石墨烯/Fe3O4/殼聚糖修飾電極對鎘離子的檢測研究*

牙富東， 曲 偉， 邱成軍， 莊 遠(yuǎn)， 王 聰， 王 萍

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

0 引 言

鎘污染問題日趨嚴(yán)重[1]，如今已經(jīng)成為一個全球性的環(huán)境問題。鎘是具有劇毒且密度大于5 g/cm3的重金屬元素[2]，鎘離子(Cd2+)通過食物鏈作用進(jìn)入人體，因其高毒性、長期穩(wěn)定性和非生物降解性[3]，不斷聚集在人體肝臟、腎臟和骨骼等部位，引發(fā)肝臟損傷、腎臟異變以及骨骼軟化等疾病[4～6]，嚴(yán)重威脅人類生命健康。工業(yè)排污、家庭污水和采礦冶金等都是鎘污染的來源[7,8]，世衛(wèi)組織和中國分別規(guī)定飲用水中Cd2+的最大濃度限值為3×10-9和5×10-9(μg/L)[9,10]，因此,水環(huán)境Cd2+含量監(jiān)測具有重大的現(xiàn)實意義。

目前鎘檢測普遍采用原子吸收光譜法(atomic absorption spectrometry,AAS)[11]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma optical emission spectrometer,ICP-OES)[12]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP mass spectrometry,ICP-MS)[13]、X熒光光譜法[14]等。上述方法的優(yōu)勢是技術(shù)成熟且檢測結(jié)果精確[15]，然而所需儀器龐大昂貴且操作繁瑣，非專業(yè)技術(shù)人員難以熟練掌握儀器使用方法，同時檢測和數(shù)據(jù)采集等實驗操作必須在特定的實驗室環(huán)境中進(jìn)行，不適用于現(xiàn)場的Cd2+檢測分析。電化學(xué)溶出伏安法具有成本低廉、操作簡便、響應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)點[16]，已經(jīng)被證明可以應(yīng)用于實際水樣的重金屬Cd2+快速檢測。溶出伏安法基于三電極體系，首先將Cd2+電沉積預(yù)富集在工作電極表面，然后施加反向電壓將分析物氧化溶出。近年來，石墨烯(graphene,GR)及其衍生材料一直被人們廣泛關(guān)注。GR是一種碳原子構(gòu)成的準(zhǔn)二維層結(jié)構(gòu)的納米材料[17]，因其具有比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、電催化活性高以及電子轉(zhuǎn)移速率快等優(yōu)點而被視為理想的電極修飾材料[18,19]。四氧化三鐵(Fe3O4)納米材料具有制備成本及毒性低、吸附性強(qiáng)、易回收等優(yōu)點，是一種環(huán)境友好型電極修飾材料[20]。殼聚糖(chitosan,CS)屬于天然高分子聚合物，具有可生物降解、無毒、親水性良好等優(yōu)點[21,22]，是良好的分散劑和穩(wěn)定劑。

本文研究首先制備Fe3O4納米粒子功能化GR材料，隨后溶于CS溶液超聲分散均勻，將分散液滴涂在工作電極表面制備出GR/Fe3O4/CS/復(fù)合膜修飾玻碳電極(glassy carbon electrode,GCE)。GR/Fe3O4/CS/GCE基于方波陽極溶出伏安法(square wave anodic stripping voltammetry,SWASV)實現(xiàn)了水中鎘離子快速、高靈敏度的檢測。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：CHI830D型電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器公司)；磁力攪拌器、電子分析天平、抽濾裝置、超聲清洗機(jī)、高速離心機(jī)(上海力辰儀器科技有限公司)；電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)(上海尚儀儀器設(shè)備有限公司)，實驗室純水及超純水系統(tǒng)(南京易普易達(dá)科技發(fā)展有限公司)；高分辨率掃描電子顯微鏡(德國蔡司公司)。

試劑：GR，CS、六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、硫酸亞鐵(FeSO4)、無水乙酸(C2H6O)、無水乙醇(C2H5OH)、乙酸鈉、氯化鉀(KCl)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、磷酸氫二鉀(K2HPO4·3H2O)、氨水(NH3·H2O)、濃硫酸(H2SO4)、鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液等試劑購于國藥集團(tuán)試劑有限公司(上海)，所用試劑純度均為分析純或優(yōu)級純。實際水樣取自北部灣大學(xué)校內(nèi)湖水。

1.2 實驗方法

1.2.1 Fe3O4納米粒子功能化GR材料的制備

在干燥的圓底燒杯中加入GR 10 mg，去離子水30 mL，超聲分散均勻。然后加入摩爾比例為2︰3的六水合三氯化鐵和硫酸亞鐵混合物，一定量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %～18 %的氨水，控制化學(xué)反應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行，將反應(yīng)混合物加熱到50 ℃，攪拌反應(yīng)1 h。放置0.5 h后傾去上層液體，用去離子水不斷沖洗至中性，放入抽濾裝置進(jìn)行抽濾。抽濾所剩產(chǎn)物放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)去除水分，研磨成粉末常溫下封裝留存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 GR/Fe3O4/CS修飾電極的制備

