響應面優化電化學法測定蝦中Cd2+的參數

陳宏碩，崔傳金，柳帥，趙平，張英楠，左月明

（1.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山063210；2.山西農業大學工學院，山西太谷030801；3.華北理工大學冀唐學院，河北唐山063210）

鎘（Cd）是一種對人體和動物危害較大的重金屬，聯合國環境規劃署提出12種具有全球性意義的危險化學物，鎘被列為首位。因此，建立鎘離子快速在線分析方法具有重要意義。最常用的重金屬鎘含量分析方法主要有原子吸收法、電感耦合等離子體發射光譜法等，這些方法存在所要求的設備儀器昂貴、操作復雜等缺點[1-3]。近年來，電化學技術的發展為重金屬檢測提供了一種具有操作簡便、成本低廉、在線實時檢測等優點的方法，而即拋式絲網印刷電極又以設計靈活、成本低和批量制作的優點在電化學領域受到越來越多科研工作者的青睞。Nafion作為一種很好的陽離子交換劑和多壁碳納米管（multiwalled carbon nanotubes，MWCNTs）在電化學修飾方面的應用日益廣泛。碳納米管作為納米材料具有小粒徑、大比表面積效應，且Nafion不會破壞碳納米管外壁本身的π電子結構，而且能大大地降低碳納米管之間的范德華力[4-6]。差分脈沖溶出伏安法是目前溶出法中靈敏度最高的一種，它是在緩慢線性掃描的電壓上迭加一個小振幅的周期性脈沖，并在剛好加脈沖前后分別測量電流，將這兩次電流的差值由電子線路放大輸出。由于電容電流的衰減速率較法拉第電解電流快得多，在測量電解電流的時刻，電容電流已衰減趨近于零，因而該電化學分析法在重金屬痕量檢測方面具有廣闊的應用空間[7-10]。

1 材料與儀器

皮皮蝦：唐山海鮮市場。

乙醇、硝酸、硫酸、磷酸、冰乙酸、硼酸等其他試劑：分析純，中國國藥集團。

伯瑞坦-羅賓森（Britton-Robinson，BR）緩沖溶液（pH3.78）：在100 mL三酸混合液（磷酸、冰乙酸、硼酸，濃度均為0.04 mol/L）中，加入指定體積的0.2 mol/L NaOH調整至pH為3.78。

5%Nafion液：美國杜邦公司；羧基化多壁碳納米管：中國科學院成都有機化學有限公司；絲網印刷電極：蘇州長三角系統生物交叉科學研究院有限公司；Gamry Reference 600電化學工作站：美國Gamry公司。

2 方法

2.1 絲網印刷裸電極預處理[11]

絲網印刷電極在乙醇、硝酸、超純水液中依次超聲清潔表面，然后采用循環伏安法在0.05 mol/L的硫酸溶液中進行電極活化?；罨瘲l件：電位掃描區間是-1.5 V到0.5 V，掃描速度是50 mV/s。

2.2 制備MWCNTs/Nafion絲網印刷電極

2.2.1 配制MWCNTs/Nafion分散液[12-13]

1）取10mL5%Nafion液用無水乙醇定容至100mL即得0.5%Nafion液。

2）取10 mgMWCNTs加入至50 mL0.5%Nafion的無水乙醇中，同時加入0.2倍MWCNTs質量的醇分散劑，超聲振蕩分散20 min成均勻淺黑色溶液，室溫下放置。每次使用前再次超聲波混勻。

2.2.2 MWCNTs/Nafion修飾電極

用微量移液器取10 μL超聲分散的0.2 mg/mL MWCNTs/Nafion乙醇溶液。分2次（5 μL/次）滴涂于電極表面，氮氣吹干后室溫下密閉存放。

2.3 電化學方法測量

在電解池中加入pH為3.78的BR緩沖溶液和定量的鎘離子標準溶液，在三電極體系中用差分脈沖溶出伏安法掃描并記錄溶出曲線（測定條件：富集電位-1.2 V，富集時間300 s，初始電位-1.2 V，終止電位-0.2V，脈沖幅度80mV，脈沖周期50ms，靜止時間20s）。

2.4 單因素試驗選擇檢測條件

單因素試驗是在0.2 mg/L Cd2+濃度條件下進行，以峰電流值為響應值，得出不同單因素條件對峰電流的影響大小，進而確定單因素最佳試驗值，單因素試驗用統計軟件SPASS19.0對數據進行顯著性分析。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗結果

3.1.1 富集電壓對峰電流的影響

富集電壓對峰電流的影響見圖1。

圖1 富集電壓對峰電流的影響Fig.1 Effect of the accumulation potential on the peak current

從圖1中可看出，試驗分別選取-1.0、-1.1、-1.2、-1.3、-1.4 V作為沉積電位，峰電流呈現先趨于平滑上升后直線下降的趨勢，在-1.2 V時達到最大值，與其它峰電流相比呈現極顯著性差異（P<0.05）。因為在酸性溶液中，沉積電位越負越容易引起劇烈的析氫反應，在電極表面形成氣泡，從而影響金屬離子的沉積，故本試驗選擇最優沉積電位為-1.2 V。

