凹凸棒石修飾絲網(wǎng)印刷碳電極的制備及其在Cd(Ⅱ)檢測(cè)中應(yīng)用

陸紫琪， 劉 帥， 程蓋弼， 王曉康， 陳健強(qiáng)*，董元華*， 劉 云

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000；3.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210037;4.江蘇蓋亞環(huán)境科技股份有限公司，江蘇蘇州 215000)

當(dāng)下，重金屬污染是危害環(huán)境和人體健康的重要原因。人類高強(qiáng)度的生產(chǎn)活動(dòng)，如開采礦山、冶煉金屬及使用農(nóng)藥化肥等行為，使部分生態(tài)系統(tǒng)面臨重金屬含量超出環(huán)境容許范圍的危機(jī)[1]。重金屬污染具有長期性、累積性、潛伏性等特點(diǎn)，在自然生態(tài)環(huán)境中難以降解[2]，各國對(duì)環(huán)境中重金屬含量都有嚴(yán)格要求[3]，如對(duì)于飲用水，中國、美國和加拿大規(guī)定砷、鎘最大允許濃度分別為10 μg/L和5 μg/L。其中，鎘作為一種典型的有毒有害重金屬，在低濃度即引起毒性反應(yīng)，當(dāng)Cd(Ⅱ)通過食物鏈積累在人體中，會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)、胃腸道和骨骼疾病，最終危害人體健康[4]。

目前已有多種分析方法用于重金屬檢測(cè)，例如光譜法[5]、質(zhì)譜法[6]、比色法[7]以及電化學(xué)方法[8]。電化學(xué)檢測(cè)中方波陽極溶出伏安法(SWASV)測(cè)定重金屬具有快速、高靈敏度、低成本等優(yōu)點(diǎn)。我國在食品安全檢測(cè)、水質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域近年來將其列為標(biāo)準(zhǔn)方法之一[9]。絲網(wǎng)印刷電極的開發(fā)促進(jìn)了電化學(xué)傳感器向小型化、批量化發(fā)展，通過對(duì)電極表面進(jìn)行特定的修飾，如改性納米材料包括金屬納米顆粒、金屬氧化物納米顆粒、碳質(zhì)納米材料及其納米復(fù)合材料等[10,11]，可以提高電化學(xué)傳感器測(cè)定重金屬離子的檢測(cè)性能。

凹凸棒石粘土礦物是一種具備納米孔道結(jié)構(gòu)的天然鎂鋁硅酸基的礦物，其特殊的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性能、高度分散性、耐高溫以及優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥及環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[12,13]。近年來，低廉價(jià)格且具有優(yōu)異性能的凹凸棒石粘土礦物在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用逐漸引起關(guān)注。Xiong等[14]制備了30 kGy輻射處理的凹凸棒石，將其和離子液體混合得到復(fù)合材料，該材料修飾的電極可用于同時(shí)檢測(cè)Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)，具有優(yōu)異的檢測(cè)性能。Sherman等[15]使用甲苯改性的凹凸棒石修飾玻碳電極檢測(cè)水中Pb2+，線性范圍4.0×10-12～4.0×10-11mol/L，Na+、K+、Cl-等共存離子對(duì)Pb(Ⅱ)檢測(cè)峰電流無明顯影響。凹凸棒粘土礦物也可作為載體將氧化還原蛋白質(zhì)固定在電極表面，提高電化學(xué)傳感器對(duì)葡萄糖[16]、細(xì)胞色素C和血紅蛋白等物質(zhì)[17]的檢測(cè)性能。但是，用于修飾電化學(xué)傳感器的凹凸棒石粘土礦物復(fù)合材料制備過程需精細(xì)把控，部分試劑對(duì)環(huán)境有污染危害。目前關(guān)于天然凹凸棒石粘土礦物直接應(yīng)用于重金屬檢測(cè)還鮮有報(bào)道。

本研究采用凹凸棒石粘土礦物對(duì)商品化的絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)進(jìn)行修飾，考察了材料修飾濃度、電解液pH值、富集電位和富集時(shí)間對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，評(píng)價(jià)了方法的檢出限、線性范圍和穩(wěn)定性，并用于實(shí)際河水中的檢測(cè)。利用天然凹凸棒石粘土礦物材料構(gòu)建靈敏的重金屬電化學(xué)傳感器，為監(jiān)測(cè)環(huán)境中的Cd(Ⅱ)提供了一種快捷的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；絲網(wǎng)印刷碳電極(青島波碳科技有限公司)；7700x電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent，美國)；Avio200電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PerkinElmer，美國)；LEO1530VP掃描電子顯微鏡(LEO Electron Microscopy Ltd.，德國)；Ultima Ⅳ X射線衍射儀(理學(xué)株式會(huì)社，日本)；Nicolet iS 50傅里葉紅外光譜儀(ThermoFisher，美國)。

