含氮多孔聚合物ARPOP-1修飾碳糊電極用于水中2,4-二氯苯酚的檢測

梁 鳳,李 剛,方懷防,鄭國立

(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引言

2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)是氯苯酚類的代表性物質(zhì)之一，被廣泛用作藥物，除草劑和殺蟲劑的生產(chǎn)中間體，還用于合成防腐劑，抗真菌劑及染料[1]。它可以引起昏厥、瘙癢、粉刺、貧血，并且與癌癥的發(fā)生有關(guān)[2]。歐盟和美國環(huán)保局已經(jīng)將2,4-DCP列為優(yōu)先控制污染物的一種[3]。盡管濃度低，但仍然具有高毒性，生物降解性差，對生物有潛在致癌及致基因突變的作用[4]。Gao[5]的小組在中國七個(gè)主要流域和三個(gè)流域的600多個(gè)站點(diǎn)提取水樣，其中有一半以上的地表水樣本中(1.1 ～ 19,960.0 ng L-1)檢測到2,4-DCP。因此，建立一種快速靈敏的檢測2,4-DCP的方法來維護(hù)公眾健康和提供環(huán)境安全非常重要。

目前為止，盡管包括氣相[6]或液相色譜[7]和光譜學(xué)[8]在內(nèi)的儀器方法為2,4-DCP的測定提供了高靈敏度，但在成本，時(shí)間消耗和缺乏便攜性方面的缺點(diǎn)是不可避免的。與這些技術(shù)相比，直接電化學(xué)方法由于它成本較低、儀器簡單、操作簡單、實(shí)時(shí)檢測、靈敏度高而受到更多的關(guān)注[9]。其中，方波陽極溶出伏安法檢測由于其高靈敏度，高效率對氯酚類有機(jī)污染物的分析而顯示出巨大的希望。

碳糊電極具有易于制備、修飾方便、表面可更新，背景電流低和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，廣泛用于電化學(xué)研究和表面分析[10]?；瘜W(xué)修飾碳糊電極可以根據(jù)修飾劑的特性，使電極能有選擇地快速反應(yīng)[11]，從而提高靈敏度，降低背景電流，并允許在很寬的電位范圍內(nèi)工作[12]。

修飾劑是修飾碳糊電極的重要成分，常用的修飾劑有離子交換樹脂、吸附劑、絡(luò)合劑和金屬配合物等[13]。雜環(huán)多孔聚合物是一種含有雜原子的特殊的多孔有機(jī)化合物(POPs)，可以通過雜環(huán)單體的直接聚合而構(gòu)成。Li[14]等人用Buchwald-Hartwig方法合成了氮原子連接的含氮多孔有機(jī)聚合物。雜原子的引入增加了POP骨架中孤電子對的可用性，并使雜環(huán)POP具有特殊的電子性質(zhì)和表面化學(xué)性質(zhì)[15]。POP由于其結(jié)構(gòu)可控、高比表面積、密度低、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)引起人們的關(guān)注。其中，含氮多孔聚合物不僅具有以上優(yōu)點(diǎn)，而且富含孤對電子的氮原子和獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)，在吸附、催化、儲能等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用[16-18]。新雜環(huán)ARPOP-1(Scheme 1)具有擴(kuò)展的π共軛主鏈和含N的芳族特性，通過π堆積和H鍵相互作用可增強(qiáng)其對芳族分子的親和力，使其成為有分析應(yīng)用前景的吸附劑。

研究表明，含氮多孔有機(jī)聚合物ARPOP-1中的-NH-提供了多個(gè)吸附位點(diǎn)，ARPOP-1與2,4-DCP之間存在氫鍵的相互作用，且2,4-DCP也可以留在ARPOP-1的骨架里，因而對2,4-DCP有吸附聚集能力。受到Sheying Dong[19]等人的啟發(fā)，文章將ARPOP-1作為電極表面富集2,4-DCP的電極改性劑，制作了ARPOP-1材料改性的碳糊電極傳感器(ARPOP-1-CPE)，用方波陽極溶出伏安法測定2,4-DCP?，F(xiàn)文獻(xiàn)中尚未有相關(guān)報(bào)道。

Scheme 1 Structural formula of nitrogen-containing porous organic polymers ARPOP-1 and 2,4-dichlorophenol

