线性扫描极谱法检测环境水体中呋喃西林

陈春香, 陈 文， 熊旭尧

(1.成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都 610059; 2.四川省矿产资源化学高校重点实验室，四川成都 610059)

呋喃西林(Nitrofurazone，NF)属于硝基呋喃类药物，它是一种人工合成的具有5-硝基呋喃基本结构的广谱抗菌药，曾经被广泛应用于家禽、家畜、水产养殖动物传染病的预防和治疗，也曾用作饲料药物添加剂[1]。研究发现，呋喃西林的代谢产物氨基脲具有致癌等作用，严重危害人体健康[2 - 4]。欧盟在1995年就规定禁止该类药物在食物中使用，并于2003年确定水产品中硝基呋喃类药物及其代谢产物的最大残留限量为1.0 μg/kg[5]。我国农业部也在2002年公布的《食品动物禁用兽药及其他化合物清单》中规定呋喃西林抗生素在所有动物源性食品中禁止使用，且对该类药物的检测标准也有明确的规定[6 - 7]。因此，出于对人们健康的考虑以及对水产品的质量监督，建立一个对养殖水体中的呋喃西林进行快速、高效、灵敏检测的方法具有一定的现实意义。

目前检测呋喃西林的方法主要有：高效液相色谱法[3 - 4]、液相色谱-串联质谱法[5 - 6]、分光光度法[7 - 8]、酶联免疫吸附试验法(ELISA)[9 - 10]以及电化学检测法[11 - 14]。电化学方法具有检测简便、分析速度快、分析成本低、灵敏度高、易于实现现场和在线检测的优点。特别是极谱法具有检测方便、操作费用低、灵敏度高等优点。Reday等[11]使用直流极谱法、循环伏安法和差示脉冲极谱法研究了在pH为2.0到12.0的缓冲液中呋喃西林的电化学还原行为，并用于药物制剂的分析。本研究在前人工作的基础上，以养殖水体中的呋喃西林为分析对象，进行了更加详细的研究，建立了检测养殖水体中呋喃西林的极谱分析新方法，该方法其检出限更低，检测线性范围更宽。同时，对电极反应机理进行了初步讨论。

1 实验方法

1.1 仪器与试剂

JP-303型示波极谱仪(成都仪器厂)，三电极体系：滴汞电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极；PXS-1离子活度计(成都世纪方舟科技有限公司)；BS 2245型电子分析天平(赛多利斯科学仪器有限公司)。

N′N - 二甲基甲酰胺(DMF)溶液(1.99%)的配制：准确移取2.0 mL DMF(纯度为99%)于1 000 mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释至刻度。呋喃西林标准储备溶液(200.0 μg/mL)的配制：准确称取0.1023 g呋喃西林，溶解于20.0 mL DMF，然后移入1 000 mL容量瓶中，用蒸馏水定容。1.0 μg/mL呋喃西林标准工作溶液由储备液用1.99%DMF逐级稀释而成。B - R缓冲溶液、Na2HPO4- 柠檬酸缓冲溶液、H3PO4- NaH2PO4缓冲溶液、邻苯二甲酸 - 盐酸缓冲溶液、甘氨酸 - 盐酸缓冲溶液，pH均为2.70。Triton X-100溶液、十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)溶液、十二烷基磺酸钠(SDS)溶液、聚乙二醇400溶液、聚乙烯吡咯烷酮K90溶液，浓度均为0.01%。实验用水为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

向25 mL比色管中，依次加入一定量的呋喃西林标准溶液或适量样品溶液，7.0 mL B - R缓冲溶液(pH=2.70)，0.5 mL 0.01%SDS溶液，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。取适量溶液倒入小烧杯中，在JP-303型极谱仪上，于起始电位-0.666 V(vs.SCE)，以扫描速率0.900 V/s，在静止时间12 s，汞柱高度46 cm，扫描次数4次，量程2.0×102～4.0×103nA的条件下进行测定，记录其二阶导数波峰的峰电位与峰电流。

2 结果与讨论

2.1 底液的选择

2.1.1 溶剂的种类及用量分别选择乙醇[15]和DMF[11]作为溶剂，考察溶剂的种类对呋喃西林峰电流的影响。结果发现以DMF作溶剂，可以得到更为灵敏稳定的还原峰，故本研究选择DMF为溶剂。进一步以浓度为1.99%、7.96%、15.92%的DMF为溶剂配制浓度为0.2 μg/mL(低)和2.0 μg/mL(高)的呋喃西林溶液，按照实验方法，在pH=2.52～2.89范围内，测定其峰电流，考察DMF浓度的影响。结果表明，DMF浓度越低，呋喃西林的峰电流越大，当DMF浓度为1.99%时，高、低浓度的呋喃西林的峰电流响应均最大。但DMF用量越少，呋喃西林的溶解性变差。因此，本研究兼顾峰电流较大且配制方便而选择1.99%的DMF作为最佳溶剂浓度用于后续的实验。

