铅是我国常见粮油产品大豆和大米中主要的重金属污染物，可在人及动物体内蓄积，导致人体神经机能失调、肾功能损伤和贫血[1]。农产品中铅主要来源于灌溉用水污染或土壤污染等[2]。随着经济发展，因含重金属的农药、化肥滥用造成的重金属污染日益严重。据报道，我国受到重金属污染的耕地面积接近我国耕地总面积的五分之一[3]。为保障人体健康，对农产品中重金属铅进行监管尤为重要。

目前常用的重金属铅的检测方法主要有光度法、二硫腙比色法[3]、电感耦合等离子体质谱法[4]、电化学检测法[5,6,7,8]、高效液相色谱检测法等。光度法虽然操作简便快捷，但预处理复杂、选择性较低、检出限较高、谱线重叠较多；二硫腙比色法虽具有较低的检测限，但是操作过程繁琐，对操作人员有较高的技术要求；电感耦合等离子体质谱法、高效液相色谱法检出限低、灵敏度高、抗干扰性强等优势，但是由于其仪器价格昂贵、大型仪器不利于携带、对检测人员要求比较高等限制因素而不适于广泛应用于粮油产品的重金属物质检测。电化学法分析的信号是电流、电位等，较其他分析方法简单方便，检测快速准确、灵敏度高，伴随计算机技术和微电子集成技术的飞速发展，电化学方法应用前景日益广阔，非常适用于痕量检测重金属铅。

多壁碳纳米管具有较好的物理化学性能[9]。Nafion是一种很好的阳离子交换剂，带负电荷，非常适用于溶出伏安法检测重金属阳离子。

MWCNTs的优点为比表面积大、尺寸小，而Nafion作为一种分散剂，不会破坏碳纳米管外壁本身的π电子结构，并且可以大幅度降低碳纳米管间的范德华力，有较好的成膜性能[10]。本文主要研究应用分散液Nafion配制多壁碳纳米管形成MWCNT/Nafion分散液修饰玻碳电极构建传感器，对粮油产品中大豆和大米中重金属铅进行检测的电化学方法。

1、材料与方法

1.1试剂和仪器

FeCl3·6H2O，抗坏血酸，N2H4·H2O(80%),CH3COOH(≥99.7%),CH3COONa(≥99.7%),Nafion(≥0.5%)，购于Sigma-Aldrich化学试剂公司；Hg(NO3)2·H2O,Co(NO3)2·6H2O,C4H6NiO4·4H2O,CdSO4·8/3H2O,K3Fe(CN)6·3H2O,KCl,MnCl·4H2O,BaCl2，壳聚糖，购于上海阿拉丁生物化学公司；CaCO3，无水乙醇，购于国药化学试剂公司；Pb2(NO3)2,Zn(NO3)2购于山东西亚化学制剂有限公司；MWCNTs(纯度：95%，长度<10nm，直径20nm)购于南京先锋纳米材料科技有限公司。

X-射线荧光光谱仪，购自德国BrukerAXS有限公司；JSM-6510扫描电子显微镜，购自日本Jeol公司；高通量微波消解仪，购自美国CHM公司；ICAP-RQ电感耦合等离子体质谱仪，购自美国ThermoFisher科技有限公司；CF16RXII离心机，购自日本东京Hitachi有限公司；DTC-27超声机，购自湖北鼎泰生化科技设备制造有限公司；S210-S台式pH计，购自梅特勒托利多有限公司。

1.20.5%MWCNT/Nafion的制备

根据已有文献报道[11]，电极表面经碳纳米管进行修饰后，可改变界面外的物化特性，拥有了纳米材料的大比表面积，可对多种金属物质产生良好的吸附性能、催化性能以及电子传导性能；而Nafion是一种很好的阳离子交换剂，带负电荷，非常适用于溶出伏安法检测重金属阳离子。因此，本实验设计制备0.5%MWCNT/Nafion纳米复合材料修饰玻碳电极，主要用于检测粮油制备中Pb2+含量。

0.5%MWCNT/Nafion溶液配制：先取10mL5%Nafion溶液，然后加入无水乙醇，定容至100mL刻度，可得0.5%Nafion分散液。

将MWCNT在混合酸溶液(H2SO4:HNO3=1:3)中超声2h，去离子水洗至中性，抽滤，120℃烘箱烘干，研磨后备用。取3mgMWCNT粉末加入500µL配制好的0.5%Nafion溶液，超声5min后得到黑色分散液，取分散液6µL均匀滴加在洗净的玻碳电极表面，玻碳内径为3mm，铝粉研磨抛光后按顺序加乙醇、去离子水，然后超声清洗5min，室温挥发干燥后即得到0.5%MWCNT/Nafion。

