伏安极谱仪测定海水中活性态痕量金属

韩海涛，潘大为

（中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003）

随着全球工业和经济的快速发展，大量污染物被排放进入海洋中.海洋中的金属元素可能对生态系统及人类健康造成严重危害，因此该问题受到了人们的广泛关注[1].而金属元素如铜（Cu）、铅（Pb）、镉（Cd）、锌（Zn）等在海洋生物地球化学循环中却发挥着重要作用[2-5].

在以往研究中，通常只关注海水中痕量金属的总溶解浓度，但是后来的研究证明，总溶解浓度不足以有效评估其生物利用性和毒性[6-7].因此，需要采取有效的方法和途径来确定海水中具有潜在生物可利用性的活性态金属的浓度.

电化学技术是最有前景的元素形态分析方法之一，其具有高度的便利性和快速、直接的分析流程[8-9].电化学技术中的阳极溶出伏安法（anodic stripping voltammetry，ASV）是常用于金属元素形态分析的电化学技术，其已成功用于不同环境样品中金属元素的形态分析，尤其是活性态（labile）金属的测定[10-12].活性态金属是指不添加任何试剂，在自然海水条件下，仅通过简单过滤处理，用电化学溶出伏安法能够检测到的部分.虽然海水中活性态金属的浓度较低，但其在海洋环境中具有高的生物可利用性和毒性[8].活性态金属在操作上可定义为海水样品经简单过滤（如0.45 µm 或0.22 µm）后，直接通过阳极溶出伏安法测得的部分[3,8].

基于阳极溶出伏安法，通过伏安极谱仪研究了富集电位和富集时间等关键参数对测定Cu、Pb、Cd、Zn 的影响，建立了海水中活性态Cu、Pb、Cd、Zn 检测的方法.以烟台四十里湾作为典型研究区域，通过所建立的方法，实现了烟台四十里湾不同站位海水中活性态Cu、Pb、Cd、Zn 的测定，为海水中痕量金属元素的形态分析及生物可利用性研究提供了有效技术手段.

1 材料和方法

1.1 仪器与试剂

电化学试验在瑞士万通797 型伏安极谱仪（图1）上进行，工作电极为悬滴汞电极（HMDE），辅助电极为铂电极（Pt），参比电极为银/氯化银电极（Ag/AgCl）；去离子水由超纯水仪（Cascade-Bio，美国Pall Cascada 公司）制得；Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+标准储备溶液由国家标准物质中心（CRMs，中国北京）提供，混合标准溶液由4 种离子标准储备液混合、稀释制得；1 mol/L 盐酸（上海国药集团化学试剂有限公司，分析纯）用于采样瓶的清洗；质量分数为5%硝酸（上海国药集团化学试剂有限公司，分析纯）用于样品瓶的浸泡；高纯氮气用于海水样品除氧.

图1 瑞士万通797 型伏安极谱仪Fig. 1 797 Voltammetric polarograph (Metrohm,Switzerland)

1.2 海水样品采集及处理

实际海水样品采集自烟台四十里湾（中国北黄海）的9 个不同站位点.使用聚四氟乙烯采样器，采集海水样品至聚丙烯瓶中.聚丙烯瓶在使用前至少在5%硝酸中浸泡24 h，使用时再用1 mol/L 盐酸润洗，并用去离子水进行彻底冲洗.海水样品采集后，立即使用0.45 µm 醋酸纤维素膜进行过滤处理，并尽快进行检测，检测前样品存储在4 ℃冰箱中.

1.3 检测流程

阳极溶出伏安法检测过程示意图如图2 所示.测定前，将10 mL 经过滤处理的海水样品注入伏安极谱仪的检测池中，并用高纯氮气（0.1 MPa）鼓泡5 min 以排除样品中的溶解氧.阳极溶出伏安法检测流程：首先进行富集过程，在一定的富集电位（-1.15 V）下，富集一定时间（60 s），将样品中的Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+还原为金属富集在电极上.静止10 s后，采用差分脉冲伏安法（DPV）从-1.15 到0.02 V以0.03 V/s 的扫描速率进行电位扫描，记录得到Cu、Pb、Cd、Zn 的氧化溶出峰电流，至少进行2 次重复测试.然后进行2 次加标试验，加标后按照相同的流程进行检测，分别得到2 次加标后的溶出峰电流，即可根据标准加入法获得相应海水样品中活性态Cu、Pb、Cd、Zn 的含量.

图2 阳极溶出伏安法检测过程示意图Fig. 2 Schematic diagram of detection process of anodic stripping voltammetry

2 结果与讨论

2.1 海水检测溶出伏安图

图3 显示了通过伏安极谱仪测定海水中Cu、Pb、Cd、Zn 获得的典型DPV 曲线，可以看出Cu、Pb、Cd、Zn 的出峰电位分别在-0.17、-0.41、-0.61和-1.00 V.以Zn 为例，图中-1.00 V 自下而上分别是在海水样品、加标1 次、加标2 次获得的DPV 曲线.通过标准加入法即可计算样品中Cu、Pb、Cd、Zn 的含量.图4 显示了Cu、Pb、Cd、Zn 这4 种元素标准加入法定量的典型曲线.通过此方法可得Cu、Pb、Cd、Zn 的检出限分别为2.89×10-2、1.06×10-3、2.97×10-3和1.27×10-2µg/L.

