凹凸棒石修饰丝网印刷碳电极的制备及其在Cd(Ⅱ)检测中应用

陆紫琪， 刘 帅， 程盖弼， 王晓康， 陈健强*，董元华*， 刘 云

(1.中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室，江苏南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100000；3.南京林业大学，江苏南京 210037;4.江苏盖亚环境科技股份有限公司，江苏苏州 215000)

当下，重金属污染是危害环境和人体健康的重要原因。人类高强度的生产活动，如开采矿山、冶炼金属及使用农药化肥等行为，使部分生态系统面临重金属含量超出环境容许范围的危机[1]。重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性等特点，在自然生态环境中难以降解[2]，各国对环境中重金属含量都有严格要求[3]，如对于饮用水，中国、美国和加拿大规定砷、镉最大允许浓度分别为10 μg/L和5 μg/L。其中，镉作为一种典型的有毒有害重金属，在低浓度即引起毒性反应，当Cd(Ⅱ)通过食物链积累在人体中，会引起神经系统、胃肠道和骨骼疾病，最终危害人体健康[4]。

目前已有多种分析方法用于重金属检测，例如光谱法[5]、质谱法[6]、比色法[7]以及电化学方法[8]。电化学检测中方波阳极溶出伏安法(SWASV)测定重金属具有快速、高灵敏度、低成本等优点。我国在食品安全检测、水质检测等领域近年来将其列为标准方法之一[9]。丝网印刷电极的开发促进了电化学传感器向小型化、批量化发展，通过对电极表面进行特定的修饰，如改性纳米材料包括金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、碳质纳米材料及其纳米复合材料等[10,11]，可以提高电化学传感器测定重金属离子的检测性能。

凹凸棒石粘土矿物是一种具备纳米孔道结构的天然镁铝硅酸基的矿物，其特殊的结构呈现出较强的吸附性能、高度分散性、耐高温以及优良的储氢性能，在农业、工业、医药及环境等领域应用广泛[12,13]。近年来，低廉价格且具有优异性能的凹凸棒石粘土矿物在电化学传感器中的应用逐渐引起关注。Xiong等[14]制备了30 kGy辐射处理的凹凸棒石，将其和离子液体混合得到复合材料，该材料修饰的电极可用于同时检测Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)，具有优异的检测性能。Sherman等[15]使用甲苯改性的凹凸棒石修饰玻碳电极检测水中Pb2+，线性范围4.0×10-12～4.0×10-11mol/L，Na+、K+、Cl-等共存离子对Pb(Ⅱ)检测峰电流无明显影响。凹凸棒粘土矿物也可作为载体将氧化还原蛋白质固定在电极表面，提高电化学传感器对葡萄糖[16]、细胞色素C和血红蛋白等物质[17]的检测性能。但是，用于修饰电化学传感器的凹凸棒石粘土矿物复合材料制备过程需精细把控，部分试剂对环境有污染危害。目前关于天然凹凸棒石粘土矿物直接应用于重金属检测还鲜有报道。

本研究采用凹凸棒石粘土矿物对商品化的丝网印刷碳电极(SPCE)进行修饰，考察了材料修饰浓度、电解液pH值、富集电位和富集时间对检测信号的影响，评价了方法的检出限、线性范围和稳定性，并用于实际河水中的检测。利用天然凹凸棒石粘土矿物材料构建灵敏的重金属电化学传感器，为监测环境中的Cd(Ⅱ)提供了一种快捷的新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；丝网印刷碳电极(青岛波碳科技有限公司)；7700x电感耦合等离子体质谱仪(Agilent，美国)；Avio200电感耦合等离子体发射光谱仪(PerkinElmer，美国)；LEO1530VP扫描电子显微镜(LEO Electron Microscopy Ltd.，德国)；Ultima Ⅳ X射线衍射仪(理学株式会社，日本)；Nicolet iS 50傅里叶红外光谱仪(ThermoFisher，美国)。

Cd(Ⅱ)标准储备液(1 000 mg/L，国家标准物质研究中心)，Pb2+、Zn2+、K+标准储备液(1 000 mg/L，西格玛奥德里奇贸易有限公司)。5%全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液(Nafion，杜邦中国集团有限公司)，凹凸棒石粘土矿物(江苏盱眙)，其他试剂均为分析纯。实验用水为Millipore-Q超纯水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 修饰电极的制备

凹凸棒石粘土矿物分散于1%质量浓度Nafion溶液(5%Nafion溶液用超纯水稀释)，得到修饰材料分散液，分散液每次使用前先超声振荡30 min。丝网印刷碳电极(SPCE)，基底材质为聚对苯二甲酸乙酯(PET)，工作电极和对电极为碳电极，参比电极为Ag/AgCl电极。取10 μL分散液滴涂在工作电极表面，在烘箱60 ℃条件下干燥30 min，即得到修饰的电极。不同浓度凹凸棒石粘土矿物修饰电极分别记为：A1-SPCE(1 mg/mL)，A2-SPCE(2 mg/mL)，A3-SPCE(3 mg/mL)。未修饰电极作为对照，记为SPCE。