3.1.2 富集時間對峰電流的影響

富集時間對峰電流的影響見圖2。

圖2 富集時間對峰電流的影響Fig.2 Effect of the accumulation time on the peak current

從圖2可以看出，富集時間分別選取120、140、160、180、200、220 s。從 120 s到 180 s時間段，峰電流呈現直線式上升；與其它峰電流相比，在180 s時的峰電流呈現顯著性差異（P<0.1）。但在180 s以后，峰電流曲線呈現平穩狀態，這說明在180 s時富集已經完成。因此為了保持測試試驗的高靈敏度和高效率，本試驗選擇最優測定時間為180 s。

3.1.3 采樣步長對峰電流的影響

采樣步長對峰電流的影響見圖3。

圖3 采樣步長對峰電流的影響Fig.3 Effect of the sampling step on the peak current

從圖3可以看出，分別選取 2、4、6、8、10 mV 作為采樣步長，在各個步長下的峰電流大小無明顯差異，但是在2 mV步長下，峰型比較好，因此本試驗選取2 mV作為采樣步長。

3.1.4 攪拌速度對峰電流的影響

攪拌速度對峰電流的影響見圖4。

圖4 攪拌速度對峰電流的影響Fig.4 Effect of the stirring rate on the peak current

從圖4可以看出，分別選取攪拌速度為200、300、400、500、600 r/min，在不同攪拌速度下，300 r/min 條件下的峰電流值最大，且與其它攪拌速度下的峰電流值呈現極顯著差異（P<0.05），隨著速度的進一步提高峰電流值出現下降趨勢。故本試驗選取300 r/min攪拌速度。

3.1.5 脈沖時間對峰電流的影響

脈沖時間對峰電流的影響見圖5。

圖5 脈沖時間對峰電流的影響Fig.5 Effect of the impulse time on the peak current

從圖5可以看出，分別選取脈沖時間為40、50、60、70、80 ms作為試驗條件，在脈沖時間為50 ms時峰電流出現了最大值，隨著脈沖時間的增大，峰電流出現了緩慢下降的現象，因此本試驗選取脈沖時間為50 ms。

3.1.6 脈沖幅度對峰電流的影響

脈沖幅度對峰電流的影響見圖6。

圖6 脈沖幅度對峰電流的影響Fig.6 Effect of the impulse amplitude on the peak current

從圖6可以看出，分別選取脈沖幅度為20、40、60、80、100 mV作為試驗條件，當脈沖幅度為80 mV時，峰電流數值最大，與其它脈沖幅度下的峰電流相比呈現顯著性差異（P<0.1）。故本試驗選取脈沖幅度為80 mV脈沖時間對峰電流的影響。

3.2 響應面分析試驗優化工藝參數[14-16]

3.2.1 Box-Behnken試驗設計

根據單因素試驗結果，表明富集電壓、富集時間、攪拌速度、脈沖幅度是顯著影響峰電流的4個關鍵因子。以 X1、X2、X3、X4來表示關鍵因子（自變量），+1、0、-1代表其高、中、低水平。以峰電流值為相應值，進行四因素三水平Box-Behnken中心組合試驗設計。試驗設計與數據處理采用Design Expert8.0來完成。試驗因素水平見表1。

表1 Box-Behnke試驗因素水平Table 1 Experimental variables and levels for Box-Behnke

依據Box-Behnke中心組合試驗設計原理，以X1（富集電壓）、X2（富集時間）、X3（攪拌速度）、X4（脈沖幅度）為自變量，以峰電流Y（μA）為響應值，設計響應面分析試驗，Box-Behnke試驗設計及結果見表2。二次多項式模型方差分析見表3。模型的可信度分析見表4。

表2 Box-Behnke試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results of Box-Behnke

表3 二次多項式模型方差分析表Table 3 ANOVA for response surface quadratic model

續表3 二次多項式模型方差分析表Continue table 3 ANOVA for response surface quadratic model

表4 模型的可信度分析Table 4 Fit statistics for model

利用Design Expert8.0軟件進行多元方程回歸，得回歸方程為：Y=9.31+0.43X1+0.47X2+0.16X3+0.074X4+0.12X1X2-0.035X1X3+0.18X1X4+2.77556×10-17X2X3+0.080X2X4-0.32X3X4-1.04X12-0.80X22-1.03X32-1.15X42

從回歸方程一次項系數大小比較得出，影響峰電流值大小的因素依次為X2>X1>X3>X4，即富集時間>富集電壓>攪拌速度>脈沖幅度。

從表3可以看出，模型F值17.18且P<0.000 1，這表明該模型在α=0.01水平上回歸顯著。失擬項F值為3.75且P=0.107 3>0.05，說明方程擬合中非正常誤差所占比例小，實際擬合度較高。從表4中可以看出，信噪比大于4，且復相關系數R2=0.944 986 6，這說明該模型擬合程度良好，試驗誤差小，能夠解釋94.50%比例的峰電流響應值。綜上所述，該模型適合于以峰電流為響應值，差分脈沖溶出伏安法測定溶液中Cd2+離子濃度的分析和預測。

