同位镀汞阳极溶出伏安法测定牛奶中镉、铅、铜

朱浩嘉，潘道东*，顾愿愿，李建龙，赵紫微，丁 琳

（宁波大学海洋学院，浙江 宁波 315211）

牛奶中富含蛋白质、脂肪、乳糖、维生素等多种营养元素，能满足人体多方面的营养需要，是人们重要的日常营养食品之一。近年来，由于环境和人为因素的影响，使牛奶以及奶制品受到了不同程度的重金属污染。长期食用重金属含量超标的牛奶，会严重影响人体健康，尤其对老年人和儿童的危害更大[1]。

镉、铅是严重污染环境，危害人类健康的有毒重金属元素；铜虽是人体必需元素，但过量摄入会危害身体健康，如阻碍铁、锌的吸收，引发脑功能衰退等，所以对牛奶中镉、铅、铜含量的检测十分必要[2]。目前对食品中重金属的测定，比较常见的方法有原子吸收法、电感耦合等离子体发射光谱法、分光光度法等[3-5]。但原子吸收法的检测限还不够低，标准工作曲线的线性范围窄，电感耦合等离子体发射光谱法仪器昂贵，易受污染，限制了其在实际检测中的应用[6-7]。

阳极溶出伏安（anodic stripping voltammetry，ASV）法是一种具有高灵敏度、选择性和多元素同时分析的电化学分析方法，仪器结构简单、成本低、便于推广、应用范围广，在分析领域中显示出很大的潜力和优越性[8-11]，已经广泛应用于水体检测[12-14]、药物成分分析[15-17]以及食品分析[18-20]等方面。如严金龙等[21]通过ASV法测定了食醋中的铜铅镉元素的含量，当铜、铅和镉金属离子的含量为0.05～3.00 mg/L之间时，线性关系好，可用于对食醋的检测。路纯明等[22]使用同位镀汞脉冲溶出伏安法对香烟中镉元素含量进行了测定，线性范围为3.56×10－8～1.07×10－6mol/L，检测限为8.90×10－9mol/L。但是使用同位镀汞阳极溶出伏安法同时测定牛奶中镉、铅、铜3 种元素，目前国内尚未见报道。采用同位镀汞的方法同时测定牛奶中镉、铅、铜的含量，可以有效克服预镀汞膜大量使用汞液造成的二次污染，同时还可以减少操作过程。此方法简便、快速、准确，灵敏度高，可以实现对牛奶样品中镉、铅、铜的同时测定。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

鲜牛奶 市购；1 mg/mL镉、铅、铜标准液 国家标准物质中心；HgCl2、HAc、NaAc、HClO4、HNO3上海国药有限公司；HAc-NaAc缓冲溶液（pH 4.5）：32 g NaAc溶于水中，加6 mol/L HAc 68 mL，稀释至500 mL。所用试剂均为分析纯，水为重蒸馏水。

CHI10308电化学工作站（三电极系统：玻碳电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝电极为辅助电极）上海辰华仪器公司。实验中使用的玻璃仪器均在HNO3（1＋1）溶液中浸泡过夜后使用。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理

准确移取5.00 mL牛奶样品于高温消化管内，加入5.00 mL HNO3和2.00 mL HClO4，再加入一粒玻璃珠，管口放歪嘴漏斗，静置24 h，置电炉上加热至红色气体散尽，取下冷却，然后继续加热至冒浓白烟，冷却至室温，加入少量重蒸馏水，消化至样品变为澄清液体后取出冷却，加10%的HNO3溶液定容至50 mL，摇匀待测[23]。

1.2.2 电极预处理

将玻碳电极依次用乙醇（1＋1）、硝酸（1＋1）、去离子水分别超声5 min，再依次用1.0、0.3、0.05 μm粒径的α-Al2O3粉末反复打磨至镜面，每次换不同粒径α-Al2O3粉末前，将打磨布和电极用去离子水冲洗干净，最后用氮气将电极吹干备用。以打磨好的电极作为工作电极，置于0.5 mol/L H2SO4溶液中，接通三电极系统，在－1.0～1.0 V电位间进行循环扫描极化处理，直至循环伏安曲线稳定。

1.2.3 测定方法

取适量镉、铅、铜标准溶液于电解池中，加入HAc-NaAc缓冲溶液（pH 4.5）5 mL，HgCl2溶液5 mL，重蒸馏水稀释至20 mL，通入高纯N210 min以除氧。静止10 s后，置入电极，开动电机旋转工作电极，在－1.0 V处富集，富集240 s后停止旋转工作电极，静置10 s。控制方波频率30 Hz、电位增量4 mV、方波幅度25 mV，采用方波伏安法从－1.0 V反向扫描至0.10 V，记录扫描曲线，于－0.08、－0.52、－0.70 V处分别记录铜、铅、镉离子的溶出峰。

2 结果与分析

2.1 底液选择

图 1 镉、铅和铜的阳极溶出伏安曲线Fig.1 Anodic stripping voltammetry curves of cadmium, lead and copper

本实验分别以稀硝酸、KCl-HCl、KCl、NH3-NH4Cl、HAc-NaAc为底液进行实验，结果发现，以HAc-NaAc缓冲溶液（pH 4.5）为底液，所得到的阳极溶出伏安曲线基线平稳，镉、铅和铜的溶出峰可以清楚分开且均具有良好峰形，见图1。而且HAc-NaAc缓冲溶液对酸化的样品具有较好的pH值调节能力。本实验选择HAc-NaAc缓冲溶液（pH 4.5）作为底液。

