基于ZnO/石墨烯復合材料的有機磷電化學生物傳感器研究

孫墨杰，王世杰

(東北電力大學 化學工程學院，吉林 吉林 132012)

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基于ZnO/石墨烯復合材料的有機磷電化學生物傳感器研究

孫墨杰，王世杰

(東北電力大學 化學工程學院，吉林 吉林 132012)

火力發(fā)電廠電力設備運行時，為減緩電力設備的結垢腐蝕，需要在循環(huán)冷卻水中添加一定量有機磷系緩蝕阻垢劑，及時檢測有機磷在循環(huán)冷卻水中的含量對保證系統(tǒng)正常運行至關重要?，F(xiàn)有檢測方法操作繁瑣，過程復雜。為實現(xiàn)快速檢測，研究組裝AChE-ZnO/石墨烯-GCE電化學生物傳感器，間接檢測有機磷含量。結果表明，AChE-ZnO/石墨烯-GCE電化學生物傳感器用于檢測有機磷，具有良好的電化學響應。根據有機磷濃度與抑制率之間的關系以及氧化電流減小的程度，可計算出有機磷的濃度，以達到檢測其含量的目的。

有機磷；石墨烯；電化學生物傳感器

循環(huán)冷卻水是工業(yè)用水中的一種常見用水，在火力發(fā)電廠中作為循環(huán)冷卻介質通過冷卻塔，其使用量高達火力發(fā)電廠總用水量的80%以上。循環(huán)冷卻水在設備運行時的水質優(yōu)良與否直接影響系統(tǒng)的運行狀況。為了減緩電力設備的結垢腐蝕，需在循環(huán)冷卻水中添加一定量的緩蝕阻垢劑[1]，通常加入有機磷系緩蝕阻垢劑[2-3]。因此，快速檢測循環(huán)冷卻水中有機磷系緩蝕阻垢劑的含量對電力系統(tǒng)的正常運行而言意義重大。

目前，應用于檢測循環(huán)冷卻水中有機磷酸緩蝕阻垢劑含量的方法多種多樣。如國標(GB6913.13-86)采用的鉬藍比色法[4]，該方法具有標準曲線線性好、準確度和精密度較高的優(yōu)點，但是當系統(tǒng)中有機物較多時，樣品灼燒分解時極易碳化，造成分析誤差較大；離子色譜檢測法[5]，該方法具有靈敏、抗干擾能力強等優(yōu)點，研究證明以總磷濃度反映循環(huán)水中的有機磷(如HEDP)的濃度，存在很大缺陷；磷釩鉬黃比色法[6]，研究表明該方法用于循環(huán)冷卻水中磷系緩蝕阻垢劑的測定較為理想，具有良好的選擇性和重現(xiàn)性；此外，還有UV(紫外)-光氧化法[7]，微波消解-分光光度法[8]等。以上方法雖然可以準確測量循環(huán)水中的有機磷含量，也可以確保穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，但均需專用的大型儀器設備，且檢測時需要對水樣做復雜的預處理，操作步驟繁瑣且對操作人員素質要求較為嚴格，無法實現(xiàn)現(xiàn)場的快速檢測。

針對傳統(tǒng)緩蝕阻垢劑檢測方法中存在的不足，擬采取一種全新的、高效的檢測方法。近十年來，電化學生物傳感器的研究工作取得了巨大進步，尤其是基于ZnO/石墨烯復合材料的電化學生物傳感器。結合國內外相關研究，關于有機磷檢測和ZnO/石墨烯復合材料制備的報道層出不窮[9-13]，但將基于ZnO/石墨烯復合材料的電化學生物傳感器應用于檢測循環(huán)冷卻水中有機磷含量的研究尚未見報道。

研究采用水熱法合成ZnO/石墨烯復合材料，并自組裝基于該復合材料的電化學生物傳感器，用于檢測循環(huán)冷卻水中緩蝕阻垢劑的含量。并考察不同抑制時間和不同底物濃度兩種因素對該傳感器用于檢測有機磷含量的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：天然鱗片石墨(325目)，濃硫酸(分析純)，高錳酸鉀(分析純)，硝酸鈉(分析純)，30%雙氧水(分析純)，5% HCl(分析純)，乙二醇(分析純)，醋酸鋅(分析純)，氫氧化鈉(分析純)，Al2O3拋光粉(0.3 μm，0.05 μm)，無水乙醇(分析純)，氯化鉀(分析純)，K3Fe(CN)6(分析純)，Nafion(5%)，乙酰膽堿酯酶(220 u/mg)，戊二醛(分析純)，羥基乙叉二磷酸(98.0%)，氯化乙酰膽堿(99.0%)。

