李玥琪 胡敬芳 鄒小平 高國偉,
1.北京信息科技大學 自動化學院,北京 100192;2.北京信息科技大學 傳感器重點實驗室,北京 100101
鉻在現(xiàn)代工業(yè)的電鍍、冶金、制革、染色、顏料等行業(yè)中被廣泛應用。工廠的廢水、廢氣排放中所含的鉻對環(huán)境造成了污染,是環(huán)境監(jiān)測的必測項目之一[1]。
水環(huán)境中鉻主要以無機鉻的形態(tài)存在,多為Cr(III)和Cr(VI),不同價態(tài)的化合物毒性不同。Cr(VI)活性高,溶解度大,有毒,并易被人體吸收且在體內蓄積,會引起諸多健康問題,如吸入某些較高濃度的Cr(VI)化合物會引起鼻出血、鼻黏膜刺激和鼻中隔穿孔;攝入超大劑量的鉻會導致腎臟和肝臟的損傷、惡心、胃腸道刺激、胃潰瘍、痙攣甚至死亡;長期接觸,引發(fā)癌癥[2]。例如,2011年云南曲靖鉻污染事件,造成了珠江源頭南盤江附近水質Cr(VI)的嚴重污染,對附近居民的生產和生活造成了極為嚴重的不良后果。同時,與重金屬Cr(VI)污染相關的“癌癥村”也多次被報道。
世界健康組織(WHO)設定了地表水的最大限為50μg/L[3],中國國家標準GB5749限定地表水質I-V類Cr(VI)應滿足10~100ppb濃度標準,規(guī)定飲用水中Cr(VI)不能超過50ppb,地下I-IV類水中Cr(VI)濃度標準為5~100ppb,海水水質I-IV類Cr(VI)濃度標準為5~50ppb[4-5],因此,水環(huán)境重金屬Cr(VI)檢測具有重要意義。
水環(huán)境重金屬Cr(VI)檢測現(xiàn)有的方法包括原子吸收光譜測試法[6]、色譜分析法[7]、熒光分析法[8]、紫外-可見分光光度法[9]和質譜分析法[10]等,這些方法需要大量復雜的處理手段、檢測時間長、儀器大型昂貴且在檢測過程中容易造成二次污染。隨著無線網絡的快速發(fā)展和人們生活節(jié)奏的加快,便攜、快速、靈敏的水環(huán)境分析檢測方法已成為市場的迫切需要。
Cr(VI)電化學檢測方法是利用待測目標離子Cr(VI)直接或間接在電極表面發(fā)生電化學還原反應生成Cr(III),產生電化學信號,從而實現(xiàn)Cr(VI)的定量或定性分析和測量。相比較而言,電化學檢測方法具有靈敏度高、表征信息豐富、體積微型化、成本低、操作簡單以及易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,受到學者的廣泛關注[11-12]。
因此,本文從電化學定量分析方法出發(fā),重點對電極修飾材料在水環(huán)境中Cr(VI)電化學檢測中的應用研究進行分析和討論,并對其發(fā)展趨勢予以展望,旨在促進該方法在重金屬Cr(VI)快速檢測領域中得到更為廣泛的應用和推廣。
電化學分析法(Electrochemical Analysis)根據待測物質在溶液中的電化學性質及其變化規(guī)律進行分析的一種儀器分析方法。這類方法通常是由三電極體系(工作電極working electrode、參比電極reference electrode、對電極counter electrode)和待測試液作為電解質溶液構成一個電化學電池,通過測電導、電位、電量和電流等電化學參數(shù)與被測物質的濃度之間存在一定的關系作為定量測定的依據。電化學分析中檢測到的信號可直接記錄,所以電化學分析的儀器裝置簡單小型得多,電化學分析方法具有分析速度快、操作簡單、分析費用低等特點。所以,它在食物和環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)質量、安全控制、生物醫(yī)學診斷均有廣泛應用。
根據測量信號的不同,電化學分析法又分為電位分析法、庫侖分析法、伏安分析法等。應用在重金屬檢測領域的電化學分析法主要包括離子選擇電極法、極譜法和伏安法。
