原位合成纳米金/石墨烯修饰玻碳电极检测水和土壤中痕量铅

李杜娟，徐 枫，樊 凯※，厉力华，苏 畅，刘红英，姚 睿，曹佳斐，魏凯华，李小平，赵新颜

（1. 杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院，杭州 310018；2. 浙江大学医学院附属儿童医院，杭州 310052）

0 引 言

铅（Pb（Ⅱ））是一种对人体有极大危害的有毒重金属，铅及其化合物进入人体后会对神经、造血、消化、肾脏等一系列系统产生极大危害[1]。生活中铅污染的来源广泛，农业灌溉用水或土壤中的铅离子在蔬菜、家禽中沉积后被人食入是主要来源之一[2-4]，因此对水和土壤中的铅离子检测十分必要[5-7]。近年来采用电化学溶出伏安法（anodic stripping voltammetry，ASV）检测环境中的铅离子方法多有报道，其操作简便、所需样本较少，因此适合对重金属离子进行快速测量[8]。但方法中的工作电极多采用镀汞膜/铋膜的玻碳电极实现测量铅离子[9-16]，而汞和铋作为重金属元素，对环境可能造成二次污染[17]。因此有学者研究利用新型材料，如碳基纳米材料[18-20]、贵金属纳米材料[21-22]、有机复合材料[23]等修饰玻碳电极。Göde等[24]利用功能化的杯芳烃-氧化还原石墨烯修饰玻碳电极，提高了电极对于重金属离子的吸附能力，采用方波伏安法（square wave voltammetry，SWV）实现了对于铅离子的痕量测定；Li等[25]采用氮参杂碳量子点-氧化石墨烯修饰的玻碳电极实现对铅的测量，该电极线性范围广，为 20～10 360 μg/L，检测下限达到了 1.17 μg/L。纳米金是一种高比表面积、高导电性的纳米材料，能极大提高玻碳电极对于铅离子的吸附能力，提升玻碳电极表面性能。本研究采用一步法原位合成纳米金/石墨烯纳米复合材料修饰玻碳电极，以期提升电极检测性能，并应用于测量实际样本中的痕量铅。

1 试验部分

1.1 试剂及仪器

石墨烯（graphene，GR）购买自先锋纳米（南京）；氯金酸（HAuCl4）购买自国药集团（上海）；铅标准液由硝酸铅（Pb（NO3）2）溶于超纯水制成1 g/L储备液，其他所需浓度由次储备液逐步稀释而成；所需硝酸铅、醋酸钠购买自阿拉丁公司（上海）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、无水乙醇、醋酸购买自米克公司（杭州）；试验用水为电阻率为18.2 MΩ的去离子水。

CHI660E电化学工作站、饱和甘汞电极（CHI150）、铂丝对电极（CHI115）购买自上海辰华仪器有限公司（上海），工作电极为自制纳米金/石墨烯修饰玻碳电极；Starter 3100 pH计购买自奥毫斯仪器有限公司（上海）；KQ5200DA超声波清洗器购买自昆山市超声仪器有限公司（昆山）。

1.2 纳米金/石墨烯复合材料修饰玻碳电极的制备

将玻碳电极（Φ = 3 mm）在麂皮抛光布上依次用1、0.3、0.05 μm的Al2O3打磨光滑，并依次在1∶1的硝酸溶液、1∶1的乙醇溶液、超纯水中超声清洗2 min，氮气吹干备用。取1 mg石墨烯溶于1 mL N，N-二甲基甲酰胺（DMF），超声30 min使其充分分散。取上述5 μL石墨烯DMF溶液，加入842 μL体积分数为50%的乙醇溶液、153 μL 48.65 mmol/L 的 HAuCl4溶液，超声 10 min。取 6 μL上述石墨烯-HAuCl4混合液滴涂于玻碳电极表面，室温下干燥。将干燥好的电极在 0.5 mol/L的 NaCl溶液中从−1.3V到0.8 V循环扫描10圈制的纳米金/石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极。

1.3 实际样品制备

水样被用于评估制备电极的性能能否用于实际样品的检测。水样经过标准的0.45 μm的滤纸进行过滤。在测试之前，样品的pH值通过0.1 mol/L的HNO3调节到4.5。