儀器：高壓反應釜，GL-21MC高速冷凍離心機，GZX-9070MBE電熱鼓風干燥箱，KQ-100超聲波清洗器，F(xiàn)A2204A電子天平，DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器，CHI-760e電化學工作站，SHZ-D循環(huán)水式真空泵，JEOL-LV6500掃描電子顯微鏡(SEM)，XRD衍射儀，DZF-6090真空干燥箱，GNA-300氮、空氣發(fā)生器，BTF-1200C-Ⅱ-PECVD。

1.2 材料的制備

1.2.1 氧化石墨的制備

實驗采用Hummers方法制備氧化石墨。具體過程為：將濃硫酸(23 mL)在冰水浴條件下加入到250 mL反應瓶中，向其中加入石墨粉(1 g)和硝酸鈉(0.5 g)，攪拌均勻后，再向混合物中加入高錳酸鉀(3 g)，并控制反應溫度不超過20 ℃。攪拌2 h后升溫到35 ℃，繼續(xù)攪拌30 min后加入去離子水(46 mL)，同時將反應溫度升高到98 ℃，持續(xù)加熱20 min。向反應瓶中加入雙氧水(30%)至溶液呈亮黃色為止，趁熱過濾，用HCl溶液(5%)和去離子水洗滌，充分干燥后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 ZnO/石墨烯復合材料的制備

實驗采用水熱法合成ZnO/石墨烯復合材料。具體過程為：稱取15 mg氧化石墨溶于100 mL乙二醇中，進行超聲處理使其完全分散并剝離成氧化石墨烯。再稱取100 mg醋酸鋅和15 mg氫氧化鈉溶于100 mL乙二醇溶液中，磁力攪拌至完全溶解。將兩種溶液混合均勻，轉移到高壓反應釜中，在160 ℃下加熱反應24 h后，將生成的產物進行離心、洗滌、干燥，即得ZnO/石墨烯納米復合物。

1.3 材料的表征

材料的結晶度通過XRD衍射儀進行表征，考察材料結晶度以及晶型發(fā)育情況；利用日本電子JEOL-LV6500掃描電子顯微鏡(SEM)對材料表面形貌進行表征，考察石墨烯剝層程度、氧化鋅納米顆粒粒徑以及氧化鋅納米顆粒在石墨烯表面分布情況。

1.4 電化學生物傳感器的制備

1.4.1 玻碳電極的預處理

首先將玻碳電極(GCE)分別用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3拋光粉在麂皮上打磨拋光，然后在去離子水和無水乙醇中依次超聲1 min-2 min，將電極表面殘留的拋光粉除去，再用N2將電極吹干。以打磨拋光后的GCE作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，鉑電極作為對電極在含有0.5 mol/L KCl的1 mmol/L K3Fe(CN)6溶液中進行循環(huán)伏安掃描測試來鑒定GCE是否打磨合格。掃描范圍為-0.1 V-0.6 V，當氧化還原峰電位差小于85 mV時，GCE方可用于電極修飾，否則，須重復上述拋光過程，直到合格為止。

1.4.2 ZnO/石墨烯修飾電極的制備

首先取5 μL 0.5%的Nafion溶于1 mL無水乙醇中，再加入適量ZnO/石墨烯復合材料，超聲分散后，取5 μL該分散液滴涂于打磨合格的GCE表面，室溫下空氣中晾干，干燥后即得ZnO/石墨烯修飾電極。

1.4.3 乙酰膽堿酯酶(AChE)-ZnO/石墨烯修飾電極的制備

將100 mU 的乙酰膽堿酯酶(AChE)(5 μL)和2.5% 戊二醛(1 μL)混合液滴加在ZnO/石墨烯修飾電極上，于冰箱中干燥后即得乙酰膽堿酯酶電化學生物傳感器(AChE-ZnO/石墨烯-GCE)。

