“方波脉冲伏安法检测水中铋”教学实验精密度的影响因素探究*

郭红卫，李 丹，张丰如，李仰涛，汪瑞杨，梁颖林，刘 燕

(嘉应学院化学与环境学院, 广东 梅州 514015)

阳极溶出方波脉冲伏安法(Anodic stripping square wave voltammetry，ASSWV)是将分析物的恒电位电解预富集和先进的方波脉冲伏安检测相结合，长期以来被认为是检测痕量重金属的一种强有力的技术[1]。该方法已广泛用于工农业[2]、环境[3-4]、医学[5]、食品[6-7]和生命科学[8]等领域。在本院的电分析实验中，“阳极溶出方波脉冲伏安法检测水中铋离子”是其中一个专题实验，然而在教学过程中发现实验结果的精密度较差。查询大量文献后发现，使用方波脉冲伏安法的实验探究中，往往都是对沉积电位、沉积时间、脉冲宽度、脉冲振幅等参数的优化[9-13]，其目的都是为了提高方波脉冲伏安法的灵敏度，有关方波脉冲伏安法精密度的相关研究很少。

ASSWV主要分为五个阶段：电极预处理、金属离子预富集、静置、方波脉冲伏安法测试、电化学清洗。很多文献对电极预处理条件、富集时的搅拌速度、静置时间、电化学清洗条件往往没有明确的规定，都是凭借每个实验室的经验来对上述的条件进行控制。特别是电极的抛光是手工操作，随意性较大，在实际的教学工作中，如果教师不对相关因素做出明确规定，学生在实验过程中往往条件控制不当造成分析结果精密度较差，严重影响教学效果。为了解决这个问题，本文以水中铋离子为检测对象，对ASSWV的上述条件进行优化，使改进后的方案，操作更加精确、规范，更有利于学生掌握此项测试技术。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

使用CHI760E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)进行所有的电化学检测，使用玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为对电极的三电极体系。

1 g/L铋标准溶液，国家有色金属及电子材料分析测试中心；其余所使用的试剂均为分析纯试剂；所有实验用水均为二次水。

1.2 实验方法

1.2.1 电极的预处理

使用前，用粒径分别为1 μm和0.3 μm的Al2O3粉在尼龙抛光布上对玻碳电极(直径为3 mm)打磨抛光，冲洗后依次用无水乙醇和二次水超声清洗一定时间。

1.2.2 阳极溶出方波脉冲伏安法测试

机械处理后，将三电极一起浸在含有10 μmol/L铋标液的醋酸盐缓冲溶液(1 M，pH 4.5)中。将沉积电位(-1.0 V)施加到工作电极上，同时搅拌溶液。在预富集步骤(120 s)之后，停止搅拌，溶液静置一定时间后，施加由负到正的方波脉冲电位扫描(电位步长为0.004 V，振幅0.0025 V，频率15 Hz)。ASSWV分析完成后，进行电化学清洗步骤,在工作电极上施加1.0 V的电位，持续一定时间从电极表面清除残留金属膜。

2 结果与讨论

2.1 铋标液的ASSWV曲线

根据实验步骤1.2.2，测定10 μmol/L铋标液的ASSWV曲线。如图1所示，在玻碳电极上铋有一氧化峰，峰电位约为-0.27 V。

图1 10 μmol/L铋标液的ASSWV曲线

2.2 单因素对结果精密度的影响研究

2.2.1 玻碳电极的抛光时间和超声时间对结果精密度的影响

图2 玻碳电极抛光时间对结果精密度的影响

固态电极预处理的一般程序通常是先把电极表面机械打磨成镜面，随后依次用有机溶剂(如乙醇、丙酮)和水超声除油和残留的抛光粉，其目的是获得尽可能清洁且重现的表面状态，以提高分析结果的重现性[14]。因此本实验分别探究了不同的抛光时间(图2)和超声时间(图3)对结果精密度的影响。每组数据平行测定三次，计算峰电流信号的相对平均偏差，以相对平均偏差的大小表示精密度的高低。

图2显示了不同抛光时间对结果精密度的影响。由图2可知，抛光时间过短或过长，电极的表面状态重现性都较差。打磨时间为6 min时相对误差较小，所以选择6 min(1 μm、0.3 μm各抛光3 min)为最佳条件。

图3显示了超声时间的长短对结果精密度的影响。由图3可知，超声时间太短(0.5 min)，电极表面没有清洗干净，造成结果偏差较高。而超声时间太长(大于2 min)，偏差随时间延长急剧增大。为了探究其原因，我们把电极长时间超声后(11 min)，放入1 mM(含0.1M KCl)的铁氰化钾溶液测其循环伏安法曲线，其氧化峰与还原峰之间的电位差远大于80 mV而且不能复原(经过良好预处理的玻碳电极，其氧化峰与还原峰电位差通常小于80 mV)，意味着超声时间太长可能影响玻碳电极的机械结构，使结果偏差增大。由图3可以看出：超声时间为1 min时相对平均偏差最小，所以选择玻碳电极的超声时间1 min为最佳条件。