分別用1.0 μm,0.3 μm,50 nm粒徑的α-Al2O3粉對GCE(直徑Φ=3 mm)進(jìn)行手工打磨，直至其表面光滑明亮。清水初步?jīng)_洗后再超聲清洗多次，以去除電極表面的α-Al2O3粉末。最后將電極放入0.5 mol/L H2O4溶液中采用循環(huán)伏安法(cyclic voltammetry,CV)進(jìn)行活化掃描，電位參數(shù)-0.8～+0.8 V，CV多圈掃描至曲線完全重合，電極活化完畢。稱取5 mg上文所制材料加入到0.2 %的CS溶液內(nèi)，超聲機(jī)超聲2 h，制備出電極修飾溶液。利用移液槍移取6 μL的電極修飾液滴涂在活化后的GCE表面，常溫下晾干除去溶劑，即得GR/Fe3O4/CS/GCE。

1.2.3 Cd2+的電化學(xué)檢測

Cd2+檢測采用恒電位沉積和SWASV。首先配制0.1 mol/L pH 5.0的醋酸鈉緩沖溶液(HAc-NaAc)，利用醋酸鈉緩沖溶液將鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋到不同濃度。然后將GR/Fe3O4/CS/GCE、參比電極、鉑絲電極一起插入溶液中，攪拌下恒電位沉積富集Cd2+，沉積電位為-1.3 V，沉積時間300 s，沉積結(jié)束后停止攪拌。最后在-1.1～-0.6 V的掃描電位間進(jìn)行方波陽極溶出，電位增量50 mV，頻率25 Hz，振幅5 mV，靜止時間2 s，記錄Cd2+濃度對應(yīng)的溶出伏安圖，做線性標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算檢出限。為確保實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，上述單次實驗過程完成后，需通過恒電位法(電位+0.3 V，時間60 s)清除修飾電極反應(yīng)面殘留的Cd，實驗在常溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極形貌及電化學(xué)表征

通過掃描電鏡觀察Fe3O4和GR/Fe3O4/CS復(fù)合材料的形貌特征。由圖1(a)可見，F(xiàn)e3O4材料為晶體顆粒，呈圓形狀多層分布，粒徑較大。圖1(b)呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。Fe3O4材料在CS的作用下分散成各個小顆粒，分布在GR的片層結(jié)構(gòu)中，材料表面形貌呈多孔結(jié)構(gòu)，不僅保留Fe3O4對重金屬Cd2+的吸附作用，解決了Fe3O4顆粒粒徑過大的問題，而且GR材料比表面積大的特點為Cd2+提供更多的儲存場所，有利于提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。

圖1 Fe3O4和GR/Fe3O4/CS復(fù)合材料的掃描電鏡圖像

如圖2，由修飾電極和裸GCE的CV曲線對比可知，修飾電極的峰值明顯高于裸GCE，其原因是：一修飾電極表面修飾膜中Fe3O4材料含有一定量Fe2+和Fe3+，在還原氧化過程中增大了溶液Fe離子含量；二石墨烯材料比表面積大的特性，有助于Fe離子更充分地沉積在工作電極表面。

圖2 0.1 mol/L鐵氰化鉀溶液中裸電極和GR/Fe3O4/CS/GCE的循環(huán)伏安響應(yīng)

2.2 不同修飾電極檢測性能對比

圖3比較了裸GCE和兩種修飾電極對Cd2+的響應(yīng)信號強(qiáng)弱。由圖3可知，Cd2+在GR/Fe3O4/CS/GCE上的響應(yīng)信號強(qiáng)度最強(qiáng)。其原因是：GR增加了電極表面的活性位點數(shù)量，同時提高了工作電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率，納米Fe3O4的吸附作用促進(jìn)了電極對Cd2+的吸附，兩種材料復(fù)合作用共同提高了Cd2+的沉積量，溶出峰電流隨之變大。

圖3 不同電極在含200 μg/L Cd2+醋酸鈉溶液中的溶出伏安響應(yīng)

2.3 電化學(xué)檢測條件優(yōu)化

2.3.1 電解質(zhì)與pH的影響

圖4(a)比較了電解質(zhì)種類對溶出峰電流的影響，同樣實驗條件下，0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液的響應(yīng)峰電流大于氯化鉀和磷酸鹽緩沖溶液的響應(yīng)峰電流。其現(xiàn)象可以解釋為：通電后，HAc-NaAc緩沖溶液中分子被迅速電解成正負(fù)離子，離子的電遷移增強(qiáng)了溶液的導(dǎo)電性，促進(jìn)了電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率，響應(yīng)電流值變大。因此,緩沖溶液選擇0.1 mol/L HAc-NaAc。圖4(b)為HAc-NaAc緩沖溶液pH值對Cd2+溶出伏安響應(yīng)的影響。pH值由3.8至5時，響應(yīng)峰值電流隨之增大，pH值超過5之后，響應(yīng)電流變小。其原因是：溶液pH值過低時，溶液中的H+含量高，在沉積過程中，H+和Cd2+形成競爭局面，“析氫”現(xiàn)象的出現(xiàn)降低了Cd2+在電極表面的沉積量；而溶液pH值過高時，溶液中含有大量的OH-，Cd2+和OH-產(chǎn)生反應(yīng)形成絡(luò)合物，降低Cd2+的溶出伏安信號。因此，最優(yōu)的pH值為5.0。