1.3检测样品的预处理

本实验选取大豆和大米来验证制备的纳米材料在粮油产品中的适用性。大米样品的制备方法是先取1g大米样品和10mg硝酸放置于密封罐，然后经微波消解仪消解，电热板下用5mL去离子水去除加入的硝酸，保管备用；大豆样品的制备同上。

1.4设计溶出伏安法

富集电位选取-0.62～-0.46V，配制的0.1mol/L醋酸-醋酸钠（pH=5.0）缓冲溶液中，在电压0.05V，频率50Hz，电位增量0.008V的工作条件下，对溶液中Pb2+作方波溶出测试。

1.5检测性能的评估

通过灵敏度，检测限，线性范围，选择性，回收率来评价方法的检测性能。通过将线性拟合曲线的斜率除以电极表面积得到单位纳米材料所对应的灵敏度；通过使用典型的LOD=3Sd/S公式计算检测限，其中Sd是来自20个空白样品信号的标准偏差，S是灵敏度；通过不同浓度梯度的溶出伏安测试得到的线性拟合曲线获得线性范围；通过掺入其他金属离子来观察传感器对Pb2+的选择性；通过将Pb2+的标准溶液加入真实样品中来研究回收率。

2、结果与分析

2.1多壁碳纳米材料的形貌表征

采用X射线能谱分析仪（XRD,QUANTAX200型，德国布鲁克公司）对纳米材料进行X射线衍射图谱测定，结果见图1A，由图所示曲线可以看出，制备的纳米材料在2θ约为26°出现一个比较明显的尖锐的衍射峰，且所选用的多壁碳纳米材料微晶片层峰位置与标准PDF卡片No.#65-6212C能够对应一致，进而推测出该材料具有多壁碳纳米管的衍射特征。同时对纳米材料做拉曼光谱测定，结果见图1B，根据各自的出峰位置和强弱可以判断出本实验所用纳米材料的衍射图和拉曼光谱图与标准图谱相符。

然后将多壁碳纳米管通过扫描电子显微镜（SEM）和高分辨电子显微镜（HRSEM）进行形貌表征，从而进一步了解所用纳米材料的形态以及尺寸大小。图2A为多壁碳纳米管SEM表征图，选取一定区域，然后对该区域进行HRSEM表征（图2B），由图可见所检测多壁碳纳米材料管径较均匀，外径大小为20nm左右，并且彼此间相互交织缠绕，这为检测步骤中第一步，即铅离子的吸附提供了较多的富集位点，有利于提高检测灵敏度。

2.20.5%MWCNT/Nafion阻抗表征和对铅的性能比较

仅含有0.5%Nafion分散液对应的交流阻抗谱（EIS:Electrochemicalimpedancespectroscopy）见图3A中a线，0.5%MWCNT/Nafion对应的交流阻抗谱见图3A中b线。交流阻抗谱图中高频区对应半圆的直径大小与修饰电极阻抗成正比关系，直径越大说明材料表面阻抗值越大，电子迁移率越差。比较图3A(a)和(b)的直径可知0.5%MWCNT/Nafion的直径较0.5%Nafion分散液小，阻抗低，性能较优。

为进一步判定本实验制备材料的性能，对两种材料在同一条件下检测性能进行比较。图3B曲线a是0.1mol/L醋酸-醋酸钠(pH=5.0)溶液中0.5%Nafion5µmol/LPb2+的溶出伏安检测曲线，曲线b是0.5%MWCNT/NafionPb2+的溶出伏安检测曲线。同条件下0.5%MWCNT/Nafion在-0.55V左右出现了一个灵敏度较高、峰形较好的Pb2+阳极溶出峰；MW-CNT在-0.57V左右有一个灵敏度相对较低的、峰形较好的Pb2+阳极溶出峰。0.5%MWCNT/Nafion的伏安响应强于MWCNT，可知0.5%MWCNT/Nafion性能远远好于未经修饰的MWCNT纳米材料。

2.3不同修饰电极的定量检测及分析性能比较

两种材料0.5%Nafion和0.5%MWCNT/Nafion修饰电极均选取0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,5.0,10.0,15.0,20.0,30.0µmol/L共10个不同浓度进行定量检测，对应的相关线性曲线表明（图4），相同Pb2+浓度下，0.5%MWCNT/Nafion的电流强度强于0.5%Nafion的电流强度，统一选取0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,5.0,10.0,15.0,20.0,30.0µmol/L,10个Pb2+浓度点，在-0.62到-0.46V的电位窗口范围里，溶出伏安峰电流随Pb2+浓度的增大而增大，0.5%Nafion条件下的氧化峰电流见图4A,0.5%MWCNT/Nafion条件下的氧化峰电流见图4C，观察电流位点和峰型图，可知相同Pb2+浓度点下，随着溶出伏安峰电位的增加，0.5%Nafion溶出伏安峰电流最大值的溶出伏安电位是-0.53V，最大电流值仅有40µA,0.5%MWCNT/Nafion的溶出伏安峰电流最大值的溶出伏安峰电位-0.52V，最大电流值可达140µA。根据数据进一步分析峰电流和Pb2+浓度的线性关系，分别作图为图4B和图4D。

