一種基于納米氧化鋁/石墨烯復(fù)合膜修飾的對(duì)硫磷電化學(xué)傳感器

宋　斌，徐俊暉，王亞珍*（江漢大學(xué)　a.光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北　武漢　430056；.化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北　武漢　430056）

一種基于納米氧化鋁/石墨烯復(fù)合膜修飾的對(duì)硫磷電化學(xué)傳感器

宋斌a，b，徐俊暉b，王亞珍*a，b
（江漢大學(xué)a.光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430056；b.化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430056）

摘要：制備了一種納米氧化鋁/石墨烯（Al2O3/Gr）復(fù)合膜修飾的對(duì)硫磷電化學(xué)傳感器，用電子掃描顯微技術(shù)（SEM）表征了復(fù)合膜的表面形貌，用循環(huán)伏安法研究了對(duì)硫磷（PT）在復(fù)合膜及單層膜修飾的電極表面的電化學(xué)行為。研究表明：在pH為5.2的醋酸緩沖液中開路富集2.5 min時(shí)，PT的還原峰電流最大。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，PT的還原峰電流ipc與其濃度在0.05～60 μM范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系，線性回歸方程為ipc（μA）=5.666+0.693 7 c （μM），R =0.996 4，檢測(cè)限可達(dá)20 nM（S / N =3）。該傳感器穩(wěn)定性好、重現(xiàn)性佳，且具有一定抗干擾能力。用加標(biāo)回收法測(cè)量新鮮小白菜樣品中PT含量，回收率在94.5％～101.0％，結(jié)果令人滿意。

關(guān)鍵詞：石墨烯（Gr）；納米Al2O3；對(duì)硫磷；電化學(xué)傳感器

有機(jī)磷類的農(nóng)藥生產(chǎn)規(guī)模巨大，僅美國(guó)就達(dá)幾十億美元，其中對(duì)硫磷（Parathion，PT）是一種穩(wěn)定且高效的殺蟲劑，應(yīng)用廣泛。但PT對(duì)中樞神經(jīng)［1］和外周神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，也有致突變致癌性［2］等，因此發(fā)展其快速、簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法非常重要，常見的方法有色譜法［3-4］、波譜法［5］及光度法［6］等。色譜法儀器昂貴、龐大且維護(hù)困難；光度法雖操作簡(jiǎn)便，但靈敏度低。近年來(lái)，農(nóng)藥殘留的安培檢測(cè)和電化學(xué)傳感器快速發(fā)展，它選擇性強(qiáng)、靈敏度高、成本低，有利于現(xiàn)場(chǎng)-實(shí)時(shí)檢測(cè)的推廣，受到環(huán)境分析工作者的青睞。基于納米材料構(gòu)建的電化學(xué)傳感器目前已發(fā)表的有：貴金屬Au［7］、Pt［8-9］、Ag［10］；金屬氧化物NiO［11］、Fe3O4［12］、ZrO2［13］等。其中，納米Al2O3有較大比表面［14］、高孔隙率，被廣泛用作催化劑；石墨烯（graphene，Gr），具有高比表面、高導(dǎo)電性（106S / m）、高穩(wěn)定性［15-17］等特性，是室溫下導(dǎo)電性最佳的材料。筆者制備了一種納米Al2O3/ Gr復(fù)合膜修飾玻碳電極，采用電化學(xué)方法測(cè)定新鮮小白菜中的農(nóng)藥殘留。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1主要儀器與試劑

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI660b電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）上進(jìn)行，采用三電極體系，其中鉑電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極，納米Al2O3/ Gr復(fù)合膜修飾玻碳電極為工作電極。SEM圖像是在高分辨冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（HITACHI SU8000）上獲得的。

Gr分散液（1 g / L，購(gòu)于南京先豐納米材料科技有限公司），納米Al2O3（粒徑10 nm，γ相，購(gòu)于Alad?din），殼聚糖（脫乙酰度92％，購(gòu)于上海國(guó)藥集團(tuán)），其他試劑純度均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2修飾電極的制備

Gr分散液稀釋一定比例超聲分散2 min；Al2O3兩步沉淀法分散，在pH為4的鹽酸中磁力攪拌10 min后，超聲分散30 min，加入10％（體積分?jǐn)?shù)）的殼聚糖溶液超聲分散1 h，靜置一段時(shí)間，留上層液備用。玻碳電極依次用0.3 μm和0.05 μm Al2O3漿在柔軟的拋光布上拋至鏡面，沖洗干凈后，超聲清洗1 min。滴涂8 μL Gr于裸玻碳電極上，自然晾干2 h，再進(jìn)一步滴涂8 μL Al2O3分散液，自然晾干2 h，制成納米Al2O3/ Gr復(fù)合膜修飾的玻碳電極，表示為Al2O3/ Gr / GCE。納米Al2O3單層電極的制備方法如上面相同，表示為Al2O3/ GCE。

