基于Nano-Fe3O4/Nafion修飾玻碳電極用于海水基的鉛離子傳感器研究

王 聰, 邱成軍, 曲 偉， 莊 遠， 牙富東， 嚴怡柔

(1.北部灣大學(xué) 機械與船舶海洋工程學(xué)院, 欽州 535011; 2.北部灣大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,欽州 535011; 3.廣西大學(xué) 計算機與電子信息學(xué)院, 南寧 530004)

0 引 言

重金屬離子在水中具有富集性和強毒性，會隨著工業(yè)廢水和生活污水排放量的增加，給整個海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重威脅[1-2]。其中Pb2+是一種高毒性重金屬離子，會對生物神經(jīng)系統(tǒng)造成損害，也能引起部分器官衰竭[3-4]?？紤]到它的危害，世界衛(wèi)生組織(WHO)和美國環(huán)境保護局(EPA)規(guī)定海水中Pb2+的最高含量為50 μg·L-1[5]，超過此濃度海洋生物和人類健康將面臨嚴重威脅。因此，檢測海水中Pb2+的含量尤為重要。

電化學(xué)溶出伏安法因其操作簡便、靈敏性高、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢，備受研究人員的廣泛關(guān)注[6]。其中差分脈沖溶出伏安(DPSV)法因其響應(yīng)速度快、背景電流低等優(yōu)點，成功用于多種環(huán)境下Pb2+的檢測分析。如文獻[6-9]通過DPSV法分別實現(xiàn)了礦山廢水、湖水以及飲用水中痕量Pb2+的測定。但目前對海水進行檢測的相關(guān)報道較少，這是因為海水基體環(huán)境復(fù)雜、干擾性強[10]。而多組分的修飾電極具有良好的協(xié)同和耦合作用，在靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性方面都要優(yōu)于單組分修飾電極，適合用于鉛離子含量低、基體干擾強的檢測[11-12]。軟磁材料四氧化三鐵(Fe3O4)是一種尖晶石類鐵氧體，在電子領(lǐng)域、生物領(lǐng)域以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用價值。而納米級的四氧化三鐵(Nano-Fe3O4)表現(xiàn)出的超順磁性使其在修飾電極上增加電極的導(dǎo)電性，加快電極與溶液反應(yīng)時電子的傳輸速率；其小尺寸效應(yīng)表現(xiàn)出了體積小和比表面積大的特點[13]。全氟磺酸又名Nafion，是一種金屬陽離子交換劑，具有防污性能，其膜帶負電荷，可作為天然屏障阻止帶負電荷粒子的相互作用[14]。本文研究了一種多組分的納米復(fù)合材料修飾電極構(gòu)建的Pb2+傳感器，利用Nafion作為分散劑分散在Nano-Fe3O4中，Nafion不僅可以作為分散劑與成膜劑，還可以實現(xiàn)重金屬離子的萃取，提高檢測的靈敏度[15]。通過滴涂法在玻碳電極(GCE)表面實現(xiàn)Nano-Fe3O4/Nafion復(fù)合膜的修飾，基于DPSV法實現(xiàn)鉛離子傳感器對海水中Pb2+高靈敏度的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

本實驗基于上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI 830D電化學(xué)分析儀進行操作；采用標準三電極體系：工作電極為3 mm的GCE，輔助電極為鉑絲，參比電極為飽和甘汞電極。通過Sigma HD型掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝修飾電極的形貌。pH計、磁力攪拌器和電子天平購于上海力辰儀器科技有限公司。

實驗過程使用的藥品分別為分析純(AR)的無水乙醇、氯化鐵、硫酸亞鐵、乙酸鈉、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，優(yōu)級純(GR)的氯化鉀、冰乙酸，質(zhì)量分數(shù)為5%的Nafion(乙醇與水混合液)以及100 μg·mL-1的Pb2+標準溶液(1%硝酸)等藥品。實驗用水為電阻率達到18.0 MΩ·cm的超純水。

1.2 修飾溶液的制備

利用電子天平分別稱取3.244 g氯化鐵和8.344 g硫酸亞鐵，放入燒杯中，加入100 mL超純水，超聲20 min；再加20 mL濃氨水，在恒溫50 ℃下，通過磁力攪拌器劇烈攪拌1 h，傾去上層清液，沖洗至中性，抽濾并在干燥箱內(nèi)干燥；在研缽中研磨成粉末，就得到了Nano-Fe3O4。將Nafion經(jīng)無水乙醇稀釋到0.5%，稱取10 mg Nano-Fe3O4粉末與25 μL Nafion一起放入燒杯中，利用DMF定容至10 mL，超聲30 min以上，使其分散均勻，即可得到Nano-Fe3O4/Nafion修飾電極溶液。

