摻雜修飾碳糊電極對(duì)蔬菜中鎘的電化學(xué)快速檢測(cè)

羅惠莉，張舸帆，黃一璐，龍?chǎng)╃?，周穎

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院 長(zhǎng)沙410128 2 國(guó)家環(huán)境保護(hù)重金屬污染監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙410019 3 湖南國(guó)標(biāo)檢測(cè)科技有限公司 長(zhǎng)沙 410005）

重金屬污染已對(duì)生態(tài)環(huán)境、食品安全和人類健康構(gòu)成威脅。近年來(lái)Cd 在國(guó)內(nèi)谷物及米制品[1-3]、蔬菜[4-6]、茶葉[7]、水產(chǎn)品[8-9]等中均有檢出，是農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量安全最受關(guān)注的重金屬元素之一。梁曉聰?shù)萚1]分析了陜西省2002-2018 年市售谷物中Cd 污染狀況，結(jié)果顯示Cd 的平均值為0.022 mg/kg，超標(biāo)率為1.39%。曾婷婷等[6]對(duì)重慶蔬菜基地的辣椒中Cd 進(jìn)行檢測(cè)，Cd 含量為0.007～0.091 mg/kg，有3 份辣椒樣品Cd 超標(biāo)。邢仕歌等[8]抽測(cè)了2018-2020 年北京市售83 份蟹類樣品中的Cd 含量，平均值為0.647 mg/kg。隨著農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量安全要求的提高，對(duì)重金屬實(shí)時(shí)快速檢測(cè)的需求迫切。

在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)Cd 的常見(jiàn)方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[4，10]和原子吸收光譜法（AAS）[11-12]。近年來(lái)電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使其在重金屬快速檢測(cè)中應(yīng)用增多，主要仍集中在水樣檢測(cè)[13-14]，而食品、農(nóng)產(chǎn)品中Cd 的電化學(xué)檢測(cè)較少。碳糊電極（CPE）因制作簡(jiǎn)單，背景電流低、電極表面容易更新等特點(diǎn)[15]而具有較好的應(yīng)用價(jià)值。如Ogunlesi等[16]以玻碳電極（GCE）為工作電極，采用線性掃描陽(yáng)極溶出伏安法（LSASV）檢測(cè)玉米葉和小米葉中的Cd。樣品經(jīng)65%的HNO3和70%的HClO4消化處理，檢出量為0.00～5.74 mg/kg，部分超過(guò)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織規(guī)定限值（2 mg/kg）。近來(lái)，納米金屬及其氧化物因表面積大、吸附容量高而受到關(guān)注并應(yīng)用于電極修飾[13，17-18]。如Ashrafi等[17]采用銻納米粒子/多壁碳納米管修飾的CPE 對(duì)小麥粉中Cd 進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)限為0.65 μg/L。

植物和食品樣品比水樣品成分復(fù)雜，往往需通過(guò)酸消解后轉(zhuǎn)為待測(cè)液。也有通過(guò)預(yù)處理提取重金屬后再檢測(cè)。Silva等[19]用7 mol/L 硝酸溶液和超聲波提取巧克力中的Cd、Pb 和Cu，采用方波陽(yáng)極溶出伏安法（SWASV）-薄型凝膠膜修飾玻碳電極，同時(shí)測(cè)定Cd、Pb 和Cu 的檢測(cè)限達(dá)到0.089，0.059，0.018 μg/g。Wang等[20]采用稀酸萃取，ASVGCE 快速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定小龍蝦中Cd，檢出限為0.005 mg/kg。蔬菜樣品不經(jīng)消解，直接進(jìn)行重金屬電化學(xué)測(cè)定的研究[21]很少，如：Ion等[21]在測(cè)定卷心菜中Pb（DPV 法）時(shí)，直接將卷心菜切塊，加入0.01 mol/L 磷酸鹽緩沖液后制成汁，使用表面氨基化剝落石墨納米板鉍修飾電極（CO-NH2-xGnP/GCE），在鉍膜沉積預(yù)濃縮下測(cè)定Pb。

