β-環糊精功能化石墨烯修飾電極同時測定鄰硝基苯酚與對硝基苯酚

鄧培紅，梁姣麗，陳冬兒，蔡 芬，黎秋燕，王 婷

(衡陽師范學院 化學與材料科學學院 功能金屬有機化合物湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421008)

鄰硝基苯酚(o-Nitrophenol,o-NP)和對硝基苯酚(p-Nitrophenol,p-NP)作為重要的化工原料廣泛地應用于炸藥、染料、醫藥等精細化工行業，但它們是一種很難生物降解的物質，有強烈的致癌作用，應用時會產生大量的廢水。聯合國環境保護總署已將其列入“優先控制污染物名單”，并規定其在水中的最大濃度應小于10 ng/L[1]。因此，建立簡單、快速、準確的同時檢測o-NP和p-NP的方法對保護環境和人類健康具有重要意義。目前測定硝基苯酚的常用方法有流動注射分析法[2]、光譜分析法[3]、高效液相色譜法[4]和毛細管電泳法[5]。這些方法大多操作繁瑣、儀器昂貴、分析成本高。電化學分析方法具有操作簡單、響應快速、靈敏度高等優點，且儀器價格低廉、體積小，有利于現場監測。硝基苯酚具有電化學活性，利用化學修飾電極單獨測定o-NP和p-NP已有不少文獻報道，如室溫離子液體修飾碳糊電極[6]、 介孔二氧化硅修飾碳糊電極[7]、羥基磷灰石修飾碳糊電極[8]、蒙脫石鈉-蒽醌修飾玻碳電極[9]、多孔納米金修飾電極[10]、分子印跡聚合物修飾碳糊電極[11]、石墨烯修飾絲網印刷電極[12]、銪離子摻雜類普魯士藍化學修飾玻碳電極[13]、納米銀/聚多巴胺修飾玻碳電極[14]等。但由于o-NP和p-NP為同分異構體，結構和化學性質相似，導致響應信號重疊，很難實現兩者的同時測定。國外有少量研究利用氧化峰同時測定o-NP和p-NP[15-19]，但測定的線性范圍較窄，且檢出限較高。

本文以石墨烯為傳感材料，利用β-環糊精良好的客體識別和富集能力，制備β-環糊精功能化石墨烯修飾玻碳電極(β-CD-GR/GCE)，首次在該電極上利用還原峰同時測定o-NP和p-NP。該方法具有響應快速、準確度和靈敏度高，且電極制備簡單、價格低等優點，應用于環境水樣中o-NP和p-NP的同時測定，結果滿意。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660D電化學工作站(上海辰華儀器公司)；JP-303E型極譜分析儀(成都儀器廠)；三電極體系：β-CD-GR/GCE(Φ=3 mm)為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑片電極為對電極。SH2601精密酸度計(上海大普儀器有限公司)；超聲波清洗機(寧波海曙科生超聲設備公司)；掃描電子顯微鏡(EVO18,德國蔡司ZEISS)。

石墨粉、水合肼溶液(80%)、對硝基苯酚、鄰硝基苯酚購自國藥集團化學試劑有限公司；H2SO4、HCl、KMnO4、NaNO3、H2O2(30%)購自天津大茂化學試劑廠。所有試劑均為分析純，實驗用水為高純去離子水。

1.2 修飾電極的制備

玻碳電極(GCE)依次用0.3 μm和 0.05 μm 的氧化鋁粉末在麂皮上打磨拋光成鏡面，用水沖洗后依次用HNO3(體積比1∶1)、乙醇和水超聲清洗，自然干燥備用。

氧化石墨參照文獻[20]制備，通過超聲剝離可得到金黃色的氧化石墨烯膠體。在一圓底燒瓶中加入80 mg的β-CD和10 mL 1 mg/mL的氧化石墨烯(GO)，攪拌下加入15 μL水合肼和80 μL 25%氨水溶液，于95 ℃水浴中反應1 h，得β-環糊精功能化石墨烯(β-CD-GR)懸濁液。用微量注射器移取5 μL該懸濁液滴于GCE表面，紅外燈下烘干即得β-CD-GR/GCE。不加β-CD按上述同法制備石墨烯修飾電極(GR/GCE)用于對比試驗。