图1 pH对峰电流的影响Fig.1 The effect of pH on peak current

2.1.2 最佳pH分别配制0.2 μg/mL(低)和2.0 μg/mL(高)的呋喃西林溶液，使用0.01 mol/L HCl和0.01 mol/L NaOH溶液调节pH，考察体系酸度对呋喃西林峰电流的影响，如图1。由图1可知，溶液的酸度对高、低两种浓度呋喃西林的峰电流影响大致相同。本实验选择pH=2.70为体系的最佳测定pH值。

2.1.3 缓冲溶液的种类及用量分别考察了pH=2.70的B - R缓冲溶液、甘氨酸 - HCl缓冲溶液、邻苯二甲酸 - HCl缓冲溶液、H3PO4- NaH2PO4缓冲溶液、Na2HPO4- 柠檬酸缓冲溶液5种缓冲溶液对峰电流的影响。结果显示呋喃西林在B - R缓冲溶液(pH=2.70)中，峰电流响应最好，故本实验选择pH=2.70的B-R缓冲溶液。配制0.2 μg/mL(低)和2.0 μg/mL(高)的呋喃西林溶液，分别加入不同体积的B - R缓冲溶液(pH=2.70)，考察缓冲溶液用量对峰电流的影响。结果显示：用量为6.0～8.0 mL时，高、低浓度呋喃西林的峰电流较高且稳定，本实验选择B - R缓冲溶液的加入量为7.0 mL。

2.1.4 表面活性剂的种类及用量检测浓度较低的呋喃西林时，在检测峰前出现极谱极大，对其峰形产生一定的干扰。在溶液中加入适量的极大抑制剂可以消除这个干扰。但研究发现，加入极大抑制剂的量会明显改变峰电流的大小[16]。分别试验浓度均为0.01%的Triton X-100、CTMAB、SDS、聚乙二醇400、聚乙烯吡咯烷酮K90 5种不同类型的表面活性剂，考察他们的用量对呋喃西林峰电流的影响。结果显示，SDS是该实验的最佳表面活性剂。SDS的加入量在0.40～0.60 mL之间时，峰电流稳定且相对较高。高、低浓度的呋喃西林均能得到较稳定的极谱峰。故选择0.50 mL作为最佳的用量。

2.2 仪器条件的优化

按照实验方法，在最佳底液的条件下对0.2 μg/mL(低)和2.0 μg/mL(高)两个浓度的呋喃西林标准溶液，分别考察了汞柱高度、扫描速率、起始电位、静止时间对峰电流的影响，在31～46 cm范围内改变汞柱高度，在0.5～0.8 V/s范围内改变电极扫描速率，在0.1～-0.8 V范围内改变起始电位，在2～12 s内改变滴汞静止时间，选择出本研究最佳的仪器及温度条件为：汞柱高度：46 cm；扫描速率：0.900 V/s；起始电位：-0.666 V；静止时间：12 s。

2.3 温度与稳定性实验

在3～50 ℃范围内，随着温度的升高，2.0 μg/mL(高)、0.2 μg/mL(低)浓度呋喃西林的峰电流整体呈下降趋势。说明低温对呋喃西林的分析有利。但是考虑常温下的检测灵敏度也能满足分析的要求，本实验选择在室温条件下进行测定。在不同的静置时间测定敞开和密闭体系下呋喃西林的峰电流，发现标准溶液处于密闭容器中，在3 h内高、低浓度均能获得准确稳定的检测值。分析在3 h内进行。

2.4 标准曲线与检出限

按照实验方法配制一系列浓度的呋喃西林标准溶液，分别测定其峰电流并对呋喃西林的浓度作图，绘制标准曲线。呋喃西林在0.02～1.0 μg/mL浓度范围内的峰电流与其浓度具有良好的线性关系，方程为：Ip″(×102nA)=17.957c(μg/mL)+0.6772(R2=0.9907)，而在0.02～6.0 μg/mL浓度范围内，则成良好的多项式关系。拟合后的三次多项式方程为：Ip″(×102nA)=0.22099c3-3.34452c2+19.4922c(R2=0.99868)，可用于测定样品中呋喃西林的含量。

在最佳条件下，按照实验方法，配制浓度为0.02 μg/mL的呋喃西啉溶液，连续测定10次。根据检出限(DL)公式，DL=kSb/|S|(k取常数3，Sb=0.007966，S为标准曲线的斜率)，计算可得，建立的测定呋喃西林含量的电化学新体系检出限为0.0013 μg/mL。

2.5 精密度实验

分别配制6份0.2 μg/mL(低)和2.0 μg/mL(高)的呋喃西林溶液，测定其峰电流。测定结果的相对标准偏差均在1.39%～1.63%范围内，说明该方法的重现性较好，具有较高的精密度。