1.3電化學(xué)測(cè)量

將制備好的修飾電極在醋酸緩沖液中進(jìn)行電化學(xué)研究，記錄膜在+0.4 ～ -0.8 V范圍內(nèi)的循環(huán)伏安（Cyclic Voltammetry，CV）曲線研究PT的氧化還原機(jī)制，并用線性伏安法（Linear Sweep Voltammetry，LSV）測(cè)量其濃度。測(cè)量前，修飾電極在空白的醋酸緩沖液中以100 mV / s的速度循環(huán)掃描10周至修飾電極達(dá)一穩(wěn)定的電流響應(yīng)；測(cè)量PT前，電解池先通高純N230 min除氧。

2　結(jié)果與討論

2.1掃描電鏡

納米Al2O3和納米Al2O3/Gr復(fù)合膜在玻碳基底上的表面形貌如圖1所示。Al2O3展現(xiàn)出三維帶孔狀結(jié)構(gòu)，但團(tuán)聚也比較嚴(yán)重（圖1（a））；片狀突起的Gr表面覆蓋一層納米Al2O3后團(tuán)聚大大改善（圖1（b）），納米Al2O3的高孔隙率和Gr的高導(dǎo)電性有機(jī)結(jié)合，使得復(fù)合膜呈現(xiàn)出三維結(jié)構(gòu)，有利于PT在傳感器表面的催化氧化還原。

2.2對(duì)硫磷在復(fù)合膜修飾電極上的循環(huán)伏安響應(yīng)

10 μM的PT在醋酸緩沖液中在不同電極上的CV曲線如圖2所示。在裸電極上PT在-0.7 V出現(xiàn)一個(gè)較弱的還原峰（如曲線a所示）；在納米Al2O3修飾的單層膜上，PT也出現(xiàn)了一個(gè)還原峰，峰電流比裸電極略大，但峰包較寬，峰形不尖（曲線b），說(shuō)明納米Al2O3的高孔隙確實(shí)能增加電極的表面積，但Al2O3的導(dǎo)電性不佳，PT的氧化還原催化作用不大；在納米Al2O3/ Gr復(fù)合膜修飾電極上，空白溶液中未出現(xiàn)任何氧化還原峰（曲線d）；但在復(fù)合膜修飾電極上，PT在-0.54 V出現(xiàn)一個(gè)尖銳的還原峰，相對(duì)于裸玻碳電極，峰電位正移160 mV，峰電流增大約8倍（曲線c），表明納米Al2O3/Gr復(fù)合膜對(duì)PT的氧化還原具有顯著的催化作用，因?yàn)镚r有較高的比表面和優(yōu)異的導(dǎo)電性，同時(shí)納米Al2O3有效高孔隙率、高比表面，它們能提供更多的活性位點(diǎn)。圖2內(nèi)插圖為PT在復(fù)合膜修飾電極上CV掃描2圈的響應(yīng)行為，第一圈在-0 .5 V附近還原峰電流較大，但第二圈峰電流顯著降低，表明為一不可逆還原反應(yīng)；0V附近出現(xiàn)一對(duì)對(duì)稱的峰，表明為一可逆的氧化還原反應(yīng)。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均選擇第一圈的CV圖形進(jìn)行研究。

圖1　納米Al2O3和納米Al2O3/ Gr復(fù)合膜在玻碳基底上的SEM圖Fig.1 SEM images of Al2O3（a）and Al2O3/ Gr（b）films on glassy carbon substrate

2.3支持電解質(zhì)的選擇

用PT傳感器嘗試了10 μM的PT在不同支持電解質(zhì)中的LSV響應(yīng)，支持電解質(zhì)為濃度均為0.1 M的醋酸緩沖液、Mcllvaine緩沖液（0.1 M檸檬酸和0.2 M Na2HPO4）、磷酸緩沖液、硼砂緩沖液、氯化銨緩沖液，這5種電解質(zhì)pH在2.6～9.5范圍內(nèi)。結(jié)果表明PT在傳感器上醋酸緩沖液中還原峰電流最大（見圖3）。所以，選擇醋酸緩沖液為最佳支持電解質(zhì)。

圖2　PT在不同電極上的CV響應(yīng)曲線Fig.2 Cydic voltammetvy（CV）responses of parathion on different electrode