Cd(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 000 mg/L，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心)，Pb2+、Zn2+、K+標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 000 mg/L，西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司)。5%全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液(Nafion，杜邦中國集團(tuán)有限公司)，凹凸棒石粘土礦物(江蘇盱眙)，其他試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為Millipore-Q超純水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 修飾電極的制備

凹凸棒石粘土礦物分散于1%質(zhì)量濃度Nafion溶液(5%Nafion溶液用超純水稀釋)，得到修飾材料分散液，分散液每次使用前先超聲振蕩30 min。絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)，基底材質(zhì)為聚對(duì)苯二甲酸乙酯(PET)，工作電極和對(duì)電極為碳電極，參比電極為Ag/AgCl電極。取10 μL分散液滴涂在工作電極表面，在烘箱60 ℃條件下干燥30 min，即得到修飾的電極。不同濃度凹凸棒石粘土礦物修飾電極分別記為：A1-SPCE(1 mg/mL)，A2-SPCE(2 mg/mL)，A3-SPCE(3 mg/mL)。未修飾電極作為對(duì)照，記為SPCE。

1.3 Cd(Ⅱ)的電化學(xué)檢測(cè)

在室溫條件下采用三電極體系進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，絲網(wǎng)印刷電極在10 mL 0.1 mol/L的HAc-NaAc電解溶液中測(cè)定Cd(Ⅱ)濃度。SWASV包括富集和溶出兩步，在恒定電位下攪拌富集一定時(shí)間，富集結(jié)束后靜置10 s使溶液平衡。研究電化學(xué)參數(shù)對(duì)檢測(cè)性能的影響，富集電位Ed區(qū)間為-1.3 V～-1.7 V，富集時(shí)間td區(qū)間為30～270 s，SWASV檢測(cè)的電位掃描范圍為-1.30～-0.30 V，方波振幅25 mV，電位階躍4 mV，頻率15 Hz。記錄Cd(Ⅱ)溶出伏安曲線，根據(jù)不同濃度Cd(Ⅱ)的溶出伏安曲線的峰值電流，繪制濃度-電流曲線。每次測(cè)量后將電位于0.30 V攪拌條件下保持180 s，更新電極表面，溶出前一次的富集物。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

圖1為不同放大倍數(shù)下凹凸棒石粘土礦物的掃描電鏡(SEM)圖。在放大2.00×103和10.0×103倍條件下(圖1(a)、1(b))，可以觀察到凹凸棒石粘土礦物呈現(xiàn)出團(tuán)聚的顆粒狀態(tài)，且團(tuán)聚的顆粒大小不一，在晶體表面上也能夠觀察到單獨(dú)的纖維和棒狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步放大倍數(shù)后(如圖1(c)、1(d))，可以清晰地看到凹凸棒石粘土礦物為纖維棒狀或針狀結(jié)構(gòu)，直徑50～60 nm左右，長度約為550 nm。

圖1 凹凸棒石粘土礦物在2.00×103(a)、10.0×103(b)、100×103(c)、400×103(d)放大倍數(shù)下掃描電鏡(SEM)圖像Fig.1 SEM image of attapulgite clay mineral at 2.00×103(a),10.0×103(b),100×103(c),400×103(d) magnification

X射線衍射(XRD)圖譜(圖2)顯示凹凸棒石粘土礦物在2θ=8.49°、13.85°、16.39°、19.83°、21.42°、26.65°和34.95°出現(xiàn)7個(gè)尖銳的衍射峰，在衍射角度2θ=8.49°處，凹凸棒土層間距為1.055 nm，是凹凸棒石粘土(110)晶面的特征衍射峰[19,20]。在2θ=13.85°、16.39°處是(200)和(130)晶面微弱的特征衍射峰，同時(shí)2θ=19.83°、21.42°是(040)和(310)晶面的衍射峰。2θ=26.65°出現(xiàn)的尖銳衍射峰是凹凸棒石共生礦物石英的衍射峰，為石英(041)晶面。其中(110)和(041)晶面是樣品中區(qū)別于其他礦物的特征峰，衍射峰尖銳且更高，表明這兩種晶面的原子陣列在樣品中存在較多，結(jié)晶度好。

