聚多巴胺修饰电极用于水中痕量Pb2+的测定

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.06.009

摘要/Abstract

摘要：

环境中Pb²⁺的浓度是环保管控领域重要的监测指标之一，过量Pb²⁺的存在对人类健康及环境生态稳定构成严重威胁。通过简易原位电致聚合的方法，成功地将聚多巴胺涂层修饰于电极表面，并将其应用于水中痕量Pb²⁺的电化学检测分析。结果表明，Pb²⁺能与聚多巴胺表面丰富的功能基团（-OH、-NH₂等）发生螯合作用，并被富集于电极表面；通过阳极溶出伏安法，Pb²⁺会从电极表面再次溶出，从而形成灵敏且具有特异性的电化学信号。通过考察电解质、pH及富集时间等实验参数对Pb²⁺溶出电流信号强度的影响，进一步优化了该方法对水中Pb²⁺的检测性能，其检测范围为50~800 nmol/L，理论检测限能够达到32 nmol/L。将其拓展至实际水样中Pb²⁺的测定，平均回收率可达到95%左右。该简易电极修饰策略能够为便携式环境痕量重金属离子灵敏性检测分析传感器设计提供新的思路。

关键词: 电化学, 阳极溶出伏安法, 铅离子检测, 环境分析

Abstract:

The concentration of heavy metal Pb²⁺ is one of the important monitoring indicators in environmental management and control,and excessive Pb²⁺ in the environment will pose a severe threat both to human health and ecological stability.Herein,a polydopamine coating was successfully modified on the electrode surface by a simple in?situ electro?induced polymerization method,and the electrode was further applied to the electrochemical analysis for the detection of trace Pb²⁺ in water.The results show that Pb²⁺ are easily enriched on the electrode surface through chelation with abundant functional groups (-OH,-NH₂,etc.) in the polydopamine surface,and they are redissolved into the aqueous solution from the electrode surface by an anodic stripping voltammetry method.As a result,sensitive and specific electrochemical signals are developed.After analyzing the influences of experimental parameters such as electrolyte,pH value,and enrichment time on the intensity of the electrochemical signals,the study optimized the performance of the proposed method in detecting Pb²⁺ in water,with a detection limit of 32 nmol/L within a detection range of 50~800 nmol/L.Furthermore,the method was applied to detect the Pb²⁺ in actual water samples,with an average recovery rate of about 95%.This simple electrode modification strategy can provide new ideas for designing portable sensitivity sensors to detect and analyze trace heavy metal ions in the environment.

Key words: Electrochemical, Anodic stripping voltammetry method, Pb²⁺ detection, Environmental analysis

中图分类号:

TQ153.6

孙文博, 姜一洁, 李佳男, 彭冲. 聚多巴胺修饰电极用于水中痕量Pb²⁺的测定[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 74-80.

Wenbo Sun, Yijie Jiang, Jianan Li, Chong Peng. Detection of Trace Pb²⁺ in Water by Polydopamine⁃Modified Electrodes[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2022, 35(6): 74-80.

图/表 8

图1 多巴胺修饰GCE电极的循环伏安曲线

Fig. 1 Cyclic voltammetry curves of polydopamine? modified GCE electrode

图2 GCE电极PDA修饰前后的交流阻抗能奎斯特图

Fig.2 EIS Nyquist curves of GCE electrode before and after the PDA modification

图3 不同电解质缓冲液和pH条件下PDA?GCE电极的循环伏安曲线

Fig.3 Cyclic voltammetry curves of PDA?GCE electrodes under different buffer solutions and pH

图4 富集时间对阳极溶出伏安法检测Pb2+电流信号的影响

Fig.4 Influence of enrichment time on the current signal of Pb2+ detection by anodic stripping voltammetry method

图5 阳极溶出伏安法检测水中的Pb2+线性伏安曲线及其溶出电流?浓度对应关系

Fig.5 Linear sweep voltammetry curves and its corresponding current?concentration linear relationship for Pb2+ detection in water by anodic stripping voltammetry

图6 阳极溶出伏安法检测水中Pb2+的重复性实验

Fig.6 Detection of Pb2+ in water by anodic stripping voltammetry with multiple repeated experiments

图7 其他重金属离子对Pb2+的阳极溶出测定结果的影响

Fig.7 The interference of several heavy metal ions on the Pb2+ detection

表1 实际水样中Pb2+浓度的测定结果及回收率

Table 1 Detection results and recovery rate of Pb2+ in actual water samples

样品	c（Pb²⁺）/（nmol $⋅$ L^-1）			回收率/%
样品	Pb²⁺样品加入前	Pb²⁺样品	Pb²⁺样品加入后	回收率/%
1^#	193	100	299	102.0
2^#	259	100	347	96.7
3^#	117	100	204	94.5

表1 实际水样中Pb2+浓度的测定结果及回收率

Table 1 Detection results and recovery rate of Pb2+ in actual water samples

样品	c（Pb²⁺）/（nmol $⋅$ L^-1）			回收率/%
样品	Pb²⁺样品加入前	Pb²⁺样品	Pb²⁺样品加入后	回收率/%
1^#	193	100	299	102.0
2^#	259	100	347	96.7
3^#	117	100	204	94.5

