“方波脈沖伏安法檢測水中鉍”教學實驗精密度的影響因素探究*

郭紅衛，李 丹，張豐如，李仰濤，汪瑞楊，梁穎林，劉 燕

(嘉應學院化學與環境學院, 廣東 梅州 514015)

陽極溶出方波脈沖伏安法(Anodic stripping square wave voltammetry，ASSWV)是將分析物的恒電位電解預富集和先進的方波脈沖伏安檢測相結合，長期以來被認為是檢測痕量重金屬的一種強有力的技術[1]。該方法已廣泛用于工農業[2]、環境[3-4]、醫學[5]、食品[6-7]和生命科學[8]等領域。在本院的電分析實驗中，“陽極溶出方波脈沖伏安法檢測水中鉍離子”是其中一個專題實驗，然而在教學過程中發現實驗結果的精密度較差。查詢大量文獻后發現，使用方波脈沖伏安法的實驗探究中，往往都是對沉積電位、沉積時間、脈沖寬度、脈沖振幅等參數的優化[9-13]，其目的都是為了提高方波脈沖伏安法的靈敏度，有關方波脈沖伏安法精密度的相關研究很少。

ASSWV主要分為五個階段：電極預處理、金屬離子預富集、靜置、方波脈沖伏安法測試、電化學清洗。很多文獻對電極預處理條件、富集時的攪拌速度、靜置時間、電化學清洗條件往往沒有明確的規定，都是憑借每個實驗室的經驗來對上述的條件進行控制。特別是電極的拋光是手工操作，隨意性較大，在實際的教學工作中，如果教師不對相關因素做出明確規定，學生在實驗過程中往往條件控制不當造成分析結果精密度較差，嚴重影響教學效果。為了解決這個問題，本文以水中鉍離子為檢測對象，對ASSWV的上述條件進行優化，使改進后的方案，操作更加精確、規范，更有利于學生掌握此項測試技術。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

使用CHI760E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)進行所有的電化學檢測，使用玻碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑片電極為對電極的三電極體系。

1 g/L鉍標準溶液，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；其余所使用的試劑均為分析純試劑；所有實驗用水均為二次水。

1.2 實驗方法

1.2.1 電極的預處理

使用前，用粒徑分別為1 μm和0.3 μm的Al2O3粉在尼龍拋光布上對玻碳電極(直徑為3 mm)打磨拋光，沖洗后依次用無水乙醇和二次水超聲清洗一定時間。

1.2.2 陽極溶出方波脈沖伏安法測試

機械處理后，將三電極一起浸在含有10 μmol/L鉍標液的醋酸鹽緩沖溶液(1 M，pH 4.5)中。將沉積電位(-1.0 V)施加到工作電極上，同時攪拌溶液。在預富集步驟(120 s)之后，停止攪拌，溶液靜置一定時間后，施加由負到正的方波脈沖電位掃描(電位步長為0.004 V，振幅0.0025 V，頻率15 Hz)。ASSWV分析完成后，進行電化學清洗步驟,在工作電極上施加1.0 V的電位，持續一定時間從電極表面清除殘留金屬膜。

2 結果與討論

2.1 鉍標液的ASSWV曲線

根據實驗步驟1.2.2，測定10 μmol/L鉍標液的ASSWV曲線。如圖1所示，在玻碳電極上鉍有一氧化峰，峰電位約為-0.27 V。

圖1 10 μmol/L鉍標液的ASSWV曲線

2.2 單因素對結果精密度的影響研究

2.2.1 玻碳電極的拋光時間和超聲時間對結果精密度的影響

圖2 玻碳電極拋光時間對結果精密度的影響

固態電極預處理的一般程序通常是先把電極表面機械打磨成鏡面，隨后依次用有機溶劑(如乙醇、丙酮)和水超聲除油和殘留的拋光粉，其目的是獲得盡可能清潔且重現的表面狀態，以提高分析結果的重現性[14]。因此本實驗分別探究了不同的拋光時間(圖2)和超聲時間(圖3)對結果精密度的影響。每組數據平行測定三次，計算峰電流信號的相對平均偏差，以相對平均偏差的大小表示精密度的高低。

圖2顯示了不同拋光時間對結果精密度的影響。由圖2可知，拋光時間過短或過長，電極的表面狀態重現性都較差。打磨時間為6 min時相對誤差較小，所以選擇6 min(1 μm、0.3 μm各拋光3 min)為最佳條件。

圖3顯示了超聲時間的長短對結果精密度的影響。由圖3可知，超聲時間太短(0.5 min)，電極表面沒有清洗干凈，造成結果偏差較高。而超聲時間太長(大于2 min)，偏差隨時間延長急劇增大。為了探究其原因，我們把電極長時間超聲后(11 min)，放入1 mM(含0.1M KCl)的鐵氰化鉀溶液測其循環伏安法曲線，其氧化峰與還原峰之間的電位差遠大于80 mV而且不能復原(經過良好預處理的玻碳電極，其氧化峰與還原峰電位差通常小于80 mV)，意味著超聲時間太長可能影響玻碳電極的機械結構，使結果偏差增大。由圖3可以看出：超聲時間為1 min時相對平均偏差最小，所以選擇玻碳電極的超聲時間1 min為最佳條件。

