聚合物膜钙离子选择性电极检测游离钙和总钙浓度

刘淑文，尹坦姬，秦 伟

(1.中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室 山东省海岸带环境过程重点实验室中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003；2.中国科学院大学，北京 100049)

聚合物膜钙离子选择性电极检测游离钙和总钙浓度

刘淑文1,2，尹坦姬1*，秦 伟1

(1.中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室 山东省海岸带环境过程重点实验室中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003；2.中国科学院大学，北京 100049)

利用聚合物膜钙离子选择性电极，通过使用不同的内充液，分别实现了游离钙和在络合剂EDTA和腐殖酸存在下总钙浓度的检测。结果表明，采用0.1 mol·L-1NaCl+1×10-3mol·L-1CaCl2作为内充液的电极，可以实现低至1×10-6mol·L-1游离钙活度的检测；而采用1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA (pH=9.0)作为内充液的电极，在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+浓度范围内有超能斯特现象发生，电位差值为180 mV，且在该范围内电位响应与总钙浓度呈线性相关，与游离钙活度无关。该研究为进一步开展形态分析提供了一种简单、有效的技术手段。

聚合物膜；钙离子选择性电极；超能斯特响应；形态分析

形态分析是当前环境科学、生物化学和生命科学研究领域中颇为活跃的前沿性课题。形态分析对于了解环境元素的毒性以及环境污染物的迁移转化规律具有重要作用[1-2]。痕量重金属的环境效应和微量元素的生物活性在很大程度上由其形态决定，不同的形态其环境效应和生物可利用性不同[3]。因此，只有借助于形态分析，才能确切了解化学污染物对环境生态、环境质量、人体健康等的影响[4-5]；认识元素在无生命和有生命系统中的循环以及它们的生理功能，阐明地方性疾病的来源[6-7]，从而进行有效的防治。

形态分析需要灵敏度高、检出限低以及选择性好的分析方法，而且要求在取样和分析过程中尽可能保持样品中原来存在元素的形态平衡。目前用于形态分析的主要方法是基于色谱(如气相色谱GC、高效液相色谱HPLC、超临界流体色谱SFC)、毛细管电泳(CE)等分离技术与光谱(原子吸收光谱AAS、原子荧光光谱AFS、电感耦合等离子体光谱ICP-AES)、质谱(电感耦合等离子体质谱ICP-MS)等分析技术的联用[8-9]。但是这些联用技术的灵敏度和选择性很容易受样品前处理、待测元素的物态以及干扰离子等影响[8]，并且设备昂贵，成本较高，需要专业的操作人员。

离子选择性电极是电化学传感器的一个重要分支，其检测原理是基于敏感膜的电位响应与分析物离子活度关系符合Nernst方程。离子选择性电极已广泛应用于游离态离子检测[10]。然而，近年的研究表明，离子选择性电极的超能斯特(super-Nernst)电位响应与游离(未络合)离子的活度无关，而与离子总浓度有关[11]。

鉴于此，作者以钙为例，制备聚合物膜钙离子选择性电极，通过使用不同的内充液，分别实现游离钙和在络合剂EDTA及腐殖酸存在下总钙浓度的检测。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

腐殖酸，上海阿拉丁股份有限公司。

聚氯乙烯(PVC)、癸二酸二异辛酯(DOS)、四(3，5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠(Borate)、N,N-二环己基-N′，N′-双十八烷基-3-氧杂戊二酰胺(ETH 5234)，Sigma-Aldrich公司；四氢呋喃(THF)、氯化钠、无水氯化钙、氢氧化钠、盐酸、乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)，国药集团化学试剂有限公司。

PXSJ-216型离子计、PHSJ-3F型雷磁pH计，上海精密科学仪器有限公司；CASCADE-BIO型超纯水系统，美国颇尔公司；XS105DU型精密电子天平，梅特勒-托利多公司。

1.2 电极的制备

聚合物敏感膜由钙离子选择性载体(ETH 5234)、亲酯性的阳离子交换剂(Borate)、增塑剂(DOS)和膜基体(PVC)组成。取2.71 mg(13 mmol·kg-1)ETH 5234、1.13 mg(4.6 mmol·kg-1)Borate、169.73 mg DOS、82.43 mg PVC，加3 mL THF，搅拌2 h至溶液均匀无沉淀后，倒入玻璃环中，静置过夜使THF挥发完全，得到透明弹性膜，厚度约为200 μm。用打孔器将此膜切割成直径6.0 mm的小圆片，并用THF粘在PVC管的末端，即得钙离子选择性电极。