土壤样本来自于学校周边的工业园区。对土壤样本的处理参考之前的文献[26-29]。首先，1.0 g的土壤样本在80 ℃的烘箱中加热1 h。之后，土壤样本被放入装有40 mL的0.1 mol/L的醋酸缓冲溶液中。混合样本超声1 h。再通过离心将混合样本进行分离。其中的水相通过0.22 μm的滤纸进行过滤。完成以上所有步骤之后，土壤中铅离子最终提取完成。在检测之前，所获得的提取液的pH值通过0.1 mol/L NaOH调节到4.5。

1.4 试验方案

取一定体积0.1 mol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液、铅标准液置于10 mL电解池中，修饰过的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在−1.2 V电压下富集一定时间，同时伴以100 r/min的速度搅拌。静置10 s，记录方波伏安法的扫描结果。方波伏安法的参数如下，扫描区间：−1.2～0.2 V；电位增幅：5 mV；方波频率：25 Hz；方波幅值：25 mV；脉冲幅值：0.025 V；脉冲宽度：0.25；脉冲周期：0.4 s。

2 结果与分析

2.1 电极性能分析

图1a、1b分别为滴涂有石墨烯、石墨烯-氯金酸的玻碳电极在0.5 mol/L的NaCl中的10圈循环扫描图。可以看出，滴涂有石墨烯-氯金酸的玻碳电极在−0.4 V左右处有一处明显的还原峰，且随着扫描次数的增加，还原峰的大小逐渐减小，直至趋于稳定；图1c为裸玻碳电极、修饰有石墨烯的玻碳电极、纳米金/石墨烯修饰的玻碳电极在0.1 mmol/L的Fe(CN)63-/4-/ 0.1 mol/L的KCl溶液中扫描对比。可以看出，修饰石墨烯之后，电极的氧化还原峰相比裸电极有所提高；在此基础上再次修饰纳米金之后，氧化还原峰再次增强，表明修饰纳米金/石墨烯之后，电极的检测性能得到了较大的提高。

2.2 电极修饰条件优化

研究了修饰液中氯金酸浓度以及循环扫描圈数与峰电流之间的关系。当固定扫描圈数为10圈时，对比混合液中氯金酸浓度分别为2.5，5，7.5，10 mmol/L时电极测量质量浓度为40 μg/L铅离子的峰电流。从图2a中可以发现当氯金酸浓度在7.5 mmol/L时测量效果最佳；图2b为固定氯金酸浓度为7.5 mmol/L，对比扫描循环次数在5 ～ 15次的电极对40 μg/L Pb()Ⅱ溶液的检测峰电流。测量结果表明当扫描圈数从 5 变化到 11 圈时峰电流大小随着扫描圈数的增加而增大；11圈之后峰电流基本维持不变，此时滴涂在电极表面的氯金酸基本已经被还原成单质金，因而峰电流增加不明显[30]。故而确定氯金酸浓度为7.5 mmol/L，循环扫描次数为11圈。

图1 电极的电化学表征Fig.1 Electrochemical characterization of electrodes

图2 电极修饰条件优化Fig.2 Optimization of electrode modification conditions

2.3 pH值对检测结果的影响

研究醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH值对40 μg/L Pb(Ⅱ)检测结果的影响(图3)。如图3a所示，当pH值从3.5上升到4.5时，峰电流逐渐增大，pH值大于4.5之后峰电流又随之减小，故而选择pH值为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液为支持电解质。

图3 检测条件优化Fig.3 Optimization of detection conditions

2.4 富集电位以及富集时间对于检测结果的影响

图3 b表明了富集电位对于40 μg/L Pb()Ⅱ溶液检测结果的影响。控制富集时间为120 s不变，富集电位从−0.8 V-向−1.4 V变化时，峰电流逐渐增大。但是在−1.2 V之后增大不明显，并且当富集电位过负时，电极表面“析氢”现象严重影响电极对于 Pb(Ⅱ)测量的稳定性，因此选择−1.2 V作为较佳的富集电位。

图3c表明了富集时间对于40 μg/L Pb(Ⅱ) 溶液检测结果的影响。富集时间从30 s到180 s变化过程中，峰电流逐渐增大。在180 s之后峰电流逐渐趋于稳定，因此选择180 s作为较佳富集时间。

