基于3D打印薄層池和流場形電極的鎘離子流動(dòng)檢測系統(tǒng)

賀小云+王濟(jì)奎+洪穎+呂丹丹+楊曉露+劉暢+陸小華+陳國松

摘 要 首次提出了流場形（FFS）電極的概念，并印制了FFS三電極體系。結(jié)合3D打印的薄層流通池（TLFC），采用方波溶出伏安法（SWSV），構(gòu)建了鎘離子（Cd2+）流動(dòng)電化學(xué)檢測系統(tǒng)。考察了電極形狀、測量方式、流速、介質(zhì)條件、富集時(shí)間等條件的影響。結(jié)果表明，此檢測系統(tǒng)測量靈敏度高，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。在優(yōu)化條件下，Cd2+濃度在2～100 μg/L范圍內(nèi)與溶出峰電流呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.997，檢出限為0.5 μg/L。將本方法應(yīng)用于環(huán)境水樣和生物甲烷發(fā)酵液中痕量Cd2+的檢測，結(jié)果與ICP.AES無顯著性差異，加標(biāo)回收率為90%～106%。

關(guān)鍵詞 鎘； 3D打印薄層流通池； 流場形電極； 流動(dòng)電化學(xué)檢測體系

1 引 言

鎘（Cd）是環(huán)境中常見的有毒害重金屬，污染主要來源于冶煉、電鍍、塑料、印刷等行業(yè)排放的廢水、廢氣和廢渣。Cd被人體吸收后會(huì)在體內(nèi)蓄積，造成嚴(yán)重的慢性中毒，致畸、致癌、致突變。常見分析Cd的方法有原子吸收光譜法[1，2]、原子熒光光譜法[3]、電感耦合等離子質(zhì)譜法[4，5]、電化學(xué)分析法[6～9]、生物化學(xué)傳感器檢測[10～12]等。其中，電化學(xué)分析法具有快速、裝置簡單、靈敏度高、專屬性強(qiáng)、不受樣品基體濁度和色澤影響等優(yōu)點(diǎn)。

陽極溶出伏安（ASV）是檢測痕量重金屬離子的常用電化學(xué)分析法，一般是將三電極置于待測溶液中，在攪拌狀態(tài)下富集并在靜置狀態(tài)下溶出。因此試液用量較大，不便用于現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測。攪拌狀態(tài)的多變性也使得富集過程和分析結(jié)果的重現(xiàn)性均不理想。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)可將三電極設(shè)計(jì)并印制在一張底板上，具有便攜性高和分析成本低的優(yōu)勢[13]。流動(dòng)分析方式樣品需求量少，自動(dòng)化程度高，樣品間的交叉污染少，且靈敏度高，重現(xiàn)性好，具有良好的應(yīng)用前景[14，15]。

本研究將兩者有機(jī)結(jié)合，用3D打印機(jī)生成薄層流通池（TLFC），首次將三電極設(shè)計(jì)成順應(yīng)理想流場的形狀，構(gòu)建了痕量Cd2+的電化學(xué)檢測系統(tǒng)，以流動(dòng)分析方式，采用同位鍍鉍膜.方波溶出伏安法對水樣中的痕量Cd2+進(jìn)行測定，取得了令人滿意的結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

CHI660E電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）； BS 124S電子分析天平（德國賽多利斯公司）； PHS.3C數(shù)字式酸度計(jì)（上海雷磁儀器廠）； BT100.1L多通道蠕動(dòng)泵（保定蘭格恒流泵有限公司）； DZE.6050真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）； PE ICP Optima 8000（美國珀金埃爾默公司）； 絲網(wǎng)印刷三電極（自制，其中工作電極和輔助電極為碳漿印制，參比電極為銀/氯化銀漿印制）

無水乙醇，硝酸鉍（西隴化工股份有限公司）； Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000 μg/mL，美國AccuStandard公司）； 0.1 mol/L不同pH的HAc.NaAc 緩沖液；所用試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水均為超純水（電阻率>18.3 MΩ·cm）。 檢測水樣分別采自973計(jì)劃項(xiàng)目生物甲烷系統(tǒng)發(fā)酵罐（樣品1）、長江南京燕子磯段（樣品2）、長江南京長江大橋段（樣品3）及長江南京江心洲段（樣品4）。