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

CHI660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；三電極體系：CPE或ARPOP-1 ARPOP-1-CPE為工作電極，鉑絲電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極；CP114電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司)；瑪瑙研缽(深圳市奧華儀器設(shè)備有限公司)；KQ218超聲清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；WH-2微型旋渦混合儀(上海滬西分析儀器廠有限公司)；Milli-Q Advantage A10超純水系統(tǒng)(德國Merk公司)；MS-H-S標(biāo)準(zhǔn)型磁力攪拌器(美國SCILOGEX公司)；梅特勒-托利多FE28 pH計(jì)和LE422電極(瑞士Mettle Toledo公司)。

石墨粉(國藥試劑化學(xué)純顆粒度 ≤ 30 μm)；液體石蠟(國藥試劑化學(xué)純)；無水乙醇(國藥試劑分析純)；六青合鐵(Ⅲ)酸鉀(國藥試劑分析純)；氯化鉀(國藥試劑分析純)；磷酸(國藥試劑分析純)；氫氧化鈉(國藥試劑分析純)；2,4-二氯苯酚(上海 Aladdin 試劑公司)；磷酸緩沖溶液(PBS緩沖液)由磷酸氫二鉀(國藥試劑分析純)和磷酸二氫鉀(國藥試劑分析純)配制，制備不同的pH值可用一定濃度的磷酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)。材料ARPOP-1由課題組人員提供；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 電極的制備

碳糊電極制備的方法與文獻(xiàn)[20]報(bào)道方法相似。將石墨粉和液體石蠟的質(zhì)量比例為70%和30%徹底研磨，形成均勻的混合物。再將混合物裝入內(nèi)徑為3 mm的碳糊電極管腔中壓實(shí)后在稱量紙上拋光，用超純水洗凈后放置在PBS緩沖液中待用。

含修飾劑碳糊電極制備是先將ARPOP-1材料、石墨粉與液體石蠟分別按質(zhì)量比為4%、66%與30%稱取好后混合均勻，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中液體石蠟的質(zhì)量比保持為30%。其中，先使用少量乙醇將ARPOP-1材料和石墨粉充分混合，待乙醇揮發(fā)完全加入液體石蠟，將三者攪拌均勻后，填充入潔凈的碳糊電極管壓實(shí)、拋光，用超純水洗凈后放置在PBS緩沖液中待用，再次拋光能使ARPOP-1-CPE表面更新。

2.2.2 電極的活化

將三電極體系浸入0.4 mol L-1pH值= 8.0的PBS緩沖液溶液中，以100 mV/s的掃描速度在 -0.5 ～ 1.0 V的電位范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)掃描，直至CV曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。電極活化后，用超純水洗凈后待用。

2.2.3 電化學(xué)測試

活化的CPE或ARPOP-1-CPE作為工作電極，將三電極侵入10.0 mL含4 μmol L-12,4-DCP的0.4 mol L-1PBS緩沖液(pH值= 8.0)中，用SW-ASV在 -0.5 V電位下富集200 s，靜止2 s后由0.0 ～ 1.0 V正向掃描，記錄下二次微分溶出峰電流ip，每次測定結(jié)束后，用安培計(jì)時(shí)法于 +0.5 V處理電極240 s使電極表面重現(xiàn)。按照該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化，最后采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測定自來水及南湖水中2,4-DCP的含量。

2.2.4 樣品制備

取自來水樣及武漢市南湖水樣，兩種水樣均用0.22 μm過濾器過濾后配成含0.4 mol L-1PBS緩沖液(pH值= 8.0)，離心后取上層清液作為最終的測定水樣，進(jìn)行電化學(xué)檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 電極的循環(huán)伏安法表征

以1.0 mmol L-1K3[Fe(CN)6]作為氧化還原探針，0.1 mol L-1KCl做支持電解質(zhì)，分別將制好的CPE、ARPOP-1-CPE以三電極體系的形式浸在含有1.0 mmol L-1K3[Fe(CN)6]的0.1 mol L-1KCl溶液中，于0.8 ～ -0.2 V電位范圍內(nèi)進(jìn)行CV掃描，得到對應(yīng)的曲線。如圖1所示，CPE的CV曲線上有一對氧化還原峰，氧化峰電位大致是0.35 V，還原峰電位大約在0.12 V處，峰電位差值為230 mV，峰形較為對稱，說明該CPE具有較好的可逆性。ARPOP-1-CPE氧化峰電位大約為0.38 V，還原峰電位在0.1 V左右，較于CPE氧化還原電位沒有發(fā)生很大的變化，但峰電流增加，由此可以說明ARPOP-1-CPE的性能要優(yōu)于CPE。

