氮摻雜石墨烯修飾電極檢測稻田水中重金屬污染的研究

李炎林，劉福明，張亦倫，林宏亮，張亞莉

（華南農業大學工程學院，廣州　510642）

?

氮摻雜石墨烯修飾電極檢測稻田水中重金屬污染的研究

李炎林，劉福明，張亦倫，林宏亮，張亞莉※

（華南農業大學工程學院，廣州510642）

摘要：水稻是我國主要糧食作物，在糧食安全中占有極其重要的地位，鎘（Cd(2+)）和鉛（Pb(2+)）是稻田水中常見的重金屬污染物，受到污染的水用于下游農田的灌溉，將進一步擴大重金屬的污染，給人們食品安全和身體健康造成威脅，因此稻田水中重金屬污染的檢測非常重要。本文以差分脈沖陽極溶出伏安法，制備了氮摻雜石墨烯修飾的電極并使用該電極對稻田水溶液中鎘（Cd(2+)）、鉛（Pb(2+)）兩種重金屬的含量進行檢測，并在華南農業大學躍進農場水稻田采集了水樣，經過室內試驗測得，該水樣質量達標。

關鍵詞：氮摻雜石墨烯，重金屬，差分脈沖陽極溶出伏安法，稻田水

隨著工業化、城市化、農業現代化的迅速發展，人類通過大量開發利用礦產資源、金屬冶煉、農藥化肥使用、生活垃圾焚燒、污泥污水利用、汽車尾氣排放等途徑，向環境中排放的重金屬逐年增加[1]。近幾年來，重金屬對水稻的污染也變得越來越顯著。

據資料顯示，鎘（Cd2+）能夠減少每株穗數和每穗總粒數、降低結實率、減輕粒重等，從而顯著降低水稻的產量，引發嚴重的經濟性狀[2]。而鉛（Pb2+）污染則會抑制水稻的芽長和水稻幼苗的生長發育、刺激地下節間伸長、減少葉片表面積和影響稻米的品質等[3]。過量的重金屬在水稻的根、莖、葉以及籽粒中富集后具有生物放大效應，不僅影響水稻產量和品質，甚至是整個農田生態系統，而且還會通過食物鏈危及動物和人類的健康[4]。水稻是我國主要糧食作物，在糧食安全中占有極其重要的地位，因此稻田水中重金屬污染的檢測也就顯得十分重要。

目前應用于水體中重金屬離子含量的檢測方法主要有絡合滴定法、分光光度法、化學發光法、電化學分析法、色譜法、光譜法和質譜法等[5]。相比之下，電化學溶出伏安分析技術在檢測水體重金屬中是強有力的工具。由于儀器簡單、操作方便、靈敏度高、檢測成本低等優點，差分脈沖溶出伏安法（DPASV）備受化學分析工作者的青睞[6]。

陽極溶出伏安法是先將被測物質通過陰極還原富集在電極上，再由負向正電位掃描溶出，然后根據溶出伏安曲線進行分析測定的。如今，陽極溶出伏安法在應用鎘（Cd2+）和鉛（Pb2+）的檢測分析中已經取得顯著的成果。Prego[7]等采用差分脈沖陽極溶出伏安法（DPASV）測定大西洋東北部因油輪失事引起的表層海水（0～200 m）重金屬鉛（Pb2+）、鎘（Cd2+）、銅（Cu2+）的污染情況，效果滿意。趙會欣[8]等人基于差分脈沖陽極溶出伏安法（DPASV），研制出一種用于監測水環境痕量重金屬濃度的化學傳感器，實現了鋅（Zn2+）、鐵（Fe2+）、鉛（Pb2+）、銅（Cu2+）的同時測定。羅立強[9]等提出了鉍膜修飾的碳糊電極方波陽極溶出伏安法測定水樣中微量的鉛（Pb2+）和鎘（Cd2+）的新方法，靈敏度高，電極表面易更新，且鉍無毒性。

