超声处理的氧化活性炭修饰碳糊电极检测孔雀石绿研究

夏会玲,刘雅旋,易洪潮 (长江大学化学与环境工程学院,湖北荆州434023)

孔雀石绿 (Malachite green,MG)又称碱性绿、盐基块绿、孔雀绿,是一种三苯甲烷类工业染料[1],其结构如图1所示。从1933年孔雀石绿被证实有抗菌、杀虫等药效以来,广泛用于驱虫剂和杀菌剂,杀灭水产动物体外的寄生虫,原生动物和鱼卵中的霉菌等[2-5]。孔雀石绿的官能团三苯甲烷分子中与苯环相连的亚甲基和次甲基受苯环影响有较高的反应活性,可生成三苯甲基,同时孔雀石绿能抑制人体谷胱甘肽-s-转移酶的活性,嵌入DNA生成加合物,而且孔雀石绿代谢产物的衍生物及初级和

次级芳香胺对生物体有严重的致癌作用,但由于孔雀石绿对防治水霉病等有特效,曾在水产养殖中大量使用,严重污染了生态环境,对人类健康造成了巨大威胁。从1990年代开始,国内外学者陆续研究发现,孔雀石绿及其代谢产物无色孔雀石绿在鱼体内和环境中残留时间长,其化学官能团三苯甲烷被确证具有高毒、高残留、“三致”等毒副作用[6-10]。我国于2002年5月将孔雀石绿列入 《食品动物禁用的兽药及其化合物清单》中,但由于孔雀石绿抗菌效果好、价格低廉、对其毒副作用的宣传力度不够等原因,在水产养殖中仍有违规使用的情形。

下面,笔者主要通过研究不同条件处理的活性碳对MG测定的影响,寻找对测试有显著增敏效果的修饰剂和测定条件。

图1 孔雀石绿的化学结构

1 试验部分

1)仪器和试剂 CHI 660C电化学工作站 (上海辰华仪器公司),三电极体系,铂电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,氧化活性炭修饰的碳糊电极为工作电极。78-1磁力加热搅拌器用于测定时搅拌,Sartorius AG PB-10 pH计 (德国Sartorius公司)用于测定缓冲溶液的pH值,KQ-300DE型数控超声波清洗器 (昆山超声仪器公司)用于超声处理。孔雀石绿 (Sigma)溶于无水乙醇中配置浓度为1.0×10-3mol/L的标准溶液,活性碳及其他试剂均为分析纯,实验室用水为二次蒸馏水。

2)氧化活性炭的制备 准确称量2.0g活性碳加入到30ml H2O2中,然后将样品等分为7份,依次用超声波处理2,4,6,8,10,12和14h,处理完毕过滤充分洗涤,置于恒温烘箱在110℃下干燥3h。

3)修饰电极的制备 准确称取300.0mg石墨粉,30.0mg修饰剂,置于玛瑙研钵中,再用微型计量器加入120μ l石蜡油,将三者充分混合研磨均匀后,压入已清洗干净的工作电极的空腔中 (内径3mm),在称量纸上打磨光滑,即制得所需修饰电极。完成一次测量后,在称量纸表面磨光滑,活化处理后用于下1次测量。

2 结果和讨论

2.1 MG的电化学行为

用循环伏安法研究了MG在超声处理10h的氧化活性炭修饰碳糊电极上的电化学行为,结果如图2所示。在pH为6.0浓度为0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中加入1.0×10-5mol/L的MG,从+0.20V到+1.10V进行扫描时,在+0.85V处出现MG的氧化峰,随着扫描的进行,MG的氧化峰电流逐渐减小,表明MG在碳糊电极上的电极过程是不可逆的。在相同的条件下,用线性扫描法研究MG在纯碳糊电极和修饰电极表面的电化学响应的差异,如图3所示。在+0.83V附近,纯碳糊电极出现了一个比较微弱的氧化峰,而修饰电极氧化峰电流却有明显的增强,由此可见比表面积较大的氧化活性炭对MG的测定的确有明显的增敏效果。在没有加入MG的空白底液中,修饰电极的扫描曲线非常光滑,背景电流较低,说明氧化峰是由于MG被氧化而形成的,可以用来对MG进行定性表征和定量分析。