圖1 CPE(a)與ARPOP-1-CPE(4%)(b)在含1.0 mmol L-1 K3[Fe(CN)6]的0.1 mol L-1 KCl溶液中的循環(huán)伏安圖

3.2 2,4-DCP分別在CPE與ARPOP-1-CPE上的電化學(xué)行為

文章采用SW-ASV探究4 μmol L-12,4-DCP分別在CPE及材料含量為4% ARPOP-1-CPE上的電化學(xué)行為，結(jié)果如圖2所示。曲線a為4 μmol L-12,4-DCP在CPE中的響應(yīng)情況，在0.35 V左右出現(xiàn)較不明顯的電流峰；曲線b為4 μmol L-12,4-DCP在ARPOP-1-CPE的響應(yīng)，0.35 V則出現(xiàn)較為明顯的電流峰。這表明工作電極中含具有吸附功能的ARPOP時(shí)，電極表面積累到大量的2,4-DCP，使2,4-DCP在0.35 V左右峰電位處有良好的響應(yīng)。

圖2 4 μmol L-1 2,4-DCP分別在CPE和ARPOP-1-CPE的SW-ASV圖

3.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

3.3.1 ARPOP-1含量的影響

根據(jù)石墨粉、液體石蠟及ARPOP-1質(zhì)量比制備不同比例的ARPOP-1-CPE，采用SW-ASV研究4 μmol L-12,4-DCP在電極上的峰電流響應(yīng)。如圖3所示，隨著ARPOP-1含量的增加，氧化峰值電流值隨之增加。當(dāng)ARPOP-1含量大于4% 時(shí)，CPE承受ARPOP-1會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和狀態(tài)，吸附2,4-DCP的能力就會(huì)達(dá)到上限。除此之外，ARPOP-1不具備導(dǎo)電能力，石墨粉的導(dǎo)電能力也會(huì)隨著ARPOP-1含量的增加而降低，也就導(dǎo)致了氧化峰值電流降低。因此，選取含量為4% 作為ARPOP-1最佳的比例。

圖3 ARPOP-1含量對4 μmol L-1 2,4-DCP峰電流的影響

3.3.2 溶液攪拌速率的影響

圖4 溶液攪拌速率對4 μmol L-1 2,4-DCP峰電流的影響

預(yù)富集過程中，需要通過攪拌使溶液中的2,4-DCP在短時(shí)間內(nèi)集中到ARPOP-1-CPE表面，以提高ARPOP-1對4 μmol L-12,4-DCP的吸附效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件將溶液攪拌轉(zhuǎn)速范圍定為125 ～ 625 r/rpm。如圖2.4，當(dāng)攪速從100 r/rpm增加到500 r/rpmn時(shí)，峰電流逐漸增大?？墒钱?dāng)達(dá)到625 r/rpm，攪速過快會(huì)導(dǎo)致2,4-DCP未能及時(shí)地充分地積累到ARPOP-1-CPE表面，達(dá)不到對4 μmol L-12,4-DCP的最大吸附容量。所以，選取500 r/rpm作為最佳攪拌速率。

3.3.3 富集電位的影響

文章還考察富集電位對4 μmol L-12,4-DCP氧化峰電流的影響。由圖5可知，富集電位為 -0.5 V時(shí)峰電流響應(yīng)值最高。富集電位大于 -0.5 V時(shí)，ARPOP-1-CPE的電位還不能夠引發(fā) 2,4-DCP的富集效果，而富集效果主要是2,4-DCP在擴(kuò)散過程中的負(fù)電位決定的，電位越負(fù)富集效率越高，但當(dāng)電位小于 -0.5 V時(shí)，水相中有氫氣析出，影響ARPOP-1-CPE表面與溶液的接觸效果及對2,4-DCP的吸附能力。

圖5 富集電位對4 μmol L-1 2,4-DCP峰電流的影響

3.3.4 富集時(shí)間的影響

富集時(shí)間可以改善電極表面吸收的物質(zhì)量，從而提高檢測2,4-DCP的靈敏度，降低檢出限。隨著富集時(shí)間的增加，4 μmol L-12,4-DCP的氧化峰電流逐漸增加，當(dāng)達(dá)到120 s時(shí)峰電流值達(dá)到最大。隨著預(yù)富集時(shí)間的增加，峰電流值降低，表明在120 s時(shí)2,4-DCP在ARPOP-1-CPE上的富集達(dá)到飽和?？紤]時(shí)效性，選擇120 s作為最佳富集時(shí)間。