圖3　PT在不同支持電解質(zhì)中伏安響應(yīng)Fig.3 Effect of supporting electrolyte for electrochemical response of 10 μM PT

2.4pH的選擇

溶液pH值影響PT的氧化還原峰電位和電流。分別試驗(yàn)了10 μM的PT在傳感器中不同pH醋酸緩沖液中的CV響應(yīng)，pH選擇依次為：5.6、5.4、5.2、5.0、4.8、4.6、4.4。pH為5.2時(shí)還原峰ipc最大（見圖4內(nèi)插圖）。因此，pH = 5.2為最佳pH。

2.5掃描速度

圖5為PT傳感器在含10 μM的PT醋酸緩沖液中不同掃速時(shí)的LSV圖，掃速?gòu)腶到k依次為20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 mV / s。隨著掃描速度的增加，PT的氧化還原峰電流也在增加，發(fā)現(xiàn)PT的還原峰電流ipc與掃描速度的平方根v1/2呈良好的線性關(guān)系（見圖5內(nèi)插圖），其線性回歸方程為ipc（μA）=0.658 0 v1/2- 0.232 4，R =0.996 5。表明PT在傳感器表面為一擴(kuò)散控制的過(guò)程。

圖4　pH影響Fig.4 Effect of the pH value of acetate buffer for electrochemical response of 10 μM PT.

圖5　PT在復(fù)合膜上不同掃速時(shí)的LSV圖Fig.5 Linear sweep voltammetry（LSV）responses of parathion on composite film with different scanning speed

2.6富集時(shí)間

富集時(shí)間是富集過(guò)程中重要影響因素。圖6為10 μM的PT在醋酸緩沖液中在傳感器上的還原峰電流與富集時(shí)間的關(guān)系圖，富集時(shí)間依次為：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 min。在0.5～2.5 min范圍內(nèi)，還原峰電流ipc隨時(shí)間t增加而增加；在2.5～5 min范圍內(nèi)，還原峰電流ipc趨于平穩(wěn)，因?yàn)檫_(dá)到最大吸附。因此，選擇2.5 min作為最佳富集時(shí)間。

2.7在優(yōu)化條件下的線性范圍、檢測(cè)限

采用LSV法測(cè)定了不同濃度的PT，濃度依次為0、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 μM，在傳感器上的LSV響應(yīng)如圖7所示。結(jié)果表明PT的還原峰電流ipc與其濃度c 在0.05～60 μM范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為ipc（μA）=5.666+0.693 7 c（μM），R = 0.996 4，檢測(cè)限可達(dá)20 nM（S / N =3）。

圖6　富集時(shí)間對(duì)PT的還原峰電流的影響Fig.6 Effects of open-circuit accumulation time on reductive peak current

圖7　不同濃度的PT在傳感器上的LSV響應(yīng)Fig.7 LSV responses of parathion on sensor with different concentration of PT

2.8抗干擾性、重現(xiàn)性及穩(wěn)定性

考察了PT傳感器的抗干擾能力，分別在含10 μM PT的醋酸緩沖液加入一定量的無(wú)機(jī)化合物或有機(jī)化合物，考察該傳感器的選擇性。分別將50倍濃度（相對(duì)于10 μM PT）的NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、CuCl2、ZnCl2溶液中，以及在另一相同條件電解池中加入50倍的KNO3、K2SO4、K2CO3、K3PO4，發(fā)現(xiàn)除Cu2+對(duì)PT的測(cè)定有干擾外，其余的PT還原峰電流相對(duì)偏差都小于5％，可以認(rèn)為無(wú)干擾；同樣方法，加入1倍濃度的多巴胺、抗壞血酸、對(duì)硝基苯酚、馬拉硫磷、葡萄糖，也無(wú)干擾；然而，僅加入1 μmol/L濃度的甲基對(duì)硫磷，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差（超過(guò)10％），表明有干擾。因此發(fā)現(xiàn)常見無(wú)機(jī)陰、陽(yáng)離子對(duì)PT的測(cè)定無(wú)干擾，一些結(jié)構(gòu)不同的有機(jī)化合物也不干擾PT的測(cè)定，但對(duì)與PT結(jié)構(gòu)類似的化合物有干擾。

