Nafion/石墨烯/苯并-18-冠醚-6修飾玻碳電極方波陽極溶出伏安法測定蒲公英中的痕量鉛

王艷坤

(河南財政金融學院 環境經濟學院, 河南 鄭州 450046)

蒲公英為菊科蒲公英屬植物，多年生草本。全世界蒲公英屬有2 000余種，分布極為廣泛[1-3]。蒲公英作為一種藥食同用的中草藥，具有極為悠久的用藥歷史，近年來對蒲公英有效成分和藥理作用的研究越來越深入，從而引起人們廣泛的關注[4-5]。由于蒲公英同屬種植物眾多，分布范圍廣泛，在干旱貧瘠土壤環境中均可存活，尤其在當今土壤重金屬污染嚴重情況下，蒲公英在生長過程中極易吸收鉛、鎘、汞、砷等重金屬，這些重金屬元素極易通過食物鏈在人體內富集，對人體心血管系統、神經系統、呼吸系統等具有毒害作用，因此有效檢測蒲公英中的重金屬和微量元素含量對全面、有效、深入開發蒲公英有著重要參考價值。

目前對蒲公英中草藥中重金屬的檢測主要通過原子發射光譜法[6]、原子吸收光譜法[7]、原子熒光光譜法[8]、紫外可見分光光度法[9]、電感耦合等離子體質譜法[10]等。然而這些檢測方法所用儀器較復雜昂貴，測試費用高，操作復雜，只適于特定環境下運行，從而限制了這些方法對大量樣本的常規現場檢測。因此，開發一種便捷準確快速的測定蒲公英中草藥中重金屬的方法成為亟待解決的問題。

本研究將導電性優異、比表面積巨大的石墨烯(graphene,GN)，離子交換性強、成膜性能穩定的全氟代磺酸脂(Nafion，NA)及對重金屬離子具有強選擇性的苯并-18-冠醚-6(B18C6)采用滴涂法修飾在玻碳電極(glassy carbon electrode,GCE)表面制備出全氟代磺酸脂/石墨烯/苯并-18-冠醚-6復合膜修飾玻碳電極(NA/GN/B18C6/GCE)，將所制備的NA/GN/B18C6/GCE電極采用方波陽極溶出伏安法(square wave anodic stripping voltammetry,SWASV)原位檢測蒲公英中草藥中的Pb2+離子，優化了溶液pH值、富集電位和富集時間對陽極溶出伏安曲線的影響。

實驗結果表明，在優化實驗條件下，NA/GN/B18C6/GCE電極3種組分的相互協同作用，極大提高了復合材料修飾電極對蒲公英中草藥中汞痕量重金屬的檢測伏安響應，具有線性工作范圍寬，檢測限低，且重現性高，穩定性好。本研究提供的簡便快捷檢測蒲公英中草藥中重金屬的方法，為蒲公英中草藥質量標準的進一步完善及質量控制提供實驗依據，對開發利用中草藥這個中華民族智慧的瑰寶具有重要的理論指導及實際應用意義。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及試劑

臺式微生物恒溫振蕩器(重慶英檢達儀器有限公司)，電感耦合等離子體質譜儀(美國ThermoFisher Scientific公司)，CHI660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)，高速萬能粉碎機(鶴壁市冶金機械設備有限公司)，實驗采用3電極體系，分別以NA/GN/B18C6/GCE(Φ=3 mm)電極、Ag/AgCl(3M KCl)、Pt絲電極為工作電極，參比電極及對電極。

GN來源于本實驗室，采用改進的Hummers法制備氧化石墨烯(GO)，再用水合肼還原制成，具體方法如文獻[11-13]所述。實驗所用Nafion(wt. 5%)、苯并-18-冠醚-6、Bi(NO3)3·5H2O、Pb(NO3)2、水合肼、HAc、NaAc、NaOH等藥品及試劑均為國藥集團試劑有限公司生產的分析純試劑，蒲公英樣品(干株，切成1 cm短段)購自本草堂大藥房。0.1 M HAc-NaAc緩沖液采用HAc和NaAc配制，并用1 M NaOH溶液調節pH=4.5。溶液的配制均采用自制蒸餾水。

1.2 NA/GN/B18C6/GCE電極的制備

采用滴涂法覆膜方式制備NA/GN/B18C6/GCE電極。準確稱取1 mg B18C6溶解于2 mL稀釋至10%的NA乙醇溶液中，然后將1 mg GN超聲分散于上述溶液中形成均勻的黑色懸浮液。將GCE電極在麂皮上用0.05 μm的氧化鋁粉末加少量去離子水進行打磨至光亮的鏡面，然后依次在乙醇、1∶1的HNO3和去離子水中超聲清洗，最后在1 M H2SO4溶液中在-1.0～1.0 V掃描范圍進行循環伏安法活化，直至循環伏安曲線完全重合。取2 μL上述懸浮液采用蔓延方式滴涂于上述處理后的GCE電極表面，室溫下干燥24 h，然后用去離子水沖洗，晾干制得NA/GN/B18C6/GCE電極，用類似方法制得NA/GCE與NA/GN/GCE電極進行對比。

