氮掺杂石墨烯修饰电极检测稻田水中重金属污染的研究

李炎林，刘福明，张亦伦，林宏亮，张亚莉

（华南农业大学工程学院，广州　510642）



氮掺杂石墨烯修饰电极检测稻田水中重金属污染的研究

李炎林，刘福明，张亦伦，林宏亮，张亚莉※

（华南农业大学工程学院，广州510642）

摘要：水稻是我国主要粮食作物，在粮食安全中占有极其重要的地位，镉（Cd(2+)）和铅（Pb(2+)）是稻田水中常见的重金属污染物，受到污染的水用于下游农田的灌溉，将进一步扩大重金属的污染，给人们食品安全和身体健康造成威胁，因此稻田水中重金属污染的检测非常重要。本文以差分脉冲阳极溶出伏安法，制备了氮掺杂石墨烯修饰的电极并使用该电极对稻田水溶液中镉（Cd(2+)）、铅（Pb(2+)）两种重金属的含量进行检测，并在华南农业大学跃进农场水稻田采集了水样，经过室内试验测得，该水样质量达标。

关键词：氮掺杂石墨烯，重金属，差分脉冲阳极溶出伏安法，稻田水

随着工业化、城市化、农业现代化的迅速发展，人类通过大量开发利用矿产资源、金属冶炼、农药化肥使用、生活垃圾焚烧、污泥污水利用、汽车尾气排放等途径，向环境中排放的重金属逐年增加[1]。近几年来，重金属对水稻的污染也变得越来越显著。

据资料显示，镉（Cd2+）能够减少每株穗数和每穗总粒数、降低结实率、减轻粒重等，从而显著降低水稻的产量，引发严重的经济性状[2]。而铅（Pb2+）污染则会抑制水稻的芽长和水稻幼苗的生长发育、刺激地下节间伸长、减少叶片表面积和影响稻米的品质等[3]。过量的重金属在水稻的根、茎、叶以及籽粒中富集后具有生物放大效应，不仅影响水稻产量和品质，甚至是整个农田生态系统，而且还会通过食物链危及动物和人类的健康[4]。水稻是我国主要粮食作物，在粮食安全中占有极其重要的地位，因此稻田水中重金属污染的检测也就显得十分重要。

目前应用于水体中重金属离子含量的检测方法主要有络合滴定法、分光光度法、化学发光法、电化学分析法、色谱法、光谱法和质谱法等[5]。相比之下，电化学溶出伏安分析技术在检测水体重金属中是强有力的工具。由于仪器简单、操作方便、灵敏度高、检测成本低等优点，差分脉冲溶出伏安法（DPASV）备受化学分析工作者的青睐[6]。

阳极溶出伏安法是先将被测物质通过阴极还原富集在电极上，再由负向正电位扫描溶出，然后根据溶出伏安曲线进行分析测定的。如今，阳极溶出伏安法在应用镉（Cd2+）和铅（Pb2+）的检测分析中已经取得显著的成果。Prego[7]等采用差分脉冲阳极溶出伏安法（DPASV）测定大西洋东北部因油轮失事引起的表层海水（0～200 m）重金属铅（Pb2+）、镉（Cd2+）、铜（Cu2+）的污染情况，效果满意。赵会欣[8]等人基于差分脉冲阳极溶出伏安法（DPASV），研制出一种用于监测水环境痕量重金属浓度的化学传感器，实现了锌（Zn2+）、铁（Fe2+）、铅（Pb2+）、铜（Cu2+）的同时测定。罗立强[9]等提出了铋膜修饰的碳糊电极方波阳极溶出伏安法测定水样中微量的铅（Pb2+）和镉（Cd2+）的新方法，灵敏度高，电极表面易更新，且铋无毒性。

对于稻田水中的重金属浓度进行实时有效的快速检测，也有助于对潜在的环境污染做出及时的响应。本研究基于差分脉冲溶出伏安法，使用铋膜修饰的丝网印刷电极来测定稻田水样中微量的镉（Cd2+）和铅（Pb2+）。然后通过一系列实验条件的对比优化实验参数，对实验结果进行总结分析，最后按照国家农业水环境相关标准，在田间取样检测稻田水中重金属镉（Cd2+）和铅（Pb2+）的浓度是否达到农业用水标准，同时为进一步研制便携式的重金属检测传感器系统提供理论基础和实验数据参考。