本研究選擇3 種常見(jiàn)的含水率高的蔬菜——黃瓜、西紅柿、小白菜為試驗(yàn)材料，參考Silva等[19]和Ion等[21]的前處理方式，將蔬菜樣勻漿后用0.1 mol/L 硝酸稀釋并超聲提取。采用納米氧化鋁/氧化鉍摻雜修飾的碳糊電極（CPE），經(jīng)方波陽(yáng)極溶出伏安法（SWASV）檢測(cè)其中的Cd。比較不同蔬菜基質(zhì)對(duì)Cd 電化學(xué)檢測(cè)的基質(zhì)效應(yīng)，確定適宜檢測(cè)的基質(zhì)稀釋比。本研究結(jié)果對(duì)開(kāi)發(fā)蔬菜中重金屬快速檢測(cè)技術(shù)，簡(jiǎn)化檢測(cè)流程，推動(dòng)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備研發(fā)有積極的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

1.1.1 試劑 Cd 標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）；氯化亞錫（SnCl2）、鐵氰化鉀（K3[Fe（CN）6]）、醋酸、硝酸，均為分析純。石墨粉（微米級(jí)），石蠟油（化學(xué)純）；氧化鋁，氧化鉍（納米級(jí)）。

1.1.2 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用的蔬菜均購(gòu)自周邊市場(chǎng)。其中黃瓜基質(zhì)的電導(dǎo)率為0.43 ms/cm，pH 值為6.32；西紅柿基質(zhì)的電導(dǎo)率為2.73 ms/cm，pH值為4.31；小白菜基質(zhì)的電導(dǎo)率為1.39 ms/cm，pH值為6.48。

1.2 試驗(yàn)儀器

電化學(xué)工作站（CHI830D），上海辰華儀器公司，參比電極為甘汞電極，對(duì)電極為鉑電極，工作電極為CPE 電極；電導(dǎo)率儀（DDSJ-308A），上海精密儀器有限公司；pH 計(jì)（PHS-3C），上海精密儀器有限公司；ICP-MS（NexlON 1000），美國(guó)珀金埃爾默股份有限公司。

1.3 電化學(xué)檢測(cè)方法

于電解池中加入0.1 mol/L 醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，SnCl2溶液和待測(cè)液。選用SWASV 法，工作電壓-1.4 V 持續(xù)120 s，然后施加正向方波掃描電勢(shì)：方波振幅：25 mV；步進(jìn)電勢(shì)：5 mV；方波頻率：25 Hz，由-1.4 V 掃描至0 V。由溶出峰電流值（Ip）對(duì)Cd 濃度進(jìn)行定量分析。

1.4 CPE 電極摻雜修飾及優(yōu)化

CPE 電極及修飾：石墨粉與液體石蠟（質(zhì)量比3∶1）混合，研磨均勻裝填壓實(shí)，表面打磨光滑。采用摻雜法修飾時(shí)，在石墨粉中摻入10%～30%的修飾劑。

以氧化鋁、氧化鉍為修飾劑分別對(duì)CPE 進(jìn)行修飾，參考Svancara等[22]的研究，將摻加比例控制在10%～30%。通過(guò)比較對(duì)Cd 檢測(cè)響應(yīng)值，確定適宜的摻加比。比較以氧化鋁、氧化鉍、氧化鋁/氧化鉍作為修飾劑的檢測(cè)差異，以確定對(duì)Cd 檢測(cè)最優(yōu)的摻雜修飾電極。

1.5 樣品處理與檢測(cè)

蔬菜樣勻漿后超聲破壁并脫氣，密封冷藏。檢測(cè)前基質(zhì)樣品經(jīng)1% HNO3稀釋后超聲。根據(jù)1.3節(jié)檢測(cè)條件和1.4 節(jié)確定的修飾CPE 檢測(cè)其中的Cd，確定樣品檢測(cè)的適宜稀釋比和檢測(cè)操作條件。

