石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極用于甲基對硫磷的電化學測定

付 菊， 譚小紅， 宋新建*

(1.湖北民族學院 生物資源保護與利用湖北省重點實驗室， 湖北 恩施 445000；2.湖北民族學院 化學與環(huán)境工程學院， 湖北 恩施 445000)

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石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極用于甲基對硫磷的電化學測定

付 菊1，2， 譚小紅2， 宋新建1，2*

(1.湖北民族學院 生物資源保護與利用湖北省重點實驗室， 湖北 恩施 445000；2.湖北民族學院 化學與環(huán)境工程學院， 湖北 恩施 445000)

采用一步電沉積法制備了石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極.利用循環(huán)伏安法和方波伏安法研究了甲基對硫磷在該復(fù)合膜電極上的電化學行為.結(jié)果表明，該復(fù)合膜對甲基對硫磷具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點.在最佳條件下，甲基對硫磷的峰電流響應(yīng)與其濃度在0.000 3～2.5 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測限為0.05 nmol/L.該石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾玻碳電極也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力，并可用于實際樣品的檢測．

一步電沉積； 石墨烯； 4-氨基-2-巰基嘧啶； 修飾電極； 甲基對硫磷

甲基對硫磷(Methyl Parathion，MP)是一種持久、神經(jīng)毒性的有機磷酸酯殺蟲劑[1]，其殘留不僅嚴重污染環(huán)境，而且還可以通過食物鏈作用危害人類健康.因此，發(fā)展快速、簡單和靈敏的方法檢測MP殘留量顯得尤為重要.MP殘留量的檢測方法通常有熒光分析法[2]、表面增強拉曼光譜法[3]、氣相色譜-質(zhì)譜法[4]、高效液相色譜法[5]和化學發(fā)光法[6]等.這些方法往往操作耗時、分析成本昂貴和需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理.電分析方法因設(shè)備簡單、檢測快速、靈敏且周期短而備受青睞[7].為了提高電化學測定MP的靈敏度和選擇性，關(guān)鍵在于尋找到性能優(yōu)異的電化學傳感材料．

石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的新型二維碳納米材料，具有大的比表面積和優(yōu)異的電子傳輸性能，因而石墨烯及其復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于電化學傳感器中[8-10].有機導電聚合物膜因具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和良好的穩(wěn)定性、導電性[11-13]，使其在電化學領(lǐng)域已引起人們的極大興趣.基于材料的協(xié)同作用，將石墨烯和聚嘧啶兩種材料復(fù)合構(gòu)建一種復(fù)合物膜傳感材料，以期提高其對MP的電化學增敏效應(yīng).然而，石墨烯復(fù)合材料的制備方法多采用直接混合或者原位還原的方式，操作繁瑣、過程難以控制，且容易導致復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上不均勻，影響材料的性能.用電沉積法制備電極，操作簡單易行，膜厚可控，而且有利于提高電化學測定方法的重現(xiàn)性.本文采用一步電沉積法簡易制備了一種未見文獻報道的石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極，研究了MP在該電極上的電化學行為，對實驗條件進行了優(yōu)化，并建立了MP的電化學檢測方法．

1 實驗部分

1.1儀器與試劑

ZEISS Sigma場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國，ZEISS公司)；NICOLET 5700智能傅里葉變換紅外光譜儀(美國，Thermo公司)；RM-1000激光共聚焦拉曼光譜儀(英國，Renishaw公司)；CHI660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)； KQ-50B型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；DZF-6020真空干燥箱(上海博訊實業(yè)有限公司)；三電極體系：玻碳電極(GCE)為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲為對電極．

氧化石墨烯(GO)購于南京先豐納米材料科技有限公司；磷酸二氫鉀(KH2PO4)、十二水磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)，均購于上海國藥集團化學試劑有限公司；4-氨基-2-巰基嘧啶(AMP)購自美國Acros Organics 公司；甲基對硫磷購自湖北沙隆達農(nóng)藥廠；所用試劑均為分析純，所有溶液均用二次蒸餾水配制．