2.2 流動(dòng)式電化學(xué)檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

傳統(tǒng)溶出伏安分析中，溶液中的金屬離子在攪拌下與棒狀工作電極接觸而在其表面還原沉積，從而得到富集。待測溶液須完全浸沒電極，待測物質(zhì)需在攪拌下從溶液本體向電極表面擴(kuò)散，因而完成測定所需溶液的體積較大，富集量易受電極實(shí)物形狀及其在燒杯中相對位置的影響。若在平面電極表面構(gòu)建一個(gè)微米級的（< 1 mm）薄層空間，用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)被測溶液持續(xù)地流過電極的表面，則富集量的重現(xiàn)性有望得到顯著提高。此外，電極表面源源不斷地有未經(jīng)損耗的新鮮待測溶液流過，相同時(shí)間內(nèi)會(huì)有更多的待測物質(zhì)被還原沉積，可以在減小所需溶液體積的同時(shí)提高富集量。若將電極形狀設(shè)計(jì)成順應(yīng)流場的方向，則富集效率將進(jìn)一步改善，提高方法的靈敏度。本研究中所采用的流動(dòng)式電化學(xué)檢測系統(tǒng)如圖1所示。

2.2.1 薄層流通池（TLFC）的設(shè)計(jì)制作 用AutoCAD設(shè)計(jì)的TLFC結(jié)構(gòu)如圖2A。兩個(gè)透明方塊形成合葉夾住平面電極，在電極的有效工作區(qū)表面留有鞍形的薄層空間及進(jìn)出口，實(shí)物照片如圖2B。被測溶液由蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)流經(jīng)電極表面。

2.2.2 絲網(wǎng)印刷三電極體系的設(shè)計(jì)制作 經(jīng)COMSOL Multiphysics軟件用有限元方法對薄層鞍形空間內(nèi)溶液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬。基于順應(yīng)理想流場形狀的設(shè)計(jì)思路，三電極設(shè)計(jì)及其印制過程如圖3所示。電極觸腳與標(biāo)準(zhǔn)USB接口4個(gè)觸腳中的3個(gè)匹配，以便與電化學(xué)工作站連接及應(yīng)用。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

用無水乙醇清洗批量的絲網(wǎng)印刷電極表面，再用去離子水洗凈晾干后，裝入自封袋中備用。移取適量硝酸鉍溶液和Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液于50 mL容量瓶內(nèi)，用0.1 mol/L HAc.NaAc緩沖溶液（pH 4.7）定容， 待測。

傳統(tǒng)陽極溶出伏安法（ASV）：將待測溶液倒入50 mL帶攪拌子的燒杯中，將絲網(wǎng)印刷碳工作電極、常規(guī)棒狀銀.氯化銀參比電極和鉑絲對電極置于燒杯中并與電化學(xué)工作站連接。在1.2 V恒電位富集240 s后靜置60 s，采用方波溶出伏安法溶出富集在工作電極上的Cd，并記錄溶出曲線。參數(shù)設(shè)置為：掃描范圍0.3 V，頻率30 Hz；速度6 mV；振幅25 mV。

自制電極.流動(dòng)ASV：將絲網(wǎng)印刷電極按圖2B連接，開啟蠕動(dòng)泵，待溶液充滿流通池后啟動(dòng)富集和溶出過程。富集期間待測溶液以1.2 mL/min連續(xù)流經(jīng)流通池，富集及溶出條件與傳統(tǒng)ASV一致。

滴液式ASV：吸取適量待測溶液，滴于自制電極三電極區(qū)域，并確保完全覆蓋，通過USB接口將其與電化學(xué)工作站連接（如圖4A），進(jìn)行富集和溶出，富集及溶出條件與傳統(tǒng)ASV法一致。

常規(guī)電極.流動(dòng)ASV：將流動(dòng)ASV中使用的自制絲網(wǎng)印刷三電極替換為常規(guī)三電極（如圖4B），其它實(shí)驗(yàn)過程與傳統(tǒng)ASV法相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 流動(dòng)式絲網(wǎng)印刷三電極體系的電化學(xué)檢測性能評價(jià)

利用循環(huán)伏安（CV）法表征自制絲網(wǎng)印刷電極的電化學(xué)特性，圖5為多次掃描所得CV圖，該絲網(wǎng)印刷三電極體系上的氧化還原反應(yīng)為可逆過程，較大的峰電流及重合性良好的伏安曲線說明此電極體系靈敏度較高，且穩(wěn)定性良好。