1.3 實驗方法

取一定量的o-NP或p-NP或兩者的混合溶液于電解池中，加入適量 HCl溶液，以GCE或GR/GCE或β-CD-GR/GCE為工作電極，于-0.1 V下攪拌富集60 s，以100 mV/s的速率從-0.1 V掃描至-0.8 V，記錄二階導數線性掃描伏安圖。每次掃描結束后，將修飾電極置于空白底液中掃描至無峰，用水淋洗后濾紙吸干，即可再用。

2 結果與討論

2.1 GR及β-CD-GR的形貌表征

采用掃描電子顯微鏡對GR和β-CD-GR的形貌進行了表征。圖1A是GR的掃描電鏡圖(SEM)，可見大面積的塊狀結構，這是因為結構完整的GR表面呈惰性，與其他物質的相互作用弱，并且GR片層之間存在較強的范德華力，在水溶液中不穩定，易發生聚集甚至沉淀。圖1B為β-CD-GR的SEM圖，可看到大量GR特有的褶皺結構。這是由于GO含有大量的羧基和羥基等含氧基團，在分子間作用力下易與β-CD結合，由于β-CD具有外親水作用，還原后表面負載大量β-CD分子的GR可以在水介質中長時間穩定存在。

圖1 GR(A) 和 β-CD-GR(B)的掃描電鏡圖 Fig.1 SEM images of GR(A) and β-CD-GR(B)

2.2 修飾電極的電化學性能表征

采用電化學阻抗譜(EIS)和循環伏安圖(CV)表征了不同電極表面的修飾狀態。圖2A為以5.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-為探針，不同電極在0.10 mol/L KCl 底液中的EIS圖譜。EIS 的半圓直徑代表電極表面電子轉移阻抗(Ret) 的相對大小。從圖2A 可見，裸GCE(曲線a)上未出現明顯的半圓形電子阻抗譜，說明Ret很小，電極過程主要受到擴散步驟控制。而在GR/GCE(曲線b)和β-CD-GR/GCE(曲線c)上于高頻區出現代表電化學極化的半圓型Ret阻抗，低頻區出現代表濃差極化的直線型Warburg 阻抗。其中β-CD-GR/GCE上的Ret較小，說明β-CD-GR 較GR有更強的電子傳遞性能。雖然環糊精的加入會導致石墨烯的導電能力變弱，但由于環糊精具有環內疏水環外親水的特性，將環糊精引入石墨烯表面后可以提高石墨烯在水溶液中的穩定性和分散性，這種高分散性能使得制備的納米復合膜能與電極表面結合更緊密，從而提高了復合薄膜修飾電極的電子傳遞速率和催化性能。

圖2B為5.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-探針分子在不同電極上的循環伏安圖。由圖2B可見，探針離子在β-CD-GR/GCE(c)上的氧化還原峰電流最大，循環伏安曲線的變化說明β-CD-GR納米復合膜成功地修飾在電極表面，也表明β-CD的加入能提高電子在復合薄膜修飾電極上的轉移速率。

圖2 裸GCE(a)、GR/GCE(b)和β-CD-GR/GCE(c)在5.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-+0.10 mol/L KCl 底液中的交流阻抗圖(A)和循環伏安圖(B)Fig.2 Alterating current impedance spectra(A) and cyclic voltammograms(B) of GCE(a),GR/GCE(b) and β-CD-GR/GCE(c) in 0.10 mol/L KCl containing 5.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-