離子選擇性電極法[13]是通過測量電極電位來測定離子活度的一類電化學方法,離子選擇性電極的電位與溶液中對應離子活度的對數(shù)呈線性關系。離子選擇性電極一般都由對特定離子具有選擇性響應的敏感膜、內參比電極及相應的內參比溶液等組成。離子選擇電極所需儀器設備便攜價廉,選擇性較高,顏色和濁度不影響測定,所以可用于江河湖海中一些有害物質的現(xiàn)場分析。
極譜法(Polarography)和伏安法(Voltammetry)[14]都是以測定電解過程中所得到的電流-電壓關系曲線為基礎的電化學分析法,只是所用電極不同。如果使用的工作電極為液態(tài)電極,如懸汞電極,稱為譜法;如果是固定電極或靜止電極,如汞膜、碳電極、金鉑電極等,則:稱為伏安法。下面重點介紹水環(huán)境中檢測重金屬離子最常用到的分析方法,包括:溶出伏安法和計時電流法。
溶出伏安法(Stripping Voltammetry)[11]是將控制電位電解富集與伏安分析相結合的一種新的伏安分析技術,是通過記錄電流i與電壓E的函數(shù)曲線來對物質進行分析。根據溶出時工作電極上發(fā)生的是氧化反應還是還原反應,可將溶出伏安分析分為陽極溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry,ASV)和陰極溶出伏安法(Cathodic Stripping Voltammetry,CSV)。金屬離子的定量分析多用陽極溶出伏安法。
ASV分為兩個過程,首先是被測物質在適當恒定電壓下,在攪拌下還原后沉積在陰極上,稱為富集過程。第二個過程是在靜止一段時間(0.5~1min)后,再在兩電極上施加反向掃描電壓,使沉積在陰極上的金屬離子氧化溶解,形成較大的峰電流,這個過程稱為溶出過程。溶出過程形成的峰電流與被測物質濃度成正比,且信號成峰形,便于測量。若試樣為多種金屬離子共存時,富集過程按分解電壓大小依次沉積,溶出時,先沉積的后析出。
計時電流法[12]使用固定面積的電極,將電化學體系的工作電壓控制于一固定值,記錄電流隨時間的變化曲線,進而根據通過電極表面氧化或者還原電流的大小,定量計算電解質中發(fā)生反應的物質量。目前安培檢測檢測限低、靈敏度高、實驗步驟簡單、響應時間快等優(yōu)點,因此在痕量分析中占有重要的地位。
目前,國內外已實現(xiàn)了重金屬Cr(VI)的電化學檢測儀的商品化生產,但還存在靈敏度低、檢測限高、穩(wěn)定性差等問題,極大地限制了其在實際水環(huán)境監(jiān)測中的大規(guī)模應用。
重金屬Cr(VI)的電化學反應主要發(fā)生在電極表面,因而電極材料是影響電化學檢測性能的最關鍵因素。研究和制備高性能、低成本的電極或電極修飾材料是實現(xiàn)水環(huán)境重金屬Cr(VI)電化學檢測的重要內容。本文將重點討論電極和電極修飾材料在電化學檢測重金屬Cr(VI)方面的研究進展及發(fā)展趨勢。
在Cr(VI)的檢測中,汞電極常用電極類型有懸汞電極(Hanging Mercury Drop Electrode,HMDE)和汞膜電極(Mercury Film Electrode,MFE),主要是因為Cr(III)在這兩種電極上易發(fā)生氧化還原反應,預富集過程更有效,同時這兩種電極還具備可再生性。
