金微電極微分脈沖伏安法測定甲基汞

倪曉溪，黃仲佳，陳 星，賈偉健

1)安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖241004；2)合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院， 安徽合肥230009；3)皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽六安237014

汞廣泛存在于水環(huán)境中，主要形式有元素汞、無機(jī)汞和有機(jī)汞，是全球性環(huán)境污染物之一[1].有機(jī)汞毒性最強(qiáng)，具有生物累積和放大效應(yīng)的甲基汞(CH3Hg+)毒性最為致命[2].日常生活中，人們主要通過食用被污染的海產(chǎn)品接觸CH3Hg+，接觸后CH3Hg+迅速滲透入到皮膚內(nèi)，直接攻擊人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟．為避免環(huán)境CH3Hg+對(duì)人體的傷害，對(duì)CH3Hg+的定量檢測極其重要[3]．

目前，檢測CH3Hg+的方法主要有原子光譜法[4]、電感耦合等離子質(zhì)譜法[5-6]、氣相色譜法[7]和電化學(xué)傳感器法[8-9]等．在分析微量目標(biāo)物方面，光譜法、質(zhì)譜法和色譜法具有較高的靈敏度，也可對(duì)目標(biāo)物的形態(tài)進(jìn)行合理分析，但是由于這些非電化學(xué)法存在目標(biāo)物預(yù)處理復(fù)雜、分析周期長、操作程序復(fù)雜、儀器設(shè)備昂貴和運(yùn)行維修成本高等局限，難以滿足對(duì)污染物形態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場檢測的迫切需求[6]．電化學(xué)檢測法憑借其操作簡單、快速、可靠，以及無需對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行繁瑣預(yù)處理操作等優(yōu)勢，有望實(shí)現(xiàn)對(duì) CH3Hg+形態(tài)的現(xiàn)場快速分析[10-13]．

與傳統(tǒng)固體電極相比，微電極具有較小電極面積、目標(biāo)物取樣少、檢測限低、響應(yīng)速率快、雙層電容以及充電電流小等獨(dú)特電化學(xué)特性，在痕量分析中受到廣泛關(guān)注[14]．DU等[15]合成制備石墨烯微電極用于動(dòng)物神經(jīng)活動(dòng)分析研究．GIBBON-WALSH等[16]以金絲微電極對(duì)海水以及未污染的地下水中砷的痕量進(jìn)行檢測，構(gòu)建的負(fù)載錳金絲微電極可有效用于As5+超痕量檢測.RIBEIRO等[17]探究CH3Hg+在碳纖維電極上的電化學(xué)行為，運(yùn)用循環(huán)伏安及快速線性掃描技術(shù)探究氯酸環(huán)境下的CH3Hg+，該檢測技術(shù)可達(dá)到微摩爾級(jí)別．

目前，有關(guān)電化學(xué)檢測CH3Hg+的報(bào)道主要采用納米材料改性傳統(tǒng)電極展開，而金微電極直接痕量檢測CH3Hg+的卻鮮有報(bào)道．CHEN等[9]合成AuNPs/mpg-C3N4納米復(fù)合電化學(xué)傳感器用于甲基汞定量分析，獲得較低檢測限0.103 μg/L. ABOLLINO等[18]運(yùn)用高導(dǎo)電性金納米粒子修飾玻碳電極測定甲基汞．

以上檢測CH3Hg+的方法，在實(shí)際水樣檢測中要達(dá)到相應(yīng)的檢測效果，主要通過負(fù)載(納米)材料改性電極實(shí)現(xiàn)．但由于改性材料合成步驟復(fù)雜，檢測時(shí)穩(wěn)定性不夠，實(shí)際檢測中易出現(xiàn)電極表面材料脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測限和檢測靈敏度不佳．基于以上問題，本研究提出采用預(yù)處理活化后的金微電極直接微分脈沖伏安法測定水環(huán)境中的CH3Hg+，借助金與汞的特殊親和作用[19]，避免了修飾材料的不可控因素，更易實(shí)現(xiàn)對(duì)CH3Hg+的高穩(wěn)定性、高選擇性、低檢測限的超痕量檢測(檢測濃度≤0.10 μg/L)．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