图1多壁碳纳米管X射线衍射图（A）和拉曼光谱图（B)

图2多壁碳纳米管的扫描电子显微镜表征图（A）和高分辨电子显微镜表征图（B)

图30.5%MWCNT/Nafion阻抗表征（A）和检测性能比较（B)

注：A-a:0.5%Nafion阻抗表征；A-b:0.5%MWCNT/Nafion阻抗表征；B-a:0.5%Nafion溶出伏安检测曲线；B-b:0.5%MWCNT/Nafion溶出伏安检测曲线

表1可知两种修饰电极在最高浓度30.0µmol/L时偏离线性曲线，不在线性曲线范围内，由该线性方程y=4.66x+46.19可得，MWCNT/Nafion修饰电极的线性相关系数为0.994，线性范围为0.1～20.0µmol/L，单位纳米材料修饰电极的灵敏度为65.93µAµM-1cm-2，是0.5%Nafion修饰电极的2.5倍，检测限为0.00576µmol/L远低于前者的0.076µmol/L。

图4不同修饰电极的定量检测及分析性能比较

2.4检验其他金属离子对Pb2+干扰作用

以5µmol/LPb2+溶液作对照，选取Zn2+、Ba2+、Ni2+、Mn2+、Co2+、K+、Ca2+、Hg2+10种金属离子，添加5µmol/LPb2+保持其他条件不变做平行实验，检测结果见图5，图中各干扰离子电流值与对照组相比变化不大。可知本实验制备的纳米材料对Pb2+特异性识别能力强，抗其他金属离子的干扰能力很好。

2.5检测0.5%MWCNT/Nafion对Pb2+检测材料重现性和稳定性

首先检测0.5%Nafion/MWCNT材料本身的重现性，5µmol/LPb2+浓度下，选取相同材料做6个平行，响应电流见图6A，都集中在64µA附近，波动幅度极小；然后检测0.5%MWCNT/Nafion的稳定性，5µmol/LPb2+浓度下，3天一组，为期一个月测响应电流，见图6B，可见响应电流近乎恒定在64µA，波动幅度极小。可以判断0.5%MWCNT/Nafion具有极好的重现性和稳定性。

图5Pb2+在不添加金属干扰离子和添加干扰离子（Zn2+、Ba2+、Ni2+、Mn2+、Co2+、K+、Ca2+和Hg2+）修饰电极电流响应值

2.6比较0.5%MWCNT/Nafion方法与ICP-MS方法在实际样品中应用

取大米和大豆样品，分别用0.5%MWCNT/Nafion修饰电极的电化学溶出伏安法与传统ICP-MS方法测试Pb2+的加标实验，结果见表2，可知4.0和8.0µmol/L两种加标浓度下的大豆样品最大RSD值为5.36，回收率范围99.50～100.37%。同条件下大米的最大RSD值是5.63，回收率范围98.75%～101.25%，测量值与ICP-MS法差异极小。结果表明，该方法具有极好的适用性，可以广泛的应用于大豆、大米等粮油产品中重金属铅的检测。

表1NafionandMWCNT/Nafion的测试性能比较

图6修饰电极重现性和稳定性测试

注：A:5µmol/LPb2+浓度下，同一0.5%MWCNT/Nafion材料选取6组平行电流响应值；B:5µmol/LPb2+浓度下，三天一组为期一个月测0.5%MWCNT/Nafion电流响应值变化

表2基于MWCNT/Nafion纳米材料的电化学溶出伏安法与ICP-MS法应用于实际样品的比对(n=3)

注：注a:ICP-MS检测;b:RSD由3个独立的实验计算得到

3、结论

MWCNT/Nafion纳米材料及建立的检测方法，铅检测灵敏性高，重现性好，稳定性和抗其他重金属离子干扰能力强，而且设备操作方便，环保节约。在大豆和大米铅检测中，回收率为98.75%～101.25%，相对标准偏差小于5.63%。因此所制备的基于MWCNT/Nafion的电化学传感器的方波阳极溶出伏安法可以应用于粮油作物大豆产品和大米产品中重金属铅的检测，对我国粮油安全可以起到一定的保障作用。

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