對(duì)10 μM的PT在傳感器上的響應(yīng)進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)定，峰電流基本保持不變，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.53％，說(shuō)明該修飾電極有良好的重現(xiàn)性。該傳感器在水溶液中連續(xù)工作8 h，電流損失小于10％；然而將該傳感器自然置于空氣中放置3 d后，測(cè)量時(shí)損失較大，這可能是納米Al2O3容易吸附空氣中的灰塵等雜質(zhì)污染了電極表面。最終將傳感器保存在4℃冰箱中，結(jié)果明顯改善。說(shuō)明該傳感器有較好的穩(wěn)定性，但需進(jìn)一步改善保存條件。

2.9分析應(yīng)用

取新鮮小白菜10 g，研缽研碎，先減壓抽濾兩次，保留濾液，然后用20 mL二氯甲烷（10 mL×2）萃取2次，每次萃取30 min，萃取液合并后用0.45 μM濾膜過(guò)濾，濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，加入1 mL乙醇，待用。測(cè)量時(shí)，移取10 μL上述樣品至10 mL醋酸緩沖液中，用PT傳感器測(cè)定小白菜樣品中PT殘余量，結(jié)果未檢出小白菜中含PT。隨后采用加標(biāo)回收法測(cè)PT（見表1），在新鮮小白菜樣品溶液中連續(xù)加入2 mL 0.01M的PT標(biāo)樣3次，即理論濃度為2、4、6 μM，回收率在94.5％～101.0％之間，結(jié)果令人滿意，表明該傳感器可用于實(shí)際樣品中PT的測(cè)定。

表1　新鮮小白菜樣品中PT含量的測(cè)定Tab.1 Determination of parathion in fresh cabbage smple

3　結(jié)論

制備了一種納米Al2O3/ Gr復(fù)合膜修飾的PT電化學(xué)傳感器，繪制了在0.05～60 μM范圍內(nèi)的工作曲線，建立了一種檢測(cè)PT的分析方法。該傳感器操作簡(jiǎn)單、測(cè)量快速、靈敏度高、重現(xiàn)性好，能較好地應(yīng)用于實(shí)際樣品中PT含量的測(cè)定。PT在傳感器表面是擴(kuò)散控制過(guò)程；CV掃描時(shí)，先進(jìn)行不可逆的還原過(guò)程，后進(jìn)行可逆的氧化還原過(guò)程（見圖2內(nèi)插圖）；其氧化還原機(jī)制如圖8所示。對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行了優(yōu)化：pH= 5.2時(shí)醋酸緩沖液中開路富集2.5 min，檢測(cè)限可達(dá)20 nM( S / N =3)。

圖8　PT的氧化還原反應(yīng)反應(yīng)機(jī)理Fig.8 Redox reaction mechanism of parathion

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（責(zé)任編輯：葉冰）

A Parathion Electrochemical Sensor Based on Nano-Al2O3/Graphene Composite Film Modified Electrode

SONG Bina，b，XU Junhuib，WANG Yazhen*a，b
（a.Key Laboratory of Optoelectronic Chemical Materials and Devices of Ministry of Education；b.School of Chemistry and Environemental Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Abstract：A parathion electrochemical sensor based on nano-Al2O3/graphene composite film modified electrode has been developed.Scanning electron microscopy（SEM）was used to characterize the surface morphology of nano-Al2O3film and nano-Al2O3/graphene composite film.The electrochemical behavior of parathion at the sensor was investigated by cyclic voltammetry（CV）and linear sweep voltammetry（LSV）.Compared with bare glassy carbon electrode，the sensor showed good catalysis for the redox of parathion due to porous structure of nano-Al2O3and excellent conductivity of graphene.The optimized experimental conditions were obtained.The results indicated that the LSV responses of parathion were linear with concentrations in the range of 0.05 to 60 μM with linear equation of ipc（μA）= 5.666+0.693 7 c（μM）in pH 5.2 acetate buffer with open circuit accumulation for 2.5 min.The detection limit was 20 nM （S / N =3）and R =0.996 4.The sensor exhibited high sensitivity and good selectivity as well as certain anti-interference ability.It was applied to the determination of residual parathion in fresh cabbage sample with the recovery of 94.5％～101.0％.The results were satisfactory.

Keywords：graphene；nano-Al2O3；parathion；electrochemical sensor

*通訊作者：王亞珍（1973—），女，教授，博士，研究方向：光電化學(xué)傳感器研制及應(yīng)用。E-mail：yazhenwang@163.com

作者簡(jiǎn)介：宋斌（1989—），男，碩士生，研究方向：電化學(xué)傳感與檢測(cè)。

基金項(xiàng)目：武漢市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目（201250499145-9）；江漢大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（301004210001）

收稿日期：2014 - 12 - 01

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.03.002

中圖分類號(hào)：O657.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-0143（2015）03-0204-06