2.3 o-NP和p-NP在β-CD-GR/GCE上的電化學行為

圖3 為o-NP、p-NP及兩者的混合溶液(濃度均為1.0×10-5mol/L)在GCE(a)、GR/GCE(b)和β-CD-GR/GCE(c) 上的循環伏安圖。由圖3A和B可見，o-NP和p-NP在GCE、GR/GCE、β-CD-GR/GCE上分別產生一還原峰，反掃時無對應的氧化峰，說明o-NP和p-NP的電化學過程均為不可逆過程。通過比較可知，o-NP和p-NP在β-CD-GR/GCE上的電流響應明顯高于GCE和GR/GCE，且峰電位正移。圖3C為o-NP和p-NP混合溶液在不同電極上的循環伏安圖，o-NP和p-NP混合溶液在GCE上出現一弱而寬的還原峰，說明o-NP和p-NP的還原峰相互重疊，無法同時測定。在GR/GCE上，o-NP和p-NP的還原電流明顯增加，但兩者的還原峰仍不能完全分離。而在β-CD-GR/GCE可見兩個明顯的還原峰，兩峰電位差為70 mV。說明β-CD和GR的協同作用催化了o-NP和p-NP在電極表面的還原反應。一方面由于環糊精具有環內疏水環外親水的特性，硝基苯酚類物質通過與環糊精形成超分子包合物可以富集到電極表面；另一方面，石墨烯具有大的表面積、優良的導電性和電催化性能，兩種材料的協同作用使o-NP和p-NP在β-CD-GR/GCE上的還原電流大大增加，從而實現對o-NP和p-NP的靈敏檢測。

圖3 1.0×10-5 mol/L o-NP(A)、1.0×10-5 mol/L p-NP(B) 和 1.0×10-5 mol/L o-NP+1.0×10-5 mol/L p-NP(C)在0.05 mol/L HCl中于不同電極上的循環伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of 1.0×10-5 mol/L o-NP(A),1.0×10-5 mol/L p-NP(B) and 1.0×10-5 mol/L o-NP+1.0×10-5 mol/L p-NP(C) in 0.05 mol/L HCl at different electrodesa:bare GCE,b:GR/GCE，c:β-CD-GR/GCE；scan rate:0.1 V/s

二階導數線性掃描伏安法具有背景電流小、信噪比高、分辨率好等優點。采用二階導數線性掃描伏安法研究了o-NP、p-NP及兩者的混合溶液(濃度均為1.0×10-5mol/L)在GCE(a)、GR/GCE(b)和β-CD-GR/GCE(c) 上的伏安行為，結果如圖4所示。由圖4A可見，o-NP在GCE上產生一弱的還原峰，峰電位為-420 mV，峰電流為3.680 μA。在GR/GCE上，峰電流增大(Ip=9.776 μA)，峰電位正移至-314 mV。在β-CD-GR/GCE上，o-NP的還原峰電位進一步正移至-310 mV，峰電流增至23.95 μA。與裸GCE和GR/GCE相比，峰電流分別增加了6.5倍和2.4倍，說明β-CD-GR/GCE充分發揮了β-CD和GR的協同效應，顯著提高了測定o-NP的靈敏度。由圖4B可見，p-NP在-526 mV產生一弱還原峰，峰電流較小(0.875 1 μA)，而在GR/GCE電極上p-NP于-382 mV產生一峰形尖銳的還原峰，峰電流增至16.90 μA；在β-CD-GR/GCE上，p-NP在-380 mV處產生一更靈敏的還原峰，峰電流為29.95 μA，與裸GCE和GR/GCE相比，峰電流分別增加了34倍和1.8倍，說明β-CD-GR/GCE也可以大大提高檢測p-NP的靈敏度。由圖4C可見，在相同條件下，o-NP和p-NP混合溶液在GCE上響應信號重疊，在-536 mV處只產生1個弱而寬的還原峰。在GR/GCE上，o-NP和p-NP的還原峰分離不完全，峰電位分別為-345 mV和-392 mV，兩峰峰電位差為47 mV。而在β-CD-GR/GCE上o-NP和p-NP的還原峰電位分別為-312 mV和-382 mV，兩峰峰電位差增大至70 mV，可完全分離。同時，與GR/GCE相比，o-NP和p-NP的峰電流也分別增至26.05 μA和35.01 μA,說明β-CD-GR/GCE對o-NP和p-NP的還原呈現良好的電催化活性和增敏作用。