图3 海水中Cu、Pb、Cd、Zn 标准加入法测定的典型DPV 曲线Fig. 3 Typical DPV curves of Cu, Pb, Cd and Zn in seawater obtained by standard addition method

图4 海水中（a）Cu、（b）Pb、（c）Cd、（d）Zn 标准加入法定量的典型曲线Fig. 4 Typical curves for quantitative determination of (a) Cu, (b) Pb, (c) Cd and (d) Zn in seawater by standard addition method

2.2 富集电位的影响

富集电位能够显著影响金属离子阳极溶出伏安检测时的氧化溶出峰大小.固定富集时间为60 s，富集电位在-1.40 到-1.05 V 范围内，对海水中Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰电流进行了探究，结果如表1 所列.由表1 可见，当富集电位从-1.40 V升高至-1.05 V 时，Zn2+的氧化溶出峰逐渐降低，Cd2+的氧化溶出峰逐渐升高，而Cu2+和Pb2+的氧化溶出峰没有明显变化.由于随着富集电位的升高，Cd2+和Zn2+的氧化溶出峰呈现出相反的变化趋势，而在-1.15 V 时，Cd2+和Zn2+同时具有较大的氧化溶出峰，因此，选择-1.15 V 作为海水中Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+同时检测的富集电位.

表1 不同富集电位下Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰电流Table 1 Oxidation peak currents of Cu2+, Pb2+, Cd2+ and Zn2+ obtained at different accumulation potentials

2.3 富集时间的影响

将富集电位固定为-1.15 V，探究富集时间在30~120 s 时对海水中Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+氧化溶出峰电流的影响，结果如表2 所列.Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰电流均随富集时间的延长而逐渐增大.由于60 s 的富集时间就足以对海水样品中的活性态Cu、Pb、Cd、Zn 进行检测，因此选择60 s作为富集时间.

表2 不同富集时间下Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的氧化溶出峰电流Table 2 Oxidation peak currents of Cu2+, Pb2+, Cd2+ and Zn2+ obtained at different accumulation times

2.4 准确性验证

为验证本方法的准确性，将本方法海水中Cu、Pb、Cd、Zn 的检测结果与电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行对比.为进行对比，采用两种方法分别对海水中的总溶解态Cu、Pb、Cd、Zn 进行了检测.经过酸化（pH＜2）、紫外消解（500 W 功率，30 min）后的海水样品通过本方法进行检测.对比结果如表3 所列.结果显示，本方法在用于海水中Cu、Pb、Cd、Zn 的检测时，与ICP-MS 的检测结果较为一致，说明本方法具有较好的准确性.

表3 本方法与ICP-MS 测定海水样品结果的对比Table 3 Comparison of this method and ICP-MS for determination of seawater samples/（µg/L）

2.5 烟台四十里湾海水检测结果

基于上述方法，通过伏安极谱仪对烟台四十里湾9 个站位点的海水样品中活性态Cu、Pb、Cd、Zn 的含量进行测定，结果如表4 所列.总体来说，烟台四十里湾活性态金属的浓度存在以下关系：Zn>Cu>Pb>Cd，活性态Cu、Pb、Cd、Zn 的质量浓度范围分别为1.00~4.45 µg/L、0.68~1.36 µg/L、0.052~0.127 µg/L、6.93~21.22 µg/L（每个站位点的浓度取其3 次检测结果的平均值）.活性态金属的含量与其总溶解浓度及生物摄取、排污输入等有关.

表4 烟台四十里湾不同站位点活性态Cu、Pb、Cd、Zn 的含量Table 4 Contents of labile Cu, Pb, Cd and Zn at different sites in Yantai Sishili Bay/（µg/L）

3 结论

本文从条件优化、方法建立、实际样品检测、典型海域分布特征等方面进行了探究.

（1）对采用伏安极谱仪同时检测Cu、Pb、Cd、Zn 的试验条件进行了优化，最终选择-1.15 V 和60 s分别作为富集电位和富集时间，采用标准加入法进行定量分析，建立了伏安极谱仪测定海水中活性态痕量金属元素的方法.

（2）对实际海水样品进行了测定，发现在不添加任何试剂，不改变海水自然环境的条件下，Cu、Pb、Cd、Zn 的出峰电位分别在-0.17、-0.41、-0.58、-1.00 V.

（3）采用所建立的方法，对烟台四十里湾9 个不同站位点的海水样品进行测定，结果显示烟台四十里湾活性态金属的浓度存在以下关系：Zn>Cu>Pb>Cd，活性态Cu、Pb、Cd、Zn 的质量浓度范围分别为1.00~4.45 µg/L、0.68~1.36 µg/L、0.052~0.127 µg/L、6.93~21.22 µg/L.