“方波脈沖伏安法檢測水中鉍”教學(xué)實驗精密度的影響因素探究*

郭紅衛(wèi)，李 丹，張豐如，李仰濤，汪瑞楊，梁穎林，劉 燕

(嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 廣東 梅州 514015)

陽極溶出方波脈沖伏安法(Anodic stripping square wave voltammetry，ASSWV)是將分析物的恒電位電解預(yù)富集和先進(jìn)的方波脈沖伏安檢測相結(jié)合，長期以來被認(rèn)為是檢測痕量重金屬的一種強(qiáng)有力的技術(shù)[1]。該方法已廣泛用于工農(nóng)業(yè)[2]、環(huán)境[3-4]、醫(yī)學(xué)[5]、食品[6-7]和生命科學(xué)[8]等領(lǐng)域。在本院的電分析實驗中，“陽極溶出方波脈沖伏安法檢測水中鉍離子”是其中一個專題實驗，然而在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果的精密度較差。查詢大量文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，使用方波脈沖伏安法的實驗探究中，往往都是對沉積電位、沉積時間、脈沖寬度、脈沖振幅等參數(shù)的優(yōu)化[9-13]，其目的都是為了提高方波脈沖伏安法的靈敏度，有關(guān)方波脈沖伏安法精密度的相關(guān)研究很少。

ASSWV主要分為五個階段：電極預(yù)處理、金屬離子預(yù)富集、靜置、方波脈沖伏安法測試、電化學(xué)清洗。很多文獻(xiàn)對電極預(yù)處理條件、富集時的攪拌速度、靜置時間、電化學(xué)清洗條件往往沒有明確的規(guī)定，都是憑借每個實驗室的經(jīng)驗來對上述的條件進(jìn)行控制。特別是電極的拋光是手工操作，隨意性較大，在實際的教學(xué)工作中，如果教師不對相關(guān)因素做出明確規(guī)定，學(xué)生在實驗過程中往往條件控制不當(dāng)造成分析結(jié)果精密度較差，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。為了解決這個問題，本文以水中鉍離子為檢測對象，對ASSWV的上述條件進(jìn)行優(yōu)化，使改進(jìn)后的方案，操作更加精確、規(guī)范，更有利于學(xué)生掌握此項測試技術(shù)。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

使用CHI760E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)進(jìn)行所有的電化學(xué)檢測，使用玻碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑片電極為對電極的三電極體系。

1 g/L鉍標(biāo)準(zhǔn)溶液，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；其余所使用的試劑均為分析純試劑；所有實驗用水均為二次水。

1.2 實驗方法

1.2.1 電極的預(yù)處理

使用前，用粒徑分別為1 μm和0.3 μm的Al2O3粉在尼龍拋光布上對玻碳電極(直徑為3 mm)打磨拋光，沖洗后依次用無水乙醇和二次水超聲清洗一定時間。

1.2.2 陽極溶出方波脈沖伏安法測試

機(jī)械處理后，將三電極一起浸在含有10 μmol/L鉍標(biāo)液的醋酸鹽緩沖溶液(1 M，pH 4.5)中。將沉積電位(-1.0 V)施加到工作電極上，同時攪拌溶液。在預(yù)富集步驟(120 s)之后，停止攪拌，溶液靜置一定時間后，施加由負(fù)到正的方波脈沖電位掃描(電位步長為0.004 V，振幅0.0025 V，頻率15 Hz)。ASSWV分析完成后，進(jìn)行電化學(xué)清洗步驟,在工作電極上施加1.0 V的電位，持續(xù)一定時間從電極表面清除殘留金屬膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉍標(biāo)液的ASSWV曲線