3.2 不同形狀電極.流動(dòng)ASV比較

將設(shè)計(jì)的絲網(wǎng)印刷三電極及常規(guī)絲網(wǎng)印刷三電極分別置于流通裝置中進(jìn)行流動(dòng)狀態(tài)下Cd2+（60 μg/L）的檢測，圖6為兩者的溶出伏安圖。結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的流場形絲網(wǎng)印刷三電極能得到峰形較好的溶出峰及較大的峰電流，而常規(guī)形狀的電極未能出現(xiàn)Cd的溶出峰。這可能是由于常規(guī)電極的工作電極面積較小，且經(jīng)實(shí)際測量，該電極的對電極電阻與工作電極相當(dāng)，不利于在此檢測體系中的檢測。而流場形電極工作面積較大，對電極電阻較小，且更符合薄層鞍形空間內(nèi)流體的流場分布，在此流動(dòng)檢測體系中能獲得理想的檢測效果。

3.3 滴液式ASV與流動(dòng)ASV比較

圖7為相同條件下滴液ASV和流動(dòng)ASV兩次檢測60 μg/L Cd2+所得溶出曲線。由圖7可見，由于試樣體積的差別，流動(dòng)ASV所得溶出峰遠(yuǎn)高于滴液法。同時(shí)由于滴液法檢測時(shí)，電極表面的溶液擴(kuò)散緩慢，導(dǎo)致富集效果不及流動(dòng)富集方法。

3.4 傳統(tǒng)ASV法與流動(dòng)ASV分析法實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

圖8為Cd2+濃度為60 μg/L時(shí)，傳統(tǒng)ASV法與流動(dòng)ASV法富集時(shí)的i.t曲線， 可見流動(dòng)ASV法的富集曲線顯然比傳統(tǒng)ASV法平滑得多，表明傳統(tǒng)方法中攪拌使得燒杯中溶液的狀態(tài)極不穩(wěn)定，電流變化幅度劇烈，富集電流圖波動(dòng)明顯，對富集量的重現(xiàn)性有不利影響。而流動(dòng)分析下的富集過程始終保持試樣以恒定的流速平緩流經(jīng)電極表面，試液與電極的接觸狀態(tài)高度重復(fù)，沉積狀態(tài)基本穩(wěn)定，因此富集電流相對平滑。

分別采用傳統(tǒng)ASV法及流動(dòng)ASV法在相同實(shí)驗(yàn)條件下3次測定60 μg/L的Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液所得溶出曲線， 流動(dòng)分析所得3次溶出峰電流基本一致， 且溶出曲線基本重合，表明本方法測定Cd2+具有良好的重現(xiàn)性。而傳統(tǒng)分析法的各次溶出峰形及峰電流均存在較大差異。

3.5 流動(dòng)檢測體系條件的優(yōu)化

3.5.1 流速對溶出峰電流的影響 流動(dòng)ASV中，新鮮試樣不斷流經(jīng)電極表面，及時(shí)補(bǔ)充反應(yīng)消耗的Cd2+，且新鮮試液中的Cd2+尚未經(jīng)消耗，始終保持了最高濃度的狀態(tài)，從而提高了檢測的靈敏度。實(shí)驗(yàn)采用60 μg/L Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Cd2+考察流速在0.6～1.8 mL/min范圍內(nèi)對溶出峰電流的影響。

由圖9可見，隨著流速增大，補(bǔ)充的待測離子增多，峰電流逐漸增大，當(dāng)流速為1.2 mL/min時(shí)，峰電流達(dá)到最大值，此后便呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，表明過快的流速可導(dǎo)致還原產(chǎn)生的Cd附著不牢固，甚至部分被液流帶走。綜合考慮靈敏度及穩(wěn)定性因素，實(shí)驗(yàn)采用1.2 mL/min作為富集時(shí)的最佳流速。

3.5.2 不同緩沖體系及pH值對溶出信號的影響

考察了濃度為0.1 mol/L幾種常見緩沖液對Cd溶出峰的影響，如圖10A，選用0.1 mol/L的醋酸.醋酸鈉緩沖體系，溶出峰信號最強(qiáng)。緩沖體系pH對峰電流的影響如圖10所示，pH值較低時(shí)，還原產(chǎn)生的Cd易酸溶損失；pH值較高時(shí)，鉍膜易羥基化，形成Bi（OH） 3，從而導(dǎo)致富集效率降低。實(shí)驗(yàn)選擇最佳pH 4.7。