1.3 Pb2+傳感器的制備

分別用0.3和0.05 μL的Al2O3粉末對裸GCE進行拋光；然后再經(jīng)超純水、無水乙醇沖洗電極；最后將裸GCE在H2SO4(0.5 mol·L-1)溶液中活化，用循環(huán)伏安法(CV)進行掃描，直至得到穩(wěn)定的CV曲線，用超純水沖洗電極，晾干即可。用移液器精確移取5 μL Nano-Fe3O4/Nafion修飾溶液均勻地滴加到GCE上，并置于紅外燈下烘烤，待溶液揮發(fā)后即可得到Nano-Fe3O4/Nafion/GCE，一層致密的薄膜粘附在GCE表面，表明Pb2+傳感器構(gòu)建成功。

1.4 實驗測量

配制0.1 mol·L-1pH 4.5的HAc-NaAc支持電解質(zhì)溶液，將一定量的鉛離子標準溶液加入到支持電解質(zhì)溶液中，通N2除氧10 min。將Nano-Fe3O4/Nafion/GCE、鉑絲電極、飽和甘汞電極浸入溶液中。在攪拌的作用下，利用電化學(xué)分析儀的恒電位(I-t)法進行富集，電位-1.1 V，時間180 s；利用DPSV法記錄Pb2+的溶出曲線，操作參數(shù)：起始、終止電位分別為-0.9和-0.3 V，電位增量0.05 V，其他參數(shù)為儀器默認參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Nano-Fe3O4的形貌表征

通過掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)表征了本文制備的Nano-Fe3O4微觀形貌結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示，在Mag=50 kx放大倍數(shù)下可以發(fā)現(xiàn)Nano-Fe3O4呈球形或近球形；進一步放大，在Mag=100 kx倍數(shù)下，如圖1(b)所示，直徑大約為30～40 nm，尺寸大小均一，分布均勻，顆粒感好，形貌良好。

圖1 Nano-Fe3O4 SEM圖: (a) Mag=50.00 kx; (b) Mag=100.00 kxFig.1 SEM images of Nano-Fe3O4: (a) Mag=50.00 kx; (b) Mag=100.00 kx

2.2 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的電化學(xué)表征

為了驗證Nano-Fe3O4/Nafion修飾材料是否被成功修飾在傳感器的電極上，在0.1 mol·L-1KCl溶液中(含0.01 mol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-)進行了不同電極的CV測試。如圖2所示，對比裸GCE (曲線a)和Nano-Fe3O4/Nafion/GCE (曲線b)，可以發(fā)現(xiàn)Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的Fe3+/Fe2+的氧化還原峰明顯大于裸GCE的，說明Nano-Fe3O4/Nafion被成功修飾到了電極表面，增加電極的比表面積，改善了電極的電化學(xué)性能。為了精確地求出不同電極的電活性面積，根據(jù)Randles-Sevcik方程[16]，利用下式：

圖2 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE與 裸GCE的CV對比圖Fig.2 Comparison of CV between Nano-Fe3O4/ Nafion/GCE and bare GCE

Ip=2.69×105AD1/2n2/3γ1/2C

(1)

式中:Ip為電流峰值，A；A為有效電極面積，cm2；D為擴散系數(shù)，cm2·s-1；n為參與反應(yīng)的電子數(shù)；γ為電位變化速率，V·s-1；C為濃度，mol·cm-3。將D=7.6×10-6cm2·s-1，n=1，C=10 mmol·L-1代入上式計算可得Nano-Fe3O4/Nafion/GCE、裸GCE的電活性面積分別為0.010 8和0.008 4 cm2。進一步說明了Nano-Fe3O4/Nafion有效地增加GCE的電活性面積，提高了傳感器的導(dǎo)電性能。

電極在進行電化學(xué)反應(yīng)時,可分為表面過程控制和擴散過程控制，為了驗證Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的電極表面特性，將Nano-Fe3O4/Nafion/GCE置于KCl、[Fe(CN)6]3-/4-溶液中，進行不同掃速的CV測試，得到如圖3(a)所示的CV圖。隨著掃速的增加，峰電流在增大，且峰電流Ip與掃速V1/2成一定的線性關(guān)系，如圖3(b)所示，表明Nano-Fe3O4/Nafion修飾的Pb2+傳感器的電極反應(yīng)由擴散過程控制。

圖3 (a) 不同掃速下Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的CV圖; (b) 峰電流Ip與掃速V1/2圖Fig.3 (a) CV diagram of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE at different scanning speed; (b) relationship of peak current and scanning speed

