得其電流值的相對標準偏差值(RSD)為1.91%，屬于正常的誤差范圍內(nèi)，說明該修飾電極擁有良好的檢測重復性。以上的檢測結果與之前的Pb(Ⅱ)檢測結果相比均處于正常的檢測誤差范圍，這表明Def-Mn3O4修飾的玻碳電極檢測Pb(Ⅱ)具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

圖12 Def-Mn3O4修飾的玻碳電極檢測穩(wěn)定性和重復性

2.8 實際水樣檢測

實際水樣檢測是評估傳感器能否用于實際應用的重要手段。從合肥市董鋪水庫采取一定量的實際水樣，與NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液按1∶4的比例配制成含有實際水樣的緩沖液。隨后，采用上述配制的緩沖液檢測Pb(Ⅱ)，將0.1 μM Pb(Ⅱ)連續(xù)添加到緩沖液中，其對應的溶出信號曲線圖如圖13所示。由圖13可知，電流值與添加溶度的線性關系，檢測靈敏度為72.78 μA/μM，略微低于沒有加入實際水樣的檢測靈敏度(76.37 μA/μM)。通過實驗可知，Def-Mn3O4修飾的玻碳電極在實際水樣的檢測過程中仍能夠保持優(yōu)秀的檢測性能，這表明Def-Mn3O4具有實際應用的潛力。

圖13 真實水樣中Pb(Ⅱ)的SWASV響應

3 結論

采用水熱法合成了具有規(guī)則正八面體形貌的氧化錳材料，并通過煅燒處理得到了具有表面缺陷的Def-Mn3O4。此外，用Def-Mn3O4修飾的玻碳電極實現(xiàn)了對于鉛離子的高靈敏檢測。通過TEM和XPS的表征可知，煅燒處理使材料表面產(chǎn)生了表面缺陷，并導致材料表面元素狀態(tài)的變化。表面缺陷的存在提供了大量的吸附位點，此外煅燒處理降低了材料的電子轉(zhuǎn)移阻礙，最終導致了鉛離子檢測靈敏度的增強。Def-Mn3O4修飾的玻碳電極檢測Pb(Ⅱ)的靈敏度高達76.37 μA/μM，檢出下限為0.009 μM，該修飾電極具有良好的檢測重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，在實際水樣的檢測中也保持了優(yōu)秀的檢測效果，該研究為設計高靈敏的電化學傳感材料提供了新的思路。