茶叶中痕量铅检测方案(电化学工作站)

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茶叶科学2008，28(2)：93~100Journal of Tea Science 茶叶科学28卷~94~ 丝网印刷碳电极传感器检测茶叶中痕量铅研究 赵广英，吴艳燕 (浙江工商大学食品与生物工程学院，浙江省食品安全重点实验室杭州 310035) 摘要：建立了同位镀汞法修饰的丝网印刷碳电极电化学方波溶出伏安法快速检测茶叶中的铅的方法。详详描述了建立该系统检测方法的条件优化过程，得到了一系列最佳参数：最佳的镀汞液浓度 4x10 mol/L，沉积电位-1.1V，电位增量3mV， 方波频率10Hz， 方波幅度0.05V， pH值5，沉积时间280 s， 平衡时间 30s。在优选条件下获得的方法灵敏度、线性范围和检测限分别为 22.7 nA/(ug/L)， 10~225 ug/L (r=0.9986)和0.74ug/L(S/N=3)。研究了对多种重金属元素存在条件下 120 ug/L 的铅检测的青扰情况。本试验对样品前处理方法研究发现，采用家用微波炉、聚四氟乙烯密封增压微波消化罐消化茶茶，用标准加入法对分析样品进行检测，与国标方法相比较，无显著偏差。该方法灵敏、准确、快速适合于茶叶中痕量铅的测定。 关键词：方波溶出伏安法；丝网印刷碳电极；茶叶 中图分类号： TS272；0657.8 文献标识码：A 文章编号：1000-369X(2008)02-093-08 Determination of Trace Lead in Tea withScreen-printed Carbon Electrodes ZHAO Guang-ying， WU Yan-yan (Food safety key lab of Zhejiang， College of Food Science and Biotechnology Engineering， Zhejiang Gongshang University， Hangzhou 310035) Abstract： The square wave anodic stripping voltammetric (SWASV) methodology using a screen printed carbonelectrode (SPCE) in situ plated in mercury (Ⅱ) was developed by the authors to determine lead in tea. A detaileddescription of the systematic laboratory test carried out to optimize its performance is reported. A series of optimumparameter are as follows Hg? concentration： 4x10 mol/L， Plating potential： -1.1 V， Estep： 3 mV， Frequency： 10 Hz，Amplitude： 60 mV， pH： 5， plating time： 280 s， balance time： 30 s. Under the optimized analytical condition， theobtained sensitivity， linearity， and detection limit are 22.7 nA/(ug/L)， 10~225 pg/L (r=0.9986)， and 0.74ug/L(S/N=3)，respectively. The interference effect was thoroughly studied with various metals in the determination of120 ug/L Pb2. Tea was digested using domestic microwave oven and PTFE sealed and pressurized microwavedigestion tank. The standard method of analysis was used to detect the samples and comprised with the GB method，no significant deviation was found. The method was sensitive， accurate， fast and suitable for the determination oftrace lead in tea. Keywords： square wave anodic stripping voltammetry， screen printed carbon electrode， tea 食品和农产品中如含有过量重金属将对人体正常生理产生伤害。