所有伏安檢測均在電化學(xué)工作站(購自上海辰華公司，型號(hào)為CHI660D)上進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)所需器材： P-2A型金相試樣拋光機(jī)、金微電極(直徑25 μm，純度99.99%，硬)、玻碳電極(直徑3 mm)、鉑絲對(duì)電極、Ag/AgCl參比電極的三電極系統(tǒng)和智能恒溫控制攪拌器.所有測量均在室溫下的10 mL電解質(zhì)溶液中進(jìn)行. 實(shí)驗(yàn)所需藥品：不同粒徑的氧化鋁粉末、0.5 mol/L H2SO4溶液、0.1 mol/L 不同pH值(3.0～6.0)的醋酸緩沖液(由0.1 mol/L CH3COOH以及0.1 mol/L的 CH3COONa 按體積比例配置)，均購自上海化學(xué)試劑公司. CH3Hg+標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：由氯化甲基汞(methylmercury chloride, 購自中國阿拉丁公司)溶于超純水中制備 CH3Hg+原液.實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純，所制溶液均為超純水配制.

1.2 電極預(yù)處理

分別采用粒徑為1.00、0.30和0.05 μm氧化鋁粉末依次將工作電極拋光至鏡面,使電極表面平滑，再浸入乙醇水溶液(體積分?jǐn)?shù)為50%)和去離子水中超聲數(shù)分鐘，去除電極表面附著的雜質(zhì).隨后置于室溫下風(fēng)干備用.玻碳電極和金微電極測定 CH3Hg+之前均需活化處理，即將工作電極置于酸性溶液中，用循環(huán)伏安法掃描直至獲得穩(wěn)定的伏安曲線，以增加電極表面活點(diǎn)密度以及促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移速率，從而增強(qiáng)電催化性能.具體操作如下：將三電極系統(tǒng)置于0.5 mol/L的H2SO4溶液中，-0.2 ～1.6 V 循環(huán)掃描 15圈，掃描速度設(shè)定為 100 mV/s，直到獲得穩(wěn)定的循環(huán)伏安曲線.隨后將金微電極、玻碳電極用超純水沖洗干凈，在氮?dú)夥障潞娓蓚溆?

1.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

采用微分脈沖伏安技術(shù)(differential pulse voltammetry, DPV)對(duì)CH3Hg+進(jìn)行電化學(xué)分析.將標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)浸入含有CH3Hg+的電解質(zhì)溶液中，以預(yù)處理活化的兩根電極為工作電極.脈沖伏安法檢測依據(jù)重金屬陽離子的氧化還原反應(yīng)，主要分為目標(biāo)離子沉積、電化學(xué)檢測和解吸3個(gè)階段.具體操作為：① 給工作電極施加一個(gè)負(fù)電位，促使分散在電解液中的 CH3Hg+通過還原反應(yīng)沉積在工作電極表面，為保證沉積的有效性，沉積階段電解液一直處于攪拌狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為500 r/min，沉積一段時(shí)間后，攪拌終止；② 靜息平衡 15 s后記錄下伏安圖；③ 施加一個(gè)解吸電位使得第1階段沉積的物質(zhì)再次得到電子，氧化成最初的陽離子，即由氧化還原反應(yīng)引起的電子定向移動(dòng)，電化學(xué)工作站記錄下峰值電流.最終得出響應(yīng)曲線．

為便于分析金微電極對(duì)CH3Hg+的電分析性能，采用DPV研究不同電極在質(zhì)量傳輸以及電子轉(zhuǎn)移方面的差異，以及在相同濃度下，金微電極和玻碳電極對(duì)CH3Hg+的溶出伏安響應(yīng)情況，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件后，選用金微電極作為DPV檢測CH3Hg+的工作電極，并得出最佳檢測靈敏度以及最低檢測限.

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理金微電極的電化學(xué)行為

圖1分別是預(yù)處理金微電極和玻碳電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線 (初始電位為-0.20 V).由圖1(a)可知，金微電極于 0.90 V產(chǎn)生較大的特征還原峰，于 1.20 V產(chǎn)生氧化峰.響應(yīng)峰分別對(duì)應(yīng)于金微電極表面金屬氧化物的還原以及金屬氧化物的形成.由圖1(b)可知，玻碳電極的 CV曲線是一對(duì)可逆的氧化還原反應(yīng)，但峰形效果不好，相同條件下金微電極的 CV曲線更為尖銳.氧化還原曲線具有更高的峰值電流，這主要是因?yàn)榻鹞㈦姌O具有優(yōu)異的導(dǎo)電能力.