對于稻田水中的重金屬濃度進行實時有效的快速檢測，也有助于對潛在的環境污染做出及時的響應。本研究基于差分脈沖溶出伏安法，使用鉍膜修飾的絲網印刷電極來測定稻田水樣中微量的鎘（Cd2+）和鉛（Pb2+）。然后通過一系列實驗條件的對比優化實驗參數，對實驗結果進行總結分析，最后按照國家農業水環境相關標準，在田間取樣檢測稻田水中重金屬鎘（Cd2+）和鉛（Pb2+）的濃度是否達到農業用水標準，同時為進一步研制便攜式的重金屬檢測傳感器系統提供理論基礎和實驗數據參考。

1　實驗部分

1.1實驗儀器和試劑

儀器包括上海辰華儀器有限公司的電化學工作站（CHI760e）；超聲波清洗機；移液槍等，具體見表1。本實驗采用三電極體系：Ag/AgCl電極和鉑電極分別作為參比電極和對電極，絲網印刷電極作為工作電極。

表1　實驗儀器

試劑：1 000 mg/L Bi3+標準溶液；100 mg/L Cd2+、Pb2+混合標準溶液；1M NaAc-HAc緩沖溶液（pH=4.5）；2 mg/mL 1∶100 N-doped rGO溶液；去離子水；無水乙醇；稻田水（水樣）。

1.2電極制備的方法和材料

因為氮元素的電負性比碳元素大，氮摻雜可使得周圍的碳原子帶上更多的正電荷，從而有利于重金屬陽離子在電極表面的吸附效果[10]。而本實驗所用的1∶100N-doped rGO是使用尿素作為GO（氧化石墨烯）水分散體的化學摻雜質，通過水熱法合成的。通常情況下，10 mL的GO（40 mg）水分散體是用25 mL去離子水稀釋，然后向GO分散體加入一個給定的量的尿素，在超聲波下處理3 h；在此之后，將溶液密封在50 mL聚四氟乙烯內襯的高壓釜中，并且溫度保持為180℃，持續12 h；其中固體（N摻雜的石墨烯片）過濾出來，用蒸餾水洗滌幾次；最后，將收集的樣品放在80℃的真空烘箱中干燥[11]。

在本實驗中，首先將活化好的SPE徹底清潔、干燥后，使用微量注射器吸取0.4μL的1∶100N-doped rGO混合液滴加到SPE表面，操作如圖1，并在熾光燈下干燥；接著再次吸取0.5μL的1∶100N-doped rGO溶液滴加到SPE表面，干燥之后，重復此步驟2次；最后將修飾電極罩在潔凈的小燒杯里，防止外界污染。待溶劑完全揮發后，即制得氮摻雜的石墨烯修飾絲網印刷電極（標記為N-rGO/SPE）。

1.3實驗方法

在小燒杯中加入1 mol/L NaAc-HAc緩沖溶液9 mL及水樣1 mL，在溶液中加入1 000 mg/L Bi3+標準溶液3 μL，插入三電極系統，用差分脈沖溶出伏安法掃描并記錄溶出曲線（測定條件：沉積電位-1.0 V，沉積時間120 s，初始電位-1.0 V，終止電位0 V，電位增量5 mV，脈沖幅度50 mV，脈沖寬度60 ms，脈沖周期100 ms，清洗電位500 mV，清洗時間60 s，等待時間15 s）。

圖1　工作電極修飾

2　實驗結果與討論

2.1Cd2+、Pb2+的溶出伏安特性

在上述測定方法中，水樣以去離子水代替，加入100 mg/L的Pb2+、Cd2+混合標準溶液5 μL，其他條件不變，即溶液中Pb2+、Cd2+濃度為50 ppb，測定結果如圖2。由圖可以看出，在-0.793 V、-0.597 V分別出現Cd2+、Pb2+的溶出峰。