根據(jù)實驗步驟1.2.2，測定10 μmol/L鉍標(biāo)液的ASSWV曲線。如圖1所示，在玻碳電極上鉍有一氧化峰，峰電位約為-0.27 V。

圖1 10 μmol/L鉍標(biāo)液的ASSWV曲線

2.2 單因素對結(jié)果精密度的影響研究

2.2.1 玻碳電極的拋光時間和超聲時間對結(jié)果精密度的影響

圖2 玻碳電極拋光時間對結(jié)果精密度的影響

固態(tài)電極預(yù)處理的一般程序通常是先把電極表面機(jī)械打磨成鏡面，隨后依次用有機(jī)溶劑(如乙醇、丙酮)和水超聲除油和殘留的拋光粉，其目的是獲得盡可能清潔且重現(xiàn)的表面狀態(tài)，以提高分析結(jié)果的重現(xiàn)性[14]。因此本實驗分別探究了不同的拋光時間(圖2)和超聲時間(圖3)對結(jié)果精密度的影響。每組數(shù)據(jù)平行測定三次，計算峰電流信號的相對平均偏差，以相對平均偏差的大小表示精密度的高低。

圖2顯示了不同拋光時間對結(jié)果精密度的影響。由圖2可知，拋光時間過短或過長，電極的表面狀態(tài)重現(xiàn)性都較差。打磨時間為6 min時相對誤差較小，所以選擇6 min(1 μm、0.3 μm各拋光3 min)為最佳條件。

圖3顯示了超聲時間的長短對結(jié)果精密度的影響。由圖3可知，超聲時間太短(0.5 min)，電極表面沒有清洗干凈，造成結(jié)果偏差較高。而超聲時間太長(大于2 min)，偏差隨時間延長急劇增大。為了探究其原因，我們把電極長時間超聲后(11 min)，放入1 mM(含0.1M KCl)的鐵氰化鉀溶液測其循環(huán)伏安法曲線，其氧化峰與還原峰之間的電位差遠(yuǎn)大于80 mV而且不能復(fù)原(經(jīng)過良好預(yù)處理的玻碳電極，其氧化峰與還原峰電位差通常小于80 mV)，意味著超聲時間太長可能影響玻碳電極的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使結(jié)果偏差增大。由圖3可以看出：超聲時間為1 min時相對平均偏差最小，所以選擇玻碳電極的超聲時間1 min為最佳條件。

圖3 玻碳電極超聲時間對結(jié)果精密度的影響

2.2.2 溶液的攪拌速度的影響

富集過程中溶液的攪拌速度會影響電極/溶液界面的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響分析物的富集效率，可能會影響分析結(jié)果重現(xiàn)性[15]。本實驗探究了攪拌速度對結(jié)果精密度的影響，如圖4所示。

圖4 溶液攪拌速度對結(jié)果精密度的影響

由圖4可知，在富集的過程中溶液的攪拌速度對結(jié)果精密度具有較大影響，在較低的攪拌速度時(100～300 r/min)，相對平均偏差基本恒定且小于3%，意味著電極/溶液反應(yīng)界面受攪拌的擾動比較小，富集效率恒定，分析結(jié)果重現(xiàn)較好。當(dāng)攪拌速度大于300 r/min，偏差急劇增大。這說明攪拌速度過大會影響電極/溶液反應(yīng)界面和富集效率的穩(wěn)定性，使實驗結(jié)果偏差增大。從圖3可得，當(dāng)攪拌速度為200 r/min時，偏差最低，所以選擇富集過程中溶液的攪拌速度200 r/min為最佳條件。

2.2.3 靜置時間的影響

預(yù)富集步驟后，溶液靜置一定時間是為了使電極表面金屬膜分布更均勻，消除攪拌帶來的對流傳質(zhì)的影響，可能會影響分析結(jié)果重現(xiàn)性[16]。本實驗探究了靜置時間對結(jié)果精密度的影響，如圖5所示。

圖5 靜置時間對結(jié)果精密度的影響

根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)置靜置時間從30 s到240 s，相對平均偏差基本恒定且小于2.5%，說明靜置時間并不是影響實驗結(jié)果精密度的主要因素。選擇偏差相對較小的60 s為最佳靜置時間。

2.2.4 電化學(xué)清洗時間的影響

伏安分析后，通常會在電極上施加一個較正的電位，以便氧化除去電極上殘留的金屬膜，消除電極的記憶效應(yīng)[17]。本實驗探究了電化學(xué)清洗時間對結(jié)果精密度的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 電化學(xué)清洗時間對結(jié)果精密度的影響