2.4 電極機理研究

采用循環伏安法研究掃描速率對o-NP和p-NP峰電流和峰電位的影響，結果發現，當掃描速率在0.03～0.3 V/s之間變化時，o-NP和p-NP的峰電流(μA)與掃描速率(V/s)均呈良好的線性關系，線性方程分別為Ip=101.11v+1.891 5 和Ip=196.9v+0.136 6，相關系數分別為0.998 2和0.997 6，說明o-NP和p-NP在修飾電極上的電化學過程均為吸附控制。

對于受吸附控制的完全不可逆過程，根據Laviron理論[21]，峰電位和掃描速率遵循如下關系：

Ep=E0′+(RT/αnF) ln(RTk0/αnF)+(RT/αnF) lnv

(1)

式中,α是電子轉移系數；k0代表標準速率常數；n為參加反應的電子數；v為掃描速率；E0′代表電位。實驗表明o-NP和p-NP的還原峰電位均隨著掃描速率的增加而負移，且峰電位(E)與lnv呈線性關系，線性方程分別為Ep=0.024 6lnv-0.509(r=0.993 9)和Ep=0.022lnv-0.431 5(r=0.992 2)。由dEp/dlnv=RT/(αnF)=0.024 6，得到αn為1.04。對于完全不可逆電極過程，α通常為0.5，因此參與o-NP還原的電子數約為2。同理，由dEp/dlnv=RT/(αnF)=0.022可得到αn為1.16，因此參與p-NP還原的電子數也約為2，與文獻報道一致[6-7]。

圖4 1.0×10-5 mol/L o-NP(A)、1.0×10-5 mol/L p-NP(B)與1.0×10-5 mol/L o-NP+1.0×10-5 mol/L p-NP(C) 在0.05 mol/L HCl中的二階導數線性掃描伏安圖Fig.4 Second-order derivative linear scan voltammograms of 1.0×10-5 mol/L o-NP(A),1.0×10-5 mol/L p-NP(B) and 1.0×10-5 mol/L o-NP+1.0×10-5 mol/L p-NP(C) in 0.05 mol/L HCl curve a:GCE,b:GR/GCE，c:β-CD-GR/GCE)；accumulation potential:-0.1 V,accumulation time:60 s,scan rate:0.1 V/s

2.5 實驗條件的優化

2.5.1底液的影響研究了不同底液如HAc-NaAc、HAc-NH4Ac、H3PO4、HCl、H2SO4、KHP、(CH2)6N4-HCl、PBS(濃度均為0.1 mol/L)對o-NP和p-NP峰電位及峰電流的影響。實驗發現，在HCl底液中o-NP和p-NP的峰電流最大，分離效果最好。考察了HCl底液濃度對o-NP和p-NP峰電流的影響，結果表明，當HCl濃度從0.01 mol/L增至0.05 mol/L時，o-NP和p-NP的峰電流逐漸增大，當HCl濃度大于0.05 mol/L后，o-NP和p-NP的峰電流反而減小。故實驗選擇HCl底液的最佳濃度為0.05 mol/L。

2.5.2富集電位及富集時間的影響由于o-NP和p-NP吸附于電極表面，故富集條件對o-NP和p-NP的峰電流有較大影響。在-0.2～0.3 V范圍內改變富集電位，實驗發現，隨著富集電位的正移，o-NP和p-NP的峰電流增大，當富集電位在-0.1～0.0 V范圍內，o-NP和p-NP的峰電流達到最大值，當富集電位大于0.0 V時，o-NP和p-NP的峰電流反而減小。實驗選擇最佳富集電位為-0.1 V。研究不同富集時間對1×10-5mol/Lo-NP和p-NP峰電流的影響，發現隨著富集時間的增長，o-NP和p-NP的峰電流也隨之增大，當富集時間達60 s時，峰電流不再增大，表明已達到吸附平衡。實驗選擇富集時間為60 s。