茶叶中含有一定量的铅[2.3]，在茶叶卫生检测中铅含量检测是重 要指标之一。用于测定铅含量的分析方法己有多种，其中最常用的仪器分析方法有火焰原子吸收法、石墨炉原子吸收、ICP 原子发射、分 ( 收稿日期：2007-07-25 修订日期：20 0 7-12-07 ) ( 基金项目：国家自然科学基金(No.30571623)；浙江省重中之重学科(No.Z05-29)；浙江省食品质量安 全 重点实验室开放项目(No.Z04-179) ) ( 作者简介：赵广英( 1 960一)，女，教授 ， 研究方向为食品质量安全快速检测 ， 食品卫生微生物检验， E-mail： zhaogy-user@163.com ) 光光度法等[4~7]。这些重金属检测方法测量精度及准确度高，但检测仪器昂贵，有些方法检测步骤繁琐，检测成本偏高，耗时长，难以适应环境及市场产品的现场抽查、生产企业自查及产品进出口快速通关的要求。因此，研究简单、快速和低成本的重金属快速检测方法，以期实现快速有效地监控环境及农畜产品中的重金属残留，保障人民健康与生态安全具有现实意义。电化学分析法因其具有灵敏、准确、快速的特点，是当前快速检测重金属的研究热点[8~10] 本研究以茶叶为检测样本，采用电化学方波溶出伏安法同位镀汞法[11，12]，以及一次性可抛弃型丝网印刷电极(Screen-printed carbonelectrode，SPCE) 传感器对茶叶中的铅进行测定，并对茶叶的前处理方法进行了优化，以期建立一种适用于食品中重金属检测的快速检测方法。 l1试验仪器及方法 1.1：主要仪器和试剂 LK 2006微机电化学分析系统(天津兰力科化学电子高技术有限公司)；实体显微镜(德国莱卡， LEICA MZ16A显微镜)；原子吸收光谱仪(美国瓦里安，Varian SpectrAA-220)；微波炉(美的， PJ21C-B1)。 铅标准溶液(1000 ug/L， 国家标准物质中心)；高纯屯(含量≥99.999%，中国杭州今工特种气体有限公司经销)；硝酸、氯化铵(G.R.，Merck KgaA，Germany)；氯化高汞、过氧化氢、氨水等(均为 A.R.)。主要样品茶叶：选择市售绿茶，杭州市出入境检验检疫局。 采用 SPCE，三电极合一-的膜片式微电极，通过工作电极、参比电极和对电极的高度集成，解决了以往研究中三电极分散，不易操作及待测物用量大和易被干扰的问题，而且通过电极的一次性使用克服了固体膜电极表面无法更新的问题。 1.2试验方法 条件优化：在20ml电解池中以0.1 mol/L的 NH4Cl 为支持电解质，固定铅标准溶液为50 ug/L，以溶出峰电流、电位为比较标准，在固定其他条件的情况下，对检测条件进行单因素优选。 样品消化：采用家用微波炉配套密封增压微波消化罐，对加酸量以及微波功率时间进行选择。样品检测：取茶叶消化液用 0.1 mol/LNH4Cl 定容至25 ml，用浓氨水调节 pH 值5.0，然后进行检测。方波溶出伏安法分析时的试验参数为：灵敏度10 uA/V， 滤波参数 50Hz，放大倍数1倍，其他工作参数优选后见结果与讨论。 茶叶对照国标法检测[13]：对上述电化学所检测的茶叶进行原子吸收光谱仪 Pb 检测，检测条件如下：火焰类型为空气-乙炔，空气流量=13.50 L/min， 乙炔流量=2.00 L/min，灯电流=10.0mA， 波长=217.0nm， 狭缝=1.0nm，背景校正开，读数延迟5.0 s， 测定模式为积分。 2结果与讨论 2.1检测方法的优化 2.1.1辅助电解质的选择 本试验选择了若干电解质溶液，包括0.1mol/L NH4Cl 溶液、0.067 mol/L 磷酸缓冲溶液(pH=4.92)、0.1 mol/L 柠檬酸溶液、0.1mol/L醋酸溶液。试验结果发现采用0.1 mol/L NH4C1溶液对 50 pg/L的铅标液所得到的峰形尖锐，峰电流最大。 