线性扫描极谱法检测环境水样中四环素

孙雪梅,吉 喆,高娅玲,王 饵,张增强,陈 文*

(1.成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都610059;2.四川省矿产资源化学高校重点实验室，四川成都 601159)

抗生素的大量生产及使用所造成的环境污染近年来引起广泛重视。全国主要河流如海河、长江入海口、黄浦江、珠江、辽河等河流部分点位都检出抗生素，甚至在南京居民家中的自来水中也检出了抗生素[1]，可见水体中抗生素污染的严重与广泛。在众多的抗生素中，四环素类抗生素(TCs)因其水溶性好、化学性质稳定、治疗效果好而且价格便宜，在畜牧业及水产养殖业中广泛应用[2]。而生产中污水的排放，以及使用药物中未被吸收的四环素以原药的形式重新回到环境中[3]，都加剧了环境水体的污染。为预防和控制四环素引起的危害，及时、准确地检测监控环境水体中四环素的含量尤为必要。目前，四环素的检测方法有微生物法[4,5]、光谱法[6,7]、色谱法及其联用技术[8，9]、免疫分析法[10,11]，以修饰电极[12,13]等电化学方法测定四环素也有报道。但这些方法大多设备昂贵、操作复杂且前处理要求较高，方法不够简便。

四环素分子中含有酮基和烯醇的共扼双键系统，因此，在电极上容易发生还原反应。目前有文献报道极谱法检测四环素类药物的含量，如叶宪曾等[14]用示波导数和微分脉冲极谱法检测四环素，检测限分别为5.0×10-8、2.0×10-7mol/L。王乃兴等[15]用微分脉冲极谱法检测四环素，检测限为8.0×10-7mol/L。本文建立了一种环境水样中四环素的极谱检测方法，该方法体系更简单，线性范围更宽(0.1～30 μg/mL，30～90 μg/mL)，检出限更低(0.0024 μg/mL即5.4×10-9mol/L)，在优化的电化学参数条件下，实现了对环境水样中四环素含量的测定，得到了较好的结果。方法不仅具有应用价值还具有一定的理论价值。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

JP-3型示波极谱仪(成都仪器厂)，三电极体系：滴汞电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极；PXS-1离子活度计(成都世纪方舟科技有限公司)；电子分析天平(赛多利斯科学仪器有限公司)。

四环素标准储备液：准确称取0.02 g盐酸四环素(上海励瑞生物科技有限公司)于50 mL容量瓶中，配制成400 μg/mL的标准溶液，保存在冰箱中，用时用水稀释到所需浓度。NaH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液(PBS)、HAc-NaAc缓冲溶液、酒石酸-酒石酸钠缓冲溶液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、柠檬酸钠-HCl缓冲溶液、NaH2PO4-硼砂缓冲溶液，各溶液均按浓度为0.1 mol/L于PXS -1离子活度计下配制所需pH值溶液。所用试剂均为分析纯，实验用水为蒸馏水。

1.2 实验方法

于25 mL比色管中，依次准确加入2.5 mL 400 μg/mL四环素标准溶液，14 mL柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液(pH=5.5)，用水稀释至25 mL。取适量倒入10 mL小烧杯中，然后于起始电位-0.9 V，扫描速率0.6 V/s，静止时间5 s，扫描次数3次，量程0～6.0×104nA，在常温下记录峰电流的二阶导数值。

2 结果与讨论

2.1 极谱行为

按实验方法测定四环素标准溶液，结果在-1.21 V、-1.4 V(vs.SCE)左右出现两个尖锐的极谱波，其二阶导数极谱图如图1中曲线c所示。经考察发现，后者的灵敏度及相关性更佳，故选择该极谱峰进行后续的实验。

2.2 实验条件的选择

2.2.1底液条件的选择本研究首先考察了四环素在PBS中的极谱行为，发现有图1的极谱峰出现，进而考察了缓冲溶液酸度对峰电流的影响，结果见图2。由图2知，pH=5.5是最佳的酸度条件。进一步研究了最佳酸度下的PBS、HAc-NaAc缓冲溶液、酒石酸-酒石酸钠缓冲溶液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、柠檬酸钠-HCl缓冲溶液、NaH2PO4-硼砂缓冲溶液中四环素的极谱行为。结果表明：在柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中极谱波峰电流最大最稳定。按照实验方法，分别配制40 μg/mL(高)、4.0 μg/mL(低)浓度的两个四环素标准系列对柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液的用量进行了考察，结果表明最佳用量为14 mL。

2.2.2仪器及温度条件的选择在最佳底液的条件下分别配制40 μg/mL(高)、4.0 μg/mL(低)浓度的两个四环素标准系列，分别考察了扫描速率、起始电位、静止时间、检测温度等对峰电流的影响。在汞柱高度45 cm，从0.1～0.7 V/s改变扫描速率，从-0.9～-1.1 V改变起始电位，从0～10 s改变滴汞静止时间，从0～40 ℃改变测试温度，选择出本研究最佳的仪器及温度条件为：扫描速率：0.6 V/s，起始电位：-0.9 V，静止时间：7 s，温度：15～25 ℃。