1.5 電化學性能測試

利用上海辰華CHI-760e電化學工作站測試ZnO/石墨烯復合材料用于檢測有機磷(HEDP)含量的性能，實驗采用傳統(tǒng)三電極體系，分別將裸玻碳電極(GCE)、AChE修飾玻碳電極(AChE-GCE)、AChE-ZnO/石墨烯-GCE置于100 mL 含0.1 mmol/L氯化乙酰膽堿(ATCl)的pH7.5 PBS底液中，進行循環(huán)伏安掃描，掃描范圍為0.0 V-1.0 V，掃描速率為50 mv·s-1。并考察不同抑制時間和不同HEDP濃度兩種因素對檢測結果的影響。

2 結果與討論

2.1 材料的表征

2.1.1材料的XRD表征

由圖1所示的氧化石墨XRD譜圖，譜圖中2θ=10.8°和2θ=44°處為氧化石墨的特征衍射峰，2θ=26.5°處為天然石墨的特征衍射峰。從圖中可以看出，產物中氧化石墨的特征衍射峰強度很大，而天然石墨的特征衍射峰強度則很弱，說明天然石墨在氧化過程中由于含氧官能團的引入，使得石墨層間距離大幅度提升，產物的氧化程度很高，氧化石墨片層剝離程度較高。

圖1 氧化石墨XRD譜圖圖2 水熱法合成的ZnO/石墨烯復合材料XRD譜圖

由圖2所示的ZnO/石墨烯復合材料的XRD譜圖，從圖中可以看出，ZnO納米顆粒的每個特征衍射峰都具有較高的強度，表明ZnO晶體的晶型發(fā)育良好，結晶度較高；2θ=26.5°處的衍射峰歸屬于多層石墨烯，由于石墨烯經超聲剝離到一定厚度后其XRD衍射峰會減弱或消失[14-15]。因此，石墨烯的衍射峰強度較弱，以致于在譜圖中看不到石墨烯的特征衍射峰。

2.1.2 材料的SEM表征

圖3 ZnO/石墨烯復合材料的SEM圖

a：裸玻碳電極(GCE)；b：AChE修飾玻碳電極(AChE-GCE)；c：AChE-ZnO/石墨烯-GCE圖4 不同電極在100mL 含0.1 mmol/L ATCl的pH7.5 PBS底液中的循環(huán)伏安曲線

由圖3可以看出，ZnO晶體呈顆粒狀，顯示出良好的規(guī)則性和均勻的分散性，單個晶體顆粒直徑約為70 nm。石墨烯上的ZnO晶體生長狀態(tài)良好，這將有利于提高電化學檢測的靈敏性。

2.2 電化學檢測有機磷(HEDP)

2.2.1 ATCl在不同電極表面的電化學行為

為了驗證ZnO/石墨烯復合材料用于檢測有機磷(HEDP)含量的性能，實驗分別將裸玻碳電極(GCE)、AChE修飾玻碳電極(AChE-GCE)、AChE-ZnO/石墨烯-GCE置于100 mL 含0.1 mmol/L ATCl的pH7.5 PBS底液中，進行循環(huán)伏安掃描，掃描范圍為0.0 V-1.0 V，掃描速率為50 mV·s-1(如圖4)。

由圖4可以看出，ATCl在裸GCE表面的響應電流極弱，在GCE表面修飾上適量的AChE后，出現(xiàn)明顯的氧化峰電流，證明AChE對ATCl具有一定的催化活性，但此處的氧化峰電流仍較弱。而在GCE表面修飾AChE-ZnO/石墨烯后，氧化峰電流明顯增強。這歸因于石墨烯較大的比表面積和良好的導電性能，以及ZnO和石墨烯的協(xié)同效應。石墨烯非凡的電子傳遞性，改善了電極的導電性，加快了電極上電子的傳遞速度，均勻分散的ZnO納米顆粒的存在又能使石墨烯分散性得到極大提高，且ZnO具有良好的生物相容性，可以保證AChE的活性不受不良影響。