圖1 不同電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中的 循環(huán)伏安曲線Fig.1 Cyclic voltammetric curves of different electrodes in 0.5 mol/L H2SO4 solution

2.2 玻碳電極、金微電極對(duì)CH3Hg+的伏安分析

CH3Hg+的伏安測定通常是基于CH3Hg+自由基發(fā)生的可逆波，而可逆波的大小和形狀及重現(xiàn)性會(huì)受到工作電極表面修飾的顯著影響.在預(yù)沉積階段，CH3Hg+在工作電極表面富集，短時(shí)間靜息平衡后，再清洗電極除去工作電極表面的沉積物.CH3Hg+在工作電極表面的反應(yīng)原理為

(1)

相同實(shí)驗(yàn)條件下，玻碳電極和金微電極對(duì)CH3Hg+的靈敏性檢測如圖2.由圖2(a)可見，金微電極對(duì)不同質(zhì)量濃度(0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 μg/L) CH3Hg+的DPV響應(yīng)，并在每個(gè)濃度下均出現(xiàn)明確的響應(yīng)峰.CH3Hg+在金微電極上于0.68 V位置處出現(xiàn)響應(yīng)峰，并且隨著CH3Hg+質(zhì)量濃度的增大而增高，溶出峰電流逐漸正移，與CH3Hg+質(zhì)量濃度呈較好的線性關(guān)系.其線性回歸方程為I=0.283ρ-0.023， 在CH3Hg+質(zhì)量濃度僅為0.1 μg/L的水環(huán)境下能出現(xiàn)響應(yīng)峰.由此可知，金微電極可以于實(shí)現(xiàn)CH3Hg+的超痕量檢測.

圖2 不同電極上CH3Hg+的微分脈沖伏安響應(yīng)Fig.2 Different pulse voltammetric response curves of CH3Hg+ on different electrodes

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

緩沖液的 pH值、沉積電位以及沉積時(shí)間會(huì)直接影響CH3Hg+在金微電極表面的沉積過程，進(jìn)而影響CH3Hg+檢測的靈敏度. 通過考察以上參數(shù)對(duì)0.50 μg/L CH3Hg+溶出峰電流的影響，最終獲得最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1．

表1 CH3Hg+檢測條件優(yōu)化Table 1 Optimization of CH3Hg+ detection conditions

反應(yīng)條件的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)步驟為：① 在沉積電位為-1.0 V、沉積時(shí)間為500 s、不同pH值(3.0、4.0、5.0和6.0)條件下，研究金微電極對(duì)CH3Hg+的響應(yīng)情況．實(shí)驗(yàn)得出，在pH=5.0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的CH3Hg+溶出峰電流最高為0.306 nA，故選用該pH值進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)．② 在緩沖液pH=5.0、沉積時(shí)間為500 s條件下，探究在沉積電位為-1.2～-0.6 V內(nèi)金微電極對(duì)CH3Hg+的變化．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉積電位為-0.8 V時(shí)，CH3Hg+溶出峰電流最高為0.321 nA，因此，將-0.8 V作為最佳沉積電位繼續(xù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)．③ 在pH=5.0、沉積電位為-0.8 V時(shí)，探究沉積時(shí)間為400～1 200 s(400、600、800、1 000和1 200 s)內(nèi)金微電極對(duì)CH3Hg+的相應(yīng)情況．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)延長沉積時(shí)間有利于CH3Hg+的有效沉積檢測，在沉積時(shí)間為800 s時(shí)，CH3Hg+溶出峰電流值達(dá)到最高值約為0.472 nA．綜上，最終選擇以pH值為5.0 、沉積電位為-0.8 V、沉積時(shí)間為 800 s 為最佳實(shí)驗(yàn)條件．