圖2　Cd2+、Pb2+的溶出伏安特性

2.2實驗條件的優化

為了減少不同沉積電位、不同沉積時間和Bi3+濃度對試驗的影響，在對土壤溶液進行試驗之前，進行了以下條件的優化。

2.2.1沉積時間的影響

沉積時間是影響鉍膜在印刷電極表面形成的一個重要因素。當沉積電位為1.0 V，沉積時間從30 s增加到210 s時，峰電流的變化情況如圖3。在120 s附近，Cd2+曲線斜率略微變??；而Pb2+在整個時間變化區間上，峰電流呈線性增加。由曲線變化趨勢可知，沉積時間的增加能顯著提高測定的靈敏度。在保持較高靈敏度的情況下，考慮測試效率，本實驗選擇的最優測定時間為120 s。

圖3　沉積時間的影響

2.2.2沉積電位的影響

在-1.2～-0.9 V改變沉積電位進行實驗，由圖4可得知峰電流先緩慢上升然后下降，在-1.0 V時達到最大值。由于沉積電位越小，析氫反應越劇烈，從而在電極表面形成氣泡而影響金屬的沉積，故本實驗選擇最優沉積電位為-1.0 V。

圖4　沉積電位的影響

2.2.3Bi3+濃度的影響

在上述條件中，改變加入的Bi3+的濃度，在待測溶液中Bi3+濃度范圍在100～1 200 ppb之間進行實驗，測定濃度均為50 ppb的重金屬Cd2+和Pb2+。由圖5可知，隨著Bi3+濃度的增加，對于Cd2+和Pb2+，峰電流是先增加后急劇下降，但均在Bi3+濃度為300 ppb時達到最大值。因此本實驗選擇Bi3+濃度為300 ppb。

圖5　Bi3+濃度的影響

2.3工作曲線

在選定的最優實驗條件下測定一系列Pb2+、Cd2+混合標準溶液，由于Pb2+、Cd2+濃度較大時，峰變寬導致峰電流變小，線性變差，所以選用峰面積作定量分析比峰電流更佳。由圖6可知，Pb2+在濃度大于100 ppb時出現拐點，Cd2+在濃度大于200 ppb時才出現拐點。由于測定的水樣中重金屬濃度較低，而由圖7可知，Cd2+和Pb2+均在濃度范圍為0～100 ppb與溶出峰面積呈線性關系。故選擇在0～100 ppb范圍內進行線性擬合，結果如下：

圖6　峰面積隨Cd2+、Pb2+濃度的變化

圖7　濃度為0～100 ppb的Cd2+和Pb2+的溶出伏安曲線（插圖為相對應的標準曲線圖）

3測試與實驗分析

3.1試驗取樣

取樣時間：2015年10月10日。

取樣地點：華南農業大學躍進教學實驗水稻田。

在不同農田的不同位置，取水溝中部距水面以下3～5 cm共6瓶稻田水作為樣本，具體位置如圖8所示。

圖8　取樣位置

3.2對土壤溶液的處理

濕法消化：先用移液槍吸取1.00 mL樣品到25 mL燒杯中，然后置于電磁攪拌器上攪拌蒸發，直至樣品完全蒸干；取下稍冷后，加入1 mL濃硫酸、1 mL過氧化氫，于通風櫥內攪拌，加熱消化。如果消化液顏色較深，繼續滴加過氧化氫溶液，直至消化液無色透明。待消化液冷卻后，將其定容于10 mL的容量瓶中（盛放消化液的燒杯要記得清洗，并且清洗后的溶液要倒進容量瓶里）。

3.3儀器最優工作參數設置

表2　最優工作參數

3.4試驗步驟

1）取1 mL處理后的水樣溶液和9 mL NaAC-HAC緩沖液于25 mL的燒杯中，加入攪拌子；

2）將已完成優化的修飾絲網電極、參比電極和對電極分別夾于電化學工作站的三個數據夾上，并將電化學工作站的操作參數設置為最優工作參數；

3）啟動軟件，開始測試；測試完畢，清洗電極；

4）測出峰面積，代入線性擬合方程，計算出重金屬濃度，如表3所示。

表3　水樣的Cd2+與Pb2+濃度

3.5檢測結果分析

根據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》V類標準，農業用水區及一般景觀要求水域：Cd2+的濃度不高于0.01 mg/L，Pb2+濃度不高于0.1 mg/L。根據計算結果對比可得，這些水樣均符合V類標準。

