掺杂修饰碳糊电极对蔬菜中镉的电化学快速检测

2023-11-26罗惠莉张舸帆黄一璐龙雯琪周颖

中国食品学报 2023年9期

罗惠莉，张舸帆，黄一璐，龙雯琪，周颖

（1 湖南农业大学环境与生态学院长沙410128 2 国家环境保护重金属污染监测重点实验室长沙410019 3 湖南国标检测科技有限公司长沙 410005）

重金属污染已对生态环境、食品安全和人类健康构成威胁。近年来Cd 在国内谷物及米制品[1-3]、蔬菜[4-6]、茶叶[7]、水产品[8-9]等中均有检出，是农产品和食品质量安全最受关注的重金属元素之一。梁晓聪等[1]分析了陕西省2002-2018 年市售谷物中Cd 污染状况，结果显示Cd 的平均值为0.022 mg/kg，超标率为1.39%。曾婷婷等[6]对重庆蔬菜基地的辣椒中Cd 进行检测，Cd 含量为0.007～0.091 mg/kg，有3 份辣椒样品Cd 超标。邢仕歌等[8]抽测了2018-2020 年北京市售83 份蟹类样品中的Cd 含量，平均值为0.647 mg/kg。随着农产品和食品质量安全要求的提高，对重金属实时快速检测的需求迫切。

在实验室检测Cd 的常见方法有电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[4，10]和原子吸收光谱法（AAS）[11-12]。近年来电化学检测技术的发展，使其在重金属快速检测中应用增多，主要仍集中在水样检测[13-14]，而食品、农产品中Cd 的电化学检测较少。碳糊电极（CPE）因制作简单，背景电流低、电极表面容易更新等特点[15]而具有较好的应用价值。如Ogunlesi等[16]以玻碳电极（GCE）为工作电极，采用线性扫描阳极溶出伏安法（LSASV）检测玉米叶和小米叶中的Cd。样品经65%的HNO3和70%的HClO4消化处理，检出量为0.00～5.74 mg/kg，部分超过联合国粮食及农业组织规定限值（2 mg/kg）。近来，纳米金属及其氧化物因表面积大、吸附容量高而受到关注并应用于电极修饰[13，17-18]。如Ashrafi等[17]采用锑纳米粒子/多壁碳纳米管修饰的CPE 对小麦粉中Cd 进行检测，检测限为0.65 μg/L。

植物和食品样品比水样品成分复杂，往往需通过酸消解后转为待测液。也有通过预处理提取重金属后再检测。Silva等[19]用7 mol/L 硝酸溶液和超声波提取巧克力中的Cd、Pb 和Cu，采用方波阳极溶出伏安法（SWASV）-薄型凝胶膜修饰玻碳电极，同时测定Cd、Pb 和Cu 的检测限达到0.089，0.059，0.018 μg/g。Wang等[20]采用稀酸萃取，ASVGCE 快速现场测定小龙虾中Cd，检出限为0.005 mg/kg。蔬菜样品不经消解，直接进行重金属电化学测定的研究[21]很少，如：Ion等[21]在测定卷心菜中Pb（DPV 法）时，直接将卷心菜切块，加入0.01 mol/L 磷酸盐缓冲液后制成汁，使用表面氨基化剥落石墨纳米板铋修饰电极（CO-NH2-xGnP/GCE），在铋膜沉积预浓缩下测定Pb。

本研究选择3 种常见的含水率高的蔬菜——黄瓜、西红柿、小白菜为试验材料，参考Silva等[19]和Ion等[21]的前处理方式，将蔬菜样匀浆后用0.1 mol/L 硝酸稀释并超声提取。采用纳米氧化铝/氧化铋掺杂修饰的碳糊电极（CPE），经方波阳极溶出伏安法（SWASV）检测其中的Cd。比较不同蔬菜基质对Cd 电化学检测的基质效应，确定适宜检测的基质稀释比。本研究结果对开发蔬菜中重金属快速检测技术，简化检测流程，推动自动化检测设备研发有积极的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

1.1.1 试剂 Cd 标准溶液（1 000 mg/L，标准物质）；氯化亚锡（SnCl2）、铁氰化钾（K3[Fe（CN）6]）、醋酸、硝酸，均为分析纯。石墨粉（微米级），石蜡油（化学纯）；氧化铝，氧化铋（纳米级）。

1.1.2 试验材料试验用的蔬菜均购自周边市场。其中黄瓜基质的电导率为0.43 ms/cm，pH 值为6.32；西红柿基质的电导率为2.73 ms/cm，pH值为4.31；小白菜基质的电导率为1.39 ms/cm，pH值为6.48。