3.2.2 交互因子響應分析及驗證結果

通過回歸方程來繪制分析圖，以考察所擬合響應曲面的形狀，響應曲面等高線分析見下圖7（a、b、c、d、e、f）。

圖7 交互因子對峰電流的影響Fig.7 The influence of the interaction factors to the peak current

從等高線的形狀和疏密程度，我們可以看出各因素交互影響下，均存在一個峰電流最大值。且各因素之間交互作用明顯，圖7（a）～圖7（c）表明：與富集時間、脈沖幅度、攪拌時間交互作用中，電壓對峰電流的影響較大。圖7（d）表明與攪拌速度交互作用中，富集時間對峰電流影響較大。圖7（e）表明與富集時間交互作用中，脈沖幅度對峰電流影響較大。圖7（f）表明與攪拌速度交互作用中，脈沖幅度對峰電流影響較大。

綜上所述，從圖中及軟件分析，回歸方程存在穩定點，穩定點是極大值點。通過嶺嵴分析（ridgeanalysis）得到極大值所對應的各主要因素（X1，X2，X3，X4）的編碼值分別為：（0.226，0.314，0.065，0.052），即富集電壓、富集時間、攪拌速度、脈沖幅度分別為－1.22 V、186.27 s、306.52 r/min、81.03 mV。

考慮到實際操作，選取富集電壓－1.22 V、富集時間186 s、攪拌速度306 r/min、脈沖幅度81 mV為最優試驗條件，測得峰電流值為9.30 μA，與預測值9.44 μA是非常接近；同時，與單因素試驗峰電流最大值相比提高8.32%?？梢?，通過Design Expert8.0響應面法優化試驗條件能夠有效提高檢測信號峰電流值，表明該回歸模型比較可靠，能夠為重金屬的電化學檢測方法提供理論支持。

3.3 不同鎘離子濃度下的溶出伏安曲線

分別配置 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L 濃度的 Cd2+離子標準液，運用MWCNTs/nafion絲網印刷碳電極檢測并繪制差分脈沖伏安標準曲線和線性擬合曲線，見圖8（a，b）。

求得線性回歸方程為y=13.052x－12.464，線性范圍為 1.7×10－6mol/L～8.9×10－6/L，線性相關系數 R2=0.982 2，表明自變量x與因變量y正相關，即峰電流與Cd2+離子濃度是正比例線性關系。

圖8 不同Cd2+離子濃度下的差分脈沖伏安圖和線性擬合曲線Fig.8 Differential pulse stripping and linear fitting curve in different concentrations Cd2+

3.4 電極穩定性與重現性試驗

絲網印刷電極為一次性使用電極，在0.2 mg/L Cd2+濃度BR緩沖溶液中，用同一片MWCNTs/nafion絲網印刷碳電極每隔1周測定1次（電極不用時，置冰箱中于4℃密閉保存，連續測定5周）。電極的穩定性與重現性見表5。

由表5可知，隨著時間的延長，6組數據顯示不同時間段對峰電流值無顯著性差異，說明該修飾電極具有較好的穩定性和重現性[17－18]。

表5 電極的穩定性與重現性Table 5 The stability and repeatability of electrode

同時，我們又在測試底液中分別對制備的同批次6片MWCNTs/nafion絲網印刷碳電極進行了電化學信號測定，結果顯示其響應峰電流相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）為3.5%，表明該傳感器有良好的穩定性與重現性。

3.5 樣品測定與加標回收率測定

采取微波消解法[19-20]進行樣品前處理。皮皮蝦分割為蝦頭與蝦肉（含皮）兩部分，分別于研缽中搗碎，再取1 g放入聚四氟乙烯消解罐中消解，然后將消解液轉移至50 mL容量瓶中，用BR緩沖溶液清洗消解罐3次后定容至50 mL，采用三電極體系進行鎘離子濃度測定，然后再添加鎘標準物做添加回收試驗（n=3），測定值見表6。

表6 樣品與回收率測定結果Table 6 The measured result of the sample and the recovery rate

可以看出，該方法的精密度和準確度能夠滿足食品中Cd2+的檢測要求。

4 結論

通過Design Expert8.0響應面軟件進行優化設計，確定了最佳試驗條件為富集電壓-1.22 V、富集時間186 s、攪拌速度306 r/min、脈沖幅度81 mV。在最佳試驗條件下，獲得了增強的峰電流信號。通過測試不同Cd2+離子濃度下的差分脈沖溶出伏安圖并建立標準曲線，得出線性方程為y=13.052x-12.464，線性相關系數R2=0.982 2，這充分說明y的變異中有98.22%是由變量x引起的，y與x是正相關關系，能夠為重金屬Cd2+離子的實際檢測提供理論參考依據。同時，電極穩定性與重現性試驗充分說明了電極的良好性能。最后，樣品與加標回收率測定試驗表明該方法能夠檢測皮皮蝦中Cd2+的有效濃度。下一步我們應該研究電極表面微觀狀態，采用光譜電化學平臺技術深層次探討電極表面修飾狀態與檢測機理，從而拓寬電化學分析檢測法的應用范圍[21-22]。