4　結論

本研究以化學修飾電極和電化學傳感技術為理論依據，結合納米材料和金屬修飾劑的選擇性、實用性的特點，以新型的碳納米材料為媒介，并通過實驗的驗證，得出了一種能有效檢測稻田水中重金屬鎘、鉛的響應性能優良的新型電流型傳感方法。

與玻碳電極相比，絲網印刷電極作為新型電化學傳感器的重要選擇對象之一，因價格低廉、便攜、一次可拋等優勢逐漸引起了電化學分析領域的學者和工業應用工程師的關注。本文用氮摻雜的石墨烯修飾一次性絲網印刷電極的制備方法簡單，且具有良好的重現性和穩定性，對實驗時間的限制不苛刻，極大地方便了實驗者的工作安排。所以運用修飾電極技術，逐步改善絲網印刷電極的性能，可以使之在便攜檢測、在線監測、應急監測等領域的應用和研究得到快速的發展。

納米材料不僅有奇特的空間結構，較大的比表面積和優良的化學熱穩定性，而且在機械、電學和電化學方面的屬性性質也非常卓越，為科研工作者們在電化學、電化學傳感、生物傳感及電催化等領域的應用研究提供了優良的材料支持。

參考文獻

[1]樊霆，葉文玲，陳海燕，等.農田土壤重金屬污染狀況及修復技術研究[J].生態環境學報, 2013, 22(10): 1727-1736.

[2]程旺大，姚海根，張國平，等.鎘脅迫對水稻生長和營養代謝的影響[J].中國農業科學, 2005, 38（3）：528-537.

[3]韋友歡，黃秋嬋，蘇秀芳.鉛對水稻幼苗生理效應的影響[J].河北農業科學, 2008, 12(06): 5-7.

[4]余守武，劉宜柏.土壤—水稻系統重金屬污染的研究現狀和展望[J].江西農業學報, 2004, 16(1): 41-48.

[5]付海曦，劉威，張春輝，等.水體中重金屬離子的檢測方法研究進展[J].理化檢驗(化學分冊), 2012, 48(4): 496-503.

[6] Li J, Guo S, Zhai Y, et al.High-sensitivity determination of lead and cadmium based on the Nafion-graphene composite film [J].Analytica Chimica Acta.2009, 649(2): 196-201.

[7] Prego R, Cobelo-Garc??a A.Cadmium, copper and lead contamination of the seawater column on the Prestige shipwreck (NE Atlantic Ocean)[J].Analytica Chimica Acta.2004, 524(1-2): 23-26.

[8]趙會欣，李毅，蔡巍，等.水環境痕量重金屬檢測的電化學傳感器的研究[J].儀表技術與傳感器，2009（S1）：158-161.

[9]羅立強，王霞，李秋霞，等.方波陽極溶出伏安法同時測定水樣中微量的鉛和鎘[J].分析化學，2009，37（z1）：75.

[10]馬貴香，趙江紅，鄭劍鋒，等.氮摻雜石墨烯的制備及其電催化氧氣還原性能[J].新型炭材料，2012，27（4）：258-265.

[11] Sun L, Wang L, Tian C, et al.Nitrogen-doped graphene with high nitrogen level via a one-step hydrothermal reaction of graphene oxide with urea for superior capacitive energy storage [J].RSC Advances.2012, 2(10): 4498.

通訊作者：※張亞莉（1975-），女，講師，博士，研究方向為農情信息快速檢測方法及傳感器系統研究。E-mail：ylzhang@scau.edu.cn

作者簡介：李炎林（1994-），男，在讀本科，農業機械化及自動化（機電一體化方向）專業。E-mail：liyanlin3@qq.com

基金項目：華南農業大學2014年大學生創新創業訓練計劃項目