1.2石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極

將GCE(Φ=3)依次用0.05 μm Al2O3拋光粉拋光成鏡面，分別用HNO3(1∶1)、無水乙醇、二次蒸餾水超聲清洗3 min，于室溫下自然晾干.將預(yù)處理后的玻碳電極置于已超聲分散的含1.0×10-3mol/L 4-氨基-2-巰基嘧啶(AMP)和1 mg/mL GO的0.1 mol/L NaOH混合溶液中，在-1.5～+1.6 V電位范圍內(nèi)以50 mV/s的速度循環(huán)掃描10圈.洗凈，晾干，制得rGO/pAMP電極．

1.3分析方法

循環(huán)伏安法(CV)測定條件：電位范圍為-0.8～0.4 V，靜置時間為2 s，掃描速度為100 mV/s；方波伏安法(SWV)測定條件：在pH=7.0的磷酸鹽緩沖溶液中，掃描電位范圍-0.8～0.4 V，富集電位-0.2 V，富集時間100 s，振幅25 mV，電位階差10 mV，頻率15 Hz．

2 結(jié)果與討論

2.1修飾電極的表征

從聚嘧啶(pAMP)膜的掃描電鏡圖(圖1A)可以看出，聚嘧啶呈均一的納米粒子分布于電極表面.圖1B是石墨烯/聚嘧啶掃描電鏡圖，可以看出電極表面覆蓋了一層均勻的聚嘧啶納米粒子和還原石墨烯(rGO)膜，可提供更多的活性位點，進而增強對MP的響應(yīng)能力．

電極制備的過程采用EIS監(jiān)測，結(jié)果如圖2所示.由高頻區(qū)半圓直徑的變化，可以清晰地反映出電極界面的微觀變化：在含有5.0×10-3mol/L K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6](1.0 mol/L KCl)中，GCE呈現(xiàn)出一個大的阻抗響應(yīng)(Rct=2600 Ω).與rGO(Rct=1549 Ω)和pAMP(Rct=481 Ω)相比較，rGO/pAMP的Rct值為204 Ω，說明rGO/pAMP復(fù)合膜具有更好的電子傳導能力．

圖1 聚嘧啶膜的掃描電鏡圖(A)和石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜的掃描電鏡圖(B)Fig.1 SEM images of pAMP (A)， and rGO/pAMP composite (B)

圖2 不同修飾電極的交流阻抗圖Fig.2 Impedance diagrams of different modified electrodes

2.2MP在不同電極上的電化學行為

圖3為石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜在3.0 μmol/L MP的磷酸鹽緩沖溶液(PBS， pH=7.0)中的循環(huán)伏安圖.由圖3可以看出，第一圈掃描時在-0.532 V電位處出現(xiàn)一個很尖銳的不可逆還原峰，對應(yīng)于MP的苯硝基(Ar-NO2)通過4電子不可逆地還原為羥氨基(Ar-NHOH)的過程(反應(yīng)式R1)；在連續(xù)掃描時，MP在電位-0.009 V和-0.024 V出現(xiàn)一對準可逆的氧化-還原峰，分別對應(yīng)羥氨基(Ar-NHOH)和亞硝基(Ar-NO)的氧化和還原過程(反應(yīng)式O2/R2).MP在電極上的反應(yīng)機理可描述如下[14].

圖3 石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜對MP的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammorgrams (CVs) of rGO/pAMP composite film for MP

圖4分別為裸玻碳(a)、rGO/GCE(b)、pAMP/GCE(c)和rGO/pAMP/GCE(d)在2.0 μmol/L MP磷酸鹽緩沖溶液(PBS， pH=7.0)中的方波伏安圖.曲線a表明裸玻碳對Ar-NHOH的氧化幾乎沒有響應(yīng)，rGO(曲線b)的響應(yīng)主要歸因于石墨烯大的比表面積和優(yōu)異的電子傳輸能力.AMP的NH2紅外吸收峰在3 330 cm-1附近(圖5A)，電沉積后變化到3 316 cm-1附近(圖5B)，說明電沉積發(fā)生聚合后以亞氨基(—NH—)的形式存在；圖5B中1 632 cm-1和1 570 cm-1是嘧啶環(huán)C=N的特征吸收峰， 在圖6Raman譜中出現(xiàn)

