阳极溶出伏安法测定头发中锌

^＊实验5　阳极溶出伏安法测定头发中锌

一、目的

通过对头发中的金属元素锌的测定，掌握头发样品的湿法消解或微波消解方法，以及线性扫描阳极溶出伏安法的原理和测定方法。

二、内容提要

锌是人体的必需元素，在体内有着重要的生理功能及营养作用，它参与形成多种聚合酶，直接影响核酸及蛋白质的合成。由于发样易采集保存，不易变质等优点，常用测定头发中的锌含量，以反映机体营养状况及一些病理变化。人发中的锌含量的正常值波动范围甚宽，约为99～450μg·g^－1，且个体差异亦大，实际上头发中的锌含量还受多种因素，如地域、季节、饮食、年龄、性别、发色、生长速度、采样部位等的影响。所以对于它的实用评价，意见颇不一致。用作反映体内锌的营养状况，或以此作为对某种疾病的诊断参考，应采取慎重态度。

溶出伏安法是在经典极谱法的基础上发展起来的，由于它方法简便，能使测定的灵敏度提高2～4个数量级，因此得到了广泛的应用。目前约有30多种金属元素能用阳极溶出伏安法来进行测定，测定范围在10^－6～10^－10 mol·L^－1。

阳极溶出伏安法，简称阳极溶出法，分为富集和溶出两个过程。

1）电解富集。这是一个恒电位电解过程，经工作电极施加一恒定电位，被测离子在此电位下被还原成原子并富集在电极上，通常是以悬汞电极或汞膜作工作电极，还原后的金属元素形成汞齐。即

这是阴极上的还原过程，工作电极上的外加电位应比该金属离子在此条件下的还原电位更负。为提高富集效率，在电解过程中常会搅拌电解液。富集效率还与电解时间有关，因电解电流随时间的延长将迅速降低，要完全富集耗时太长，因此都采用固定电解时间的方法。

2）阳极溶出。这一过程为金属离子极谱法的电极扫描过程的逆过程，即电极电位从负电位向正方向扫描，此时，电极为阳极的氧化过程。前一过程中被富集在汞电极中的金属原子被氧化成离子回到溶液中，即

图3-12　由CHI821电化学分析系统显示铜镉锌的溶出伏安图

（纵坐标以10^－6 A为单位的电流，横坐标为电极电位。）

溶出时通过工作电极的电流迅速上升，但因汞电极中被富集的金属元素浓度随氧化过程的进行而迅速降低，因此得到峰形曲线，见图3－12。在这一过程中，有多种施加电位的方式，采用匀速变化的直流电位来施加电位的溶出法就叫做线性扫描溶出伏安法。

图3-13　测定锌的标准加入法的示意图

这一氧化过程的溶出电流，在一定条件下，可以与电极上汞齐中的金属元素浓度成正比。以此作为定量分析基础。

本实验用线性扫描阳极溶出法测定头发中的锌。先将头发用高氯酸－硝酸体系在电热板上加热消解，或用硝酸在微波作用下消解，在氨－醋酸铵体系中测定，获得溶出峰。采用连续标准加入法进行定量，并用空白液进行校正。图3－13是测定锌的标准加入法的示意图。

三、仪器和试剂

1.仪器

CHI821型电化学分析仪

玻碳汞膜电极（工作电极）或挤压式悬汞滴电极

银－氯化银电极（参比电极）

铂丝电极（辅助电极）

WX－4000微波快速消解系统

ZF－3型恒电位仪（带铂片电极）

高纯氮钢瓶

容量瓶　25mL 2个

吸量管　1mL 1支，20mL 1支

量筒　10mL 1个

烧杯　25mL 2个

2.试剂

洗涤剂，95％乙醇，硝酸，高氯酸

底液：含0.6mol·L^－1氨水及0.1mol·L^－1醋酸铵水溶液（pH9～9.6）

锌，铜，镉离子混合液

锌离子标准溶液　10^－3 mol·L^－1

四、实验步骤

1.头发样品的消解

1）发样的准备。先用1％中性洗涤剂溶液在搅拌下洗涤10min，除去表面的油脂污染物，随即用蒸馏水冲洗至无泡沫；再用95％乙醇浸泡2～3min，取出发样在室温下干燥后，用不锈钢剪刀剪成3mm长，备用。选择消解方法2）或3）。

