Nafion/石墨烯/苯并-18-冠醚-6修饰玻碳电极方波阳极溶出伏安法测定蒲公英中的痕量铅

王艳坤

(河南财政金融学院 环境经济学院, 河南 郑州 450046)

蒲公英为菊科蒲公英属植物，多年生草本。全世界蒲公英属有2 000余种，分布极为广泛[1-3]。蒲公英作为一种药食同用的中草药，具有极为悠久的用药历史，近年来对蒲公英有效成分和药理作用的研究越来越深入，从而引起人们广泛的关注[4-5]。由于蒲公英同属种植物众多，分布范围广泛，在干旱贫瘠土壤环境中均可存活，尤其在当今土壤重金属污染严重情况下，蒲公英在生长过程中极易吸收铅、镉、汞、砷等重金属，这些重金属元素极易通过食物链在人体内富集，对人体心血管系统、神经系统、呼吸系统等具有毒害作用，因此有效检测蒲公英中的重金属和微量元素含量对全面、有效、深入开发蒲公英有着重要参考价值。

目前对蒲公英中草药中重金属的检测主要通过原子发射光谱法[6]、原子吸收光谱法[7]、原子荧光光谱法[8]、紫外可见分光光度法[9]、电感耦合等离子体质谱法[10]等。然而这些检测方法所用仪器较复杂昂贵，测试费用高，操作复杂，只适于特定环境下运行，从而限制了这些方法对大量样本的常规现场检测。因此，开发一种便捷准确快速的测定蒲公英中草药中重金属的方法成为亟待解决的问题。

本研究将导电性优异、比表面积巨大的石墨烯(graphene,GN)，离子交换性强、成膜性能稳定的全氟代磺酸脂(Nafion，NA)及对重金属离子具有强选择性的苯并-18-冠醚-6(B18C6)采用滴涂法修饰在玻碳电极(glassy carbon electrode,GCE)表面制备出全氟代磺酸脂/石墨烯/苯并-18-冠醚-6复合膜修饰玻碳电极(NA/GN/B18C6/GCE)，将所制备的NA/GN/B18C6/GCE电极采用方波阳极溶出伏安法(square wave anodic stripping voltammetry,SWASV)原位检测蒲公英中草药中的Pb2+离子，优化了溶液pH值、富集电位和富集时间对阳极溶出伏安曲线的影响。

实验结果表明，在优化实验条件下，NA/GN/B18C6/GCE电极3种组分的相互协同作用，极大提高了复合材料修饰电极对蒲公英中草药中汞痕量重金属的检测伏安响应，具有线性工作范围宽，检测限低，且重现性高，稳定性好。本研究提供的简便快捷检测蒲公英中草药中重金属的方法，为蒲公英中草药质量标准的进一步完善及质量控制提供实验依据，对开发利用中草药这个中华民族智慧的瑰宝具有重要的理论指导及实际应用意义。

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

台式微生物恒温振荡器(重庆英检达仪器有限公司)，电感耦合等离子体质谱仪(美国ThermoFisher Scientific公司)，CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，高速万能粉碎机(鹤壁市冶金机械设备有限公司)，实验采用3电极体系，分别以NA/GN/B18C6/GCE(Φ=3 mm)电极、Ag/AgCl(3M KCl)、Pt丝电极为工作电极，参比电极及对电极。

GN来源于本实验室，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，再用水合肼还原制成，具体方法如文献[11-13]所述。实验所用Nafion(wt. 5%)、苯并-18-冠醚-6、Bi(NO3)3·5H2O、Pb(NO3)2、水合肼、HAc、NaAc、NaOH等药品及试剂均为国药集团试剂有限公司生产的分析纯试剂，蒲公英样品(干株，切成1 cm短段)购自本草堂大药房。0.1 M HAc-NaAc缓冲液采用HAc和NaAc配制，并用1 M NaOH溶液调节pH=4.5。溶液的配制均采用自制蒸馏水。

1.2 NA/GN/B18C6/GCE电极的制备

采用滴涂法覆膜方式制备NA/GN/B18C6/GCE电极。准确称取1 mg B18C6溶解于2 mL稀释至10%的NA乙醇溶液中，然后将1 mg GN超声分散于上述溶液中形成均匀的黑色悬浮液。将GCE电极在麂皮上用0.05 μm的氧化铝粉末加少量去离子水进行打磨至光亮的镜面，然后依次在乙醇、1∶1的HNO3和去离子水中超声清洗，最后在1 M H2SO4溶液中在-1.0～1.0 V扫描范围进行循环伏安法活化，直至循环伏安曲线完全重合。取2 μL上述悬浮液采用蔓延方式滴涂于上述处理后的GCE电极表面，室温下干燥24 h，然后用去离子水冲洗，晾干制得NA/GN/B18C6/GCE电极，用类似方法制得NA/GCE与NA/GN/GCE电极进行对比。