2.1.2镀汞液浓度的选择 如图1所示，选择最佳的镀汞液浓度，试验了1×10°mol/L~8×10° mol/L的Hg?浓度。仪器参数初定为：：电沉积电位是-1.0V，电位增量是3mV，方波频率是15 Hz， 方波幅度是20mV，电沉积时间是360s，平衡时间是20 s.在上述仪器参数条件下对浓度为 50 pg/L 的铅标准溶液进行同位镀汞方法检测。结果表明，在Hg?*浓度为 4x10 mol/L 的铅标准溶液中，铅溶出峰的峰电流最大，且峰形较好。随Hg2*浓度变化溶出峰电位变化不明显。 对裸 SPCE 与同位镀汞 SPCE 通过实体显微镜观察可得，图2中经过汞膜修饰的B图电极表面要比非修饰电极A图厚度增加，表面更平整有利于进行定量检测。 2.1.3最佳方波参数的选择 沉积电位：结果表明，如图3所示，电积电位为-1.1V时，峰电流增大，峰形最好，且峰电位随着沉积电位增大向负偏移。为保证有较好的峰形与较大的峰电流，同时又防止电位 镀汞液浓度 Mercury concentration/(10"mol/L) 图1汞离子浓度的选择 Fig. 1 Selection of the concentration of Hg 图3沉积电位的选择 Fig.3 Selection of plating potential 图2实体显微镜拍摄的 SPCE 的电极表面状态 Fig. 2 The surface state of SPCE under the entities microscope 注：(A) 裸 SPCE (15×)； (B)同位镀汞修饰SPCE (15×)Note： (A) Bare SPCE (15x)；(B) Mercury modified SPCE (15x) 图4电位增量的选择 Fig. 4 Selection of increment of potential 方波幅度：结果如图6，实验发现，方波幅度为60mV时，峰电流最大，峰形较好。所以选择60 mV 为最佳方波幅度。 2.1.4缓冲溶液pH值的选择 如图7所示结果表明，在 pH 4.0~5.5时峰电流比较大，峰形较好，且在这一范围内峰电流变化不明显，非常便于样品检验时 pH值的控制。随着 pH值的增大，峰电流逐渐变小，峰电位微增加，如图所示。支持电解质0.1mol/L NH4C1 溶液 pH值为5.0左右，因此， 图5方波频率的选择 Fig. 5 Selection of square wave frequency 图7缓冲溶液酸度的选择 Fig. 7 Selection of the acidity of base solution 选择底液pH值为5.0。 2.1.5最佳沉积时间的选择 实验结果如图8，沉积时间小于600 s时，并且峰电流随着沉积时间的增加呈良好线形关系。当电积时间大于600s时， 峰电流增加缓慢。而且时间再增加，峰电流不随时间增加，这是由于电极上镀汞的量在一定时间内与时间成正比，到一定时间后，会达到一个类似饱和的状态，所以再增加测定时间也不会增大峰电流，反而导致溶解汞生成汞齐的铅离子深入 图6方波幅度的选择 Fig. 6 Selection of square wave amplitude 图8沉积时间的选择 Fig. 8 Selection of plating time 2.4干扰离子影响 在试验条件下，向120 pg/L的铅浓度标准溶液中加入干扰离子，控制变异系数在5%以内，以下物质倍数不干扰： NH4*(1000倍)、Mg*(100 倍)、Ca²(100 倍)、Mn²(5倍)、Fe?+(5倍)(n=5)；其他金属离子能在汞膜上富集溶出的等倍浓度使 Pb²+检测峰依次降低：Cu²+(15.2%)、Cd²*(17.6%)、Zn²*(27.8%)、Sn²+(19.4%)(n=5)。0 2.5样品的前处理 比较试验多种前处理方法，结果发现作为一种新的试样消解技术微波消解法[14，15]消化迅速，消化试剂量少，非常适合消化测定痕量重金属的样品。本试验采用家用微波炉、用聚四氟乙烯密封增压微波消化罐消化茶叶样品。 2.5.1前处理正交试验分析 试验采用的混合酸是30%过氧化氢与硝酸(1：3)，并且微波消化过程中决定样品的消化程度是否完全，主要是各微波功率及加热时间的长短。