1.3 測試方法

將上述制備的NA/GN/B18C6/GCE電極在0.5 mg/L Bi3+和待測濃度的Pb2+的0.1 M HAc-NaAc緩沖溶液中磁力攪拌下進行富集，富集電位-1.2 V，富集時間為120 s，富集結束后停止攪拌，靜止10 s。采用方波陽極溶出伏安法檢測蒲公英樣品中的Pb2+離子，具體溶出參數如下：初始電位為-1.2 V，終止電位為+0.2 V，電位增量5 mV，振幅25 mV，頻率20 Hz，靈敏度10-5A/V。為保證GCE電極的重現性，每一次富集/溶出測定結束后，均需在攪拌狀態下將NA/GN/B18C6/GCE電極于+0.4 V 恒定電位原位氧化 30 s以徹底去除電極表面殘存的痕量金屬。

1.4 蒲公英樣品的處理及測定

將蒲公英樣品置于烘箱中80℃干燥2 h，然后用高速萬能粉碎機進行粉碎并過80目篩。將0.5 g蒲公英樣品置于萃取瓶，加入40 mL的0.1 M醋酸溶液。將混合樣品置于恒溫振蕩器在室溫下振蕩24 h，然后對上述混合樣品進行離心分離并對提取液用膜過濾以去除溶液中的微雜質。準確量取10 mL混合液轉移至25 mL容量瓶，制成pH為4.5、含0.5 mg/L Bi3+和0.1 M HAc-NaAc緩沖溶液待測液。在優化實驗條件下參照1.3節的實驗方法對樣品進行方波陽極溶出伏安掃描測試。

2 結果及討論

2.1 NA/GN/B18C6/GCE電極的伏安性能

圖1給出了GCE、NA/GCE、NA/GN/GCE和NA/GN/B18C6/GCE電極在pH=4.5、Pb2+為20 μg/L的0.1M HAc-NaAc緩沖液溶液中的SWASV曲線圖。從圖1中曲線(a)和(b)可見Pb2+在裸GCE和NA/GCE電極上的溶出響應非常微弱，這是因為裸GCE表面難以形成穩定的Bi膜，Pb2+離子難以在裸GCE表面富集。而對于NA/GCE電極，盡管NA具有很強的陽離子交換能力，但由于采用滴涂法制備的NA膜較致密，導致NA/GCE電極比表面積較小和導電性較差[14]。然而，將GN引入電極后，它對Pb2+的檢測表現出較高的靈敏性，呈現出清晰的溶出峰(圖1曲線(c) (d))。這可歸因于GN薄膜具有獨特的3維網狀結構，內部具有大量的空腔和微孔，這些多孔結構可以提供大量的活性位點[15]，尤其是在比表面積大、導電性好的GN內添加了離子交換能力強，成膜性能好的NA后所形成的NA/GN/B18C6/GCE電極，既克服了GN易團聚、黏附性差易脫落等缺點，又利于Bi在富集過程中在GN褶皺狀表面還原生成均勻緊密的薄膜，有效避免了Bi的團聚和修飾膜的脫落，因此，NA/GN/B18C6/GCE電極具有更高的溶出峰電流與分析靈敏度。

圖1 不同工作電極在20 μg·L-1 Pb2+溶液中的SWASV曲線圖

2.2 實驗參數的優化

2.2.1 溶液pH的影響

圖2 給出了NA/GN/B18C6/GCE電極在不同pH的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中，Pb2+濃度固定為20 μg/L時的方波陽極溶出伏安曲線。由圖2可見緩沖液pH顯著影響NA/GN/B18C6/GCE電極的溶出峰電流，在pH為4.5處可觀察到最大溶出峰電流。較低的pH(3.0、3.5和4.0)處峰值電流較小，這可能是由于親水基團的質子化減少了金屬離子的吸收[16]。而pH較高(5.0、5.5和6)時的溶出峰電流降低可歸因于高pH態下Pb2+離子發生了水解。因此實驗選擇pH=4.5作為分析的最佳pH。

圖2 NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度固定為20 μg/L的不同pH HAc-NaAc緩沖液中的方波陽極溶出伏安曲線