1 598.3 cm-1偏振線也證實了聚嘧啶膜中C=N的存在；圖5B中在2 550 cm-1附近未出現(xiàn)S—H紅外吸收峰，同時在圖6 Raman譜中也未觀察到S—H偏振線，說明聚嘧啶膜中不存在巰基(—SH)，而可能以—S○-形式存在，pAMP中亞氨基、嘧啶環(huán)上N原子以及S負離子可與羥氨基(—NHOH)之間形成分子間氫鍵作用力，從而增加電極界面對Ar-NHOH的富集能力，因此，pAMP膜電極(曲線c)對MP的響應(yīng)很高.而從圖4中曲線d可看出rGO/pAMP修飾電極的電化學響應(yīng)明顯高于rGO和pAMP修飾電極，說明兩種材料之間的協(xié)同作用對Ar-NHOH的氧化具有明顯的增敏效應(yīng)．

圖4 MP在不同電極上的方波伏安圖Fig.4 Square wave voltammograms (SWVs) of different modified electrodes

圖5 AMP (A)和pAMP (B)的紅外光譜圖Fig.5 IR spectra of AMP (A) and pAMP (B)

圖6 pAMP/GCE的Raman光譜圖Fig.6 Raman spectrum of pAMP/GCE

2.3pH值、富集時間、富集電位和膜厚度的影響

圖7A考察了不同pH值(4.9、5.9、6.5、7.0、7.4和8.0)在PBS中對MP氧化峰電流和峰電位的影響.在pH 4.9～7.0范圍內(nèi)MP的氧化峰電流隨pH值的增大而增大，而超過7.0后隨pH值的增大而減小，實驗選取pH=7.0為最佳實驗條件.圖7B考察了0～140 s富集時間對MP氧化峰電流的影響.當富集時間由0 s增加到100 s時，MP氧化峰電流值急劇增加，而超過100 s后MP的氧化峰電流基本趨于穩(wěn)定，表明此時石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜對MP的吸附已基本達到飽和.圖7C在電位范圍為-0.8～0.2 V的條件下，選擇不同富集電位進行SWV掃描.結(jié)果發(fā)現(xiàn)在-0.2 V時峰電流最大，大于-0.2 V后峰電流逐漸變小，故實驗選擇富集電位為-0.2 V.另外，rGO/pAMP復(fù)合膜的厚度對MP的響應(yīng)也會產(chǎn)生明顯影響，當鍍膜圈數(shù)由1圈→10圈時是逐漸增加，而超過10圈后會逐漸減小.這是因為隨著復(fù)合膜厚度的增加，電極的活性面積增加，導電性增強，因此峰電流也相應(yīng)增加.但是復(fù)合膜厚度太大時，會阻礙MP與電極之間的電子傳遞，故氧化峰電流反而降低．

圖7 rGO/pAMP/GCE在含2.0 μmol/L MP中不同pH值(A)、富集時間(B)和富集電位(C)的方波伏安曲線Fig.7 SWVs of 2.0 μmol/L MP at different pH values (A)， accumulation time (B) and accumulation potential (C) on rGO/pAMP/GCE

2.4線性范圍和檢測限

于最優(yōu)實驗條件下，在-0.6～0.4 V范圍內(nèi)用rGO/pAMP電極對不同濃度的MP溶液進行掃描.結(jié)果表明，MP的氧化峰電流(Ipa)與其濃度在0.000 3～2.5 μmol/L范圍成良好的線性關(guān)系(圖8)，線性回歸方程為Ipa(μA)=0.1557+14.1865C(μmol/L)，r=0.9992，檢測限可達0.05 nmol/L(S/N=3).本文提供了一種rGO/pAMP修飾電極測定MP的新方法，將其與部分文獻所載方法進行了比較，結(jié)果列于表1．