1.3 Cd(Ⅱ)的电化学检测

在室温条件下采用三电极体系进行电化学检测，丝网印刷电极在10 mL 0.1 mol/L的HAc-NaAc电解溶液中测定Cd(Ⅱ)浓度。SWASV包括富集和溶出两步，在恒定电位下搅拌富集一定时间，富集结束后静置10 s使溶液平衡。研究电化学参数对检测性能的影响，富集电位Ed区间为-1.3 V～-1.7 V，富集时间td区间为30～270 s，SWASV检测的电位扫描范围为-1.30～-0.30 V，方波振幅25 mV，电位阶跃4 mV，频率15 Hz。记录Cd(Ⅱ)溶出伏安曲线，根据不同浓度Cd(Ⅱ)的溶出伏安曲线的峰值电流，绘制浓度-电流曲线。每次测量后将电位于0.30 V搅拌条件下保持180 s，更新电极表面，溶出前一次的富集物。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

图1为不同放大倍数下凹凸棒石粘土矿物的扫描电镜(SEM)图。在放大2.00×103和10.0×103倍条件下(图1(a)、1(b))，可以观察到凹凸棒石粘土矿物呈现出团聚的颗粒状态，且团聚的颗粒大小不一，在晶体表面上也能够观察到单独的纤维和棒状结构。进一步放大倍数后(如图1(c)、1(d))，可以清晰地看到凹凸棒石粘土矿物为纤维棒状或针状结构，直径50～60 nm左右，长度约为550 nm。

图1 凹凸棒石粘土矿物在2.00×103(a)、10.0×103(b)、100×103(c)、400×103(d)放大倍数下扫描电镜(SEM)图像Fig.1 SEM image of attapulgite clay mineral at 2.00×103(a),10.0×103(b),100×103(c),400×103(d) magnification

X射线衍射(XRD)图谱(图2)显示凹凸棒石粘土矿物在2θ=8.49°、13.85°、16.39°、19.83°、21.42°、26.65°和34.95°出现7个尖锐的衍射峰，在衍射角度2θ=8.49°处，凹凸棒土层间距为1.055 nm，是凹凸棒石粘土(110)晶面的特征衍射峰[19,20]。在2θ=13.85°、16.39°处是(200)和(130)晶面微弱的特征衍射峰，同时2θ=19.83°、21.42°是(040)和(310)晶面的衍射峰。2θ=26.65°出现的尖锐衍射峰是凹凸棒石共生矿物石英的衍射峰，为石英(041)晶面。其中(110)和(041)晶面是样品中区别于其他矿物的特征峰，衍射峰尖锐且更高，表明这两种晶面的原子阵列在样品中存在较多，结晶度好。

凹凸棒石粘土矿物的傅里叶红外(FT-IR)光谱如图3所示，出现在990 cm-1和1 031 cm-1的特征峰与凹凸棒石粘土矿物结构框架中Si-O-Si键的弯曲振动有关[18]，在1 195 cm-1处检测到的特征峰为Si-O键的伸缩振动，而在1 660 cm-1处的特征峰是由吸附在凹凸棒石粘土矿物表面水分子的弯曲振动引起的。3 700～3 200 cm-1之间出现特征峰属于-OH的伸缩振动。其中，3 620 cm-1不仅与阳离子Al3+相结合的-OH的伸缩振动有关，还与Mg-OH中的-OH伸缩振动[19]。3 560 cm-1处的特征峰为(Fe,Mg)-OH和(Al,Mg)-OH中羟基的伸缩振动。峰值强度在3 390 cm-1处是吸收水中的-OH导致。此外，在795 cm-1处存在一个微弱的峰，是由于Mg-O-Si的振动产生的。

图2 凹凸棒石粘土矿物的X射线衍射(XRD)图谱Fig.2 XRD pattern of attapulgite clay mineral

图3 凹凸棒石粘土矿物的傅里叶红外(FT-IR)光谱图Fig.3 FT-IR spectum of attapulgite clay mineral

2.2 电极的电化学表征

使用K3[Fe(CN)6]溶液与KCl的混合溶液作为探针，利用循环伏安法(CV)对修饰丝网印刷电极的电化学性能表征，结果见图4(a)。相比于未修饰条件，凹凸棒石粘土矿物修饰阻碍了电极表面电子传递，但凹凸棒石粘土矿物提供的活性位点随着修饰浓度的增加而增加，电子传输能力随之提升。