圖3 玻碳電極超聲時間對結果精密度的影響

2.2.2 溶液的攪拌速度的影響

富集過程中溶液的攪拌速度會影響電極/溶液界面的穩定性，進而影響分析物的富集效率，可能會影響分析結果重現性[15]。本實驗探究了攪拌速度對結果精密度的影響，如圖4所示。

圖4 溶液攪拌速度對結果精密度的影響

由圖4可知，在富集的過程中溶液的攪拌速度對結果精密度具有較大影響，在較低的攪拌速度時(100～300 r/min)，相對平均偏差基本恒定且小于3%，意味著電極/溶液反應界面受攪拌的擾動比較小，富集效率恒定，分析結果重現較好。當攪拌速度大于300 r/min，偏差急劇增大。這說明攪拌速度過大會影響電極/溶液反應界面和富集效率的穩定性，使實驗結果偏差增大。從圖3可得，當攪拌速度為200 r/min時，偏差最低，所以選擇富集過程中溶液的攪拌速度200 r/min為最佳條件。

2.2.3 靜置時間的影響

預富集步驟后，溶液靜置一定時間是為了使電極表面金屬膜分布更均勻，消除攪拌帶來的對流傳質的影響，可能會影響分析結果重現性[16]。本實驗探究了靜置時間對結果精密度的影響，如圖5所示。

圖5 靜置時間對結果精密度的影響

根據文獻設置靜置時間從30 s到240 s，相對平均偏差基本恒定且小于2.5%，說明靜置時間并不是影響實驗結果精密度的主要因素。選擇偏差相對較小的60 s為最佳靜置時間。

2.2.4 電化學清洗時間的影響

伏安分析后，通常會在電極上施加一個較正的電位，以便氧化除去電極上殘留的金屬膜，消除電極的記憶效應[17]。本實驗探究了電化學清洗時間對結果精密度的影響，結果如圖6所示。

圖6 電化學清洗時間對結果精密度的影響

由圖6可知，電化學清洗時間的長短對結果精密度具有較大影響。時間太短，不能完全除去電極上殘留的金屬膜，對下一次的分析結果產生影響，造成偏差較高。但是時間過長，偏差也會增大，可能是長時間對工作電極施加較正電位，使工作電極的表面狀態受到影響。清洗時間為200 s時，相對平均偏差最小，所以選擇200 s為最佳電化學清洗時間。

2.2.5 不同清洗液的影響

考慮到強酸對金屬具有較強的溶解能力，我們進一步探究了不同清洗液(10 μmol/L的鉍溶液、pH=4.5的HAc-NaAc的緩沖溶液、6 mol/L的硝酸溶液)對結果精密度的影響，如圖7所示。

圖7 在不同電化學清洗液進行除殘對結果精密度的影響

由圖7可知，在三種不同的清洗液中，實驗結果的相對平均偏差相近且均在2%以內，說明清洗液種類不是影響結果精密度的主要因素，因為6 mol/L的硝酸溶液具有一定的強氧化性，選擇檢測溶液(10 μmol/L的鉍溶液)作為清洗液。

2.3 正交實驗

2.3.1 實驗設計

表1 正交實驗因素及水平

表2 不同影響因素的正交實驗設計

為了進一步確定各因素對結果精密度影響的主次，確定各因素的最優水平及最優組合，本實驗中加入了正交實驗。根據單因素實驗：靜置時間和清洗液的種類不是影響結果精密度的主要因素，而拋光時間、超聲時間、攪拌速度、電化學清洗時間對結果精密度的影響較大。因此選擇4因素3水平的正交實驗，如表1所示，正交實驗組合方案如表2所示。

2.3.2 結果分析

每個組合方案測定結果的相對偏差如表3所示，并對實驗結果進行極差分析。極差分析采用求和極差法，求和極差法就是分別計算不同因素的同一水平對應的偏差之和(K1，K2，K3)，并計算同列中K1，K2，K3最大差值。

表3 極差分析表

通過極差分析可得，最優組合為：A3B1C1D3，與單因素的優化結果一致。影響結果精密度的因素大小排序：工作電極的超聲時間>底液的攪拌速度>電化學清洗時間>電極的拋光時間。

在選定的優化條件下，對濃度為10 μmol/L，5 μmol/L，1 μmol/L鉍標準樣品分別平行測定5次的相對標準偏差為2.0%，2.5%，3.4%，偏差可以控制在一個較窄的范圍。因此確定陽極溶出方波脈沖伏安法檢測水中鉍離子條件為：機械打磨的總時間為6 min，打磨后用無水乙醇、二次水依次超聲1 min，富集時攪拌的速度為200 r/min，隨后的靜置時間為60 s，電化學清洗的時間為200 s，清洗溶液為檢測溶液。

3 結 論

通過對單一因素影響研究以及正交實驗結果可知：攪拌速度、拋光時間、超聲時間、電化學清洗時間對結果精密度的影響較大。且這四個影響因素排序為：工作電極的超聲時間>底液的攪拌速度>電化學清洗時間>電極的拋光時間。在選定的優化條件下，對濃度為10 μmol/L，5 μmol/L，1 μmol/L鉍標準樣品分別平行測定5次的相對標準偏差為2.0%，2.5%，3.4%。本實驗優化方案經過反復操作驗證，能有效提高學生實驗結果的精密度，改進后的實驗過程操作更加規范，更有利于學生掌握此項測試技術，有效提高本科生教學質量，并進一步培養學生科學嚴謹的實驗作風。