由圖6可知，電化學(xué)清洗時間的長短對結(jié)果精密度具有較大影響。時間太短，不能完全除去電極上殘留的金屬膜，對下一次的分析結(jié)果產(chǎn)生影響，造成偏差較高。但是時間過長，偏差也會增大，可能是長時間對工作電極施加較正電位，使工作電極的表面狀態(tài)受到影響。清洗時間為200 s時，相對平均偏差最小，所以選擇200 s為最佳電化學(xué)清洗時間。

2.2.5 不同清洗液的影響

考慮到強(qiáng)酸對金屬具有較強(qiáng)的溶解能力，我們進(jìn)一步探究了不同清洗液(10 μmol/L的鉍溶液、pH=4.5的HAc-NaAc的緩沖溶液、6 mol/L的硝酸溶液)對結(jié)果精密度的影響，如圖7所示。

圖7 在不同電化學(xué)清洗液進(jìn)行除殘對結(jié)果精密度的影響

由圖7可知，在三種不同的清洗液中，實驗結(jié)果的相對平均偏差相近且均在2%以內(nèi)，說明清洗液種類不是影響結(jié)果精密度的主要因素，因為6 mol/L的硝酸溶液具有一定的強(qiáng)氧化性，選擇檢測溶液(10 μmol/L的鉍溶液)作為清洗液。

2.3 正交實驗

2.3.1 實驗設(shè)計

表1 正交實驗因素及水平

表2 不同影響因素的正交實驗設(shè)計

為了進(jìn)一步確定各因素對結(jié)果精密度影響的主次，確定各因素的最優(yōu)水平及最優(yōu)組合，本實驗中加入了正交實驗。根據(jù)單因素實驗：靜置時間和清洗液的種類不是影響結(jié)果精密度的主要因素，而拋光時間、超聲時間、攪拌速度、電化學(xué)清洗時間對結(jié)果精密度的影響較大。因此選擇4因素3水平的正交實驗，如表1所示，正交實驗組合方案如表2所示。

2.3.2 結(jié)果分析

每個組合方案測定結(jié)果的相對偏差如表3所示，并對實驗結(jié)果進(jìn)行極差分析。極差分析采用求和極差法，求和極差法就是分別計算不同因素的同一水平對應(yīng)的偏差之和(K1，K2，K3)，并計算同列中K1，K2，K3最大差值。

表3 極差分析表

通過極差分析可得，最優(yōu)組合為：A3B1C1D3，與單因素的優(yōu)化結(jié)果一致。影響結(jié)果精密度的因素大小排序：工作電極的超聲時間>底液的攪拌速度>電化學(xué)清洗時間>電極的拋光時間。

在選定的優(yōu)化條件下，對濃度為10 μmol/L，5 μmol/L，1 μmol/L鉍標(biāo)準(zhǔn)樣品分別平行測定5次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.0%，2.5%，3.4%，偏差可以控制在一個較窄的范圍。因此確定陽極溶出方波脈沖伏安法檢測水中鉍離子條件為：機(jī)械打磨的總時間為6 min，打磨后用無水乙醇、二次水依次超聲1 min，富集時攪拌的速度為200 r/min，隨后的靜置時間為60 s，電化學(xué)清洗的時間為200 s，清洗溶液為檢測溶液。

3 結(jié) 論

通過對單一因素影響研究以及正交實驗結(jié)果可知：攪拌速度、拋光時間、超聲時間、電化學(xué)清洗時間對結(jié)果精密度的影響較大。且這四個影響因素排序為：工作電極的超聲時間>底液的攪拌速度>電化學(xué)清洗時間>電極的拋光時間。在選定的優(yōu)化條件下，對濃度為10 μmol/L，5 μmol/L，1 μmol/L鉍標(biāo)準(zhǔn)樣品分別平行測定5次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.0%，2.5%，3.4%。本實驗優(yōu)化方案經(jīng)過反復(fù)操作驗證，能有效提高學(xué)生實驗結(jié)果的精密度，改進(jìn)后的實驗過程操作更加規(guī)范，更有利于學(xué)生掌握此項測試技術(shù)，有效提高本科生教學(xué)質(zhì)量，并進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炞黠L(fēng)。