基于FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷電極傳感器同時(shí)檢測Pb(II)和Cu(II)*

林溫程，王心怡，胡燕婕，孫先佑，萬 浩，王天星，王 平*

(1.浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生儀學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué)附屬邵逸夫醫(yī)院，浙江 杭州 310016；3.浙江億聯(lián)康醫(yī)療科技有限公司，浙江 杭州 310011)

重金屬會對人體造成多種危害[1]。例如，鉛(Pb)是一種有毒的重金屬，能與蛋白質(zhì)上的巰基緊密結(jié)合，會嚴(yán)重破壞人的神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)，尤其對兒童和胎兒的影響極大[2]；銅(Cu)雖然是人體必需元素，但過量的銅元素也會對人體產(chǎn)生損害，造成細(xì)胞膜中脂質(zhì)過氧化增加以及DNA 損傷[3]。重金屬污染造成的生態(tài)和公共衛(wèi)生問題越來越受到人們的關(guān)注，因此，需要一種檢測重金屬離子的方法。目前使用的原子吸收光譜[4]、原子熒光光譜[5]、電感耦合等離子體質(zhì)譜[6]等實(shí)驗(yàn)室分析手段往往昂貴、笨重、耗時(shí)、不易操作，相比之下，電化學(xué)傳感器更為簡單和快速。

為了檢測重金屬，金納米顆粒[7]、碳納米管[8]、石墨烯[9]等一系列納米材料在電化學(xué)傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。其中，氫氧化物納米材料是一類令人感興趣的電極修飾材料，包括FeOOH、MnOOH[10]、AlOOH[11]、NiOOH[12]、CoOOH[13]等。羥基氧化鐵(FeOOH)作為一類新型的無機(jī)納米材料，具有獨(dú)特的電催化活性，有望應(yīng)用于重金屬的檢測。

FeOOH 主要有四種晶體結(jié)構(gòu):α-FeOOH(針鐵礦)、β-FeOOH(四方纖鐵礦)、γ-FeOOH(纖鐵礦)、δ-FeOOH(六方纖鐵礦)[14]。不同的晶體結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出不同的電化學(xué)性能，其中，最常使用的是α-FeOOH。Yang 等人[15]進(jìn)一步比較了α-FeOOH 和β-FeOOH對Pb(II)的電敏感性，發(fā)現(xiàn)α-FeOOH 對Pb(II)的吸附能力強(qiáng)于β-FeOOH，有助于檢測Pb(II)。

目前，F(xiàn)eOOH 已經(jīng)應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中，由于其優(yōu)異的電催化性能，在對H2O2的非酶檢測中應(yīng)用廣泛[16-20]。但目前，使用FeOOH 修飾的電極檢測重金屬離子的報(bào)道還很少。Liu 等[21]通過在納米多孔金微電極上沉積FeOOH 實(shí)現(xiàn)了對Hg(II)的檢測，且發(fā)現(xiàn)具有高吸附能力的FeOOH 納米薄片可以將分析物堆積在電極表面上，這使得電極具有靈敏度高、檢測限低的特點(diǎn)。Zhang 等人[22]利用α-FeOOH 作為吸附劑和電極基體改性劑，實(shí)現(xiàn)了對As(III)的選擇性富集以及電化學(xué)檢測。此外，Zhong 等人[23]聯(lián)合電化學(xué)和比色方法，基于As(V)對FeOOH 納米棒的過氧化物酶活性的抑制作用，實(shí)現(xiàn)了對As(V)的檢測。

以上文獻(xiàn)合成FeOOH 大多采用濕化學(xué)法或水熱法，耗時(shí)長、步驟復(fù)雜，相比之下，電沉積路線更為簡單易行。Jiao 等人[24]開發(fā)了一種電沉積路線，通過在(NH4)2Fe(SO4)2和CH3COOK 水溶液中電沉積制備了α-FeOOH，而且改變二者的濃度可以獲得不同尺寸和形狀的納米結(jié)構(gòu)，基于此方法可以快速在電極表面制備α-FeOOH。