2.5 线性范围与检测限

在上述最佳条件下，使用纳米金/石墨烯修饰电极对标准铅溶液进行阳极溶出伏安法检测，对铅标准样品的检测结果如图4所示。在1～90 μg/L的区间内，电极对于Pb()Ⅱ的检测线性良好，随着铅浓度的不断增加，阳极溶出伏安法的电流信号也不断增加，电极表现出了令人满意的检测下限，理论检测下限为0.27 μg/L（图4a）。为了研究电极对于更低浓度Pb()Ⅱ的检测能力，采用更长的富集时间提高检测灵敏度，图4b为富集时间为400 s时电极对于1 μg/L以下Pb()Ⅱ的检测结果；可以看出在延长富集时间之后，电极依然能够保持良好的检测能力。在富集时间为180 s的条件下，在1～90 μg/L的区间范围内电极的线性回归方程为Ip(μA) = 0.122 4C–0.104 5 (R2=0.985)，线性回归曲线如图4c所示。

图4 方波溶出伏安法对铅离子的检测结果Fig.4 Square wave anodic stripping voltammograms for Pb()Ⅱ

2.6 稳定性、重复性与抗干扰性

同时对于纳米金/石墨烯修饰玻碳电极的稳定性、重复性以及多种干扰离子抗干扰能力进行了研究，试验结果如图5所示。图5a所示为同一纳米金/石墨烯修饰玻碳电极对于40 μg/L Pb()Ⅱ溶液测量5次的结果，5次测量的阳极溶出伏安法的峰电流的相对标准偏差仅为1.08%，表明电极具有良好的稳定性；图 5b所示为 3根纳米金/石墨烯修饰玻碳电极对于40 μg/L Pb()Ⅱ 溶液的测量结果，3根电极相对标准偏差为3.11%，表明上述方法制备的纳米金/石墨烯修饰玻碳电极具有良好的重复性。

试验同时探究了 K+，Ca2+，Na+，Mg2+，Cu2+，Cd2+，Cl-，，NO3-对于检测结果的影响。结果显示，Cu2+在电极上有溶出峰且溶出电位与 Pb2+溶出电位接近，对铅离子的测量存在较大的影响。其他离子在 1倍浓度下对峰电流的影响小于5%。

2.7 实际样本的检测

为了检验制备电化学传感器在实际样本中的检测性能，制备的电极被用于检测河水以及土壤样本中的重金属 Pb(Ⅱ)。表 1展示了对于实际水样和土壤样本的加标回收率试验。实测结果表明，纳米金/石墨烯修饰电极对于水样中的铅离子检测的回收率在 93.75%～109.2%，相对标准偏差在 0.74%～6.64%之间；对于土壤样本的回收率在 93.82%～109.9%，相对标准偏差在 1.44%～6.11%之间。试验过程中没有出现偏差过大的情况，同组数据之间也没有出现较大偏差，表明该方法制备的纳米金/石墨烯修饰玻碳电极具有良好的准确性和可靠性。因此，该纳米金/石墨烯修饰玻碳电极为实际样本中检测 Pb(Ⅱ)浓度提供了一种有效，快速的检测方法。

图5 电极的稳定性、重复性与选择性Fig.5 Stability, repeatability and selectivity of electrodes

表1 纳米金/石墨烯修饰玻碳电极测定水样和土壤样品中的Pb(Ⅱ)结果Table 1 Determination of Pb(Ⅱ ) in water and soil using Graphene/AuNPs/GCE

3 结 论

本研究提出了一种原位合成制备纳米金/石墨烯修饰的玻碳电极用于检测水体与土壤中铅离子的方法。通过循环伏安法对电极的电化学表征表明，修饰了纳米金/石墨烯纳米复合材料之后，玻碳电极的表面性能得到了较大的提高。研究对铅离子标准样品的检测条件进行了优化，并在优化条件下得出了电极对铅离子标准样的检测线性区间为 1～90 μg/L(R2= 0.985)，最小检测下限为 0.27 μg/L。采用标准加入法对实际水样和土壤样本进行测量，加标回收率区间分别为 93.75%～109.20%和 93.82%～109.9%，相对标准偏差(RSD)均小于 7%。表明该方法修饰的电极可以用于对实际水和土壤中铅离子的检测。

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