3.5.3 鉍離子濃度對試驗(yàn)的影響 采用0.1 mol/L醋酸緩沖液（pH 4.7）為測量介質(zhì)，在200～800 μg/L濃度范圍內(nèi)，考察了Bi3+溶液濃度對其溶出峰的影響。由圖11可見，當(dāng)體系Bi3+濃度為零時(shí)，工作電極近乎呈現(xiàn)出直線的阻抗譜圖，這說明無Bi3+時(shí)，幾乎沒有Cd富集到電極表面，電極表面的電子傳遞幾乎不存在阻礙。隨著Bi3+濃度增大，在工作電極表面形成的金屬鉍齊數(shù)量逐漸增多，膜層越厚，則阻抗值逐漸增大，溶出峰電流也逐漸增大。而濃度過大時(shí)，阻抗值及峰電流變化不大，甚至有所減小，這是由于此時(shí)鉍膜的多孔特性變差，且有封閉的傾向，會(huì)阻礙富集和溶出過程中電極表面電子及離子的傳遞，影響電化學(xué)反應(yīng)效果。因此實(shí)驗(yàn)選用Bi3+濃度為600 μg/L。

3.5.4 富集電位和富集時(shí)間的影響

在1.4 V范圍內(nèi)改變富集電位，研究富集電位對Cd溶出峰的影響。結(jié)果表明，富集電位為 1.2 V時(shí)，峰電流增至最大且峰形最好，隨后降低，且峰電位向負(fù)偏移。為確保較好的峰形與較大的峰電流， 避免電位過負(fù)時(shí)其它離子的溶出產(chǎn)生干擾，選擇最佳富集電位為 1.2 V。

隨著富集時(shí)間延長，被富集的Cd不斷增多直至達(dá)到飽和狀態(tài)，隨后再增加時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致鉍齊中的Cd深入鉍膜中難以溶出。在選定 1.2 V富集電位下，考察了富集時(shí)間與溶出峰電流之間的關(guān)系，當(dāng)富集時(shí)間在100～240 s之間， 隨富集時(shí)間延長，峰電流顯著增大。當(dāng)富集時(shí)間大于240 s時(shí)，峰電流逐漸減小。因此選擇240 s作為最佳富集時(shí)間。

3.6 流動(dòng)檢測體系的分析性能

3.6.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線 在最佳操作條件下測定不同濃度的Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，溶出曲線見圖12A。以溶出峰峰電流ip（μA）為縱坐標(biāo)，Cd2+濃度c （μg/L）為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖12B）。在2～100 μg/L濃度范圍內(nèi)， ip與Cd2+濃度呈良好的線性關(guān)系，檢出限為0.5 μg/L，線性方程為ip=0.091c-0.280，相關(guān)系數(shù)R=0.997。

3.6.2 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及抗干擾性 取同一批次印制的電極重復(fù)測定60 μg/L Cd2+標(biāo)液，獲得組間RSD為3.6%（n=3），表明此流動(dòng)檢測系統(tǒng)具有較好的重現(xiàn)性。每隔5天測定一次60 μg/L Cd2+標(biāo)液，3個(gè)月內(nèi)測定結(jié)果沒有顯著性差異，批內(nèi)RSD為2.7%，批間RSD為3.1%，表明實(shí)驗(yàn)電極及檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。

在60 μg/L Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液中添加不同濃度倍數(shù)的各種干擾離子，在相對誤差小于±5%的前提下，200倍濃度的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Mn2+、Ba2+、NH+4、Cl 、NO 、SO2 4、PO3 4及100倍濃度的Co2+、Ni2+、Fe3+及Zn2+對Cd2+的測定沒有影響。然而，Pb2+、Cu2+和Hg2+的干擾較嚴(yán)重，可向試液中添加掩蔽劑硫脲來消除Cu2+和Hg2+的干擾。

3.7 實(shí)際樣品分析

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，將此檢測體系用于環(huán)境水樣和生物甲烷發(fā)酵液中Cd2+的測定，并將測定結(jié)果與ICP.AES的測定結(jié)果對照，同時(shí)做標(biāo)準(zhǔn)加入回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

4 結(jié) 論

本研究采用自制流場形電極，結(jié)合3D打印薄層流通池檢測單元，構(gòu)建了一種新的流動(dòng)檢測體系，用于測定水樣中的痕量Cd。絲網(wǎng)印刷電極及3D打印流通池制作工藝簡單，不僅節(jié)省了檢測空間，而且檢測成本低。此檢測體系靈敏度高，重現(xiàn)性及穩(wěn)定性良好。用于檢測環(huán)境水樣及生物甲烷發(fā)酵液中的痕量Cd，結(jié)果與ICP.AES相符。此檢測系統(tǒng)為便攜式重金屬檢測儀器的開發(fā)提供了有價(jià)值的參考。