2.4 CH3Hg+在金微電極上的溶出伏安響應(yīng)

相對(duì)其他伏安技術(shù)，DPV檢測有較高的靈敏度以及較好的分辨率.在優(yōu)化后的試驗(yàn)參數(shù)下：pH值為 5.0 的 0.1 mol/L 醋酸緩沖液，在-1.0 V沉積電位下富集 800 s，不同質(zhì)量濃度的 CH3Hg+在金微電極中的 DPV 氧化峰電流響應(yīng)曲線和金微電極對(duì)不同質(zhì)量濃度CH3Hg+的校準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖3.由圖3(a)不難發(fā)現(xiàn)，在金微電極上CH3Hg+于 0.56 V處有一個(gè)顯著的響應(yīng)峰，并且隨著 CH3Hg+質(zhì)量濃度的增大而增高.由圖3(b)可見，CH3Hg+的溶出峰電流與其濃度在 0.05～0.50 μg/L內(nèi)有很好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為I=0.354ρ-0.008， 通過線性方程斜率計(jì)算得出靈敏度為 0.354 nA/(μg·L)，相關(guān)系數(shù)為 0.998.按照 3倍信噪比算法，得出檢測限為 0.012 μg/L，遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織給出的關(guān)于飲用水中CH3Hg+質(zhì)量濃度的指導(dǎo)值(1.0 μg/L).表2為不同電極對(duì)CH3Hg+檢測靈敏度的比較，由表2可見，用于檢測CH3Hg+的傳感器相比以往檢測方法[8-9, 20-22]更為敏感簡捷，表明金微電極分析檢測具有更廣泛的應(yīng)用前景.

表2 不同電極對(duì)CH3Hg+ 靈敏度Table 2 The sensitivity of different electrodes to CH3Hg+

圖3 CH3Hg+在金微電極上的溶出伏安響應(yīng)Fig.3 The stripping voltammetric response of methylmercury on a gold microelectrode

2.5 干擾性研究

考慮到實(shí)際檢測的水環(huán)境要比緩沖溶液成分更復(fù)雜，重金屬離子相互干擾現(xiàn)象可能會(huì)對(duì)檢測結(jié)果造成影響.為此，本實(shí)驗(yàn)研究了其他重金屬離子對(duì)CH3Hg+檢測的干擾行為，分別加入質(zhì)量濃度均為 40 μg/L 的兩種重金屬離子(Cu2+和Hg2+)，測量CH3Hg+質(zhì)量濃度為1.0～8.0 μg/L時(shí)的響應(yīng)電流變

化.不同質(zhì)量濃度下CH3Hg+在醋酸緩沖液中的DPV響應(yīng)如圖4(a)．由圖4(a)可見，CH3Hg+、Cu2+和Hg2+的出峰位置相距較遠(yuǎn)， Cu2+和Hg2+的存在并不會(huì)對(duì)CH3Hg+的檢測產(chǎn)生明顯的影響. CH3Hg+的溶出峰位置在0.60 V左右，隨著CH3Hg+質(zhì)量濃度的增加，與溶出峰電流呈良好的線性關(guān)系，所構(gòu)建傳感器對(duì) CH3Hg+仍保持顯著的電化學(xué)信號(hào)增量，說明該傳感器選擇性和抗干擾性良好.

圖4 金微電極在40 μg/L Cu2+和40 μg/L Hg2+共存，以及僅Hg2+存在時(shí) CH3Hg+的電化學(xué)響應(yīng)曲線Fig.4 The electrochemical response curve of gold microelectrode for CH3Hg+ in the presence of 40 μg/L Cu2+ and 40 μg/L Hg2+, and when only 40 μg/L Hg2+ exists