参考文献 24

1	葛俊森，梁渠.水中重金属危害现状及处理方法［J］.广州化工，2007，35（5）：69⁃70.
	Ge J S，Liang Q.The status and treatment of water heavy metal pollution［J］.Guangzhou Chemical Industry，2007，35（5）：69⁃70.
2	周大众，韩锡荣，黄浩，等.电镀废水中重金属处理技术研究现状与发展［J］.广州化工，2014，42（12）：16⁃18.
	Zhou D Z，Han X R，Huang H，et al.Research and development on heavy metals treatment in electroplating wastewater［J］.Guangzhou Chemical Industry，2014，42（12）：16⁃18.
3	Simons T J.Lead⁃calcium interactions in cellular lead toxicity［J］.Neurotoxicology，1992，14（2⁃3）：77⁃85.
4	王一鸣，黄玮，丛玉凤.新型GO/MoS₂复合电极的制备及对铅离子的吸附［J］.石油化工高等学校学报，2021，34（1）：28⁃33.
	Wang Y M，Huang W，Cong Y F.A novel GO/MoS₂ composite electrode：Preparation and application in Pb（II） adsorption［J］.Journal of Petrochemical Universities，2021，34（1）：28⁃33.
5	付蕊.g⁃C₃N₄纳米片修饰电极检测水中痕量重金属离子的研究［D］.沈阳：沈阳理工大学，2019.
6	姚振兴，辛晓东，司维，等.重金属检测方法的研究进展［J］.分析测试技术与仪器，2011，17（1）：29⁃35.
	Yao Z X，Xin X D，Si W，et al.Research progress of heavy metal detection methods［J］.Analysis and Testing Technology and Instruments，2011，17（1）：29⁃35.
7	余若祯，王红梅，方征，等.重金属离子快速检测技术研究与应用进展［J］.环境工程技术学报，2011，1（5）：438⁃442.
	Yu R Z，Wang H M，Fang Z，et al.Study and application of the heavy metal ions rapid testing technology［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2011，1（5）：438⁃442.
8	李焘，谭学才，胡琪，等.纳米石墨烯修饰电极电化学发光法测定盐酸氯丙嗪的研究［J］.分析测试学报，2014，33（2）：212⁃216.
	Li T，Tan X C，Hu Q，et al.Determination of chlorpromazine using Ru（bpy） 3 2 + electrochemiluminescence based on a grapheme modified glassy carbon electrode［J］.Journal of Instrumental Analysis，2014，33（2）：212⁃216.
9	蒋雪松，王维琴，卢利群，等.电化学免疫传感器快速检测农产品中的毒死蜱［J］.农业工程学报，2014，30（12）：278⁃283.
	Jiang X S，Wang W Q，Lu L Q，et al.Electrochemical immunosensor for rapid detection of chlorpyrifos in agricultural products［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2014，30（12）：278⁃283.
10	张梦娇，冯朝岭，刘小标，等.重金属离子检测方法研究进展［J］.科学技术与工程，2020，20（9）：3404⁃3413.
	Zhang M J，Feng C L，Liu X B，et al.Research progress on detection method for heavy metal ions［J］.Science Technology and Engineering，2020，20（9）：3404⁃3413.
11	段玉林，张少梅，温韬，等.阳极溶出伏安法测定饮用水中镉、铅、铜、砷［J］.食品安全质量检测学报，2020，11（12）：4110⁃4114.
	Duan Y L，Zhang S M，Wen T，et al.Determination of cadmium，lead，copper and arsenic in drinking water by anodic stripping voltammetry［J］.Journal of Food Safety and Quality，2020，11（12）：4110⁃4114.
12	万素娟，栾景合，陈平，等.方波阳极溶出伏安法测定大米中的痕量镉［J］.辽宁石油化工大学学报，2012，32（2）：32⁃34.
	Wan S J，Luan J H，Chen P，et al.The application of square wave anodic stripping voltammetry to measure the trace mount of cadmium in rice［J］.Journal of Liaoning Petrochemical University，2012，32（2）：32⁃34.
13	Song Q，Li M，Huang L，et al.Bifunctional polydopamine@ Fe₃O₄ core⁃shell nanoparticles for electrochemical determination of lead （II） and cadmium （II）［J］.Analytica Chimica Acta，2013，787：64⁃70.
14	Zhao G，Si Y，Wang H，et al.A portable electrochemical detection system based on graphene/ionic liquid modified screen⁃printed electrode for the detection of cadmium in soil by square wave anodic stripping voltammetry［J］.International Journal of Electrochemical Science，2016，11：54⁃64.
15	Guo Z，Luo X，Li Y，et al.Simultaneous determination of trace Cd（II），Pb（II） and Cu（II） by differential pulse anodic stripping voltammetry using a reduced graphene oxide⁃chitosan/poly⁃l⁃lysine nanocomposite modified glassy carbon electrode［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2017，490：11⁃22.
16	韩玉洁，代志鹏，郑晓芳，等.聚多巴胺包覆的钙钛矿修饰电极用于电化学检测水中铜、汞和铅离子［J］.分析化学，2022，50（2）：206⁃216.
	Han Y J，Dai Z P，Zheng X F，et al.Electrochemical sensing platform for detection of copper（II），mecury（II） and lead（II） ions in water environment based on polydopamine coasted pervoskite nanocomposite［J］.Chinese Journal of Analytical Chemistry，2022，50（2）：206⁃216.
17	Wang D，Wang Y，Tian C，et al.Polydiacetylene liposome⁃encapsulated alginate hydrogel beads for Pb²⁺ detection with enhanced sensitivity［J］.Journal of Material Chemistry A，2015，3（43）：21690⁃21698.
18	Desai M L，Basu H，Saha S，et al.Fluorescence enhancement of bovine serum albumin gold nanoclusters from La³⁺ ion：Detection of four divalent metal ions （Hg²⁺，Cu²⁺，Pb²⁺ and Cd²⁺）［J］.Journal of Molecular Liquids，2021（336）：116239.
19	Shalini Devi K S，Sharu J，Annamalai S，et al.In situ structural elucidation and selective Pb²⁺ ion recognition of polydopamine film formed by controlled electrochemical oxidation of dopamine［J］.Langmuir，2018（34）：7048⁃7058.
20	Zheng J，Mo L，Chen W，et al.Surface states in TiO₂ submicrosphere films and their effect on electron transport［J］.Nano Research，2017（10）：3671⁃3679.
21	Jiang X，Xie Y，Wan D，et al.Enrichment⁃free rapid detection of phthalates in chinese liquor with electrochemical impedance spectroscopy［J］.Sensors，2020，20（3）：901.
22	Amiri M，Amali E，Nematollahzadeh A.Poly⁃dopamine thin film for voltammetric sensing of atenolol［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2015，216：551⁃557.
23	Ma L，Zhang X，Ikram M，et al.Controllable synthesis of an intercalated ZIF⁃67/EG structure for the detection of ultratrace Cd²⁺，Cu²⁺，Hg²⁺ and Pb²⁺ ions［J］.Chemical Engineering Journal，2020，395：125216.
24	Zhang Y，Vallin J R，Sahoo J K，et al.High⁃affinity detection and capture of heavy metal contaminants using block polymer composite membranes［J］.ACS Central Science，2018，4（12）：1697⁃1707.