实验中用于测定游离钙的钙离子选择性电极[Ca2+-ISE(Ⅰ)]和总钙浓度的钙离子选择性电极[Ca2+-ISE(Ⅱ)]的内充液组成见表1。

表1 钙离子选择性电极的内充液

Tab.1 Inner filling solutions of Ca2+-ISEs

Ca2+-ISE(Ⅰ)和Ca2+-ISEs(Ⅱ)使用前均在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合溶液中活化12 h，然后在1×10-9mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合溶液中活化48 h。

以制备的钙离子选择性电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，采用离子计记录电极电位响应。其中测试电池的结构为：Ag，AgCl(3 mol·L-1KCl)|内充液|PVC膜|待测液||NaCl(0.1 mol·L-1)|Ag，AgCl。

无缓冲CaCl2溶液是以2×10-4mol·L-1NaCl溶液为背景溶液配制的；CaCl2缓冲溶液的配制方法如下：利用1×10-3mol·L-1Na2EDTA和2×10-4mol·L-1NaCl溶液配制浓度(mol·L-1)为1×10-4、1×10-5、5×10-6、3×10-6、2×10-6、1×10-6CaCl2缓冲溶液，采用盐酸溶液和NaOH溶液调节缓冲溶液的pH值分别为5.60、5.02、4.85、4.73、4.62、4.38，所配制溶液的Ca2+活度均为5×10-7mol·L-1。

实验中利用Debye-Hückel方程和Henderson公式对检测过程中的离子活度及液接电位进行校正。

2 结果与讨论

2.1 电位检测原理

根据Nernst方程，零电流条件下，Ca2+-ISE(Ⅰ)可以实现游离钙的检测；而改变内充液的组成制备的Ca2+-ISE(Ⅱ)，其敏感膜在靠近内充液一侧的钙离子浓度很低，在零电流条件下会产生一个从样品溶液相到敏感膜相的强离子通量，并伴随超能斯特现象的发生。而当样品溶液中含有钙离子络合物时，有效钙离子通量会明显增加。此时，聚合物膜钙离子选择性电极的电位响应与Ca2+的总浓度有关，与Ca2+活度无关，进而实现总钙浓度的测定[11]。

2.2 检测条件的优化

2.2.1 内充液的影响

离子选择性电极内充液中主离子浓度的变化影响着电极电位响应性能。考察了两种内充液对Ca2+-ISE(Ⅱ)电极电位响应性能的影响，结果如图1所示。

图1 内充液对Ca2+-ISE(Ⅱ)电位响应的影响Fig.1 Effect of the inner filling solution on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ)

由图1可以看出，当内充液为1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)时，在相同检测条件下，所制备的3根电极的电位响应表现出良好的重现性，且在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+浓度范围内出现明显的超能斯特响应(图1a)；而当内充液为1×10-6mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)时，在相同检测条件下，3根电极的电位响应重现性差(图1b)。原因可能是随着电位的测定，膜相中Ca2+会与离子选择性敏感膜内侧的Na+发生交换作用，使得电极的重现性变差。因此，选择1×10-3mol·L-1CaCl2+5×10-2mol·L-1Na2EDTA混合溶液(pH=9.0)为Ca2+-ISE(Ⅱ)的内充液，进行后续实验。

2.2.2 活化条件的影响(图2)

由图2可以看出，当Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化12 h，再在1×10-5mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化48 h时，电极在1×10-6～1×10-3mol·L-1Ca2+浓度范围内呈现常规能斯特响应(图2曲线a)；而当Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-3mol·L-1CaCl2+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化12 h，然后转移至1×10-9mol·L-1CaCl2+2×10-4mol·L-1NaCl+1×10-5mol·L-1HNO3混合液中活化48 h后，电极在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+浓度范围内出现明显的超能斯特现象(图2曲线b)。原因是采用低浓度Ca2+活化电极后，测定其电位响应时，会有强离子流从样品溶液相进入离子选择性敏感膜相，从而出现超能斯特电位响应。超能斯特现象的出现，将有利于进行总钙浓度的分析[12]。因此，采用后者活化条件对Ca2+-ISE(Ⅱ)进行活化。

图2 活化条件对Ca2+-ISE(Ⅱ)电位响应的影响Fig.2 Effect of the conditioning solution on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ)

2.3 电极电位响应曲线

Ca2+-ISE(Ⅰ)在无缓冲CaCl2溶液和CaCl2缓冲溶液中的电位响应如图3所示，Ca2+-ISE(Ⅱ)在CaCl2缓冲溶液中的电位响应如图4所示。

图3 Ca2+-ISE(Ⅰ)在无缓冲CaCl2溶液(a)和CaCl2缓冲溶液(b)中的电位响应Fig.3 Potential responses of Ca2+-ISE(Ⅰ) in the unbuffered(a) and buffered calcium chloride solution(b)

图4 Ca2+-ISE(Ⅱ)在CaCl2缓冲溶液中的电位响应Fig.4 Potential responses of Ca2+-ISE(Ⅱ) in the buffered calcium chloride solution