圖8 濃度0， 0.000 3， 0.005， 0.02， 0.06， 0.25， 0.6， 1.0， 1.5， 2.0和2.5 μmol/L MP在rGO/pAMP/GCE上的方波伏安圖(其內(nèi)插圖為校準曲線)Fig.8 SWVs of MP at 0， 0.000 3， 0.005， 0.02， 0.06， 0.25， 0.6， 1.0， 1.5， 2.0， 2.5 μmol/L on rGO/pAMP/GCE (Inset is the calibration curve for MP determination)

修飾方法檢測范圍/(μmol·L-1)最低檢測限/(nmol·L-1)參考文獻金?十二烷基磺酸鈉納米粒子05～10086[15]多壁碳納米管?聚丙烯酰胺0005～1012[16]聚離子液體/石墨烯001～72[17]有序介孔碳009～6176[18]巰基?β?環(huán)糊精?納米金/多壁碳納米管0002～00801[19]分子印跡多孔硅酸鹽001～1089[20]石墨烯/聚嘧啶00003～25005本研究

2.5修飾電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性

分別采用6支不同批次制備的石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極檢測2.0 μmol/L MP溶液，其相對標準偏差(RSD)為2.31%，表明該電極具有良好的制備重現(xiàn)性.用同一支石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極平行測定2.0 μmol/L的MP溶液12次，結(jié)果其相對標準偏差(RSD)為1.31%，表明該電極具有優(yōu)良的測定重現(xiàn)性.用該石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極平行測定2.0 μmol/L MP溶液35次，峰電流沒有明顯降低，表明該復(fù)合膜修飾電極具有較好的穩(wěn)定性．

2.6抗干擾實驗

2.7實際樣品的測定

在最優(yōu)實驗條件下，以rGO/pAMP/GCE為工作電極，用方波伏安法對預(yù)處理實際樣品中的MP進行加入回收實驗，分析結(jié)果見表2.回收率為96.0%～104.5%，可滿足常規(guī)分析要求．

表2 實際樣品中對MP的測定

3 結(jié)論

本文通過一步電沉積法簡易制備出石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極，并構(gòu)建了測定MP的電化學方法.與pAMP/GCE、rGO/GCE相比，MP的氧化峰電流信號在rGO/pAMP/GCE上得到大大提高，表明兩種材料之間的協(xié)同作用對MP的氧化具有明顯的增敏效應(yīng).同時，rGO/pAMP/GCE對MP的線性檢測范圍廣，靈敏度高、穩(wěn)定性好和抗干擾能力強，可用于實際樣品中MP的檢測．

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FU Ju1，2， TAN Xiaohong2， SONG Xinjian1，2

(1.Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization of Hubei Province，Hubei University for Nationalities， Enshi， Hubei 445000;2.School of Chemical and Environmental Engineering， Hubei University for Nationalities， Enshi， Hubei 445000)

A modified electrode was fabricated by one-step electrodeposition of graphene/polypyrimidine composite film on glass carbon electrode surface (rGO/pAMP/GCE). Electrochemcial behaviors of methyl parathion (MP) on rGO/pAMP/GCE were investigated with Cyclic Voltammetry (CV) and Square Wave Voltammetry (SWV). The results indicated that the rGO/pAMP composite film possesses good sensitivity and fast response for MP. Under the optimal conditions， current response plotted with MP concentration was line in 0.000 3～2.5 μmol/L with a detection limit of 0.05 nmol/L. The rGO/pAMP/GCE was employed for MP determination in real samples because of its high stability， reproducibility and anti-interference．

one-step electrodeposition; graphene; 4-amino-2-mercaptopyrimidine; modified electrode; methyl parathion

2016-04-24.

國家自然科學基金資助項目(21561011)；湖北民族學院科研創(chuàng)新團隊項目(MY2014T004)．

1000-1190(2016)04-0565-06

O657.1

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: whxjsong@163.com．