1992年,Boussemart等[15]使用CSV,在硝酸鹽處理過的HMDE表面上Cr(VI)快速還原成Cr(III),以此來檢測Cr(VI)。絡合劑二乙烯三胺五乙酸DTPA和Cr(III)形成Cr(III)-DTPA復合物,該復合物還原成二價鉻- DTPA復合物。在最優(yōu)條件下,Cr(VI)的還原反應產生穩(wěn)定的峰形,而Cr(III)復合物轉換超過30min后產生電化學惰性,這使得Cr(III)-DTPA復合物產生的還原峰非常不穩(wěn)定。研究人員依據上述Cr(VI)和Cr(III)的不同電化學行為確定圖像中峰到底是由哪種價態(tài)產生的。富集時間2min,在蒸餾水中Cr(VI)的檢測限是10-11M,同樣條件在海水中的檢測限是10-10M,推測其主要原因是由于在海水中存在金屬陽離子(鈣和鎂),它們與鉻離子爭奪DTPA,造成的干擾導致檢測限變大。
為了減小Cr(III)對Cr(VI)檢測的干擾,Grabarczyk等[16]用氮川三醋酸(NTA)和乙二胺四乙酸(EDTA)作為Cr(III)的掩蔽劑,這使得在共存的Cr(III)和Cr(VI)的溶液中,且Cr(III)的量遠高于Cr(VI)的情況下,Cr(VI)依然可以有選擇地被檢測出來。該實驗檢測方法具有較高靈敏度和較寬的線性范圍(10-10~10-8M),同時適用于自然水樣中的檢測。
根據Cr(III)-DTPA復合物的吸附特性,可知工作電極的表面積決定了Cr(VI)檢測的靈敏度和檢測限。因此HMDE的表面積?。ā?mm2)就成了制約其檢測靈敏度和檢測限主要因素,而MFE因其大表面積、機械穩(wěn)定性和易維護性,贏得了更多研究工作者的青睞。
Ba′s等[17]設計了一種可更新汞膜銀基電極[Hg(Ag)FE],該薄膜具有不少于20%的可再生性,長期穩(wěn)定性,能經受1500到2000次循環(huán)使用,更新時間少于1-2s,并且電極表面積范圍擴大到1.5~12mm2,相比HDME,Hg(Ag)FE為檢測提供了更好的靈敏度和檢測限。
徐 琦 等[18]用 MFE, 在 NH3-NH4Cl(pH=10.0)介質條件下,采用方波伏安法,峰電流值和Cr(VI)濃度呈線性關系,在(0.1~2.0)×103mg/L范圍內呈良好的線性關系,檢測限為0.05mg/L,對其他金屬離子如Ca(II)、Mg(II)、Mn(II)、Cu(II)等金屬離子具有良好的抗干擾性。
HMDE 和MFE因其電位范圍寬,靈敏度高,重現(xiàn)性好,從而經常用于早期電分析實驗中,但是由于汞對環(huán)境的毒性及對汞電極處理、貯存的難度大,許多國家地區(qū)限制甚至禁止使用汞電極,因此亟待找到具有相似性能的新型可替換電極材料來實現(xiàn)的微量Cr(VI)的電化學檢測。
在過去十年,鉍膜電極作為汞電極的有力替換者出現(xiàn),為研究人員帶來了新希望。相較汞電極而言,鉍膜電極的響應清晰,鄰近峰分辨率高,氫超電位高、線性范圍更寬且可再生性強。同時鉍是低毒性的環(huán)保材料,具備在水動力條件下的操作所需的機械穩(wěn)定性,這尤其對流體系統(tǒng)的現(xiàn)場測試非常有力。
Joseph Wang 等[19]研制了一種使用鉍膜修飾玻碳電極(Glassy Carbon Electrode,GCE)的吸附溶出伏安法系統(tǒng)。鉍膜用DTPA做絡合劑的檢測機制與汞電極是相似的,檢測效果接近甚至稍好于汞電極。而且,鉍電極的檢測電壓-1.10V要低于汞電極的-1.22V,顯示出了其具備更優(yōu)異的熱力學性質。
Jorge等[20]使用DPTA和轉盤鉍膜電極研究了具備特異性的吸附溶出伏安法系統(tǒng)。轉盤電極用來提高鉻在電極表面的傳輸速率,加速吸附累積,提高了系統(tǒng)采用水動力結構時的靈敏度。在該研究中值得關注的是能夠同時使用該方法檢測痕量的Cr(III)和Cr(VI),實現(xiàn)多元校正曲線的繪制。
在傳統(tǒng)Bi/GCE基礎上,Ouyang等[21]人研制出了單層碳納米管(Single Walled Carbon Nanotube,SWCNT)包裹鉍膜修飾的玻碳電極(Bi/SWCNT/GCE)檢測超痕量Cr(VI),研究表明其具備良好的特異性。SWCNT的引入將鉍顆粒大小減小至納米級,增加了表面光滑性,提高了電子轉移速率,改善了親水性,使得檢測更為簡便快捷。檢測的線性范圍是0~25nM,檢測限0.036nM。這種新型電極表現(xiàn)出了相比于傳統(tǒng)Bi/GCE具有更好的再生性和可重復性。