2.2.2 抑制時間的影響

由于在有機磷(HEDP)檢測分析中，抑制時間是最有影響力的參數之一，為了在后續(xù)檢測中得到最優(yōu)的抑制時間，實驗首先將AChE-ZnO/石墨烯-GCE電化學生物傳感器在0.07 mol/L的HEDP溶液中分別抑制2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、12 min、14 min，將抑制后的傳感器置于100 mL含有0.1 mmol/L氯化乙酰膽堿(ATCl)的pH7.5 PBS緩沖溶液中，進行循環(huán)伏安掃描(CV，如圖5)。掃描范圍為0.0 V-1.0 V，掃描速率為50 mV·s-1。并根據循環(huán)伏安掃描結果，計算出不同抑制時間下對應的抑制率(如圖6)。

圖5 A和B為AChE-ZnO/石墨烯-GCE在0.07 mol/L有機磷(HEDP)溶液中抑制不同時間后，在pH為7.5的0.1 mmol/L氯化乙酰膽堿(ATCl)底液中的循環(huán)伏安曲線

圖6 HEDP對AChE的抑制率與抑制時間的關系

圖5和圖6顯示了抑制時間對電化學生物傳感器的影響。顯然，隨著在有機磷(HEDP)溶液中抑制時間的增加，ATCl在傳感器上的響應電流逐漸減小。當抑制時間大于8 min，響應電流值趨向一個穩(wěn)定值，表明HEDP和AChE之間的結合位點達到平衡，導致AChE對ATCl的催化活性受到最大程度的抑制。因此，最佳抑制時間選定為8 min，從而使抑制率最大。

2.2.3 不同HEDP濃度的影響

為了考察HEDP濃度變化的影響，實驗將AChE-ZnO/石墨烯-GCE分別在濃度為0.02 mol/L、0.04 mol/L、0.06 mol/L、0.08 mol/L、0.10 mol/L的HEDP溶液中抑制8 min，并在抑制前后于100 mL含有0.1 mmol/L(ATCl)的pH 7.5 PBS緩沖溶液中，進行循環(huán)伏安掃描(CV)，掃描范圍為0.0 V-1.0 V，掃描速率為50 mV·s-1(如圖7)。并根據循環(huán)伏安掃描結果，計算出不同HEDP濃度下對應的抑制率(如圖8)。

由圖7和圖8可以看出，HEDP濃度越大，其對AChE-ZnO/石墨烯-GCE的抑制越強，氧化峰電流減小的越明顯。且在0.02 mol/L-0.10 mol/L范圍內，HEDP濃度與抑制率間呈良好的線性關系。根據該結果，在檢測未知濃度的HEDP時，可以根據其濃度與抑制率之間的線性關系以及氧化電流減小的程度，計算出HEDP的濃度，以達到檢測HEDP含量的目的。

此外，如圖7E所示，抑制后的氧化峰電流極其微弱，這表明修飾了100 mU AChE的AChE-ZnO/石墨烯-GCE電化學生物傳感器，在條件為100 mL含有0.1 mmol/L ATCl的pH 7.5 PBS緩沖溶液中進行檢測的條件下，對HEDP的檢測上限為0.10 mol/L。

圖7 不同有機磷(HEDP)濃度抑制電化學生物傳感器前后對ATCl的循環(huán)伏安曲線A-E 圖中HEDP濃度分別為0.02mol/L、0.04mol/L、0.06mol/L、0.08mol/L、0.10mol/L

圖8 HEDP濃度與抑制率的關系

3 結 論

(1)借助于石墨烯較大的比表面積和良好的導電性能，以及ZnO和石墨烯的協(xié)同效應，AChE-ZnO/石墨烯與GCE組裝的電化學生物傳感器，對ATCl具有良好的電化學響應，氧化峰電流明顯，可用于間接檢測HEDP含量。

(2)AChE-ZnO/石墨烯-GCE電化學生物傳感器用于檢測HEDP時，最佳抑制時間為8 min。隨著HEDP濃度的增加，AChE-ZnO/石墨烯-GCE受到的抑制程度越高，氧化電流減小的越明顯。

(3)修飾了100 mU AChE的AChE-ZnO/石墨烯-GCE電化學生物傳感器，在條件為100 mL含有0.1 mmol/L ATCl的pH7.5 PBS緩沖溶液中進行檢測的條件下，對HEDP的檢測上限為0.10 mol/L。在檢測未知濃度的有機磷時，可以根據其濃度與抑制率之間的關系以及氧化電流減小的程度，計算出HEDP的濃度，以達到檢測的目的。

[1] 張萬友，沈興磊，周立文，等.米糠浸提液作為銅緩蝕劑的研究[J].東北電力大學學報，2013，33(3)：64-68.