1　实验部分

1.1实验仪器和试剂

仪器包括上海辰华仪器有限公司的电化学工作站（CHI760e）；超声波清洗机；移液枪等，具体见表1。本实验采用三电极体系：Ag/AgCl电极和铂电极分别作为参比电极和对电极，丝网印刷电极作为工作电极。

表1　实验仪器

试剂：1 000 mg/L Bi3+标准溶液；100 mg/L Cd2+、Pb2+混合标准溶液；1M NaAc-HAc缓冲溶液（pH=4.5）；2 mg/mL 1∶100 N-doped rGO溶液；去离子水；无水乙醇；稻田水（水样）。

1.2电极制备的方法和材料

因为氮元素的电负性比碳元素大，氮掺杂可使得周围的碳原子带上更多的正电荷，从而有利于重金属阳离子在电极表面的吸附效果[10]。而本实验所用的1∶100N-doped rGO是使用尿素作为GO（氧化石墨烯）水分散体的化学掺杂质，通过水热法合成的。通常情况下，10 mL的GO（40 mg）水分散体是用25 mL去离子水稀释，然后向GO分散体加入一个给定的量的尿素，在超声波下处理3 h；在此之后，将溶液密封在50 mL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，并且温度保持为180℃，持续12 h；其中固体（N掺杂的石墨烯片）过滤出来，用蒸馏水洗涤几次；最后，将收集的样品放在80℃的真空烘箱中干燥[11]。

在本实验中，首先将活化好的SPE彻底清洁、干燥后，使用微量注射器吸取0.4μL的1∶100N-doped rGO混合液滴加到SPE表面，操作如图1，并在炽光灯下干燥；接着再次吸取0.5μL的1∶100N-doped rGO溶液滴加到SPE表面，干燥之后，重复此步骤2次；最后将修饰电极罩在洁净的小烧杯里，防止外界污染。待溶剂完全挥发后，即制得氮掺杂的石墨烯修饰丝网印刷电极（标记为N-rGO/SPE）。

1.3实验方法

在小烧杯中加入1 mol/L NaAc-HAc缓冲溶液9 mL及水样1 mL，在溶液中加入1 000 mg/L Bi3+标准溶液3 μL，插入三电极系统，用差分脉冲溶出伏安法扫描并记录溶出曲线（测定条件：沉积电位-1.0 V，沉积时间120 s，初始电位-1.0 V，终止电位0 V，电位增量5 mV，脉冲幅度50 mV，脉冲宽度60 ms，脉冲周期100 ms，清洗电位500 mV，清洗时间60 s，等待时间15 s）。

图1　工作电极修饰

2　实验结果与讨论

2.1Cd2+、Pb2+的溶出伏安特性

在上述测定方法中，水样以去离子水代替，加入100 mg/L的Pb2+、Cd2+混合标准溶液5 μL，其他条件不变，即溶液中Pb2+、Cd2+浓度为50 ppb，测定结果如图2。由图可以看出，在-0.793 V、-0.597 V分别出现Cd2+、Pb2+的溶出峰。

图2　Cd2+、Pb2+的溶出伏安特性

2.2实验条件的优化

为了减少不同沉积电位、不同沉积时间和Bi3+浓度对试验的影响，在对土壤溶液进行试验之前，进行了以下条件的优化。

2.2.1沉积时间的影响

沉积时间是影响铋膜在印刷电极表面形成的一个重要因素。当沉积电位为1.0 V，沉积时间从30 s增加到210 s时，峰电流的变化情况如图3。在120 s附近，Cd2+曲线斜率略微变小；而Pb2+在整个时间变化区间上，峰电流呈线性增加。由曲线变化趋势可知，沉积时间的增加能显著提高测定的灵敏度。在保持较高灵敏度的情况下，考虑测试效率，本实验选择的最优测定时间为120 s。

图3　沉积时间的影响

2.2.2沉积电位的影响

在-1.2～-0.9 V改变沉积电位进行实验，由图4可得知峰电流先缓慢上升然后下降，在-1.0 V时达到最大值。由于沉积电位越小，析氢反应越剧烈，从而在电极表面形成气泡而影响金属的沉积，故本实验选择最优沉积电位为-1.0 V。

图4　沉积电位的影响

2.2.3Bi3+浓度的影响

在上述条件中，改变加入的Bi3+的浓度，在待测溶液中Bi3+浓度范围在100～1 200 ppb之间进行实验，测定浓度均为50 ppb的重金属Cd2+和Pb2+。由图5可知，随着Bi3+浓度的增加，对于Cd2+和Pb2+，峰电流是先增加后急剧下降，但均在Bi3+浓度为300 ppb时达到最大值。因此本实验选择Bi3+浓度为300 ppb。