图4 (a)凹凸棒石粘土矿物不同修饰浓度条件下循环伏安图；(b)不同溶液中修饰电极的EIS图Fig.4 (a)CVs of different modified electrodes in 0.1 mol/L KCl solution(containing 5 mmol/L K3[Fe(CN)6]);(b) EIS of modified electrodes in HAc-NaAc solution and 0.1 mol/L KCl solution (containing 5 mmol/L K3[Fe(CN)6)]

图4(b)为基于Nafion分散的凹凸棒石粘土矿物修饰浓度为1 mg/L电极分别在0.1 mol/L KCl-5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和pH=4.0 HAc-NaAc缓冲溶液中检测得到的电化学交流阻抗(EIS)图，电子传递阻抗分别约为300 Ω和470 Ω。修饰电极在0.1 mol/L KCl-5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的导电性优于0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶液，主要是因为溶液中KCl增强了导电性。

2.3 传感器对Cd(Ⅱ)的检测性能

2.3.1 凹凸棒石粘土矿物修饰浓度的影响为进一步研究本实验制备材料的性能，对不同浓度凹凸棒石粘土矿物修饰后的丝网印刷碳电极在同一条件下检测性能进行比较。图5为三种凹凸棒石粘土矿物修饰条件和Nafion修饰条件下电极对Cd(Ⅱ)(50 μg/L)检测的SWASV曲线。缓冲溶液为0.1 mol/L HAc-NaAc(pH=4.0)。Nafion是化学修饰电极中常用的具有粘度和阳离子交换作用的分散液，1%Nafion修饰电极(N-SPCE)SWASV曲线上存在着一个弱且不明显的溶出峰。通过金属氧化还原电势与Ag/AgCl参比电极电位可知，溶出电位对应于Cd(Ⅱ)。在检测溶液体系条件相同情况下，溶出峰电位受到仪器测量性能、凹凸棒石粘土矿物的团聚颗粒大小和其在电极表面分散程度影响。通过凹凸棒石粘土矿物修饰后,电极的SWASV曲线上出现了明显的Cd(Ⅱ)溶出峰信号，表明修饰材料增强了电极对Cd(Ⅱ)的检测响应，且凹凸棒石粘土矿物2 mg/mL浓度修饰检测效果最佳。

图5 不同浓度凹凸棒石粘土矿物修饰电极在含有Cd(Ⅱ)(50 μg/L)的0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶液(pH=4.0)中的SWASV曲线Fig.5 SWASV curves of different modified electrodes in HAc-NaAc solution (0.1 mol/L pH=4.0) containing 50 μg/L Cd(Ⅱ)

2.3.2 溶液pH的影响缓冲溶液的pH值是影响检测灵敏度的重要因素。研究Cd(Ⅱ)在不同pH的HAc-NaAc缓冲溶液中的溶出曲线。如图6所示，Cd(Ⅱ)在缓冲溶液pH=4.0条件下峰电流最大，且在缓冲溶液pH=4.0时修饰电极的阻抗值相对较低，这与文献报道中被广泛接受的HAc-NaAc缓冲液pH=4.5不同[20 - 22]，溶液pH较低时存在较高浓度的H+，H+和金属离子均会在工作电极表面发生氧化还原反应，产生竞争从而影响金属离子的富集效果；溶液pH增大时，OH-通过与金属离子络合，进而影响金属离子在电极表面的富集导致溶出电流减小[23]。凹凸棒石粘土矿物修饰电极在缓冲溶液pH=4.0时，电化学信号最强，因此选择0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶液(pH=4.0)为反应底液。

图6 (a)0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶液pH值对凹凸棒石粘土矿物修饰电极检测Cd(Ⅱ)的影响；(b)0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶液pH值对凹凸棒石粘土矿物修饰电极EIS的影响Fig.6 (a)The influence of pH of 0.1 mol/L HAc-NaAc solution on the detection of Cd(Ⅱ) by the modified electrodes;(b) EIS of modified electrodes in 0.1 mol/L HAc-NaAc solutions with different pH

2.3.3 富集电位和富集时间的影响固定富集时间为180 s，改变富集电位，研究Cd(Ⅱ)溶出峰电流随富集电位变化的情况，结果如图7(a)所示。随着富集电位从-1.3 V降到-1.5 V，Cd(Ⅱ)的溶出峰电流逐渐增大，富集电位为-1.5 V时，Cd(Ⅱ)溶出峰电流达到最大。富集电位继续负移时，溶出电流开始降低。在-1.7 V时的溶出峰电流高于-1.6 V，虽然过高的富集电位也会加快富集过程，但是容易富集杂离子而产生干扰，因此选择富集电位为-1.5 V。