图3 玻碳电极超声时间对结果精密度的影响

2.2.2 溶液的搅拌速度的影响

富集过程中溶液的搅拌速度会影响电极/溶液界面的稳定性，进而影响分析物的富集效率，可能会影响分析结果重现性[15]。本实验探究了搅拌速度对结果精密度的影响，如图4所示。

图4 溶液搅拌速度对结果精密度的影响

由图4可知，在富集的过程中溶液的搅拌速度对结果精密度具有较大影响，在较低的搅拌速度时(100～300 r/min)，相对平均偏差基本恒定且小于3%，意味着电极/溶液反应界面受搅拌的扰动比较小，富集效率恒定，分析结果重现较好。当搅拌速度大于300 r/min，偏差急剧增大。这说明搅拌速度过大会影响电极/溶液反应界面和富集效率的稳定性，使实验结果偏差增大。从图3可得，当搅拌速度为200 r/min时，偏差最低，所以选择富集过程中溶液的搅拌速度200 r/min为最佳条件。

2.2.3 静置时间的影响

预富集步骤后，溶液静置一定时间是为了使电极表面金属膜分布更均匀，消除搅拌带来的对流传质的影响，可能会影响分析结果重现性[16]。本实验探究了静置时间对结果精密度的影响，如图5所示。

图5 静置时间对结果精密度的影响

根据文献设置静置时间从30 s到240 s，相对平均偏差基本恒定且小于2.5%，说明静置时间并不是影响实验结果精密度的主要因素。选择偏差相对较小的60 s为最佳静置时间。

2.2.4 电化学清洗时间的影响

伏安分析后，通常会在电极上施加一个较正的电位，以便氧化除去电极上残留的金属膜，消除电极的记忆效应[17]。本实验探究了电化学清洗时间对结果精密度的影响，结果如图6所示。

图6 电化学清洗时间对结果精密度的影响

由图6可知，电化学清洗时间的长短对结果精密度具有较大影响。时间太短，不能完全除去电极上残留的金属膜，对下一次的分析结果产生影响，造成偏差较高。但是时间过长，偏差也会增大，可能是长时间对工作电极施加较正电位，使工作电极的表面状态受到影响。清洗时间为200 s时，相对平均偏差最小，所以选择200 s为最佳电化学清洗时间。

2.2.5 不同清洗液的影响

考虑到强酸对金属具有较强的溶解能力，我们进一步探究了不同清洗液(10 μmol/L的铋溶液、pH=4.5的HAc-NaAc的缓冲溶液、6 mol/L的硝酸溶液)对结果精密度的影响，如图7所示。

图7 在不同电化学清洗液进行除残对结果精密度的影响

由图7可知，在三种不同的清洗液中，实验结果的相对平均偏差相近且均在2%以内，说明清洗液种类不是影响结果精密度的主要因素，因为6 mol/L的硝酸溶液具有一定的强氧化性，选择检测溶液(10 μmol/L的铋溶液)作为清洗液。

2.3 正交实验

2.3.1 实验设计

表1 正交实验因素及水平

表2 不同影响因素的正交实验设计

为了进一步确定各因素对结果精密度影响的主次，确定各因素的最优水平及最优组合，本实验中加入了正交实验。根据单因素实验：静置时间和清洗液的种类不是影响结果精密度的主要因素，而抛光时间、超声时间、搅拌速度、电化学清洗时间对结果精密度的影响较大。因此选择4因素3水平的正交实验，如表1所示，正交实验组合方案如表2所示。

2.3.2 结果分析

每个组合方案测定结果的相对偏差如表3所示，并对实验结果进行极差分析。极差分析采用求和极差法，求和极差法就是分别计算不同因素的同一水平对应的偏差之和(K1，K2，K3)，并计算同列中K1，K2，K3最大差值。

表3 极差分析表

通过极差分析可得，最优组合为：A3B1C1D3，与单因素的优化结果一致。影响结果精密度的因素大小排序：工作电极的超声时间>底液的搅拌速度>电化学清洗时间>电极的抛光时间。

在选定的优化条件下，对浓度为10 μmol/L，5 μmol/L，1 μmol/L铋标准样品分别平行测定5次的相对标准偏差为2.0%，2.5%，3.4%，偏差可以控制在一个较窄的范围。因此确定阳极溶出方波脉冲伏安法检测水中铋离子条件为：机械打磨的总时间为6 min，打磨后用无水乙醇、二次水依次超声1 min，富集时搅拌的速度为200 r/min，随后的静置时间为60 s，电化学清洗的时间为200 s，清洗溶液为检测溶液。

3 结 论

通过对单一因素影响研究以及正交实验结果可知：搅拌速度、抛光时间、超声时间、电化学清洗时间对结果精密度的影响较大。且这四个影响因素排序为：工作电极的超声时间>底液的搅拌速度>电化学清洗时间>电极的抛光时间。在选定的优化条件下，对浓度为10 μmol/L，5 μmol/L，1 μmol/L铋标准样品分别平行测定5次的相对标准偏差为2.0%，2.5%，3.4%。本实验优化方案经过反复操作验证，能有效提高学生实验结果的精密度，改进后的实验过程操作更加规范，更有利于学生掌握此项测试技术，有效提高本科生教学质量，并进一步培养学生科学严谨的实验作风。