1.6 基質(zhì)效應(yīng)與干擾分析

結(jié)合XRF 分析，考察基質(zhì)中含量較高金屬元素的離子，如K+，Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e2+和Zn2+等對(duì)Cd電化學(xué)檢測(cè)干擾，明確主要干擾金屬離子。

1.7 電化學(xué)檢測(cè)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

對(duì)添加Cd 的蔬菜樣品分別通過(guò)SWASV 法與ICP/MS 檢測(cè)，比較2 種方法的檢測(cè)結(jié)果，分析SWASV 法檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

ICP/MS 檢測(cè)的樣品，參考Xu等[23]的樣品前處理，蔬菜樣經(jīng)濃HNO3∶HClO4=4∶1 濕法消解。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻雜修飾及優(yōu)化

2.1.1 單一摻雜修飾 以氧化鋁、氧化鉍為修飾劑，分別替代石墨粉的質(zhì)量比（即摻加比）為10%，20%和30%。用修飾的CPE 檢測(cè)10 μg/L Cd，比較2 種修飾劑的差異，初步確定適宜的摻加比。

結(jié)果表明，摻加20%氧化鋁時(shí)，對(duì)Cd 的檢測(cè)響應(yīng)最大，Ip為2.311 μA；相比未修飾CPE 檢測(cè)的Ip值增加了62.98%。氧化鋁摻加比從10%增加到20%，Ip值增加了18.42%；而由20%增加到30%，Ip值反而下降了17.94%。摻加20%氧化鉍時(shí)修飾效果也好于其它比例。但氧化鉍摻加比由20%提高至30%，Ip值差異不大。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，初步確定修飾劑適宜的摻加比為20%。

2.1.2 摻雜修飾優(yōu)化 在2.1.1 節(jié)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以氧化鋁為主修飾劑，氧化鉍摻加比取1%，5%，8%，總摻加比為20%，進(jìn)行氧化鋁/氧化鉍混合修飾。圖1 為20%氧化鋁、20%氧化鉍、15%氧化鋁/5%氧化鉍作修飾劑，檢測(cè)10 μg/L Cd 的溶出伏安圖。

圖1 修飾劑對(duì)Cd 檢測(cè)響應(yīng)的影響Fig.1 Effects of modifier on Cd detection response

圖2 Cd 的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線和溶出伏安圖Fig.2 Standard curve and voltammogram of Cd

以20%氧化鋁修飾電極為比較基礎(chǔ)，15%氧化鋁/5%氧化鉍修飾電極對(duì)10 μg/L Cd 的峰電流值為2.559 μA，好于其它摻加比（2.227 和2.249 μA）；也好于單獨(dú)摻加氧化鋁或氧化鉍；且Cd 的溶出峰峰形得到改善。因此后續(xù)試驗(yàn)采用15%氧化鋁/5%氧化鉍混合修飾電極（記為DMCPE）。

用金屬氧化物修飾電極，能擴(kuò)大CPE 的比表面積，富集待測(cè)離子[24]；同時(shí)促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)離子溶出響應(yīng)[25]。但摻加超過(guò)一定量，即修飾劑濃度過(guò)高，會(huì)使得電極的歐姆電阻率和背景電流增加[26]，從而影響沉積物剝離，導(dǎo)致溶出峰電流值下降。氧化鉍修飾相比氧化鋁對(duì)Cd 檢測(cè)的響應(yīng)稍差，但摻加氧化鉍后利于Sn 的沉積和溶出[27]，從而通過(guò)Cd-Sn 共沉淀影響Cd 的溶出響應(yīng)（見(jiàn)圖1）。這與Zheng等[25]的研究一致。

2.2 蔬菜基質(zhì)對(duì)Cd 的檢測(cè)影響

2.2.1 確定蔬菜基質(zhì)的稀釋比 分析基質(zhì)對(duì)Cd電化學(xué)檢測(cè)的影響，Cd2+質(zhì)量濃度為30 μg/L，分別在靜置和攪拌（轉(zhuǎn)速為80 r/min）時(shí)對(duì)Cd 檢測(cè)，以得到穩(wěn)定的檢測(cè)條件。黃瓜、西紅柿、小白菜各基質(zhì)稀釋比（待測(cè)液體積/基質(zhì)體積）見(jiàn)表2。