凹凸棒石粘土礦物的傅里葉紅外(FT-IR)光譜如圖3所示，出現(xiàn)在990 cm-1和1 031 cm-1的特征峰與凹凸棒石粘土礦物結(jié)構(gòu)框架中Si-O-Si鍵的彎曲振動(dòng)有關(guān)[18]，在1 195 cm-1處檢測(cè)到的特征峰為Si-O鍵的伸縮振動(dòng)，而在1 660 cm-1處的特征峰是由吸附在凹凸棒石粘土礦物表面水分子的彎曲振動(dòng)引起的。3 700～3 200 cm-1之間出現(xiàn)特征峰屬于-OH的伸縮振動(dòng)。其中，3 620 cm-1不僅與陽離子Al3+相結(jié)合的-OH的伸縮振動(dòng)有關(guān)，還與Mg-OH中的-OH伸縮振動(dòng)[19]。3 560 cm-1處的特征峰為(Fe,Mg)-OH和(Al,Mg)-OH中羥基的伸縮振動(dòng)。峰值強(qiáng)度在3 390 cm-1處是吸收水中的-OH導(dǎo)致。此外，在795 cm-1處存在一個(gè)微弱的峰，是由于Mg-O-Si的振動(dòng)產(chǎn)生的。

圖2 凹凸棒石粘土礦物的X射線衍射(XRD)圖譜Fig.2 XRD pattern of attapulgite clay mineral

圖3 凹凸棒石粘土礦物的傅里葉紅外(FT-IR)光譜圖Fig.3 FT-IR spectum of attapulgite clay mineral

2.2 電極的電化學(xué)表征

使用K3[Fe(CN)6]溶液與KCl的混合溶液作為探針，利用循環(huán)伏安法(CV)對(duì)修飾絲網(wǎng)印刷電極的電化學(xué)性能表征，結(jié)果見圖4(a)。相比于未修飾條件，凹凸棒石粘土礦物修飾阻礙了電極表面電子傳遞，但凹凸棒石粘土礦物提供的活性位點(diǎn)隨著修飾濃度的增加而增加，電子傳輸能力隨之提升。

圖4 (a)凹凸棒石粘土礦物不同修飾濃度條件下循環(huán)伏安圖；(b)不同溶液中修飾電極的EIS圖Fig.4 (a)CVs of different modified electrodes in 0.1 mol/L KCl solution(containing 5 mmol/L K3[Fe(CN)6]);(b) EIS of modified electrodes in HAc-NaAc solution and 0.1 mol/L KCl solution (containing 5 mmol/L K3[Fe(CN)6)]

圖4(b)為基于Nafion分散的凹凸棒石粘土礦物修飾濃度為1 mg/L電極分別在0.1 mol/L KCl-5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和pH=4.0 HAc-NaAc緩沖溶液中檢測(cè)得到的電化學(xué)交流阻抗(EIS)圖，電子傳遞阻抗分別約為300 Ω和470 Ω。修飾電極在0.1 mol/L KCl-5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的導(dǎo)電性優(yōu)于0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液，主要是因?yàn)槿芤褐蠯Cl增強(qiáng)了導(dǎo)電性。

2.3 傳感器對(duì)Cd(Ⅱ)的檢測(cè)性能

2.3.1 凹凸棒石粘土礦物修飾濃度的影響為進(jìn)一步研究本實(shí)驗(yàn)制備材料的性能，對(duì)不同濃度凹凸棒石粘土礦物修飾后的絲網(wǎng)印刷碳電極在同一條件下檢測(cè)性能進(jìn)行比較。圖5為三種凹凸棒石粘土礦物修飾條件和Nafion修飾條件下電極對(duì)Cd(Ⅱ)(50 μg/L)檢測(cè)的SWASV曲線。緩沖溶液為0.1 mol/L HAc-NaAc(pH=4.0)。Nafion是化學(xué)修飾電極中常用的具有粘度和陽離子交換作用的分散液，1%Nafion修飾電極(N-SPCE)SWASV曲線上存在著一個(gè)弱且不明顯的溶出峰。通過金屬氧化還原電勢(shì)與Ag/AgCl參比電極電位可知，溶出電位對(duì)應(yīng)于Cd(Ⅱ)。在檢測(cè)溶液體系條件相同情況下，溶出峰電位受到儀器測(cè)量性能、凹凸棒石粘土礦物的團(tuán)聚顆粒大小和其在電極表面分散程度影響。通過凹凸棒石粘土礦物修飾后,電極的SWASV曲線上出現(xiàn)了明顯的Cd(Ⅱ)溶出峰信號(hào)，表明修飾材料增強(qiáng)了電極對(duì)Cd(Ⅱ)的檢測(cè)響應(yīng)，且凹凸棒石粘土礦物2 mg/mL濃度修飾檢測(cè)效果最佳。