圖4 不同緩沖溶液和pH值的影響

2.3.2 沉積電位與時間的影響

由圖5(a)可觀察出溶出峰電流受沉積電位的影響。電位由-1.5 V增加到-1.3 V，峰電流不斷增大；電位高于-1.3 V后，峰電流不增反降。其原因是：沉積電位過負(fù)，修飾電極表面氫氣泡的出現(xiàn)不但影響Cd2+的沉積，還致使已沉積的Cd2+脫落；沉積電位高于-1.3 V時，無法提供充足的電化學(xué)能使Cd2+還原沉積。因此，沉積電位選-1.3 V。由圖5(b)可觀察出溶出峰電流受沉積時間的影響。在0～300 s內(nèi)，峰電流隨沉積時間增長而快速增大，但沉積時間大于300 s后，峰電流雖有增大但增長遲緩。其原因是：修飾電極表面位點有限，在后期難以提供足夠的位點使Cd2+快速沉積。綜合本實驗的檢測效率和靈敏度考量，沉積時間應(yīng)選300 s。

圖5 沉積電位和沉積時間的影響

2.4 線性標(biāo)準(zhǔn)曲線

確定優(yōu)化的沉積電位(-1.3 V)和沉積時間(300 s)等實驗參數(shù)，通過SWASV實驗，評估GR/Fe3O4/CS/GCE對多個濃度Cd2+檢測性能。圖6表明SWASV響應(yīng)峰電流與Cd2+濃度在4～200 μg/L內(nèi)線性擬合程度高，各曲線溶出峰清晰可見。圖6內(nèi)插圖對應(yīng)的線性回歸方程：Ip=0.091 2c-0.240 2(Ip為溶出峰值電流，c為Cd2+濃度)，檢出限LOD=0.89 μg/L(LOD=3N/K，N為空白標(biāo)準(zhǔn)偏差，K為線性方程斜率)，低于世衛(wèi)組織和中國規(guī)定的飲用水Cd2+濃度允許限值。

圖6 Cd2+檢測在GR/Fe3O4/CS/GCE上的方波溶出伏安響應(yīng)及其線性擬合

2.5 修飾電極穩(wěn)定性分析

為了評估GR/Fe3O4/CS/GCE重復(fù)實驗的穩(wěn)定性，在Cd2+濃度為200 μg/L的0.1 mol/L醋酸鈉緩沖溶液中連續(xù)進(jìn)行7次SWASV實驗，實驗結(jié)果如圖7。7次實驗溶出峰值電流的相對標(biāo)準(zhǔn)誤差(relative standard error,RSD)為2.7 %，表明該修飾電極應(yīng)用于檢測實驗具有良好的穩(wěn)定性。

圖7 同一修飾電極在200 μg/L Cd2+中測量7次的穩(wěn)定性變化

2.6 實際樣品鎘含量檢測分析

北部灣大學(xué)內(nèi)湖湖水來源于混合流入的茅尾海海水和欽江水，屬于近岸海水，水質(zhì)成分復(fù)雜。水樣樣品采集自校內(nèi)三處不同地點，將樣品靜置48 h，取上層清液并用0.45 μm的濾膜過濾，利用量筒量取25 mL樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實驗。由表1可知，實際水樣Cd2+濃度低于國家規(guī)定飲用水中的濃度限值5 μg/L，加標(biāo)回收實驗的回收率分別為99.3 %,105.2 %,106.7 %，表明基于此修飾電極的檢測精度高，GR/Fe3O4/CS/GCE可應(yīng)用于實際水樣鎘離子的高靈敏度檢測。

表1 實際樣品Cd2+濃度的檢測

3 結(jié) 論

本文制備了GR/Fe3O4/CS/GCE并用于Cd2+檢測研究，確定了最優(yōu)條件：緩沖溶液選擇0.1 mol/L醋酸鈉溶液，溶液pH 5.0，沉積電位-1.3 V，沉積時間300 s。優(yōu)化后檢測到Cd2+的響應(yīng)峰值電流與濃度在4～200 μg/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢出限為0.89 μg/L。最后,采集近岸海水進(jìn)行加標(biāo)實驗，實驗結(jié)果顯示Cd2+的回收率在99.3 %～106.7 %之間，基于該修飾電極為水質(zhì)Cd2+檢測提供了新的選擇。