靜置檢測(cè)條件下，黃瓜基質(zhì)稀釋倍數(shù)為30，西紅柿基質(zhì)稀釋倍數(shù)為100，小白菜基質(zhì)稀釋倍數(shù)為300 時(shí)，相比對(duì)應(yīng)空白（不加基質(zhì)）的Cd 溶出峰電流值分別降低6.55%，3.23%，9.52%。增加基質(zhì)添加量，Cd 峰電流值進(jìn)一步降低。

采取低速攪拌，黃瓜稀釋倍數(shù)仍取30，此時(shí)Cd 峰電流降低9.23%。西紅柿稀釋倍數(shù)100 降為60，Cd 峰電流降低9.93%。小白菜稀釋倍數(shù)可采用100，Cd 峰電流降低7.68%。表明低速攪拌時(shí)比靜置時(shí)檢測(cè)響應(yīng)稍高，最主要的是小白菜樣品稀釋比降低了，有利于提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。

比較3 種蔬菜基質(zhì)對(duì)Cd 檢測(cè)的干擾影響（由大到?。盒“撞?西紅柿>黃瓜。這與基質(zhì)的電導(dǎo)率排序一致，表明基質(zhì)中離子（尤其是金屬陽(yáng)離子）對(duì)Cd 檢測(cè)有干擾。

2.2.2 主要干擾離子分析 根據(jù)表1 中主要金屬元素含量，考察含量較高的K+，Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e2+和Zn2+的檢測(cè)干擾。以小白菜中各元素含量為基數(shù)值，稀釋60 倍（取整數(shù)值）后，以DMCPE 分析其對(duì)30 μg/L Cd 的檢測(cè)影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)主要是Zn的干擾，1.5 mg/L 的Zn2+使Cd 的Ip值下降了16.07%。

表1 蔬菜中主要金屬元素含量（mg/kg）Table 1 Contents of main elements in the three vegetables（mg/kg）

表2 蔬菜中Cd 檢測(cè)的稀釋比Table 2 Dilution ratio for Cd detection in vegetables

在前期試驗(yàn)中，以西紅柿中較高含量金屬進(jìn)行的干擾分析也表明，Zn 對(duì)Cd 檢測(cè)干擾最大。以未修飾CPE 檢測(cè)100 μg/L Cd 時(shí)，0.8 mg/L 的Zn2+使Cd 的Ip值下降了34.87%；8 mg/L Mg2+使Cd 的Ip值下降了20.03%；而K+，Ca2+的干擾影響小。

由于小白菜中Mg 含量不高，以西紅柿中Mg含量為基礎(chǔ)，同前期試驗(yàn)（稀釋40 倍，測(cè)100 μg/L Cd），發(fā)現(xiàn)采用DMCPE 檢測(cè)，Mg2+造成Cd 的Ip值只降低了9.02%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，蔬菜中高含量的Zn、Mg 對(duì)Cd的電化學(xué)檢測(cè)有干擾；采用DMCPE 可降低這些干擾離子的影響。

Yukird等[28]測(cè)定廢水中Cd（II）和Zhao等[29]測(cè)定土壤中Cd（II）時(shí)，均發(fā)現(xiàn)Zn（II）會(huì)產(chǎn)生干擾。相比重金屬Cd，Zn 易于被植物吸收，尤其是白菜類的蔬菜易富集Zn，因此采用電化學(xué)方法檢測(cè)蔬菜中Cd 時(shí)，要考慮高濃度Zn 的干擾和消除，這值得進(jìn)一步研究。但少有文獻(xiàn)報(bào)道分析Mg 的干擾影響。