1.3 测试方法

将上述制备的NA/GN/B18C6/GCE电极在0.5 mg/L Bi3+和待测浓度的Pb2+的0.1 M HAc-NaAc缓冲溶液中磁力搅拌下进行富集，富集电位-1.2 V，富集时间为120 s，富集结束后停止搅拌，静止10 s。采用方波阳极溶出伏安法检测蒲公英样品中的Pb2+离子，具体溶出参数如下：初始电位为-1.2 V，终止电位为+0.2 V，电位增量5 mV，振幅25 mV，频率20 Hz，灵敏度10-5A/V。为保证GCE电极的重现性，每一次富集/溶出测定结束后，均需在搅拌状态下将NA/GN/B18C6/GCE电极于+0.4 V 恒定电位原位氧化 30 s以彻底去除电极表面残存的痕量金属。

1.4 蒲公英样品的处理及测定

将蒲公英样品置于烘箱中80℃干燥2 h，然后用高速万能粉碎机进行粉碎并过80目筛。将0.5 g蒲公英样品置于萃取瓶，加入40 mL的0.1 M醋酸溶液。将混合样品置于恒温振荡器在室温下振荡24 h，然后对上述混合样品进行离心分离并对提取液用膜过滤以去除溶液中的微杂质。准确量取10 mL混合液转移至25 mL容量瓶，制成pH为4.5、含0.5 mg/L Bi3+和0.1 M HAc-NaAc缓冲溶液待测液。在优化实验条件下参照1.3节的实验方法对样品进行方波阳极溶出伏安扫描测试。

2 结果及讨论

2.1 NA/GN/B18C6/GCE电极的伏安性能

图1给出了GCE、NA/GCE、NA/GN/GCE和NA/GN/B18C6/GCE电极在pH=4.5、Pb2+为20 μg/L的0.1M HAc-NaAc缓冲液溶液中的SWASV曲线图。从图1中曲线(a)和(b)可见Pb2+在裸GCE和NA/GCE电极上的溶出响应非常微弱，这是因为裸GCE表面难以形成稳定的Bi膜，Pb2+离子难以在裸GCE表面富集。而对于NA/GCE电极，尽管NA具有很强的阳离子交换能力，但由于采用滴涂法制备的NA膜较致密，导致NA/GCE电极比表面积较小和导电性较差[14]。然而，将GN引入电极后，它对Pb2+的检测表现出较高的灵敏性，呈现出清晰的溶出峰(图1曲线(c) (d))。这可归因于GN薄膜具有独特的3维网状结构，内部具有大量的空腔和微孔，这些多孔结构可以提供大量的活性位点[15]，尤其是在比表面积大、导电性好的GN内添加了离子交换能力强，成膜性能好的NA后所形成的NA/GN/B18C6/GCE电极，既克服了GN易团聚、黏附性差易脱落等缺点，又利于Bi在富集过程中在GN褶皱状表面还原生成均匀紧密的薄膜，有效避免了Bi的团聚和修饰膜的脱落，因此，NA/GN/B18C6/GCE电极具有更高的溶出峰电流与分析灵敏度。

图1 不同工作电极在20 μg·L-1 Pb2+溶液中的SWASV曲线图

2.2 实验参数的优化

2.2.1 溶液pH的影响

图2 给出了NA/GN/B18C6/GCE电极在不同pH的0.1 M HAc-NaAc缓冲液中，Pb2+浓度固定为20 μg/L时的方波阳极溶出伏安曲线。由图2可见缓冲液pH显著影响NA/GN/B18C6/GCE电极的溶出峰电流，在pH为4.5处可观察到最大溶出峰电流。较低的pH(3.0、3.5和4.0)处峰值电流较小，这可能是由于亲水基团的质子化减少了金属离子的吸收[16]。而pH较高(5.0、5.5和6)时的溶出峰电流降低可归因于高pH态下Pb2+离子发生了水解。因此实验选择pH=4.5作为分析的最佳pH。

