ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2015, том 51, № 7, с. 765-772
УДК 543.55;544.6.076.327
ЭЛЕКТРОД ИЗ РАССЛОЕННОГО ГРАФИТА, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ОРГАНИЧЕСКИМ ВЕЩЕСТВОМ, ДЛЯ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ СВИНЦА
В ОБРАЗЦАХ ЗАГРЯЗНЕННОЙ ВОДЫ © 2015 г. Г. Ачари*,1, М. Н. Кумарасвами**, Р. Висванатха***, Я. А. Наяка****
*Государственный Колледж Т.Б.Б.О, Чикмагалур, Индия **Государственный научный Колледж, Бхадраватхи, Индия ***Индийский Научно-исследовательский институт, Бангалор, Индия ****Университет Кувемпу, Шанкарагхатта, Индия Поступила в редакцию 29.11.2013 г.
Описан новый электрод — пастовый электрод из расслоенного графита, модифицированный 2-бен-зоилнафто[2,1-й]фурангидразоном — для определения свинца методом дифференциальной импульсной анодной вольтамперометрии с накоплением. При оптимальных условиях ионы РЪ2+ могут быть определены в области концентраций от 2.75 х 10 до 1.5 х 10-6 М; уравнение линейной регрессии таково: у = 19.41 х 10-6х + 0.4249 х 10 9, К = 0.99. Исследованы возможные помехи определению со стороны других ионов. Предложенный метод был опробован на примере определения следовых количеств ионов РЪ2+ в реальных образцах и дал удовлетворительные результаты.
Ключевые слова: дифференциальная импульсная анодная вольтамперометрия с накоплением, пастовый электрод из расслоенного графита, свинец, модифицирование органическим веществом
Б01: 10.7868/80424857015020024
ВВЕДЕНИЕ
Среди токсичных металлов свинец продолжает оставаться одним из наиболее опасных. Несмотря на значительные усилия, направленные на идентификацию и устранение источников загрязнения свинцом, этот металл все еще представляет угрозу для здоровья, в особенности, для здоровья детей. Отравление свинцом — одна из важнейших проблем в области здоровья людей и охраны окружающей среды [1, 2]. Поэтому необходимо разработать чувствительный метод количественного определения свинца в следовых концентрациях в образцах воды, жидкости в организме человека и т.п. [3].
В последнее время достигнуты большие успехи в применениях химически модифицированных электродов в различных областях науки и техники, таких как электрокатализ, электроника, биосенсоры, коррозия материалов, электроанализ и др. [4, 5]. У химически модифицированных электродов имеется ряд преимуществ при анализе следовых концентраций металлов перед другими аналитическими методами. Эти электроды при-
1 Адрес автора для переписки: omganesh17@redifrmail.com
(О. АЛагу).
меняются как эффективное средство определения концентрации и идентификации поверхностной структуры [6].
Для определения тяжелых металлов используют ряд методов, таких как атомная абсорбционная спектрометрия, атомная эмиссионная спектрометрия с индуктивно сопряженным плазменным возбуждением, электроаналитические методы, рентгеновская флуоресценция, нейтронный ак-тивационный анализ и др. [7]. Обычные аналитические методы отличаются возможностью отслеживания (контроля), точностью и достоверностью; однако во многих случаях они требуют дорогостоящего и сложного оборудования, частых анализов, большого расхода реактивов и образцов и квалифицированного персонала; они недостаточно портативны [8, 9]. По этой причине возник интерес к более избирательным химическим сенсорам, чувствительным устройствам для конкретных анализов с определением более низких концентраций — недорогим оборудованием, с которым легко обращаться и которое позволяет проводить измерения "in situ" [10].
Электроаналитические методы и сенсоры на основе химически модифицированных углепас-товых электродов обеспечивают прекрасный и
эффективный подход к чувствительному определению тяжелых металлов в самых различных матрицах. Электроосаждение нужного металла из раствора на рабочий электрод электрохимической ячейки с последующим стравливанием осажденного металла является одним из наиболее чувствительных способов определения металлов в очень низких концентрациях [11].
Благодаря своим замечательным аналитическим характеристикам, анодная вольтамперомет-рия с накоплением широко применяется в анализе следовых количеств металлов. Однако из-за токсичности ртути и того риска для здоровья человека, который она представляет (бионакопление в пищевой цепи), были предприняты настоятельные попытки полностью исключить использование ртути. Поэтому в электроанализе рассматриваются не содержащие ртути сенсоры, разработке которых в последнее десятилетие уделяется много внимания [12, 13]. Для модифицирования электродов электрохимических сенсоров на тяжелые металлы используется ряд органических соединений.
В ряде работ описывается определение тяжелых металлов с помощью электрохимических биосенсоров на основе их взаимодействия с ДНК [14] и ферментами, бактериями и белками [15, 16]. Помимо высокомолекулярных соединений — например, белков, таких как металлотионеин, — при создании биосенсоров могут быть использованы и низкомолекулярные соединения, связывающие тяжелые металлы — такие, как фитохелатины. Фи-тохелатины — небольшие пептиды, обогащенные цистеином, содержат от 4 до 23 аминокислот, присутствующих в растениях в качестве реакции на воздействие тяжелых металлов, участвуют в де-токсикации, поскольку они способны переносить ионы тяжелых металлов в вакуоли [17, 18]. Для модифицирования электродов из графитовой пасты для определения тяжелых металлов используются полианилин, 2-карбокситиофенбен-зоилгидразон и несколько других органических соединений [19, 20].