在真實水樣的檢測分析中,許多方法會把Cr(VI)和其他重金屬離子,例如Pb(II)和Cd(II),放在一起檢測,然而,電化學檢測Cr(VI)的機制和用來檢測Pb(II)和Cd(II)的有所不同,Pb(II)和Cd(II)使用ASV檢測,而Cr(VI)是還原反應。為了克服這一缺點,同時檢測Pb(II),Cd(II) 和 Cr(VI),ErKang Wang等[22]提出了一種基于H2O2還原的溶出伏安法,如圖1,將Cr(VI)還原成Cr(III),從PbCrO4中將Pb(II)釋放出來,這三種離子就能在鉍膜電極上同時被檢測出來,并且得到了令人滿意的檢測限。
金是一種具有高效電催化作用的貴金屬材料,且具有較寬的電位窗,常作為基底用于制備。Burke等[23]人比較了鉑和金電極在檢測Cr(VI)時的電化學行為,發(fā)生快速還原反應時的金電極的過電位要遠低于鉑電極。
Welch和Compton[24]發(fā)現(xiàn)多晶金電極通過循環(huán)伏安法能直接檢測到Cr(VI),在含有5mM Cr(III)的混合溶液中Cr(VI)的檢測限是4.3μM,線性范圍是100~1500μM。另外,在電化學實驗時,對于環(huán)境中常見離子例如Ni(II),Cu(II),F(xiàn)e(III),Cr(III)和表面活性劑表現(xiàn)出良好的抗干擾能力。
基于對多晶金電極的研究,研究人員提出了金膜修飾電極的辦法,為提高Cr(VI)檢測性能帶來更為理想的效果。Kachoosangi和Compton[25]用線性掃描伏安法(Linear Sweep Voltammetry,LSV),鍍金的碳復合材料電極作為工作電極進行了實驗。結果顯示即使在Cr(VI) 高濃度(約50μM)的情況下,裸電極沒有也反應,而鍍金碳復合電極得到清晰的峰形,顯示出了對Cr(VI)還原反應的高靈敏度。如圖2,線性范圍為20~2000μg/L,檢測限為4.4μg/L,價廉簡單且直接的方法獲得Cr(VI)的校正曲線。無論是在實驗室按照嚴格配比的溶液樣本,還是在野外采集的嚴重污染的水樣,該實驗都能獲得理想的線性關系。
金 絲 印 微 電 極(Au Screen-printed Electrode,AuSPE)也是檢測Cr(VI)的一種金材料電極,相比多晶金電極,AuSPE有相似的性能,同時還具備一次性隨用隨丟的特性,價廉,便于大批量生產。Banks等[26]人在0.05M硫酸中用這種電極測量的線性范圍10~1100mM,檢測限4.4mM,并且證實了其真實水樣檢測的可行性。
由于納米顆粒和納米管具備優(yōu)越的導電能力,高表面積體積比,電催化特性,因此它被廣泛應用于Cr(VI)檢測。Jin等[27]人使用金納米顆粒修飾二氧化鈦納米管(Ti/Ti O2NT/Au),其電活性比多晶金電極高23倍。Ti/Ti O2NT/Au電極檢測的線性范圍是0.1~105mM,檢出限為0.03mM。用計時電流法測出的靈敏度6.91mA/mM,滿足WHO的標準,且能抗Cr(III)和其他金屬離子干擾。
為提高檢測性能,考慮將納米顆粒本身或者其支撐材料功能化。Ouyang等[28]制作了修飾花型自組裝的金納米顆粒(AuNanoparticle,AuNP)的玻碳電極檢測超痕量Cr(VI)。在pH=4.5的緩沖溶液中,硫醇吡啶功能化后,該電極顯示了清晰的峰形,線性范圍為10~1200ng/L,檢測限為2.9ng/L。