[1]	丁卓玉, 谭依凡, 周坤, 季久玉. 磷钼酸根和金属/氢⁃氧⁃三苯基膦单元构筑的杂化材料[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(4): 47-52.
[2]	陈茜, 金莹, 马季, 张磊磊, 宋昭远. 无钴铁基层状钙钛矿材料作SOFC阴极的研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(4): 69-74.
[3]	范琳, 杨磊, 车晓甄, 李夺, 潘立卫, 钟和香. CO₂电化学还原制CO金属催化剂的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 48-58.
[4]	曹瑜寒, 王荣忠, 张月华, 彭国文, 曾庆意. 碳材料为基础的电化学法去除水中重金属研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(4): 52-59.
[5]	寇杰，王德华，王冰冰，丛轶颖，马超然. 20#钢在油田采出液中的腐蚀行为研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2019, 32(5): 76-82.
[6]	任正博，卢爽，刘琳. 两种邻苯二胺类席夫碱缓蚀剂缓蚀性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2019, 32(2): 8-14.
[7]	刘广鑫，吴明，谢飞，宫克. HCO〖_(3)^-〗对X100管线钢在海洋环境中电化学腐蚀行为影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2019, 32(2): 66-70.
[8]	史艳华,梁平,张国福. 低碳钢在抚顺各典型地区土壤中的腐蚀行为[J]. 石油化工高等学校学报, 2012, 25(5): 59-63.
[9]	陈旭,何川,徐杨,吴明. 氢对X80钢在土壤模拟溶液中电化学行为的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(6): 84-89.
[10]	程迪,张洪林,周磊,邱峰. 电化学氧化处理腈纶废水的研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(5): 45-47.
[11]	陈高峰,徐杰,周寻. 氧化钌/聚苯胺复合材料的制备与电化学性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2009, 22(4): 1-4.
[12]	杨永飞, 姚军, 赵修太, 赵晓珂. 酸化缓蚀剂对N80钢在盐酸溶液中的缓蚀性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2009, 22(2): 26-29.
[13]	董美, 吴明. X80管线钢在模拟液中的电化学行为[J]. 石油化工高等学校学报, 2009, 22(2): 66-69.
[14]	李方文, 吴建锋, 徐晓虹, 李孟, 张小燕, 陈义春, 王玉涛. 油田开采水中铁的去除及其对浊度的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2007, 20(2): 23-25.

聚多巴胺修饰电极用于水中痕量Pb²⁺的测定

Detection of Trace Pb²⁺ in Water by Polydopamine⁃Modified Electrodes

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