Графит хорошо проводит электрический ток и тепло по своим кристаллическим слоям, что и позволяет использовать его в качестве электрода. Графит способен к интеркалированию веществ; этот процесс можно ускорить, повышая температуру и таким образом получая расслоенный графит [21]. Последний представляет собой "вспученный" пенообразный материал небольшой плотности с высокой термостойкостью и хорошей электропроводностью. Прессование чешуек расслоенного графита приводит к их сцеплению, в результате получается гибкий упругий слоистый материал, называемый повторно сжатым графитом [22]. Его гибкость, легкость придания ему любой формы и необычная микроструктура (по сравнению с другими формами углерода) делают
возможным применение повторно сжатого графита в качестве электродного материала для аккумуляторов, электролизеров и химических сенсоров [23].
Цель настоящей работы — изготовление и использование нового электрода из расслоенного графита, модифицированного органическим веществом, для чувствительного определения тяжелого металла — свинца — в загрязненных им образцах воды из ряда выбранных озер, с применением дифференциальной импульсной анодной вольтамперометрии с накоплением.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Приборы и реактивы
Все реактивы имели квалификацию "ч. д. а." и использовались без дальнейшей очистки. Во всех экспериментах использовалась дважды перегнанная вода. Хлопья природного графита были приобретены у компании Fine Chemicals (Мумбаи, Индия). Вольтамперограммы записывали в однокамерной стеклянной ячейке общим объемом 10.0 мл с трехэлектродной системой, включающей Ag/AgCl-электрод сравнения, платиновую проволочку в качестве противоэлектрода и рабочий электрод из расслоенного графита, модифицированный органическим веществом. Дифференциальные импульсные анодные вольтамперо-граммы с накоплением снимали с помощью потенциостата/гальваностата CHI-660D (CHI, США), связанного с персональным компьютером. Подгонку значений рН выполняли, используя рН-метр Systronics. Все измерения вели при комнатной температуре (23 ± 1°С). Немодифици-рованные и модифицированные электроды из расслоенного графита исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). Образцы покрывали золотом путем распыления последнего при небольшом напряжении; анализ проводили на микроскопе JEOL JSM-840A при рабочем напряжении 20 кВ.
Растворы Pb2+ готовили путем последовательного разбавления исходного стандартного раствора Pb(NO3)2 (1000 мг л-1) дважды перегнанной водой. Все остальные растворы получали, следуя стандартным лабораторным методикам. Буферный 0.2 М цитратный раствор (для поддержания рН от 2 до 6.5) готовили из лимонной кислоты и ее натриевых солей.
Мешающее влияние некоторых катионов на электрохимическое определение ионов Pb2+ было исследовано путем анализа стандартного раствора 1 х 10-6 М Pb2+, к которому добавляли известные количества мешающих ионов Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Sr2+, Al3+, Cu2+, Hg2+, Cd2+ и Zn2+ из их стандартных 1 мМ растворов при оптимальных экс-
периментальных условиях. Изучали влияние этих ионов на ток анодного растворения ионов Pb2+.
Три различных образца загрязненной свинцом воды (№ 1, 2 и 3) были получены из трех различных загрязненных озер, расположенных, соответственно, вблизи Annapoorneshwari Nagara, Laggere Ring Road и станции обслуживания около Mal-latha (Бангалор, штат Карнатака). Их анализировали на модифицированном электроде из расслоенного графита. Образец (2000 мкл) разводили 0.1 M раствором KNO3 (10 мл) и далее непосредственно использовали для определения Pb.
Синтез 2-бензоилнафто[2,1-Ь]фурангидразона
Методика синтеза и данные спектрального исследования модификатора (2-бензоилнаф-то[2,1-Ь]фурангидразона) приведены в нашей предшествующей статье [24]. В настоящей работе был использован тот же метод синтеза 2-бензоил-нафто[2,1-Ь]фурангидразона. Исходное вещество (2-гидрокси-1-нафтальдегид) было синтезировано из 2-нафтола по реакции Раймера—Тимана. Идентичность этого соединения была подтверждена наложением ИК- и 1Н ЯМР-спектров и определением точки плавления смеси полученного вещества с эталонным образцом. 2-Гидрок-си-1-нафтальдегид в ходе реакции с фенацилбро-мидом в присутствии безводного карбоната калия в сухом ацетоне при температуре возгонки подвергается одновременной конденсации и циклизации, давая с хорошим выходом 2-бензоилнафто[2,1-Ь]фуран. По реакции 2-бензоилнафто[2,1-Ь]фурана с гидразингидратом в присутствии концентрированной соляной кислоты (в количестве, достаточном для катализа) в абсолютированном этаноле были получены 2-бензоилнафто[2,1-Ь]фурангид-разоны. Синтезированное органическое соединение было охарактеризовано с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.