圖5 不同濃度凹凸棒石粘土礦物修飾電極在含有Cd(Ⅱ)(50 μg/L)的0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.0)中的SWASV曲線Fig.5 SWASV curves of different modified electrodes in HAc-NaAc solution (0.1 mol/L pH=4.0) containing 50 μg/L Cd(Ⅱ)

2.3.2 溶液pH的影響緩沖溶液的pH值是影響檢測(cè)靈敏度的重要因素。研究Cd(Ⅱ)在不同pH的HAc-NaAc緩沖溶液中的溶出曲線。如圖6所示，Cd(Ⅱ)在緩沖溶液pH=4.0條件下峰電流最大，且在緩沖溶液pH=4.0時(shí)修飾電極的阻抗值相對(duì)較低，這與文獻(xiàn)報(bào)道中被廣泛接受的HAc-NaAc緩沖液pH=4.5不同[20 - 22]，溶液pH較低時(shí)存在較高濃度的H+，H+和金屬離子均會(huì)在工作電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生競爭從而影響金屬離子的富集效果；溶液pH增大時(shí)，OH-通過與金屬離子絡(luò)合，進(jìn)而影響金屬離子在電極表面的富集導(dǎo)致溶出電流減小[23]。凹凸棒石粘土礦物修飾電極在緩沖溶液pH=4.0時(shí)，電化學(xué)信號(hào)最強(qiáng)，因此選擇0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.0)為反應(yīng)底液。

圖6 (a)0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液pH值對(duì)凹凸棒石粘土礦物修飾電極檢測(cè)Cd(Ⅱ)的影響；(b)0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液pH值對(duì)凹凸棒石粘土礦物修飾電極EIS的影響Fig.6 (a)The influence of pH of 0.1 mol/L HAc-NaAc solution on the detection of Cd(Ⅱ) by the modified electrodes;(b) EIS of modified electrodes in 0.1 mol/L HAc-NaAc solutions with different pH

2.3.3 富集電位和富集時(shí)間的影響固定富集時(shí)間為180 s，改變富集電位，研究Cd(Ⅱ)溶出峰電流隨富集電位變化的情況，結(jié)果如圖7(a)所示。隨著富集電位從-1.3 V降到-1.5 V，Cd(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸增大，富集電位為-1.5 V時(shí)，Cd(Ⅱ)溶出峰電流達(dá)到最大。富集電位繼續(xù)負(fù)移時(shí)，溶出電流開始降低。在-1.7 V時(shí)的溶出峰電流高于-1.6 V，雖然過高的富集電位也會(huì)加快富集過程，但是容易富集雜離子而產(chǎn)生干擾，因此選擇富集電位為-1.5 V。

對(duì)不同的富集時(shí)間進(jìn)行分析，富集時(shí)間從30 s到270 s，固定富集電位-1.5 V，Cd(Ⅱ)濃度為50 μg/L。富集時(shí)間和峰電流關(guān)系如圖7(b)所示，溶出電流隨著富集時(shí)間的增加而一直增大，說明峰電流受富集時(shí)間影響較大，富集到電極表面的Cd(Ⅱ)隨著富集時(shí)間的增加逐漸增多，溶出性能也得到進(jìn)一步提高。但是當(dāng)富集時(shí)間超過210 s時(shí)，溶出電流增大的趨勢(shì)減緩，說明修飾電極表面已開始趨近于飽和狀態(tài)，繼續(xù)增加富集時(shí)間對(duì)于我們所期望的快速檢測(cè)是不利的。因此，為了獲得更低的檢出限和更寬的響應(yīng)范圍，實(shí)驗(yàn)選擇210 s作為電化學(xué)檢測(cè)的富集時(shí)間。

圖7 (a)富集電位對(duì)Cd(Ⅱ) (50 μg/L)溶出峰電流的影響；(b)富集時(shí)間對(duì)Cd(Ⅱ) (50 μg/L)溶出峰電流的影響Fig.7 (a)Influence of accumulation potential on currents of Cd(Ⅱ) (50 μg/L);(b)Influence of accumulation time on currents of Cd(Ⅱ) (50 μg/L)