本文中，開發(fā)了一種海膽狀FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極，用于同時(shí)檢測Pb(II)和Cu(II)。通過電沉積法快速制備FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極，使用方波溶出伏安法(SWSV)檢測Pb(II)和Cu(II)兩種重金屬離子，流程圖如圖1 所示。此外，還對檢測條件進(jìn)行了優(yōu)化，對電極的性能進(jìn)行了測試，并將其應(yīng)用于實(shí)際樣本。

圖1 FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極制備及Pb(II)和Cu(II)檢測的流程圖

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

六水合硫酸亞鐵銨(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O、無水乙酸鈉 CH3COONa 用于修飾電極。乙酸CH3COOH、無水乙酸鈉CH3COONa 用于配置乙酸-乙酸鈉緩沖溶液。鐵氰化鉀K3[Fe(CN)6]、亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6]和氯化鉀KCl 用于對電極的循環(huán)伏安測試。硫酸H2SO4經(jīng)稀釋后用于電極的活化。氫氧化鈉NaOH 用于調(diào)節(jié)溶液的pH。MgSO4、Al(NO3)3、KCl、CaCl2、Cr(NO3)3、K2Cr2O7、MnSO4、FeSO4、ZnCl2、AgNO3、Cd(NO3)2、Hg(NO3)2等用于離子干擾實(shí)驗(yàn)。以上試劑均為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。鉛標(biāo)準(zhǔn)樣品(1 000 μg/mL，1% HNO3)、銅標(biāo)準(zhǔn)樣品(100 μg/mL，1% HNO3)購自上海麥克林生化科技有限公司。實(shí)驗(yàn)中使用的超純水(＞18.2 MΩ cm)由Heal Force 超純水系統(tǒng)制得，用于溶液稀釋及清洗。

電化學(xué)分析采用上海辰華的CHI660E 電化學(xué)工作站。DRP-220BT 絲網(wǎng)印刷電極購自瑞士萬通中國有限公司。pH 測量采用雷磁PHS-4F 型pH計(jì)。使用的場發(fā)射掃描電子顯微鏡為卡爾蔡司的Ultra 55 型號。原子吸收光譜法使用賽默飛世爾的SOLAAR M 系列原子吸收光譜儀。

1.2 電極的修飾

修飾前，需對絲網(wǎng)印刷電極進(jìn)行活化，以去除其金工作電極表面的氧化層，使電極處于最佳工作狀態(tài)，具體活化方法如下:絲網(wǎng)印刷電極在0.5 mol/L的硫酸溶液中采用循環(huán)伏安法自0 V 至1.5 V 以0.1 V/s 的速度掃描10 圈?；罨瓿珊螅瑢z網(wǎng)印刷電極進(jìn)行FeOOH 修飾。FeOOH 修飾采用電沉積的方法，參考文獻(xiàn)[21]中的做法，在0.1 mol/L 乙酸鈉和0.01 mol/L 硫酸亞鐵銨的混合溶液中對絲網(wǎng)印刷電極施加1 800 s 的0.7 V 恒電位。修飾完成后，沖洗電極并準(zhǔn)備用于檢測Pb(II)和Cu(II)。

1.3 Pb(II)和Cu(II)的檢測

實(shí)驗(yàn)中對于重金屬Pb(II)和Cu(II)的檢測采用方波溶出伏安法。在富集電壓-0.6 V、富集時(shí)間120 s、靜息電壓-0.5 V、靜息時(shí)間15 s 的條件下，使用pH＝4.5 的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液作為電化學(xué)過程中的支持電解質(zhì)溶液。方波溶出伏安法的參數(shù)如下:步進(jìn)電壓5 mV，脈沖幅度50 mV，脈沖周期25 Hz，掃描起始電壓-0.5 V，掃描終止電壓0.5 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極的表征

圖2(a)、2(b)是修飾前的掃描電鏡圖，放大倍數(shù)分別為10 000 倍和50 000 倍?？梢杂^察到電極表面坑洼不平的球狀結(jié)構(gòu)，其直徑大小普遍在1 μm左右。圖2(c)、2(d)是修飾后的掃描電鏡圖，放大倍數(shù)分別為10 000 倍和50 000 倍。修飾后，電極表面變?yōu)楹Ｄ憼畹拇糖蚪Y(jié)構(gòu)，這對于增加電極比表面積、增大檢測過程中的電流密度響應(yīng)具有十分重要的意義。