图2 MG在修饰电极上的循环伏安曲线

图3 MG在上的线性扫描曲线

2.2 参数优化

1)电解质溶液的选择 不同的电解质溶液对MG的电化学响应有较大的影响,分别对浓度为0.1mol/L,pH范围依次为:2.0～12.0的磷酸盐缓冲溶液,3.0～10.0的HAc-NaAc缓冲体系,5.0～10.0的NH3H2O-NH4Cl缓冲溶液在相同条件下进行试验,结果表明,pH为6.0的磷酸盐缓冲溶液对应MG的氧化峰电流最大,确定为试验中的最佳缓冲体系。

2)修饰剂的用量及超声处理时间的影响 通过对加入不同质量的修饰剂,在相同条件下比较MG氧化峰电流的大小,最终在修饰剂30mg,石墨粉300mg,石蜡油120μ l配比下,MG在修饰电极表面的响应效果最好。超声处理可以增加氧化活性炭的微孔结构,进而影响修饰电极对MG的吸附能力,一系列的平行试验表明,当超声时间为10h时,所得修饰剂的性能相对较好。

3)富集过程的影响 试验过程中,比较不同富集电位对测定的影响,发现MG的氧化峰电流受富集电位的影响不大,方便起见,选择较为常用的开路富集。富集时间对MG氧化峰电流的影响见图4,富集时间从0增加到180s,氧化峰电流迅速增加,说明在这段过程中MG在电极表面吸附的驱动力较大。随着电极表面所富集MG的浓度不断增加,MG的吸附量趋于饱和,接近电极的极限吸能力,因而继续延长富集时间至240s,MG氧化峰电流的增幅不很明显,综合考虑后确定最佳富集时间为240s。

2.3 扫描速度的影响

用线性扫描法测定浓度为1.0×10-5mol/L的MG在不同扫描速率 (0.05～0.5V/s)时的氧化峰电流,得到氧化峰电流(ip)与扫速(ν)的线性拟合方程:ip=19.064ν+1.334,R=0.992,表明MG在修饰电极上的氧化过程受吸附控制。

2.4 线性范围、检出限和重现性

研究了MG的氧化峰电流与其浓度的关系,发现氧化峰电流(ip)与MG浓度(C)在2个浓度区间内呈线性关系,在1.0×10-7～1.0×10-6mol/L范围内,线性拟合方程为ip=21.620C+1.033,R1=0.997;在 (2.0～9.0)×10-6mol/L范围内,线性拟合方程为ip=3.924C+27.267,R2=0.9993。在信噪比为3时,检出限低至8.0×10-8mol/L。对1.0×10-6mol/L的MG平行测定5次,相对标准偏差为7.9%,表明该方法有较好的重现性和应用性。

图4 富集时间对MG氧化峰电流的影响

2.5 干扰离子的影响

当MG浓度为1.0×10-6mol/L时,测定了其他离子对其氧化峰电流的影响,结果发现500倍浓度的Cd2+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Zn2+对MG的氧化峰电流的改变幅度小于10%,没有明显的干扰,说明氧化活性炭修饰电极对MG有较高的选择性。

2.6 水样检测

在荆州某养殖池塘中随机采集4份水样,各取100μ l分别加入到10ml磷酸盐缓冲溶液中,测定各自的特征峰电流,结果未检出任何信号,说明该养殖池塘水质受到孔雀石绿的污染极其微小。进而加入一定量MG的标准液,测定其回收率,结果如表1所示,回收率处于正常水平,表明该方法可用于实际样品的检测。

表1 加入MG的标准液测定结果

3 结 语

利用超声波处理H2O2氧化的活性碳,用来修饰碳糊电极,提高了对孔雀石绿的吸附能力,提升了检测的灵敏度。该方法简单易行,成本低廉,经过进一步完善后可用于对孔雀石绿的分析检测。

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