圖6 富集時(shí)間對4 μmol L-1 2,4-DCP峰電流的影響

3.3.5 PBS緩沖液pH值的影響

pH是影響電化學(xué)傳感器電化學(xué)行為的重要因素之一。因而，考察了0.4 mol L-1PBS緩沖液pH值在4.0至9.0范圍內(nèi)的影響。結(jié)果如圖7所示。在pH值= 8.0時(shí)達(dá)到了2,4-DCP的最大電流和良好的峰形。當(dāng)pH值超過8.0時(shí)，觀察到峰電流降低，這種現(xiàn)象可歸因于較高濃度的OH- 可以取代2,4-DCP分子到達(dá)ARPOP-1-CPE表面的吸附位點(diǎn)。所以，根據(jù)ARPOP-1-CPE對2,4-DCP測定的敏感性，選擇0.4 mol L-1PBS緩沖液的pH值為8.0。

圖7 PBS緩沖液 pH值對4 μmol L-12,4-DCP峰電流的影響

3.4 分析方法的評價(jià)

3.4.1 ARPOP-1-CPE的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

每當(dāng)樣品檢測結(jié)束后，用 +0.5 V的安培i-t曲線法將累積在ARPOP-1-CPE表面的2,4-DCP還原到溶液當(dāng)中，電極表面以電化學(xué)的方式達(dá)到更新。為了考究ARPOP-1-CPE的重現(xiàn)性，在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，使用同一支ARPOP-1-CPE對4 μmol L-12,4-DCP進(jìn)行SW-ASV掃描，平行測定11次，氧化峰電流的信號值如表1所示，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為2.58%，測定結(jié)果是比較精確的，ARPOP-1-CPE重現(xiàn)性較為良好。

將ARPOP-1-CPE置于室溫當(dāng)中保存20天，20天后重復(fù)以上的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。經(jīng)計(jì)算，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為3.82%，說明ARPOP-1-CPE傳感器穩(wěn)定性良好。

表1 ARPOP-1-CPE的方法重現(xiàn)性

表2 ARPOP-1-CPE傳感器穩(wěn)定性

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

采用SW-ASV研究了在ARPOP-1-CPE上2,4-DCP的氧化峰電流及其濃度的關(guān)系，圖8所示。2,4-DCP的濃度從0.2 μmol L-1增加到20.0 μmol L-1，氧化峰電流隨之增大，與峰電流呈線性關(guān)系。其線性方程為：Ipa/μA = 0.4895c/μmol L-1+ 0.1805(R2= 0.9991)。實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，重復(fù)測定空白溶液11次，依照空白的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算出方法的檢出限為0.073 μmol L-1。

圖8 ARPOP-1-CPE測定不同濃度2,4-DCP在0.4 mol L-1 pH值= 8.0 PBS緩沖液中的 SW-ASV曲線圖

3.4.3 實(shí)際樣品分析

ARPOP-1-CPE傳感器在最佳的條件下分別測定自來水樣及南湖水樣中2,4-DCP。水樣經(jīng)處理后，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行測定。在相同條件下平行測定三次，結(jié)果如表3所示。自來水中2,4-DCP在不同加標(biāo)濃度下的回收率在86.35% 至102.18% 之間；南湖水2,4-DCP的加標(biāo)回收率為88.10% ～ 98.94%。兩種水樣的RSD基本上小于5%，表明該方法在不同基質(zhì)的樣品分析中具有很大潛力。

表3 水樣中2,4-DCP的回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

文章將含氮多孔有機(jī)聚合物ARPOP-1與碳糊電極結(jié)合，制備了一種用于檢測2,4-DCP的簡單靈敏的電化學(xué)傳感器ARPOP-1-CPE。研究結(jié)果顯示，當(dāng)碳糊電極中添加具有吸附功能的修飾劑富集2,4-DCP，2,4-DCP的氧化峰電流響應(yīng)顯著增強(qiáng)，這可歸因于ARPOP-1對2,4-DCP有高的吸附容量。另外，ARPOP-1-CPE傳感器具有寬線性范圍、高靈敏度、低檢出限，以及良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)際水樣定量分析的結(jié)果表明，ARPOP-1-CPE傳感器能夠測定真實(shí)水樣中的氯酚。ARPOP-1所具有的特性可以使ARPOP-1成為電化學(xué)分析中的吸附材料，益于擴(kuò)展電化學(xué)的應(yīng)用范圍。