因此，本试验对混合酸的用量(A)与各功 率档对应加热时间(B~E)进行了正交试验，即微波功率分别为B低火档(119 W)， C、D中低 火档两次(231W)， E 中火档(385W)的程序进行筛选，各自对应加热时间分别进行正交试 表1正交实验结果分析表 Table 1 Results of orthogonal testing 序号 A B D E 测定 Pb值 |1-提取率| 消化程度评分 Serial number Content ofPb (ug/mg) l1-Extracting percentagel Grade of Digestibility 1 4 8 5 4 0 0.12 92.94% 1 2 4 10 6 5 1 1.31 22.94% 2 3 4 12 7 6 2 0.74 56.47% 1 4 4 15 8 7 3 0.8 52.94% 2 5 5 8 6 6 3 1.27 25.29% 3 6 5 10 5 7 2 1.49 12.35% 3 7 5 12 8 4 1 1.26 25.88% 4 8 5 15 7 5 0 1.93 13.53% 3 9 6 8 7 7 1 1.52 10.59% 5 10 6 10 8 6 0 1.71 0.59% 5 11 6 12 5 5 3 1.39 18.24% 4 12 6 15 6 4 2 2.19 28.82% 3 13 7 8 8 5 2 1.68 1.18% 5 14 7 10 7 4 3 1.76 3.53% 3 15 7 12 6 7 0 0.62 63.53% 3 16 7 15 5 6 1 1.51 11.18% 3 表2试验结果分析 Table 2 Analysis of test results 项目 Item A B C D E K 225.29% 130.00% 134.71% 151.17% 170.59% K2 77.05% 39.41% 140.58% 55.89% 70.59% K3 58.24% 164.12% 84.12% 93.53% 98.82% K4 79.42% 106.47% 80.59% 139.41% 100.00% |1-提取率| k 56.32% 32.50% 33.68% 37.79% 42.65% |1-Extracting k2 19.26% 9.85% 35.15% 13.97% 17.65% percentagel ks 14.56% 41.03% 21.03% 23.38% 24.71% k4 19.86% 26.62% 20.15% 34.85% 25.00% 极差 Range 167.05% 124.71% 59.99% 95.28% 100.00% 因素主次Analysis factors ABEDC 优方案Optimal scheme A：BE，D，C4 K 6 14 11 11 12 K2 13 13 11 14 14 K3 17 12 12 12 12 K4 14 11 16 13 12 k 1.5 3.5 2.75 2.75 3 消化程度 k2 3.25 3.25 2.75 3.5 3.5 Grade of Digestibility k3 4.25 3 3 3 3 k4 3.5 2.75 4 3.25 3 极差 Range 11 3 5 2 2 因素主次 Analysis factors ACBED 优方案 scheme Optimal A3C4B1D2E2 A3B2C4D2E2 最终方案 Final scheme 验。同时考虑到消化液和样品的反应剧烈度，中低火档分两次进行。安排五因素四水平的L16(4)正交试验，考察这些因素对消化后样品Pb 对比国标方法的提取率及消化样品消化程度(以5分制打分)进行考察，因素水平见表1，结果如表2所示。 2.5.2方法的精密度及回收率 对上述样品进行消化3次，分别测定重金属铅含量，并求其精密度值(见表3)，得到平均相对标准偏差(RSD值)为8.87%，说明试验结果有较好的重现性。对样品分别加入1、2 ug和 6ug标准铅溶液，求得平均回收率在82.14%~108.66%，这说明试验结果较准确。 2.5.3方法验证 为了验证微波消化的对茶叶消化的适用性及测定结果的正确性，我们取10种茶叶样品，在选定的较优条件下做扩展试验，同时也将上述10种样品与国标法作对照。所得结果见表 3. 对上述微波消化法电化学检测值与国标检测法进行成对结果的t检验，t的自由度为n-1=9，取 α=0.05，查得t值为 2.26， t的实验值为0.03， lt| 关闭