Santhosh等[29]人使用單分散AuNP的復合材料膜(如圖3)修飾石墨烯基質電極設計了一種對Cr(VI)超靈敏的傳感器,結合了石墨烯納米層獨特的導電特性、更大的活性表面積和AuNP的催化活性、優(yōu)良的導電性等雙方的優(yōu)點。使得還原反應強度提高了100倍,線性范圍5~800μM。能不受其他環(huán)境中常見離子如Ni(II)、Cu(II)、Cr(III)等的影響。
碳材料具有優(yōu)越的電導性,化學穩(wěn)定性,機械穩(wěn)定性,它的形態(tài)有利于電化學分析過程的穩(wěn)定性操作。碳材料主要包括:碳糊、玻碳材料、碳納米帶、碳納米管、石墨烯。
碳糊電極(Carbon Paste Electrode,CPE)是利用導電性的石墨粉(顆粒直徑約0.02~0.01mm)與憎水性的粘合劑(如石蠟、硅油等)混合制成糊狀物,然后將其涂在電極棒表面或填充入電極管中而制成的一類電極。用汞膜鉍膜電極檢測Cr(VI)時需要用絡合劑,例如DTPA或二吡啶。借鑒這種檢測機制,Svancara等[30]將絡合劑(季銨鹽)摻入CPE的修飾物中,能更有效地積累Cr(VI)離子對,直接發(fā)生還原反應,將檢測過程大大簡化。線性范圍是(0.5~50)×10-6M,檢測限是5×10-8M。基于CPE的電化學傳感器環(huán)保,便于制作,有好的再生性,且工作壽命長。
碳糊的固態(tài)膜電極與高分子膜電極相比,價格低廉且擁有更穩(wěn)健的電化學響應,阻抗低,壽命長。Sanchez-Moreno等[31]人用二苯卡巴肼修飾CPE來篩選并檢測Cr(VI)。實驗得到的線性范圍1.00×10-6M~1.00×10-2M,較眾多實驗來看,這是極寬的一個線性范圍,檢測限9×10-7M。即使存在Cr(III)和其他常見工業(yè)離子存在,這種傳感器也可以清晰地分辨Cr(VI)。
玻碳電極(Glassy Carbon Electrode,GCE)的優(yōu)點是導電性好,化學穩(wěn)定性高,熱脹系數(shù)小,質地堅硬,氣密性好,電勢適用范圍寬(約從-1~1V,相對于飽和甘汞電極),可制成圓柱、圓盤等電極形狀,在電化學實驗或電分析化學中得到日益廣泛的應用。Carrington等[32]人使用吡啶功能化溶膠凝膠膜修飾GCE來檢測Cr(VI)。在溶膠凝膠膜中的吡啶和溶液中Cr(VI)發(fā)生相互作用,Cr(VI)的檢測范圍11.7~400ppb,低檢測限4.6ppb。修飾后的電極展現(xiàn)了優(yōu)越的穩(wěn)定性,再生性和對Cr(III)和其他金屬離子的抗干擾能力。
普魯士藍(Prussian Blue,PB)是另一種眾所周知的雙金屬混合價態(tài)無機化合物,可以作為GCE的修飾物來進行電化學分析,例如亞砷酸鹽和雙氧水的檢測。Xing等[33]采用計時電流法檢測Cr(VI),使用PB修飾的GCE(PB/GCE)。支持電解質為0.1M HCl,線性范圍0.5~200ppb,檢測限為0.15ppb。此檢測方法受共存金屬離子和表面活性劑的影響較小,操作簡單,穩(wěn)定性強,分析時間短。
自從發(fā)現(xiàn)了能弧形生長的納米碳管(Carbon Nanotube,CNT),科研人員對它特性的研究工作就從未停止。碳納米管的優(yōu)點例如表面積大,電子傳導能力強,表面易修飾,使得它廣泛地應用于電化學傳感器。
Rudnitskaya等[34]制造了一種附著摻雜導電的木質素共聚物(環(huán)氧丙烷)的CNT,以此來檢測Cr(VI)。木質素/CNT基傳感器在pH=2的環(huán)境下對所有除Cr(VI)以外的過渡金屬陽離子幾乎沒有反應,可以有選擇性的檢測Cr(VI)。線性范圍10-5M~10-2M,檢測限5×10-6M,可以作為靈敏的采用測量電位法檢測的材料。