图5　Bi3+浓度的影响

2.3工作曲线

在选定的最优实验条件下测定一系列Pb2+、Cd2+混合标准溶液，由于Pb2+、Cd2+浓度较大时，峰变宽导致峰电流变小，线性变差，所以选用峰面积作定量分析比峰电流更佳。由图6可知，Pb2+在浓度大于100 ppb时出现拐点，Cd2+在浓度大于200 ppb时才出现拐点。由于测定的水样中重金属浓度较低，而由图7可知，Cd2+和Pb2+均在浓度范围为0～100 ppb与溶出峰面积呈线性关系。故选择在0～100 ppb范围内进行线性拟合，结果如下：

图6　峰面积随Cd2+、Pb2+浓度的变化

图7　浓度为0～100 ppb的Cd2+和Pb2+的溶出伏安曲线（插图为相对应的标准曲线图）

3测试与实验分析

3.1试验取样

取样时间：2015年10月10日。

取样地点：华南农业大学跃进教学实验水稻田。

在不同农田的不同位置，取水沟中部距水面以下3～5 cm共6瓶稻田水作为样本，具体位置如图8所示。

图8　取样位置

3.2对土壤溶液的处理

湿法消化：先用移液枪吸取1.00 mL样品到25 mL烧杯中，然后置于电磁搅拌器上搅拌蒸发，直至样品完全蒸干；取下稍冷后，加入1 mL浓硫酸、1 mL过氧化氢，于通风橱内搅拌，加热消化。如果消化液颜色较深，继续滴加过氧化氢溶液，直至消化液无色透明。待消化液冷却后，将其定容于10 mL的容量瓶中（盛放消化液的烧杯要记得清洗，并且清洗后的溶液要倒进容量瓶里）。

3.3仪器最优工作参数设置

表2　最优工作参数

3.4试验步骤

1）取1 mL处理后的水样溶液和9 mL NaAC-HAC缓冲液于25 mL的烧杯中，加入搅拌子；

2）将已完成优化的修饰丝网电极、参比电极和对电极分别夹于电化学工作站的三个数据夹上，并将电化学工作站的操作参数设置为最优工作参数；

3）启动软件，开始测试；测试完毕，清洗电极；

4）测出峰面积，代入线性拟合方程，计算出重金属浓度，如表3所示。

表3　水样的Cd2+与Pb2+浓度

3.5检测结果分析

根据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》V类标准，农业用水区及一般景观要求水域：Cd2+的浓度不高于0.01 mg/L，Pb2+浓度不高于0.1 mg/L。根据计算结果对比可得，这些水样均符合V类标准。

4　结论

本研究以化学修饰电极和电化学传感技术为理论依据，结合纳米材料和金属修饰剂的选择性、实用性的特点，以新型的碳纳米材料为媒介，并通过实验的验证，得出了一种能有效检测稻田水中重金属镉、铅的响应性能优良的新型电流型传感方法。

与玻碳电极相比，丝网印刷电极作为新型电化学传感器的重要选择对象之一，因价格低廉、便携、一次可抛等优势逐渐引起了电化学分析领域的学者和工业应用工程师的关注。本文用氮掺杂的石墨烯修饰一次性丝网印刷电极的制备方法简单，且具有良好的重现性和稳定性，对实验时间的限制不苛刻，极大地方便了实验者的工作安排。所以运用修饰电极技术，逐步改善丝网印刷电极的性能，可以使之在便携检测、在线监测、应急监测等领域的应用和研究得到快速的发展。

纳米材料不仅有奇特的空间结构，较大的比表面积和优良的化学热稳定性，而且在机械、电学和电化学方面的属性性质也非常卓越，为科研工作者们在电化学、电化学传感、生物传感及电催化等领域的应用研究提供了优良的材料支持。

参考文献

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[2]程旺大，姚海根，张国平，等.镉胁迫对水稻生长和营养代谢的影响[J].中国农业科学, 2005, 38（3）：528-537.

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通讯作者：※张亚莉（1975-），女，讲师，博士，研究方向为农情信息快速检测方法及传感器系统研究。E-mail：ylzhang@scau.edu.cn

作者简介：李炎林（1994-），男，在读本科，农业机械化及自动化（机电一体化方向）专业。E-mail：liyanlin3@qq.com

基金项目：华南农业大学2014年大学生创新创业训练计划项目