2.3 共存物质的影响

表1 共存物质的干扰

2.4 标准曲线及检出限

配制一系列浓度的四环素标准溶液，分别测定其峰电流并对四环素的浓度作图，绘制标准曲线。结果表明：峰电流的Ip″与四环素的浓度分别在0.1～30、30～90 μg/mL范围内具有很好的线性关系，其线性回归方程分别为：Ip″(×103nA)=-0.4507+0.9926c(μg/mL)(R2=0.9968);Ip″(×103nA)=12.314+0.3739c(μg/mL)(R2=0.9984)。按照实验方法配制浓度为0.1 μg/mL的四环素溶液，并对溶液进行10次连续测定，得出该方法的检出限为0.0024 μg/mL。

2.5 精密度与稳定性实验

配制四环素浓度分别为4.0、40 μg/mL的溶液，在最佳实验条件下进行6次重复实验，其相对标准偏差分别为0.27% 和0.13%。对两个浓度(4.0、40 μg/mL)标准系列的稳定性进行考察发现，敞开情况下，低浓度和高浓度四环素在5 h内都可以稳定检测；密闭情况下，低浓度四环素应在48 h内检测，高浓度的四环素则应该在24 h内检测。

2.6 样品分析

分别取自来水、学校湖水、东风渠水及某饲料厂污水分别编号为1、2、3、4，静置12 h后取上层清液2.5 mL于25 mL比色管中，加入pH=5.5的柠檬酸-柠檬酸钠溶液14 mL进行检测，结果见表2。由表2可知，回收率在97.8%～102.9%之间，说明该方法测定样品中的四环素，有较好的准确度。

表2 加标回收实验

ND:not detected.

3 极谱机理分析

3.1 循环伏安分析

配制浓度为40 μg/mL的四环素溶液，在最佳实验条件下选择常规峰进行循环伏安法测试，结果如图3所示。正向扫描时有还原峰出现，正好与单向扫描极谱法出现还原峰的位置一致，而反向扫描时对应的电位上并无氧化峰，说明该极谱波为不可逆吸附波。

3.2 极谱检测机理

实验配制三种溶液：A：柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液(pH=5.5)；B：40 μg/mL的四环素标准溶液；C：柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液(pH=5.5)+40 μg/mL的四环素标准溶液，并按照实验方法进行测定，结果见图1。由图1可知，A、B溶液(曲线a、b)在扫描范围内无峰，当上述两种溶液混合后，即C溶液(曲线c)，在-1.2 V和-1.4 V处有两个还原峰，且随着四环素浓度的增加，峰电流逐渐增大，表现出与四环素浓度的显著相关性，从而可用于四环素浓度的检测。

3.3 电化学行为研究

配制40 μg/mL的四环素标准溶液，在最佳仪器条件下，于0.4～1.0 V/s的范围内改变扫描速率，考察峰电流及峰电位随扫描速率的变化关系。在此扫速范围内，峰电流与扫描速率呈正比，说明该电极反应受吸附控制，线性回归方程为：Ip″(×104nA)=-1.3112v(V/s)+1.1017(n=13，R2=0.9842)。Ep随v的增大而负移，且Ep与lnv呈负的线性关系，其线性回归方程为：

Ep(V)=-0.0213lnv-1.4444 (n=10，R2=0.9906)

(1)

当体系为受吸附控制的不可逆体系时，符合下列的Laviron’s公式[20]:

(2)

式中，E0(V)为标准电极电位，ks为表面反应标准速率常数，α是电子转移系数。

由式(1)可知，Ep和lnv有线性关系,进一步说明四环素在pH=5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液存在下在滴汞电极上发生了由吸附控制的不可逆电极反应。

由公式(2)求得αn=1.205，ks=0.074s-1，E0′=-1.401 V；因为0<α<0.5，所以得n=4、α=0.3，故电极过程中有4个电子参加反应。在pH=4～6.5范围内，峰电位Ep随着pH的增加逐渐负移，说明在此酸度范围，电极过程中有质子参加反应。故反应机理推断如下[21]：

四环素本身是一种多碱有机酸，它的分子结构中存在四个可解离的氢原子，分别位于C4上的二甲胺基和C3、C10、C12上的羟基，其pK分别为3.3、7.5、9.7、10.04。在强酸性介质中，四环素首先被质子化[22]，其过程为:

质子化的四环素(Ⅱ)态可以吸附在滴汞电极表面，同时C1和C11的酮基被还原。

4 结论

通过实验研究，本文建立了一种简易的检测水环境中四环素的极谱方法，线性回归方程分析表明，在检测质量浓度范围内，相关系数R2=0.998，线性关系较好，线性范围宽，检出限低。并进行了四环素的电化学行为研究，证明其极谱波为不可逆还原吸附波。该方法的加标回收率在97.78%～102.9%之间，表明分析方法可靠，可用于环境水样中四环素的检测。