由图3可知，在活化条件下，Ca2+-ISE(Ⅰ)在1×10-3～1×10-6mol·L-1Ca2+浓度范围内呈能斯特响应(图3a)，而在相同的Ca2+活度、不同的总钙浓度条件下，其电位响应值近似相等(图3b)。表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)的电位响应只与待测溶液中游离的Ca2+活度有关。

图2曲线b中，Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+浓度范围内产生明显的超能斯特现象。从图4可知，该电极电位响应在超能斯特范围内与Ca2+活度无关(图4a)，与总钙浓度呈近似线性相关(图4b)。这一结果表明，在超能斯特范围内，膜外侧Ca2+的活度由溶液中游离的Ca2+以及络合解离出的Ca2+的总和决定，即与Ca2+总浓度有关。

为了进一步验证Ca2+-ISE(Ⅱ)用于总钙浓度测定的可用性，在1×10-5mol·L-1CaCl2缓冲溶液中加入腐殖酸，并调节溶液pH=9.0[13-15]，观察电极在腐殖酸存在条件下电位的变化情况，结果如图5所示。

由图5可以看出，随着腐殖酸的加入，Ca2+-ISE(Ⅰ)电位呈逐渐下降趋势，而Ca2+-ISE(Ⅱ)保持1×10-5mol·L-1CaCl2电位响应。这一结果进一步表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)可用于游离钙活度的检测，而Ca2+-ISE(Ⅱ)可用于EDTA和腐殖酸介质中总钙浓度的测定。

3 结论

通过调节内充液制备了两种聚合物膜钙离子选择性电极Ca2+-ISE(Ⅰ)和Ca2+-ISE(Ⅱ)，分别实现了游离钙和在络合剂EDTA和腐殖酸存在下总钙浓度的检测。结果表明，Ca2+-ISE(Ⅰ)可以实现低至1×10-6mol·L-1游离钙活度的检测；Ca2+-ISE(Ⅱ)在1×10-6～1×10-5mol·L-1Ca2+浓度范围内呈超能斯特响应，电位响应与总钙浓度呈线性相关，与游离钙活度无关。该研究为进一步开展形态分析提供了一种简单、有效的技术手段。

1.加入1×10-7 mol·L-1CaCl2 2.加入1×10-6 mol·L-1CaCl2 3.加入1×10-5 mol·L-1CaCl2 4.加入100 μL 500 mg·L-1腐殖酸 5.加入200 μL 500 mg·L-1腐殖酸 6.加入300 μL 500 mg·L-1腐殖酸图5 腐殖酸添加量对Ca2+-ISE(Ⅰ)(a)和Ca2+-ISE(Ⅱ)(b)电位响应的影响Fig.5 Effect of humid acid dosage on the potential responses of Ca2+-ISE(Ⅰ)(a) and Ca2+-ISE(Ⅱ)(b)

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Detection of Free and Total Calcium Concentration by Polymeric Membrane Calcium-Selective Electrodes

LIU Shu-wen1,2,YIN Tan-ji1*,QIN Wei1

(1.KeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcessesandEcologicalRemediation,ShandongProvincialKeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcesses,YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences，Yantai264003,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Twokindsofcalcium-selectivepolymericmembraneelectrodes(Ca2+-ISEs)withdifferentinnerfillingsolutionsforthedetectionoffreeandtotalCa2+concentrationsinthepresenceofEDTAandhumicacidaredescribed.Theresultsindicatethat,thefreeCa2+activity,aslowas1×10-6mol·L-1,couldbedetectedbyCa2+-ISE(Ⅰ)withtheinnerfillingsolutionof0.1mol·L-1NaCland1×10-3mol·L-1CaCl2,whileCa2+-ISE(Ⅱ)withtheinnerfillingsolutionof1×10-3mol·L-1CaCl2and5×10-2mol·L-1Na2EDTAadjustedtopH=9.0,exhibitsanapparentlysuper-Nernstianresponse(ΔE=180mV)intheconcentrationrangeof1×10-6to1×10-5mol·L-1Ca2+.Inthesuper-Nernstianpotentialresponserange,thepotentialislinearlyrelatedtothetotalCa2+concentration,butnottofreeCa2+activity.Thisstudyprovidesasimpleandeffectivemethodforspeciationanalysis.

polymericmembrane;calcium-selectiveelectrode;super-Nernstianresponse;speciationanalysis

中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA11020702)，国家自然科学基金资助项目(21677172)

O 657.13

A

1672-5425(2017)01-0066-05

刘淑文，尹坦姬，秦伟.聚合物膜钙离子选择性电极检测游离钙和总钙浓度[J].化学与生物工程，2017，34(1)：66-70.