References

1 Mousavi H Z， Asghari A， Shirkhanloo H. Anal. Chem.， 2010， 65 （9）： 935-939

2 Mirzaei M， Behzadi M， Abadi N M， Beizaei A. J. Hazard. Mater.， 2011， 186（2.3）： 1739-1743

3 WANG Lu， WANG Yi， HANG Xue.Yu， WANG Qin， FENG Xiao.Qing， SONG Xin. PTCA（Part B： Chem. Anal.）， 2015， 51（6）： 753-755

王 露， 汪 怡， 杭學(xué)宇， 王 芹， 馮曉青， 宋 鑫. 理化檢驗(yàn).化學(xué)分冊， 2015， 51（6）： 753-755

4 WANG Jun.Ping， MA Xiao.Xing， FANG Guo.Zhen， WANG Shuo， YIN Hui.Ling. Spectrosc. Spect. Anal.， 2010， 30（10）： 2827-2829

王俊平， 馬曉星， 方國臻， 王 碩， 殷慧玲. 光譜學(xué)與光譜分析， 2010， 30（10）： 2827-2829

5 CHEN Li.Qiong， WANG Yin， HUO Ju.Yuan， XING Yuan.Na， CHEN Ze.Yong. Anal. Lab.， 2014， （8）： 945-949

陳麗瓊， 王 欣， 霍巨垣， 幸苑娜， 陳澤勇. 分析試驗(yàn)室， 2014， （8）： 945-949

6 WANG Zhong.Rong， WEI Fu.Xiang， LIU Ya.Qin. Hebei J. Ind. Sci. & Tech.， 2015， 32（1）： 55-63

王中榮， 魏福祥， 劉亞芹. 河北工業(yè)科技， 2015， 32（1）： 55-63

7 Bernalte E， Sanchez C M， Gil E P. Anal. Chim. Acta， 2011， 689（1）： 60-64

8 Chen C， Niu X， Chai Y， Zhao H， Lan M. Sens. Actuators B， 2013， 178： 339-342

9 GAO Yun.Tao， ZHOU Xue.Jin， LIU Qiong， ZHANG Gong.Xin， LI Xiao.Fen. Metall Anal.， 2012， 32（5）： 11-16

高云濤， 周學(xué)進(jìn)， 劉 瓊， 張公信， 李曉芬. 冶金分析， 2012， 32（2）： 11-16

10 Deshpande K， Mishra R K， Bhand S. Sensors， 2010， 10（7）： 6377-6394

11 Gani A A， Ashari M R， Kuswandi B. Sensor Lett.， 2010， 8（2）： 320-327

12 LIU Jing， CHEN Guo.Wei， ZHANG Chao， WU Man， LI Sen， WU Shu.Yan， DONG Qing.Li. J. Food Sci. Biotech.， 2014， 33（9）： 897-902

劉 箐， 陳國薇， 張 超， 吳 嫚， 李 森， 吳淑燕， 董慶利. 食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014， 33（9）： 897-902

13 WU Zhi.Shan， SONG Wei， HAN Qian， YANG Li.Li， XU Dan.Ke， ZHONG Wen.Ying. Envieonmental Chemistry， 2013， 32（4）： 692-697

吳志珊， 宋 偉， 韓 倩， 楊麗莉， 許丹科， 鐘文英. 環(huán)境化學(xué)， 2013， 32（4）： 692-697

14 Wang Z， Wang H， Zhang Z， Liu G. Sens. Actuators B， 2014， 199： 7-14

15 Neagu D， Arduini F， Quintana J C， Cori P D， Forni C， Moscone D. Environ. Sci. Technol.， 2014， 48（13）： 7477-85

Abstract The concept of flow.field shaped （FFS） electrode was firstly put forward and the FFS three.electrode system was built. Combined with the 3D.printed thin.layer flow cell （TLFC）， the flowing electrochemical detection system for detection of Cd by square wave stripping voltammetry （SWSV） was thus constructed. Several factors affecting the determination were investigated， including the shape of the electrode， measuring method， buffer medium， flow rate and deposition time. This detection system exhibited attractive properties， such as high sensitivity， good reproducibility and stability. Under optimized conditions， Cd concentration presented a good linear relationship with the stripping current in a range of 2-100 μg/L. The correlation coefficient was 0.997 and the detection limit was 0.5 μg/L. The proposed system was applied to determine trace Cd in environmental water and biological methane fermentation liquor. The detection results were consistent with the results obtained by ICP.AES and the recovery was 90%-106%.

Keywords Cadmium； 3D.Printed thin.layer cell； Flow.field shaped electrode； Flowing electrochemical detection system