1.2 试验仪器

电化学工作站（CHI830D），上海辰华仪器公司，参比电极为甘汞电极，对电极为铂电极，工作电极为CPE 电极；电导率仪（DDSJ-308A），上海精密仪器有限公司；pH 计（PHS-3C），上海精密仪器有限公司；ICP-MS（NexlON 1000），美国珀金埃尔默股份有限公司。

1.3 电化学检测方法

于电解池中加入0.1 mol/L 醋酸-醋酸钠缓冲溶液，SnCl2溶液和待测液。选用SWASV 法，工作电压-1.4 V 持续120 s，然后施加正向方波扫描电势：方波振幅：25 mV；步进电势：5 mV；方波频率：25 Hz，由-1.4 V 扫描至0 V。由溶出峰电流值（Ip）对Cd 浓度进行定量分析。

1.4 CPE 电极掺杂修饰及优化

CPE 电极及修饰：石墨粉与液体石蜡（质量比3∶1）混合，研磨均匀装填压实，表面打磨光滑。采用掺杂法修饰时，在石墨粉中掺入10%～30%的修饰剂。

以氧化铝、氧化铋为修饰剂分别对CPE 进行修饰，参考Svancara等[22]的研究，将掺加比例控制在10%～30%。通过比较对Cd 检测响应值，确定适宜的掺加比。比较以氧化铝、氧化铋、氧化铝/氧化铋作为修饰剂的检测差异，以确定对Cd 检测最优的掺杂修饰电极。

1.5 样品处理与检测

蔬菜样匀浆后超声破壁并脱气，密封冷藏。检测前基质样品经1% HNO3稀释后超声。根据1.3节检测条件和1.4 节确定的修饰CPE 检测其中的Cd，确定样品检测的适宜稀释比和检测操作条件。

1.6 基质效应与干扰分析

结合XRF 分析，考察基质中含量较高金属元素的离子，如K+，Ca2+，Mg2+，Fe3+，Fe2+和Zn2+等对Cd电化学检测干扰，明确主要干扰金属离子。

1.7 电化学检测的准确性验证

对添加Cd 的蔬菜样品分别通过SWASV 法与ICP/MS 检测，比较2 种方法的检测结果，分析SWASV 法检测的准确性。

ICP/MS 检测的样品，参考Xu等[23]的样品前处理，蔬菜样经浓HNO3∶HClO4=4∶1 湿法消解。

2 结果与分析

2.1 掺杂修饰及优化

2.1.1 单一掺杂修饰以氧化铝、氧化铋为修饰剂，分别替代石墨粉的质量比（即掺加比）为10%，20%和30%。用修饰的CPE 检测10 μg/L Cd，比较2 种修饰剂的差异，初步确定适宜的掺加比。

结果表明，掺加20%氧化铝时，对Cd 的检测响应最大，Ip为2.311 μA；相比未修饰CPE 检测的Ip值增加了62.98%。氧化铝掺加比从10%增加到20%，Ip值增加了18.42%；而由20%增加到30%，Ip值反而下降了17.94%。掺加20%氧化铋时修饰效果也好于其它比例。但氧化铋掺加比由20%提高至30%，Ip值差异不大。

根据以上试验结果，初步确定修饰剂适宜的掺加比为20%。

2.1.2 掺杂修饰优化在2.1.1 节试验基础上，以氧化铝为主修饰剂，氧化铋掺加比取1%，5%，8%，总掺加比为20%，进行氧化铝/氧化铋混合修饰。图1 为20%氧化铝、20%氧化铋、15%氧化铝/5%氧化铋作修饰剂，检测10 μg/L Cd 的溶出伏安图。

图1 修饰剂对Cd 检测响应的影响Fig.1 Effects of modifier on Cd detection response

图2 Cd 的检测标准曲线和溶出伏安图Fig.2 Standard curve and voltammogram of Cd

以20%氧化铝修饰电极为比较基础，15%氧化铝/5%氧化铋修饰电极对10 μg/L Cd 的峰电流值为2.559 μA，好于其它掺加比（2.227 和2.249 μA）；也好于单独掺加氧化铝或氧化铋；且Cd 的溶出峰峰形得到改善。因此后续试验采用15%氧化铝/5%氧化铋混合修饰电极（记为DMCPE）。

用金属氧化物修饰电极，能扩大CPE 的比表面积，富集待测离子[24]；同时促进电子转移，增强离子溶出响应[25]。但掺加超过一定量，即修饰剂浓度过高，会使得电极的欧姆电阻率和背景电流增加[26]，从而影响沉积物剥离，导致溶出峰电流值下降。氧化铋修饰相比氧化铝对Cd 检测的响应稍差，但掺加氧化铋后利于Sn 的沉积和溶出[27]，从而通过Cd-Sn 共沉淀影响Cd 的溶出响应（见图1）。这与Zheng等[25]的研究一致。