Pb2+在不同修飾電極上的響應(yīng)效果如圖4所示。采用DPSV法在50 μg·L-1Pb2+溶液中對Nano-Fe3O4/Nafion/GCE與裸GCE進行溶出伏安曲線對比，可以看出，Nano-Fe3O4/Nafion/GCE的Pb2+溶出峰電流要明顯大于裸GCE的，這是由于Nano-Fe3O4/Nafion材料獨特的性能，提高了電極表面的電子傳輸速率，更利于Pb2+的吸附，因此，Nano-Fe3O4/Nafion/GCE展現(xiàn)出了更高的靈敏度與峰電流。

圖4 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE(曲線a)與裸GCE(曲線b) 在50 μg·L-1 Pb2+溶液中的DPSV曲線Fig.4 DPSV curves of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE (curve a) and bare GCE (curve b) in 50 μg·L-1 Pb2+ solution

2.3 Pb2+傳感器檢測的實驗條件優(yōu)化

2.3.1 支持電解質(zhì)的影響

不同的支持電解質(zhì)會直接影響Pb2+傳感器溶出曲線基線的平穩(wěn)、峰形的大小以及重現(xiàn)性。如圖5所示，分別在含有50 μg·L-1Pb2+的HAc-NaAc、HCl、KCl(均為0.1 mol·L-1、pH 5.0)三種不同支持電解質(zhì)內(nèi)對Nano-Fe3O4/Nafion/GCE進行了DPSV測試，通過對比基線、峰電流的大小以及峰形確定了HAc-NaAc作為Pb2+傳感器檢測Pb2+的支持電解質(zhì)。

2.3.2 富集電位影響

最優(yōu)的富集電位可以加速目標金屬離子的富集，提高Pb2+傳感器檢測的準確性[17]。在-0.8 ～1.2 V范圍進行富集電位的優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。可以看出，隨著電位的增大，峰電流也在增大。當電位為-1.1 V時，峰電流信號達到最大值。繼續(xù)增加富集電位，峰電流反而下降，由于傳感器的修飾電極表面會有析氫現(xiàn)象，導(dǎo)致修飾電極表面已經(jīng)被富集的Pb2+會脫落。因此,選取-1.1 V作為富集電位。

圖6 富集電位對Pb2+溶出峰電流的影響Fig.6 Effect of accumulation potential on the peak current of Pb2+ dissolution

2.3.3 HAc-NaAc電解質(zhì)pH的影響

當pH過低時，溶液中的H+與Pb2+存在競爭關(guān)系(即析氫可能會干擾沉積富集過程)，pH過高時，Pb2+可能會水解形成金屬氫氧化物和絡(luò)合物等，從而減少溶液中金屬離子的量[18]。于是考察了不同pH的HAc-NaAc支持電解質(zhì)溶液對峰電流的影響，如圖7所示。HAc-NaAc電解質(zhì)的pH從4.0變化到5.0時，峰電流不斷增大。在5.0處最大，當pH繼續(xù)增大，峰電流反而呈下降趨勢。因此，HAc-NaAc緩沖溶液的pH選擇5.0。

2.3.4 Nano-Fe3O4濃度的影響

由于Nano-Fe3O4濃度過高，會導(dǎo)致背景電流過大，相反濃度過低會影響電極對Pb2+的吸附能力。優(yōu)化了Nano-Fe3O4濃度對Pb2+溶出峰的影響，如圖8所示?？梢钥闯?，當Fe3O4濃度為4 mg·mL-1時，Pb2+的峰電流值最大。因此，Nano-Fe3O4濃度選擇4 mg·mL-1。

圖8 Nano-Fe3O4濃度對Pb2+溶出峰電流的影響Fig.8 Effect of Fe3O4 concentration on the peak current of Pb2+ dissolution

2.3.5 富集時間的影響

由于Nano-Fe3O4的吸附能力會隨著時間的增加而增加，直至達到飽和。對富集時間進行了優(yōu)化,結(jié)果如圖9所示，峰電流隨著富集時間的延長而變大，當富集時間大于300 s后，峰電流增長緩慢，考慮到靈敏度與效率等因素，選取300 s作為富集時間。

2.4 標準曲線

通過建立標準曲線有助于準確分析傳感器對鉛離子檢測的可行性與準確性。配制一系列不同濃度的Pb2+標準溶液，將Nano-Fe3O4/Nafion/GCE插入到標準溶液當中，在攪拌的條件下富集300 s。通過DPSV法檢測不同Pb2+濃度下的響應(yīng)電流信號，繪制濃度與Pb2+溶出峰電流的關(guān)系圖,如圖10(a)所示,得到相應(yīng)的線性回歸方程如圖10(b)所示，線性回歸曲線y=0.241+0.699c，相關(guān)系數(shù)R2=0.993 73，檢出限為0.5 μg·L-1(3σ/m，σ為空白溶液標準偏差，m為方程斜率)。