2.2 底液pH值的影响

图 2 pH值对峰电流的影响Fig.2 Effect of pH on peak current

由图2可以看出，镉、铅和铜的峰电流随着底液pH值的变化而变化，pH值在3.5～4.5范围，镉、铅和铜的峰电流随着pH值的增大而增加，pH值大于4.5，铅和镉的峰电流开始有明显下降趋势，pH值大于5.0时，铜的峰电流明显下降。实验还发现pH值过高，易出现氢波干扰，影响测定结果。因此实验选用pH值为4.5的HAc-NaAc缓冲液为底液。

2.3 汞液浓度的影响

由图3可以看出，汞液浓度会影响铜、铅和镉的峰电流大小，当汞液浓度由1×10－6mol/L增加到1×10－3mol/L，铜、铅和镉离子的峰电流都随之增大，但随着汞液浓度增大，易在电极上产生气泡，使体系的酸度发生变化，降低检测效果，同时对环境污染也加大。因此选择汞液浓度1×10－4mol/L。

图 3 汞液浓度对峰电流的影响Fig.3 Effect of mercury concentration on peak current

2.4 富集条件的选择

2.4.1 富集电位对峰电流的影响

图 4 富集电位对峰电流的影响Fig.4 Effect of deposition potential on peak current

由图4可知，富集电位－1.3～－0.9 V范围内，铜、铅和镉的溶出峰电流基本保持恒定，电位超过－0.5 V则观察不到溶出峰；富集电位大于－0.9 V，峰电流则随电位的增大而降低，可能是由于生成的汞齐还原不充分造成的；富集电位太低，则电极表面易产生析氢反应，影响金属在电极表面沉积，降低检测灵敏度。因此实验选用－1.0 V为富集电位。

2.4.2 富集时间对峰电流的影响

由图5可见，富集时间在60～420 s范围时，铜、铅和镉峰电流均随富集时间延长而增大。但是实验采用的是同位镀汞，随着富集时间的延长，富集量增加，汞膜厚度也增加，长时间富集会导致汞膜发生渗透作用[24]，实验重复性变差，同时富集时间过长会使小体系中待测离子浓度改变而且延长了实验时间。因此富集时间选用240 s。

图 5 富集时间对峰电流的影响Fig.5 Effect of deposition time on peak current

2.5 仪器参数的选择

实验中发现，方波频率10～40 Hz、电位增量1～7 mV、方波幅度10～60 mV，随着方波频率、电位增量和方波幅度的增大，铜、铅和镉的峰电流基本保持恒定，但铜、铅和镉的半峰宽增大，峰变得不对称，峰形明显变差，影响检测效果。因此本实验选择方波频率30 Hz、电位增量4 mV、方波幅度25 mV。

2.6 线性范围和检测限

配制系列不同质量浓度的镉、铅、铜标准溶液，在优化实验条件下，研究了镉、铅和铜的峰电流与质量浓度之间的关系，并平行测定20 次空白溶液，得出铜、铅和镉的检测限，结果见表1。

表 1 各元素的线性方程、相关系数、线性范围与检测限Table 1 Linear equations, correlation coefficients, linear ranges and limits of detection of Cu, Pb and Cd

2.7 样品加标回收率

准确移取5.00 mL牛奶样品，按1.2.1节方法处理样品，加入一定质量浓度的铜铅镉标准溶液，样品重复测定5 次，结果见表2。结果显示镉、铅、铜测量结果相对标准偏差（RSD）均小于5%，镉的回收率范围为96%～105%，平均回收率为99.57%；铅的回收率范围为95%～105%，平均回收率为101.3%；铜的回收率范围为96 %～101%，平均回收率为98.00%。

表 2 加标回收率实验结果Table 2 Recoveries of Cd, Pb and Cu in spiked milk samples

2.8 样品分析

准确移取5.00 mL牛奶样品，按1.2.1节方法对样品进行测定，样品重复测定5 次，并与原子吸收光谱（atomic absorption spectroscopy，AAS）的测定结果进行比较，结果见表3。利用t检验法进行显著性检验，发现本方法测定结果与AAS法测定结果无显著性差异（P＞0.05），RSD均小于5%。结果表明，本法灵敏度高、选择性和可靠性较好，可以用于牛奶中铜、铅、镉的同时快速分析。

表 3 样品中的铜、铅、镉含量分析Table 3 Comparative contents of Cu, Pb and Cd in milk samples determined by three different methods

3 结 论

实验采用同位镀汞阳极溶出伏安法对牛奶中铜、铅和镉元素进行同时测定，对测试条件进行了优化。实验结果表明，在底液为HAc-NaAc缓冲溶液，pH 4.5、汞液浓度1×10－4mol/L、富集电位－1.0 V、富集时间240 s、方波频率30 Hz、电位增量4 mV、方波幅度25 mV条件下，方法灵敏度高，线性范围宽，检测限低，镉、铅和铜的检测限分别为0.06、0.30、0.10 μg/L，样品加标平均回收率分别为99.57%、101.3%、98.00%，测定结果RSD均小于5%。分别使用ASV和AAS对样品进行测定，利用t检验法对测定结果进行显著性检验，发现两者之间无显著性差异（P＞0.05），结果表明该方法测得的铜、铅和镉元素含量准确、可靠。而且方法简单、快速，可用于对牛奶中镉、铅和铜元素含量的同时检测。

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