2.6 共存物质的影响

在最佳底液条件和仪器条件下，考察了一些可能共存的离子和几种常见的治疗鱼类疾病的药物等对0.2 μg/mL呋喃西林溶液测定的影响。在允许误差±5%的范围内，确定干扰物质的最大浓度(μg/mL)。由表1得出，阴离子对实验的干扰较小。而阳离子Mg2+、Ca2+、Ba2+、Cu2+、Fe3+、Al3+、Ni2+、Zn2+、Cd2+和一些治疗鱼类疾病的药物如呋喃唑酮、孔雀石绿对分析的干扰较大。对于阳离子干扰组分，进行EDTA 络合掩蔽。呋喃唑酮的存在会使呋喃西林的峰电流增大，而其他物质则会抑制呋喃西林的峰电流，但是因其与呋喃西林具有同样的作用，一般较难同时使用，其干扰可以忽略。

表1 共存物质的干扰

2.7 样品分析

采集成都理工大学附近某两超市水产品水池中水样、户外鱼塘的水样，对样品进行前处理后进行测定。本实验选择0.01 mol/L EDTA作为掩蔽剂，采用络合掩蔽的方法来减小某些干扰离子对测定结果造成的影响。

2.7.1 样品前处理在某超市水产水池和成都理工大学旁的鱼塘随机采集250 mL水样，静置，离心以彻底使悬浮颗粒与水体分离。各取5.0 mL澄清水样于比色管中，在超市水样中加入1.5 mL 0.01 mol/L EDTA，在鱼塘水样中加入3.0 mL 0.01 mol/L EDTA，摇匀。

2.7.2 样品的测定在最佳底液及仪器条件下，按照实验方法对水样进行加标回收实验。由表2可知，6组样品溶液中均未检出呋喃西林。呋喃西林的加标回收率在95.71%～107.20%之间。说明本文方法测定呋喃西林含量，具有较高的准确度。

表2 加标回收试验(n=3)

ND:not detecteld.

3 极谱波性质及机理

图2 不同体系的二阶导数极谱图Fig.2 Second-order derivate polarograms of different systems

3.1 极谱行为

在最佳仪器条件下，检测呋喃西林、B-R、SDS、DMF、呋喃西林+SDS与B-R+SDS都未见还原峰出现，但是呋喃西林+B-R出现了较强的还原峰，当加入SDS后峰形相同，峰电流略微有一些下降，因为SDS对峰电流有抑制作用(图2)。由此说明检测的是呋喃西林的还原峰，并且只有加入缓冲溶液后，呋喃西林才会出现还原峰，说明呋喃西林只有在一定酸度支持电解质的存在下，才可以还原。此峰为定量检测呋喃西林含量的依据。

3.2 循环伏安图

按照实验方法，配制浓度为2.0 μg/mL的呋喃西林溶液，进行循环伏安扫描。结果显示：正向扫描时发现在-0.101 V处出现一个还原峰，而反向扫描时无氧化峰出现，说明该还原过程完全不可逆。

3.3 电化学行为分析

3.3.1 扫描速率与峰电流的关系按照实验方法，配制浓度为2.0 μg/mL的呋喃西林溶液，固定其它条件，在0.1～1.0 V/s范围内改变扫描速率，结果显示扫描速率与峰电流成良好的线性关系，其线性回归方程为：Ip″(×102nA)=11.00679v(V/s)+3.90127(R2=0.94687)。峰电位与lnv呈负的线性关系，且扫速增加，峰电位负移，其线性回归方程为：Ep(mV)=-23.14326lnv-993.11540(R2=0.95753)。测定过程中随温度的降低，峰电流升高，且加入少量的非离子表面活性剂Triton X-100及阳离子表面活性剂CTMAB，峰电流均下降，而加入少量的阴离子表面活性剂SDS后，峰电流增加，说明呋喃西林在电极上有吸附特性。扫描速率的平方根也与峰电流呈良好的线性关系，方程为：Ip″(×102nA)=15.16341v1/2-0.18750(R2=0.98897)。说明该电极反应过程既受吸附控制，也受扩散控制[11 - 17]。

3.3.2 pH值对极谱波的影响考察峰电位随pH值的变化情况，发现呋喃西林的还原峰电位随着溶液pH值的增加呈负移的趋势，且成线性关系，线性方程为：Ep(mV)=-84.41344pH-739.62012(R2=0.98367)。说明在此酸度范围内，电极反应过程中有质子参与反应[11]。

4 结论

本研究建立了新的检测呋喃西林的线性扫描极谱新方法，呋喃西林的标准曲线的浓度范围为0.02～6.00 μg/mL，检出限为0.0013 μg/mL。该方法具有较高的精密度和稳定性。其加标回收率在95.71%～107.20%之间，具有较高的准确度。