2.4 線性范圍和檢出限

在富集電位-1.5 V，富集時(shí)間210 s，0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.0)條件下，采用SWASV測(cè)定不同濃度Cd(Ⅱ)得到的溶出曲線，如圖8所示。Cd(Ⅱ)濃度在10～175 μg/L范圍內(nèi)，溶出曲線的峰形良好，溶出峰電流隨著濃度的增加而線性增大，Cd(Ⅱ)濃度(x)與峰電流(y)線性回歸方程為：y(μA)=0.09056x+0.33497(R2=0.9951)，檢出限(S/N=3)為1.18 μg/L，低于世界衛(wèi)生組織和我國規(guī)定的飲用水中允許的最大含量。與文獻(xiàn)報(bào)道的修飾電極檢測(cè)Cd(Ⅱ)的方法相比(表1)，凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷電極具有良好的溶出伏安特性。

圖8 (a)凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷碳電極檢測(cè)不同Cd(Ⅱ)濃度的溶出伏安圖；(b)Cd(Ⅱ)溶出峰電流與濃度的線性關(guān)系Fig.8 (a) SWASV curves of different concentrations of Cd(Ⅱ) on modified electrodes;(b) The linear calibration between the current responses and the concentration of Cd(Ⅱ)

表1 基于不同修飾的絲網(wǎng)印刷電極檢測(cè)Cd(Ⅱ)的性能比較

2.5 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和抗干擾能力

為了考察優(yōu)化條件下修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，在相同條件下，從修飾電極中隨機(jī)選取5支，檢測(cè)5組Cd(Ⅱ)溶液樣品，每組樣品分別進(jìn)行7次平行測(cè)定，對(duì)7次測(cè)定的峰電流計(jì)算平均值，峰電流數(shù)據(jù)之間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.0%，說明修飾的電極具有較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)選擇加入Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+和Pb2+作為干擾離子。結(jié)果表明，在Zn2+和Pb2+為1.25×103μg/L時(shí)，即Cd(Ⅱ)濃度50倍的情況下，與單獨(dú)檢測(cè)Cd(Ⅱ)的溶出信號(hào)相比變化在±2%內(nèi)；在Na+、K+、Ca2+、Mg2+為5.0×103μg/L時(shí)，即為Cd(Ⅱ)濃度100倍時(shí)，溶出曲線與單獨(dú)檢測(cè)Cd(Ⅱ)的溶出信號(hào)相比變化在±5%內(nèi)，表明凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷碳電極具有良好的抗干擾性能。

2.6 實(shí)際水樣分析

采集南京林業(yè)大學(xué)紫湖溪河水水樣，使用制備的改性電極結(jié)合SWASV對(duì)水體中的Cd(Ⅱ)含量進(jìn)行了檢測(cè)。首先將水樣本過濾，濾除泥沙等大顆粒固態(tài)雜質(zhì)。過濾后的實(shí)際水樣與0.2 mol/L HAc-NaAc溶液以體積比1∶1混合，使用NaOH溶液將被測(cè)溶液pH值調(diào)節(jié)至4.0。過濾后的河水樣本使用ICP-MS檢測(cè)Cd(Ⅱ)含量為0.465 μg/L。通過使用標(biāo)準(zhǔn)加入方法對(duì)先前檢測(cè)到的樣品進(jìn)行驗(yàn)證，重復(fù)測(cè)定3次。結(jié)果顯示(表2)，RSD小于3%，Cd(Ⅱ)回收率為98.6%～103.5%，表明制備的改性電極可用于實(shí)際水環(huán)境中Cd(Ⅱ)的實(shí)時(shí)快速分析。

表2 實(shí)際水樣測(cè)定結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論

本研究基于方波陽極溶出伏安法，構(gòu)建了凹凸棒石粘土礦物修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極傳感器，可用于檢測(cè)水溶液中Cd(Ⅱ)含量。在優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)條件下，Cd(Ⅱ)溶出峰電流與濃度具有良好的線性關(guān)系。在實(shí)際水樣的加標(biāo)回收檢測(cè)中，該修飾電極顯示出了良好的回收率。凹凸棒石粘土礦物修飾絲網(wǎng)印刷電極制備簡單，價(jià)格低廉，商業(yè)化生產(chǎn)可行性高，且重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和抗干擾能力令人滿意，為基于現(xiàn)場(chǎng)的重金屬快速檢測(cè)提供了一種成本低且安全的新方法。