圖2 修飾前后絲網(wǎng)印刷金電極的掃描電子顯微鏡對比圖

2.2 電極的電化學(xué)特性

為了研究電極修飾引起的變化，使用了鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀氧化還原對。在含有5 mmol/L[Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-的0.1 mol/L KCl 溶液中分別對修飾前后的電極進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，并依次改變掃描速率，如圖3(a)所示。根據(jù)Randles-Sevcik 方程[25]，計(jì)算得到修飾前后電極的活性表面積分別為6.83 mm2和11.6 mm2。活性表面積用于計(jì)算電化學(xué)過程中的電流密度，以更好地評估電極的電化學(xué)性能。

使用方波溶出伏安法在含有100 μg/L Pb(II)、Cu(II)的pH＝4.5 的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液中檢測修飾前后的電流密度變化。結(jié)果如圖3(b)所示，其中虛線為未加入重金屬離子的基線響應(yīng)。Pb(II)的溶出峰出現(xiàn)在-0.1 V 左右，Cu(II)的溶出峰出現(xiàn)在0.25 V 左右。修飾后電極的電流密度明顯增大，尤其是Pb(II)的峰變尖銳了。這說明FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極的靈敏度比修飾前提高了50%以上，適用于Pb(II)和Cu(II)的檢測。

圖3 修飾前后絲網(wǎng)印刷金電極的電化學(xué)測試結(jié)果圖

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

溶出伏安法分為富集和溶出兩個(gè)階段，富集階段對溶出階段的電流信號有很大的影響。因此，富集電壓和富集時(shí)間的優(yōu)化十分關(guān)鍵。此外，還優(yōu)化了溶液的pH。

在含有100 μg/L Pb(II)、Cu(II)的pH ＝4.5 的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液中研究了-0.9 V 至-0.3 V 的富集電壓對溶出電流密度的影響，結(jié)果如圖4(a)所示。由圖可見，富集電壓越負(fù)，Pb(II)和Cu(II)的電流密度越大，但同時(shí)電流密度的標(biāo)準(zhǔn)差也急劇增大，這主要是由于電壓過負(fù)導(dǎo)致的析氫反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過程中也可以觀察到電極表面不斷有小氣泡產(chǎn)生，然后融合為大氣泡，最終破裂，這嚴(yán)重影響了重金屬離子在電極表面富集的一致性。因此，將富集電壓確定在-0.6 V 是比較合理的。

在富集電壓為-0.6 V 的條件下，優(yōu)化了富集時(shí)間，結(jié)果如圖4(b)所示。隨著富集時(shí)間的增加，Pb(II)和Cu(II)的電流密度不斷增大，但當(dāng)富集時(shí)間超過120 s 后，電流密度的增加速度降低，尤其是Pb(II)。因此，將富集時(shí)間確定為120 s，繼續(xù)增加富集時(shí)間雖然可以使電流密度小幅增加，但會付出較大的時(shí)間成本。

配制了一系列pH 為3.5 至5.5 的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，并加入100 μg/L Pb(II)和Cu(II)，其溶出電流密度如圖4(c)所示。由圖可見，pH 為3.5至5.5 的范圍內(nèi)，電流密度的變化不大，pH 不會對檢測造成明顯影響，說明該電極能夠適應(yīng)在該pH范圍內(nèi)對Pb(II)和Cu(II)的檢測。考慮到乙酸的酸解離常數(shù)pKa 為4.76，乙酸-乙酸鈉緩沖溶液在3.6 至5.8 的pH 范圍內(nèi)具有較好的緩沖效果，因此，選擇在緩沖能力較強(qiáng)的pH 為4.5 的緩沖溶液中檢測。

圖4 FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極檢測Pb(II)和Cu(II)的實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化結(jié)果圖