对不同的富集时间进行分析，富集时间从30 s到270 s，固定富集电位-1.5 V，Cd(Ⅱ)浓度为50 μg/L。富集时间和峰电流关系如图7(b)所示，溶出电流随着富集时间的增加而一直增大，说明峰电流受富集时间影响较大，富集到电极表面的Cd(Ⅱ)随着富集时间的增加逐渐增多，溶出性能也得到进一步提高。但是当富集时间超过210 s时，溶出电流增大的趋势减缓，说明修饰电极表面已开始趋近于饱和状态，继续增加富集时间对于我们所期望的快速检测是不利的。因此，为了获得更低的检出限和更宽的响应范围，实验选择210 s作为电化学检测的富集时间。

图7 (a)富集电位对Cd(Ⅱ) (50 μg/L)溶出峰电流的影响；(b)富集时间对Cd(Ⅱ) (50 μg/L)溶出峰电流的影响Fig.7 (a)Influence of accumulation potential on currents of Cd(Ⅱ) (50 μg/L);(b)Influence of accumulation time on currents of Cd(Ⅱ) (50 μg/L)

2.4 线性范围和检出限

在富集电位-1.5 V，富集时间210 s，0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶液(pH=4.0)条件下，采用SWASV测定不同浓度Cd(Ⅱ)得到的溶出曲线，如图8所示。Cd(Ⅱ)浓度在10～175 μg/L范围内，溶出曲线的峰形良好，溶出峰电流随着浓度的增加而线性增大，Cd(Ⅱ)浓度(x)与峰电流(y)线性回归方程为：y(μA)=0.09056x+0.33497(R2=0.9951)，检出限(S/N=3)为1.18 μg/L，低于世界卫生组织和我国规定的饮用水中允许的最大含量。与文献报道的修饰电极检测Cd(Ⅱ)的方法相比(表1)，凹凸棒石粘土矿物修饰丝网印刷电极具有良好的溶出伏安特性。

图8 (a)凹凸棒石粘土矿物修饰丝网印刷碳电极检测不同Cd(Ⅱ)浓度的溶出伏安图；(b)Cd(Ⅱ)溶出峰电流与浓度的线性关系Fig.8 (a) SWASV curves of different concentrations of Cd(Ⅱ) on modified electrodes;(b) The linear calibration between the current responses and the concentration of Cd(Ⅱ)

表1 基于不同修饰的丝网印刷电极检测Cd(Ⅱ)的性能比较

2.5 重现性、稳定性和抗干扰能力

为了考察优化条件下修饰电极的重现性和稳定性，在相同条件下，从修饰电极中随机选取5支，检测5组Cd(Ⅱ)溶液样品，每组样品分别进行7次平行测定，对7次测定的峰电流计算平均值，峰电流数据之间的相对标准偏差小于2.0%，说明修饰的电极具有较好的重现性和稳定性。

实验选择加入Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+和Pb2+作为干扰离子。结果表明，在Zn2+和Pb2+为1.25×103μg/L时，即Cd(Ⅱ)浓度50倍的情况下，与单独检测Cd(Ⅱ)的溶出信号相比变化在±2%内；在Na+、K+、Ca2+、Mg2+为5.0×103μg/L时，即为Cd(Ⅱ)浓度100倍时，溶出曲线与单独检测Cd(Ⅱ)的溶出信号相比变化在±5%内，表明凹凸棒石粘土矿物修饰丝网印刷碳电极具有良好的抗干扰性能。

2.6 实际水样分析

采集南京林业大学紫湖溪河水水样，使用制备的改性电极结合SWASV对水体中的Cd(Ⅱ)含量进行了检测。首先将水样本过滤，滤除泥沙等大颗粒固态杂质。过滤后的实际水样与0.2 mol/L HAc-NaAc溶液以体积比1∶1混合，使用NaOH溶液将被测溶液pH值调节至4.0。过滤后的河水样本使用ICP-MS检测Cd(Ⅱ)含量为0.465 μg/L。通过使用标准加入方法对先前检测到的样品进行验证，重复测定3次。结果显示(表2)，RSD小于3%，Cd(Ⅱ)回收率为98.6%～103.5%，表明制备的改性电极可用于实际水环境中Cd(Ⅱ)的实时快速分析。

表2 实际水样测定结果(n=3)

3 结论

本研究基于方波阳极溶出伏安法，构建了凹凸棒石粘土矿物修饰的丝网印刷碳电极传感器，可用于检测水溶液中Cd(Ⅱ)含量。在优化检测参数实验条件下，Cd(Ⅱ)溶出峰电流与浓度具有良好的线性关系。在实际水样的加标回收检测中，该修饰电极显示出了良好的回收率。凹凸棒石粘土矿物修饰丝网印刷电极制备简单，价格低廉，商业化生产可行性高，且重现性、稳定性和抗干扰能力令人满意，为基于现场的重金属快速检测提供了一种成本低且安全的新方法。