[2] 唐俊，徐章法，徐伯興，等.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)緩蝕劑的現(xiàn)狀及綠色化進展[J].工業(yè)水處理，2004，24(6):1-5.

[3] 胡玉國.水處理緩蝕劑應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].化工科技市場，2000，23(4):5-7.

[4] GB6913.2-1986.UDC628.175:621.187.1:543.06[S].

[5] 馬劍，袁東星，官斌，等.離子色譜法測定循環(huán)冷卻水中的羥基-1，1-亞乙基二磷酸[J].色譜，2007，25(2):245-247.

[6] 瞿莜薔，唐國平.磷釩鉬黃比色法測定循環(huán)水中磷酸鹽的探討[J].大氮肥，2001，24(5):51-354.

[7] 孫墨杰，靳世久，騰飛，等.循環(huán)冷卻水膦系緩蝕阻垢劑在線分析的研究[J].化工自動化及儀表，2002，29(4):70-73.

[8] 楊迎軍，關曉輝，秦玉華，等.微波消解-分光光度法快速測定水中總磷[J].東北電力大學學報，2007，27(4)，40-41.

[9] Pranati N，Anbarasan B，Ramaprabhu S.Fabrication of Organophosphorus Biosensor Using ZnO Nanoparticle-Decorated Carbon Nanotube-Graphene Hybrid Composite Prepared by a Novel Green Technique[J].Phys Chem C，2013，117(25):13202-13209.

[10] Xu M R，Zhu J Y，Su H C，et al.Electrochemical determination of methyl parathion using poly(malachite green)/graphene nanosheets-nafion composite film-modified glassy carbon electrode[J].J Appl Electrochem，2012，42(7):509-516.

[11] Sun X，Gong Z L，Cao Y Y，et al.Acetylcholinesterase Biosensor Based on Poly(diallyldimethylammonium chloride)-multi-walled Carbon Nanotubes-graphene Hybrid Film[J].NANO-MICRO，2013，5(1):47-56.

[12] Liu T，Xu M R，Yin H S，et al.A glassy carbon electrode modified with graphene and tyrosinase immobilized on platinum nanoparticles for sensing organophosphorus pesticides[J].Microchim Acta，2011，175(8):129-135.

[13] 景雁鳳，劉志敏，趙振江，等.基于石墨烯-氧化鋅復合物的乙酰膽堿酯酶生物傳感器用于辛硫磷的測定[J].河南工業(yè)大學學報，2013，34(2):72-76.

[14] Xu C，Wang X，Zhu J.Graphene-metal particle nanocomposites[J].J Phys Chem，2008，112(50):19841-19845.

[15] Cai D，Song M.Preparation of fully exfoliated graphite oxide nanoplatelets in organic solvents[J].J Mater Chem，2007，17(35):3678-3680.

Research on Electrochemical Biosensor Detection of Organophosphorus Based on ZnO/Graphene Composites

SUN Mo-jie，WANG Shi-jie

(School of Chemical Engineering，Northeast Dianli University，Jinlin Jilin 132012)

In order to reduce the scale and corrosion of power equipment，it is necessary to add a certain amount of scale inhibitors of organophosphorus in circulating cooling water system.So it is critical to detect the content of organophosphorus rapidly to ensure the normal operation of the system.While up to now，the organophosphorus detection methods are complicated.Owing to the advantages of rapid detection and simple operation，electrochemical biosensor based on AChE-ZnO/graphene-GCE is applied to detect organophosphorus.The results show that it has a good electrochemical response for AChE-ZnO/graphene-GCE to detect organophosphorus.According to the relation between concentration of organophosphorus and the inhibition rate，and the degree of the oxidation current decreasing，it can calculate the concentration of organophosphorus and achieve the intention of the testing organophosphorus content.

Organophosphorus；Graphene；Electrochemical biosensor

2016-04-12

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130206002SF)

孫墨杰(1967-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學化學工程學院教授，博士，主要研究方向：電力系統(tǒng)化學監(jiān)測及水處理工程技術.

1005-2992(2016)05-0057-06

O646

A