CH3Hg+檢測的最大干擾離子為無機(jī)汞Hg2+， ABOLLINO等[18]采用金納米粒子改性玻碳電極(AuNPS-GCE)研究Hg2+存在的環(huán)境下CH3Hg+的伏安行為，實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)，構(gòu)筑的電化學(xué)傳感器未能實(shí)現(xiàn)對(duì)CH3Hg+的選擇性分析，二者溶出峰存在重疊現(xiàn)象，添加 SnCl2絡(luò)合緩沖液中的Hg2+，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)CH3Hg+的選擇性檢測. KOROLCZUK等[20]開發(fā)出一種全氟磺酸-聚四氟乙烯(nafion)修飾金膜電極研究Hg2+存在下CH3Hg+的靈敏分析，通過引入二乙烯三胺五乙酸與汞離子形成絡(luò)合物從而減少對(duì)CH3Hg+檢測的影響.本研究構(gòu)筑的金微電極可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)僅Hg2+存在下的CH3Hg+選擇性分析.如圖4(b)，隨著CH3Hg+的持續(xù)加入(ρ(CH3Hg+)為1.0～8.0 μg/L)，金微電極上的CH3Hg+沉積量增多，溶出電流逐漸增大，峰值電流高于無 Hg2+情況下的電流值，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，而Hg2+的溶出峰幾乎無明顯變化.這是因?yàn)榻鹞㈦姌O獨(dú)特的靈敏性以及金具有的超高導(dǎo)電性，致使其能很敏感地檢測到CH3Hg+與無機(jī)汞離子的氧化性差異，在一定的酸性條件下，能將二者很好的區(qū)分出來．研究結(jié)果進(jìn)一步說明用金微電極可以實(shí)現(xiàn) CH3Hg+在與單一離子 Hg2+共存情況下的無干擾檢測.

2.6 電極的重現(xiàn)性測試

在電化學(xué)分析中，傳感器的循環(huán)重復(fù)性能在實(shí)際檢測分析中至關(guān)重要，將金微電極置于室溫下15 d后，對(duì)質(zhì)量濃度為 5.0 μg/L的CH3Hg+溶液進(jìn)行5次連續(xù)的平行測定，5次監(jiān)測數(shù)據(jù)均顯示CH3Hg+溶出峰電流無明顯變化，其檢測結(jié)果的相對(duì)偏差為4.23%，重現(xiàn)性良好.同時(shí)，為測定該傳感器的穩(wěn)定性，將金微電極保存在 0.1 mol/L ABS 緩沖液中，并置于4 ℃下 15 d后，然后每隔3 d進(jìn)行DPV測試， 結(jié)果表明，該電極仍然保留 94.3%的初始響應(yīng)值．因此，該金微電極傳感器具有良好的穩(wěn)定性，可長期使用.

2.7 實(shí)際樣品分析

為評(píng)估該CH3Hg+檢測方法的適用性和準(zhǔn)確性，對(duì)取自合肥工業(yè)大學(xué)斛兵塘的水樣以及自來水樣進(jìn)行檢測.樣品經(jīng)過簡單的過濾處理后，用0.1 mol/L 醋酸緩沖液(pH=5.0)以1∶9(體積比)進(jìn)行稀釋，利用傳統(tǒng)的玻碳電極對(duì)水樣進(jìn)行檢測時(shí)，未檢測出CH3Hg+. 而用本研究中的金微電極對(duì)水樣進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CH3Hg+初始質(zhì)量濃度為0.015 μg/L時(shí)，峰值電流為0.02 nA；當(dāng)CH3Hg+添加質(zhì)量濃度為0.20 μg/L時(shí)，峰值電流為0.34 nA.向水樣中滴加 CH3Hg+并進(jìn)行回收率實(shí)驗(yàn)，回收率如表3，這表明該方法可以適用于實(shí)際水樣品的超痕量檢測.

表3 不同水樣中CH3Hg+離子檢測Table 3 CH3Hg+ ion detection in different water samples

結(jié) 語

通過對(duì)比玻碳電極和金微電極在不加任何修飾劑的情況下對(duì)CH3Hg+的伏安響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)金微電極更為靈敏，最低檢測質(zhì)量濃度低至 0.10 μg/L.由于金微電極優(yōu)異的導(dǎo)電性以及微型傳感器的靈敏性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)物CH3Hg+的超痕量檢測，峰值電流與CH3Hg+質(zhì)量濃度(0.05～0.50 μg/L)呈較好的線性關(guān)系，檢測限為0.012 μg/L.金微電極具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾性.該檢測機(jī)制具有組合方法簡單、響應(yīng)速度快、檢測限低和取樣少等優(yōu)點(diǎn)，更加適用于水環(huán)境中重金屬離子的痕量檢測.研究數(shù)據(jù)表明，金微電極聯(lián)合微分脈沖伏安技術(shù)是檢測水環(huán)境中CH3Hg+的有效工具.