2.4 Pb(II)和Cu(II)的同時(shí)檢測

在富集電壓為-0.6 V、富集時(shí)間為120 s、溶液pH為4.5 的優(yōu)化條件下，圖5(a)為Pb(II)和Cu(II)在10 μg/L 至200 μg/L 范圍內(nèi)的電流密度曲線，其中25 μg/L 至200 μg/L 的步長為25 μg/L。圖5(b)為Pb(II)和Cu(II)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，相關(guān)系數(shù)分別為0.94和0.99，靈敏度分別為0.66 μA L μg-1cm-2和4.19 μA L μg-1cm-2。計(jì)算得到Pb(II)和Cu(II)的檢出限(LOD)分別為2.82 μg/L 和0.44 μg/L，低于國家地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)均為10 μg/L)。

圖5 FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極同時(shí)檢測Pb(II)和Cu(II)的結(jié)果圖

2.5 電極的重復(fù)性、一致性與抗干擾性

對同一電極進(jìn)行連續(xù)10 次方波溶出伏安法掃描，以驗(yàn)證電極的重復(fù)性，結(jié)果如圖6(a)所示，溶出曲線基本重疊，說明電極具有良好的重復(fù)性，Pb(II)和Cu(II)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為4.27%和3.37%。

為了驗(yàn)證電極的一致性，測試了3 個(gè)FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極的溶出伏安響應(yīng)。圖6(b)中，Pb(II)和Cu(II)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8.22%和1.19%，可見電極的一致性較好。

使用電化學(xué)方法檢測Pb(II)和Cu(II)的過程中，電極易受到其他離子的干擾，因此進(jìn)行了電極的抗干擾性實(shí)驗(yàn)。在Pb(II)和Cu(II)濃度均為100 μg/L 的情況下，研究了分別加入100 μg/L 的Mg(II)、Al(III)、K(I)、Ca(II)、Cr(III)、Cr(VI)、Mn(II)、Fe(II)、Zn(II)、Ag(I)、Cd(II)、Hg(II)等干擾離子的響應(yīng)變化情況。圖6(c)是添加干擾離子后Pb(II)和Cu(II)的響應(yīng)變化情況，為-0.1 V 和0.25 V電位附近處加入后的溶出峰電流密度與加入前的比值，由圖可見，同濃度的干擾離子對Pb(II)和Cu(II)的溶出峰電流密度影響有限。

圖6 FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極的性能測試結(jié)果圖

2.6 實(shí)際樣本檢測

為了驗(yàn)證電極的實(shí)際樣本檢測能力，從城市自來水系統(tǒng)中取流動(dòng)水樣，使用FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極對Pb(II)和Cu(II)進(jìn)行檢測，并與標(biāo)準(zhǔn)方法原子吸收光譜法比較。其中，使用電極進(jìn)行電化學(xué)分析時(shí)，加入乙酸和乙酸鈉以提供必需的支持電解質(zhì)。結(jié)果顯示，兩種方法均未檢測到Pb(II)和Cu(II)。為防止假陰性，采用標(biāo)準(zhǔn)回收的方法確認(rèn)實(shí)際樣品中FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極的檢測能力。表1 是電極在50 μg/L 和200 μg/L 濃度下的回收率，可見無論是較低濃度還是高濃度，回收率的偏差均較小，F(xiàn)eOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷金電極可以用于實(shí)際樣品分析。

表1 實(shí)際樣品中Pb(II)和Cu(II)的回收率

3 結(jié)論

研究了一種簡單的電沉積方法，制備了基于FeOOH 修飾的絲網(wǎng)印刷電極，可用于檢測水中的Pb(II)和Cu(II)。掃描電子顯微鏡檢測表明，修飾后的電極表面為海膽狀的刺球結(jié)構(gòu)，這有利于提高電化學(xué)傳感器響應(yīng)的電流密度和檢測靈敏度。通過檢測過程中對傳感器富集電壓、富集時(shí)間、溶液pH等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了傳感器檢測Pb(II)和Cu(II)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)了傳感器在10 μg/L 到200 μg/L 的濃度范圍內(nèi)對Pb(II)和Cu(II)的定量檢測，檢出限分別為2.82 μg/L 和0.44 μg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器具有良好的重復(fù)性、一致性與抗干擾性，可以應(yīng)用于實(shí)際自來水樣本中Pb(II)和Cu(II)的同時(shí)檢測，具有良好的應(yīng)用推廣前景。