2.2.2 富集時間的影響

圖3給出了NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中不同富集時間對Pb2+溶出電流的影響。由圖3明顯可見在初始時間溶出峰電流隨富集時間呈線性增加，300 s后曲線增加趨勢變得緩慢，這是由于修飾電極表面Pb2+在Bi膜中達到了飽和。考慮到實驗周期與效率，溶出時間選擇300 s作為最佳富集時間。需要指出的是對于測定較低濃度的重金屬，建議使用較長的沉積時間，因為溶出峰電流亦取決于離子濃度。在沉積過程中，較低的濃度梯度會減緩離子向電極表面的擴散，因此需要更長的時間才能達到平衡狀態。

圖3 NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中不同富集時間對Pb2+溶出電流的影響

2.2.3 富集電勢的影響

圖4 給出了Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中NA/GN/B18C6/GCE電極的富集電位從-1.5 V增加到-1.0 V時對Pb2+溶出電流的影響。明顯可見溶出峰電流在-1.5 V初始電位時隨富集電位的增加而增加，并在-1.2 V達到最大值。初始階段的溶出峰電流隨富集電位的增加而增加可歸因于更低的富集電位能加速目標金屬離子的沉積(富集)及Bi膜的生成[17]。但當富集電位低于-1.2 V時溶出峰電流逐漸減少，這是由于NA/GN/B18C6/GCE電極表面發生了析氫反應，從而干擾了目標金屬離子的測定[18]。因此實驗選擇具有最佳靈敏度的-1.2 V作為富集電位。

圖4 NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度為20 μg/L，pH=4.5的0.1 M HAc-NaAc

2.3 NA/GN/B18C6/GCE電極對Pb2+的線性檢測范圍及檢測限

在優化參數測試條件下，NA/GN/B18C6/GCE電極對Pb2+濃度分別為5、10、20、30、40和60 μg/L的0.1 M HAc-NaAc緩沖液中方波陽極溶出伏安曲線如圖5所示，內插圖為Pb2+在不同濃度時的相應校準曲線。明顯可見在5～60 μg/L濃度范圍內，溶出峰電流與Pb2+離子的溶出響應呈現良好的線性關系，線性回歸方程為y=1.5 563x+4.5 645，回歸系數R2為0.998 2。在上述最佳實驗參數條件下，富集時間為10 min，3倍噪聲條件下(S/N=3)， Pb2+離子的檢出限經計算約為0.04 μg/L。

圖5 優化參數測試條件下NA/GN/B18C6/GCE電極在Pb2+濃度分別為5、10、20、30、40和60 μg/L的方波陽極溶出伏安曲線，內插圖為Pb2+在不同濃度時的校準曲線

2.4 蒲公英樣品中Pb含量的測定

將處理后的蒲公英中草藥樣品提取液采用NA/GN/B18C6/GCE電極檢測其中所含的重金屬Pb的含量，并與采用電感耦合等離子體質譜法測量結果進行對比。準確量取5 mL試樣，以為NA/GN/B18C6/GCE電極為工作電極，首先在-1.2 V恒電位下進行富集，時間為300 s，靜止10 s后采用方波陽極溶出伏安法測定重金屬Pb，溶出參數設定為初始電位-1.2 V，終止電位+0.2 V，電位增量5 mV，振幅25 mV，頻率20 Hz，靈敏度10-5 A/V。每次測試完成后均在+0.4 V電位下清洗電極30 s。采用標準加入法測得蒲公英中草藥樣品中Pb2+的含量為8.35±0.05 μg/L，在忽略樣品制備過程質量損失情況下，該樣品中Pb2+含量經計算為1.67 mg/kg。將該樣品采用電感耦合等離子體質譜法測得Pb2+的含量為8.30±0.05 μg/L，顯然兩種方法的測定結果吻合度較高，表明該方法具有良好的準確性和可靠性，可以作為有效的方法用于蒲公英等中草藥樣品中重金屬Pb的測定。

3 結論

采用滴涂法所制備的NA/GN/B18C6/GCE電極充分結合了NA良好的陽離子交換性能、成膜穩定；GN的高導電性與巨大的比表面積以及對重金屬離子具有強選擇性絡合的B18C6特性，3種組分的相互協同作用使NA/GN/B18C6/GCE電極用于方波陽極溶出法測定蒲公英中草藥中痕量重金屬元素Pb具有電極制備簡單、復合膜表面易更新、檢測靈敏度高、重現性好、檢出限低和無毒無污染等優點。在最佳實驗參數下該方法對實際蒲公英樣品的測定結果與ICP-MS結果近似，表明該方法具有良好的準確性和可靠性。該方法可擴展對中草藥中鎘、銅等痕量重金屬的實際測定，在食品、藥品行業極具實際應用價值。