2）发样的电热消解。准确称取洗净干燥的发样1g左右，加入15mL混合酸（1份高氯酸＋5份硝酸）于25mL烧杯中，加盖表面皿，置于电热板上，逐步升温至170℃，并使溶液保持微沸回流状态约1h（注意！切勿温度过高）。当溶液呈现无色透明时，可微开表面皿，继续加热约至250℃，直至样品溶液变成白色湿盐状。冷却后加入底液约20mL，并用pH试纸测试溶液，应呈微碱性（pH 9～9.6，注意：若呈微酸性，则用氨水调节之。）再转移入25mL容量瓶定容。同时做一份空白。

3）发样的微波消解。取0.3g发样和6mL硝酸，加入到聚四氟乙烯反应釜内管，盖上釜帽，检查密封效果后放入WX－4000微波快速消解系统的微波炉反应舱内，见图3－14。在“0”号反应釜上插入热电偶和测压管，所有的反应釜对称放置好后，关闭反应舱门。打开仪器右侧的电源开关和通风开关，在控制面板上按“确认”键，按“2”选择“程序运行/编辑”，这时光标在“方法”后闪烁，输入“1”，按“修改”键，设定程序运行条件如下表：

^＊WX－4000微波快速消解系统上已标用的单位，为方便实验，仍然采用仪器标示的单位（1atm＝101.325kPa）。

图3-14　WX－4000微波快速消解系统

按“确认”键两次，接着按“启动”键开始运行。运行过程中必须时刻观察控制面板上显示的温度和压力，如有异常立即按“停止”键暂停运行，并采取相应措施。运行完毕后，等待温度降到80℃以下，压力降到0.5atm以下，才可以打开舱门，取出反应釜，并关闭电源。将反应釜内的溶液倒入烧杯中，小心蒸干至湿盐状，加入底液调pH值到9，定容至50mL。

2.玻碳电极镀汞膜

将已抛光洗净的玻碳电极浸入含0.1mol·L^－1 KCl和10^－4 mol·L^－1 HgNO₃，pH为 2的溶液中，以玻碳电极为阴极，铂片电极为阳极，用ZF－3型恒电位仪电解。阴极电位控制在－1.0V，在搅拌条件下，电解5min，即可得玻碳汞膜电极。电解结束，用蒸馏水冲洗，浸入纯水中待用。

3.确定锌的电解电位

取约20mL锌、铜、镉离子混合液于电解池中，通入高纯氮除氧。接上CHI821型电化学分析仪的三电极（注意接线与电极的对应连接，见本实验附录）。在溶液静止状态，富集电位为－1.6V，电解2min。然后再以0.01V·s^－1的扫描速度正向扫描至－0.2V。根据各个溶出峰，确定锌的富集电位和扫描终止电位。将溶出伏安图储存在计算机内，并打印。

CHI821型电化学分析仪的工作参数可参考下面设置：起始电位（Init E）－0.2V；终止电位（Final E）－1.6V；扫描速度（Sean Rate）0.01V/s；采样间隔（Sampl Interval）0.001V；静止时间（Quiet Time）120s；灵敏度（Sensitivity）2e－5A/V。

4.用标准加入法测定发样中的锌

1）准确移取20.00mL试样溶液于电解池中，高纯氮除氧。接上三电极系统，设置锌的富集电位，电解2min。然后以0.01V·s^－1的扫描速度正向扫描至锌的扫描终止电位。记录溶出曲线及峰电位和峰电流。

2）用标准加入法进行测定。在1）测定后，即加入0.5mL的锌的标准溶液（10^－3 mol·L^－1），按1）方法进行测定。然后继续加入0.5mL锌的标准溶液，共4次。测得它们的溶出曲线及峰电位和峰电流。应注意电极放置的位置、预电解时间应保持一致。