2.2 蔬菜基质对Cd 的检测影响

2.2.1 确定蔬菜基质的稀释比分析基质对Cd电化学检测的影响，Cd2+质量浓度为30 μg/L，分别在静置和搅拌（转速为80 r/min）时对Cd 检测，以得到稳定的检测条件。黄瓜、西红柿、小白菜各基质稀释比（待测液体积/基质体积）见表2。

静置检测条件下，黄瓜基质稀释倍数为30，西红柿基质稀释倍数为100，小白菜基质稀释倍数为300 时，相比对应空白（不加基质）的Cd 溶出峰电流值分别降低6.55%，3.23%，9.52%。增加基质添加量，Cd 峰电流值进一步降低。

采取低速搅拌，黄瓜稀释倍数仍取30，此时Cd 峰电流降低9.23%。西红柿稀释倍数100 降为60，Cd 峰电流降低9.93%。小白菜稀释倍数可采用100，Cd 峰电流降低7.68%。表明低速搅拌时比静置时检测响应稍高，最主要的是小白菜样品稀释比降低了，有利于提高检测准确性。

比较3 种蔬菜基质对Cd 检测的干扰影响（由大到小）：小白菜>西红柿>黄瓜。这与基质的电导率排序一致，表明基质中离子（尤其是金属阳离子）对Cd 检测有干扰。

2.2.2 主要干扰离子分析根据表1 中主要金属元素含量，考察含量较高的K+，Ca2+，Mg2+，Fe3+，Fe2+和Zn2+的检测干扰。以小白菜中各元素含量为基数值，稀释60 倍（取整数值）后，以DMCPE 分析其对30 μg/L Cd 的检测影响。结果发现主要是Zn的干扰，1.5 mg/L 的Zn2+使Cd 的Ip值下降了16.07%。

表1 蔬菜中主要金属元素含量（mg/kg）Table 1 Contents of main elements in the three vegetables（mg/kg）

表2 蔬菜中Cd 检测的稀释比Table 2 Dilution ratio for Cd detection in vegetables

在前期试验中，以西红柿中较高含量金属进行的干扰分析也表明，Zn 对Cd 检测干扰最大。以未修饰CPE 检测100 μg/L Cd 时，0.8 mg/L 的Zn2+使Cd 的Ip值下降了34.87%；8 mg/L Mg2+使Cd 的Ip值下降了20.03%；而K+，Ca2+的干扰影响小。

由于小白菜中Mg 含量不高，以西红柿中Mg含量为基础，同前期试验（稀释40 倍，测100 μg/L Cd），发现采用DMCPE 检测，Mg2+造成Cd 的Ip值只降低了9.02%。

试验结果表明，蔬菜中高含量的Zn、Mg 对Cd的电化学检测有干扰；采用DMCPE 可降低这些干扰离子的影响。

Yukird等[28]测定废水中Cd（II）和Zhao等[29]测定土壤中Cd（II）时，均发现Zn（II）会产生干扰。相比重金属Cd，Zn 易于被植物吸收，尤其是白菜类的蔬菜易富集Zn，因此采用电化学方法检测蔬菜中Cd 时，要考虑高浓度Zn 的干扰和消除，这值得进一步研究。但少有文献报道分析Mg 的干扰影响。

2.3 Cd 检测方法

2.3.1 检测标准曲线以15%氧化铝/5%氧化铋修饰的CPE 为工作电极，方波振幅25 mV；步进电势5 mV；方波频率25 Hz；工作电压-1.4 V；沉积时间120 s，SnCl2质量浓度为3.5 mg/L，低速搅拌。建立Cd 的检测标准曲线。其线性范围为0.2～70 μg/L。线性回归方程及相关系数为：Ip=0.1774C+0.3646（Ip：μA，C：μg/L）；R=0.9983，检测限为0.2 μg/L。

2.3.2 添加回收试验根据2.2.1 节试验结果，在蔬菜样品中添加0.1 mg/kg 和1 mg/kg 的Cd，按照1.5 节进行样品前处理，黄瓜、西红柿、小白菜基质稀释比分别取30，60，100。按照2.3.1 节检测条件进行检测，添加回收率、相对标准偏差见表3。另外取蔬菜样品，添加0.1 mg/kg 的Cd，按上述稀释比和SWASV 法检测，同时按照1.7 节样品处理后经ICP-MS 检测，2 种检测方法结果比较见表3。