图2 NA/GN/B18C6/GCE电极在Pb2+浓度固定为20 μg/L的不同pH HAc-NaAc缓冲液中的方波阳极溶出伏安曲线

2.2.2 富集时间的影响

图3给出了NA/GN/B18C6/GCE电极在Pb2+浓度为20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc缓冲液中不同富集时间对Pb2+溶出电流的影响。由图3明显可见在初始时间溶出峰电流随富集时间呈线性增加，300 s后曲线增加趋势变得缓慢，这是由于修饰电极表面Pb2+在Bi膜中达到了饱和。考虑到实验周期与效率，溶出时间选择300 s作为最佳富集时间。需要指出的是对于测定较低浓度的重金属，建议使用较长的沉积时间，因为溶出峰电流亦取决于离子浓度。在沉积过程中，较低的浓度梯度会减缓离子向电极表面的扩散，因此需要更长的时间才能达到平衡状态。

图3 NA/GN/B18C6/GCE电极在Pb2+浓度为20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc缓冲液中不同富集时间对Pb2+溶出电流的影响

2.2.3 富集电势的影响

图4 给出了Pb2+浓度为20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc缓冲液中NA/GN/B18C6/GCE电极的富集电位从-1.5 V增加到-1.0 V时对Pb2+溶出电流的影响。明显可见溶出峰电流在-1.5 V初始电位时随富集电位的增加而增加，并在-1.2 V达到最大值。初始阶段的溶出峰电流随富集电位的增加而增加可归因于更低的富集电位能加速目标金属离子的沉积(富集)及Bi膜的生成[17]。但当富集电位低于-1.2 V时溶出峰电流逐渐减少，这是由于NA/GN/B18C6/GCE电极表面发生了析氢反应，从而干扰了目标金属离子的测定[18]。因此实验选择具有最佳灵敏度的-1.2 V作为富集电位。

图4 NA/GN/B18C6/GCE电极在Pb2+浓度为20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc

2.3 NA/GN/B18C6/GCE电极对Pb2+的线性检测范围及检测限

在优化参数测试条件下，NA/GN/B18C6/GCE电极对Pb2+浓度分别为5、10、20、30、40和60 μg/L的0.1 M HAc-NaAc缓冲液中方波阳极溶出伏安曲线如图5所示，内插图为Pb2+在不同浓度时的相应校准曲线。明显可见在5～60 μg/L浓度范围内，溶出峰电流与Pb2+离子的溶出响应呈现良好的线性关系，线性回归方程为y=1.5 563x+4.5 645，回归系数R2为0.998 2。在上述最佳实验参数条件下，富集时间为10 min，3倍噪声条件下(S/N=3)， Pb2+离子的检出限经计算约为0.04 μg/L。

图5 优化参数测试条件下NA/GN/B18C6/GCE电极在Pb2+浓度分别为5、10、20、30、40和60 μg/L的方波阳极溶出伏安曲线，内插图为Pb2+在不同浓度时的校准曲线

2.4 蒲公英样品中Pb含量的测定

将处理后的蒲公英中草药样品提取液采用NA/GN/B18C6/GCE电极检测其中所含的重金属Pb的含量，并与采用电感耦合等离子体质谱法测量结果进行对比。准确量取5 mL试样，以为NA/GN/B18C6/GCE电极为工作电极，首先在-1.2 V恒电位下进行富集，时间为300 s，静止10 s后采用方波阳极溶出伏安法测定重金属Pb，溶出参数设定为初始电位-1.2 V，终止电位+0.2 V，电位增量5 mV，振幅25 mV，频率20 Hz，灵敏度10-5 A/V。每次测试完成后均在+0.4 V电位下清洗电极30 s。采用标准加入法测得蒲公英中草药样品中Pb2+的含量为8.35±0.05 μg/L，在忽略样品制备过程质量损失情况下，该样品中Pb2+含量经计算为1.67 mg/kg。将该样品采用电感耦合等离子体质谱法测得Pb2+的含量为8.30±0.05 μg/L，显然两种方法的测定结果吻合度较高，表明该方法具有良好的准确性和可靠性，可以作为有效的方法用于蒲公英等中草药样品中重金属Pb的测定。

3 结论

采用滴涂法所制备的NA/GN/B18C6/GCE电极充分结合了NA良好的阳离子交换性能、成膜稳定；GN的高导电性与巨大的比表面积以及对重金属离子具有强选择性络合的B18C6特性，3种组分的相互协同作用使NA/GN/B18C6/GCE电极用于方波阳极溶出法测定蒲公英中草药中痕量重金属元素Pb具有电极制备简单、复合膜表面易更新、检测灵敏度高、重现性好、检出限低和无毒无污染等优点。在最佳实验参数下该方法对实际蒲公英样品的测定结果与ICP-MS结果近似，表明该方法具有良好的准确性和可靠性。该方法可扩展对中草药中镉、铜等痕量重金属的实际测定，在食品、药品行业极具实际应用价值。