3）将试样溶液及标准加入后的溶出伏安图储存，叠加打印。

4）按1）～3）步骤，测定空白溶液。

五、数据处理

以测得的峰电流对样品中所加入锌的标准溶液浓度作图（注意：应对浓度进行体积校正），通过各点画一条直线外推至零电流处，由横轴上的截距（扣除空白值）计算出未知试样中的锌离子浓度，并由溶液的浓度计算出头发样品中锌的含量。

六、思考题

1.观察头发样在混合酸电热消解过程中的变化，并思考可能的原因？

2.为什么溶出曲线呈峰形？

3.标准加入法中，如何修正因连续加入标准溶液后引起体积改变的影响因素？

七、实验拓展

头发中锌、镉、铅、铜含量的同时测定。

了解测量头发中锌、镉、铅、铜的意义。头发样在消化后，应考虑溶液合适的pH。

选择工作电极、制定实验方案和设计实验步骤时，应考虑锌与铜之间易生成金属间化合物，使锌的溶出峰下降，铜的溶出峰上升。当汞存在时，锌、铜分别与其生成汞齐，不再生成金属间化合物。

八、附录

CHI 821型电化学分析仪

（1）仪器简介

CHI系列型号的电化学分析仪由上海华辰仪器公司生产。仪器有电解池、主机及计算机系统组成。CHI821型电化学分析仪提供多种测量模式，如循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）、微分脉冲极谱法（DPP）、常规脉冲极谱法（NPP）、方波极谱法（SWP）等供选用，可用于一般的电化学分析。仪器具有极高的灵敏度和极低的噪声，可检测至10^－12 A量级的电流。可用于液相色谱、毛细管电泳的电化学检测。仪器由外部计算机控制，在视窗操作条件下工作。仪器内部含有数字信号发声器，24位高分辨数据获得系统，以及恒电位仪和恒电流仪。仪器的电压控制范围为－10～＋10V，电流范围为±10mA，采样速率为10 000Hz。

仪器测量采用三电极系统，可配多种电极。用于溶出伏安分析的工作电极有悬汞电极、汞膜电极等类型。悬汞电极有掛汞滴电极、挤压式悬汞电极等多种，图3－15介绍挤压式悬汞滴电极结构。汞膜电极有铂球镀银涂汞、银丝涂汞以及玻璃态石墨、浸蜡石墨等内衬底的汞膜电极等多种。以甘汞电极或银－氯化银电极为参比电极。铂电极为辅助电极。

（2）CHI821型电化学分析仪的溶出法操作使用

CHI821型电化学分析仪主机的结构如图3－16所示，由外部计算机控制。

开启CHI主机及计算机电源。

1）双击CHI图标。

图3-15　挤压式悬汞滴电极结构

图3-16　CHI821型电化学分析主机与电解池的连接

2）拉开Setup菜单，单击“Technique”，选择电化学实验技术，如Linear Sweep Voltammetry，再拉开Setup菜单，单击“Parameters”，设置Init、High、Low，Sensitivity及Scan Rate。

3）连接电解池，由主机背面接口引出连线，绿色夹头接工作电极，白色夹头接参比电极，红色夹头接辅助电极。将3支电极放入电解池，并注意是否与电解池内溶液相接。

4）拉开Control，单击“Run”启动实验测量。

5）拉开Graphics菜单，单击“Present Data Plot”显示实验结果。

6）记录不同扫描速度时所得实验数据E_pa、E_pc、i_pa及i_pc。

7）将实验结果存盘（CHI＼学生实验＼……）。

8）在Graphics菜单下选“Overlay Plot”将所得图重叠并打印。

9）上升电极夹，断开各电极与电解液相接，移去电解池，换上废液杯，用蒸馏水冲洗电极。将工作电极放回原处。

10）退出CHI，在Window视窗下关闭计算机。

选择电化学实验其他技术，可按计算机引导操作。

参考文献

［1］Brainia Kh Z.Film stripping voltammetry.Talanta，1971，18：513

［2］邓家祺，林义祥编著.溶出伏安法在环境·医学·食品上的应用.北京：人民卫生出版社，1986

［3］上海辰华仪器公司.CHI821电化学分析系统使用说明书