2.3 Cd 檢測(cè)方法

2.3.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線 以15%氧化鋁/5%氧化鉍修飾的CPE 為工作電極，方波振幅25 mV；步進(jìn)電勢(shì)5 mV；方波頻率25 Hz；工作電壓-1.4 V；沉積時(shí)間120 s，SnCl2質(zhì)量濃度為3.5 mg/L，低速攪拌。建立Cd 的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線。其線性范圍為0.2～70 μg/L。線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)為：Ip=0.1774C+0.3646（Ip：μA，C：μg/L）；R=0.9983，檢測(cè)限為0.2 μg/L。

2.3.2 添加回收試驗(yàn) 根據(jù)2.2.1 節(jié)試驗(yàn)結(jié)果，在蔬菜樣品中添加0.1 mg/kg 和1 mg/kg 的Cd，按照1.5 節(jié)進(jìn)行樣品前處理，黃瓜、西紅柿、小白菜基質(zhì)稀釋比分別取30，60，100。按照2.3.1 節(jié)檢測(cè)條件進(jìn)行檢測(cè)，添加回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差見(jiàn)表3。另外取蔬菜樣品，添加0.1 mg/kg 的Cd，按上述稀釋比和SWASV 法檢測(cè)，同時(shí)按照1.7 節(jié)樣品處理后經(jīng)ICP-MS 檢測(cè)，2 種檢測(cè)方法結(jié)果比較見(jiàn)表3。

表3 SWASV 法測(cè)Cd 的添加回收率及與ICP-MS 檢測(cè)比較Table 3 Recovery rate of Cd detection by SWASV and comparison with ICP-MS

對(duì)3 種蔬菜樣品兩個(gè)濃度的添加試驗(yàn)，添加回收率在87.45%～101.14%。表明在上述樣品處理和檢測(cè)條件下能有效進(jìn)行該3 種高含水蔬菜中Cd 的電化學(xué)檢測(cè)。

SWASV 法對(duì)Cd 檢測(cè)可達(dá)到ICP/MS 檢測(cè)的87.25%～108.25%?？傮w來(lái)看，利用本文建立的DMCPE-SWASV 法對(duì)蔬菜中Cd 進(jìn)行檢測(cè)是滿足檢測(cè)要求的。

3 結(jié)論

1）氧化鋁和氧化鉍修飾CPE 均提高了Cd的檢測(cè)響應(yīng)。采用15%氧化鋁/5%氧化鉍修飾電極DMCPE 對(duì)Cd 檢測(cè)線性范圍為0.2～70 μg/L，線性相關(guān)系數(shù)r=0.9983，方法檢測(cè)限為0.2 μg/L。

2）蔬菜樣經(jīng)過(guò)勻漿-HNO3稀釋-超聲提取的前處理，黃瓜基質(zhì)稀釋比為30，西紅柿稀釋比為60，小白菜稀釋比為100 時(shí)，采用DMCPE-SWASV法檢測(cè)Cd 的添加回收率為87.45%～101.14%。

3）3 種蔬菜基質(zhì)對(duì)Cd 檢測(cè)的影響為：小白菜>西紅柿>黃瓜。與基質(zhì)的電導(dǎo)率排序一致。蔬菜中高含量的Zn、Mg 對(duì)Cd 的電化學(xué)檢測(cè)有干擾，其中Zn2+對(duì)Cd2+檢測(cè)干擾最大，其次是Mg2+。采用DMCPE 測(cè)Cd 時(shí)，離子造成的干擾小于采用未修飾CPE 時(shí)。

4）SWASV 法對(duì)Cd 檢測(cè)值可達(dá)到ICP/MS 檢測(cè)結(jié)果的87.25%～108.25%。采用本文建立的DMCPE-SWASV 法對(duì)高含水蔬菜中Cd 進(jìn)行檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的快速檢測(cè)。

由于Zn、Mg 是蔬菜易吸收的微量元素，基質(zhì)中這些離子，尤其是Zn，對(duì)重金屬電化學(xué)檢測(cè)的干擾影響還需要進(jìn)一步研究。