表面功能化的CNT能發(fā)生電催化還原反應,同時檢測重金屬離子。Deep等[35]人制造次磷酸衍生功能化SWCNT檢測超痕量Cr(VI)。反應響應的線性范圍0.01~10ppb,檢測限是0.01ppb,使用計時電流法,靈敏度是35±4nA/ppb,對于工業(yè)廢液和地下水的Cr(VI)樣本檢測同樣有效。
絲印碳電極(Screen-printed Carbon Electrode ,SPCE)相對低價,尺寸縮小,化學穩(wěn)定性強,工作電壓窗寬,碳材料表面化學特性豐富,可以進行化學衍生法和修飾法。
Hallam等[36]制作的石墨烯SPCE,能在溶液中做低濃度級的Cr(VI)的電分析,線性范圍100~1000 μg/L,檢測限19μg/L,對真實水樣的檢測符合WHO的標準。由于SPCE體積微小,隨用隨丟的特點,便于被整合進便攜式系統(tǒng),在智能傳感器平臺的開發(fā)上應用更廣。
Miscoria等[37]設計了一種 SPCE,將工作電極和對電極合并為獨立帶,如圖4,在強酸環(huán)境中,采用計時電流法,得到的線性范圍是3μM~10mM,檢測限為1uM,靈敏度為0.08mA/mM。
Bergamini等[38]制造了聚合組氨酸膜修飾SPCE,他們將參比電極和輔助電極整合到氧化鋁陶瓷上,具有高靈敏度和可再生性,可延伸的活性范圍,低檢測限,抗干擾能力。
石墨烯是一種二維石墨烯晶體,其晶格是由碳原子構成的二維蜂窩狀結構,穩(wěn)定,獨立存在且能導電。石墨烯在電化學分析中主要是應用其大的比表面積、較高的電催化活性,一般是通過修飾電極來實現(xiàn)的。由于其特殊的導電性能,不少科研工作者將開發(fā)新型電極材料的目光投射在石墨烯上。
Liu等[39]用氨水還原氧化石墨烯,并用石墨烯修飾電極,差分脈沖陰極溶出伏安法檢測Cr(VI)。實驗表明用石墨烯修飾的電極比GCE電荷轉移阻抗降低了大約9倍,還原峰電位增加了大約8倍,線性范圍是2.0×10-7M~1.0×10-3M,檢測限1.5×10-7M。
本文綜述了Cr(VI)在電化學檢測領域的最新突破,依據電極材料的更新?lián)Q代,展示了在電化學檢測這條道路上研究人員做出了的極具創(chuàng)造性的工作。基于大量實驗數(shù)據,相比之前的光譜法和色析法,溶出伏安法和計時電流法可以更加靈敏地檢測Cr(VI),并且沒有了預分離過程,使檢測更加簡便。汞電極電位范圍寬、靈敏度高,但是由于汞的毒性,易揮發(fā)性和隨意丟棄造成對環(huán)境的二次污染,環(huán)保部門強烈要求廢除汞電極的使用。鉍膜電極與汞膜電極電化學性能相當,且環(huán)保,迅速替代了汞電極。金電極具有化學惰性和高導電性,金納米顆粒表面積體積比大,基于此的新型金電極被用來檢測Cr(VI),利用率大大提高。為簡化檢測步驟,提高靈敏度和線性范圍,引入了經濟實用的碳電極,利用Cr(VI)直接還原為Cr(III)的電化學原理實現(xiàn)直接Cr(VI)檢測。由于石墨烯具有巨大的表面體積比和獨特的高導電性等特性,石墨烯及其復合材料在電化學檢測Cr(VI)中有著潛在的應用前景。
對于下一代電化學檢測重金屬Cr(VI)傳感器仍然有許多機遇與挑戰(zhàn):可用于檢測Cr(VI)的電化學方法多使用酸性絡合劑、掩蔽劑,或在酸性溶液介質中,不利于現(xiàn)場快速檢測方面的實際應用。檢測Cr(VI)的發(fā)展方向為現(xiàn)場、快速、實時、在線和連續(xù)測量。傳感器的微型化、集成化以及分析儀器的便攜化、自動化成為重金屬檢測發(fā)展的必然趨勢。就目前來說,實驗室內實驗條件穩(wěn)定可控,而實際水樣測量或現(xiàn)場測量情況多變,尋找快速、準確、環(huán)境無污染的Cr(VI)檢測辦法,提高基于電化學方法檢測技術傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度,是廣大科研工作者努力的方向。