圖10 (a)Nano-Fe3O4/Nafion/GCE對不同濃度Pb2+的溶出伏安圖; (b)相應(yīng)的線性回歸曲線Fig.10 (a) Dissolution voltammogram curves of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE to different concentrations of Pb2+; (b) corresponding linear regression curve

2.5 Pb2+傳感器的抗干擾性

為了評估Pb2+傳感器在海水基中的檢測性能，通過添加不同干擾離子來研究傳感器對Pb2+檢測的抗干擾性。如圖11所示，在30 μg·L-1的Pb2+標準溶液中分別加入了150倍的K+、Cl-、Na+干擾離子，發(fā)現(xiàn)上述濃度的干擾離子對Pb2+的峰電流無顯著影響，峰電流變化率都在10%以內(nèi)，說明該鉛離子傳感器具有良好的抗干擾性。

圖11 Nano-Fe3O4/Nafion/GCE對30 μg·L-1 Pb2+ 中加入150倍K+、Cl-、Na+的峰電流影響Fig.11 Effect of Nano-Fe3O4/Nafion/GCE pairs after adding 150 times K+, Cl-, Na+ to 30 μg·L-1 Pb2+

2.6 Pb2+傳感器的重現(xiàn)性

在實際應(yīng)用中，重現(xiàn)性是表征傳感器實用性的重要指標。為了驗證本文傳感器的重現(xiàn)性，在相同實驗條件下制備了5支Nano-Fe3O4/Nafion/GCE對5 μg·L-1Pb2+溶液進行測定，結(jié)果如圖12所示，計算得到了其相對標準偏差(RSD)為5.93%，表明該傳感器的重現(xiàn)性良好。

2.7 樣品分析

分別采集了茅尾海2處不同地點的海水樣品，靜置3 d，經(jīng)0.45 μL微孔濾膜過濾和紫外線預(yù)處理后，利用Pb2+傳感器對所采集的海水進行Pb2+濃度的測定，并通過加標回收實驗對海水樣品進行回收率的檢測,結(jié)果如表1所示。加標回收率90.0%～99.3%，表明該傳感器可應(yīng)用于實際樣品中Pb2+濃度的檢測。

表1 實際樣品中Pb2+濃度的檢測Table 1 Detection of Pb2+ concentration in actual samples

為了進一步評估本文研制的Nano-Fe3O4/Nafion/GCE鉛離子傳感器的性能，其結(jié)果與近年來報道的基于不同材料修飾GCE制備的檢測鉛離子的傳感器性能對比結(jié)果如表2所示。所制作的Nano-Fe3O4/Nafion/GCE鉛離子傳感器在檢測限要低于BOC/GCE[19]鉛離子傳感器，高于PGA/cCNSs/GCE[20]、p-Tyr/Bi/GCE[21]、PtNFs/GCE[22]、Ergo-MWNTs-L-Cys/GCE[23]鉛離子傳感器，但仍可應(yīng)用于海水中μg·L-1(ppb)級別Pb2+的檢測[24]，并且低于WHO與EPA規(guī)定的50 μg·L-1[5]。同時，所研制的鉛離子傳感器在靈敏度上要高于BOC/GCE、p-Tyr/Bi/GCE、PtNFs/GCE、Ergo-MWNTs-L-Cys/GCE的鉛離子傳感器，表明該傳感器靈敏度高、響應(yīng)快速、穩(wěn)定性好，可應(yīng)用于海水中不低于ppb級別的鉛離子檢測。

表2 不同Pb2+傳感器的性能分析對比Table 2 Performance comparison of different Pb2+ sensors

3 結(jié) 論

將比表面積大、電子傳輸速率快的Nano-Fe3O4與Nafion混合作為敏感材料，采用滴涂法將Nano-Fe3O4/Nafion成功修飾到GCE上，構(gòu)建了用于檢測Pb2+的傳感器。通過SEM、CV法對修飾電極進行了表征，并對實驗條件進行優(yōu)化改進。得出了富集電位為-1.1 V、支持電解質(zhì)pH為5.0、Fe3O4濃度為4 mg·mL-1及富集時間為300 s的最優(yōu)條件，該傳感器所得到的DPSV響應(yīng)電流與Pb2+濃度在5～80 μg·L-1內(nèi)呈正比，檢出限為0.5 μg·L-1(3σ/m)。在外加干擾離子的環(huán)境內(nèi)，Pb2+傳感器表現(xiàn)出了一定的抗干擾性，同時,重現(xiàn)性良好，可用于實際海水中Pb2+的檢測，對海洋環(huán)境與人類健康的保護具有良好的應(yīng)用價值。