2.6 干擾實驗

2.7 電極的重現性與穩定性

按相同方法制備6支β-CD-GR/GCE，分別對o-NP和p-NP(濃度均為1.0×10-5mol/L)進行檢測，測得其相對標準偏差(RSD)分別為4.2%和3.8%，表明該修飾電極具有較好的重現性。在相同條件下，采用同一支β-CD-GR/GCE分別對上述o-NP和p-NP溶液連續測定7次，RSD分別為0.69%和0.53%，表明該修飾電極具有很好的重復性。將β-CD-GR/GCE干態室溫下保存15 d，每隔1 d重復測定1次，記錄o-NP和p-NP的峰電流，RSD分別為4.7%和3.2%，表明該修飾電極具有較好的穩定性。

2.8 線性范圍與檢出限

在最佳條件下，以β-CD-GR/GCE為工作電極，在0.05 mol/L HCl溶液中，用二次導數線性掃描伏安法對o-NP和p-NP進行同時檢測。圖5A為固定p-NP 濃度為1.0×10-5mol/L，不同濃度o-NP 的二次導數線性掃描伏安圖。從圖可看出，o-NP 的峰電流(Ip,μA)與其濃度(c,μmol/L)在 2.0×10-7～1.0×10-5mol/L范圍內呈良好的線性關系(圖5A插圖)，回歸方程為Ip=2.447 8c-0.813 6，相關系數(r)為0.995 8，檢出限(S/N=3)為8.0×10-8mol/L。圖5B為固定o-NP濃度為1.0×10-5mol/L時，不同濃度p-NP 的二次導數線性掃描伏安圖。p-NP的峰電流(Ip,μA)與其濃度(c,μmol/L)在6.0×10-8～1.0×10-5mol/L范圍也呈良好的線性關系(圖5B 插圖)，回歸方程為Ip=3.189 9c+1.310 6，r=0.999 2，檢出限(S/N=3)為2.0×10-8mol/L。與其它同時測定o-NP和p-NP的電化學方法[15-19]相比(表1)，除環糊精功能化介孔硅修飾電極[16]外，本方法報道的檢出限均低于其它文獻，且方法檢測的線性范圍寬、電極制備簡單、響應快速。

圖5 在1.0×10-5 mol/L p-NP 存在時，不同濃度 o-NP在 β-CD-GR/GCE的二階導數線性掃描伏安曲線(A)以及在1.0×10-5 mol/L o-NP 存在時，不同濃度 p-NP在 β-CD-GR/GCE的二階導數線性掃描伏安曲線(B)Fig.5 Second-order derivative linear scan voltammetric curves of β-CD-GR/GCE for different concentrations of o-NP in the presence of 1.0×10-5 mol/L p-NP(A),and second-order derivative linear scan voltammetric curves of β-CD-GR/GCE for different concentrations of p-NP in the presence of 1.0×10-5 mol/L o-NP(B) A：o-NP concentration(a-f)：1,2,4,6,8,10 μmol/L，insert:relationship between peak current and o-NP concentration；

表1 不同修飾電極同時測定對硝基苯酚和鄰硝基苯酚的性能比較Table 1 Performances comparison of different modified electrodes for simultaneous determination of o-nitrophenol and p-nitrophenol

a： differential pulse voltammetry;b：derivative linear sweep voltammetry;c：ordered mesoporous carbons modified glassy carbon electrode;d：β-cyclodextrin functionalized mesoporous silica modified carbon paste electrode;e： multi-walled carbon nanotubes modified glassy carbon electrode;f：nano-gold modified glassy carbon electrode;g： single wall nanotubes-poly(4-aminopyridine) modified glass carbon electrode

2.9 樣品分析

將本方法用于當地自來水、河水和工業廢水的檢測。各取水樣 50 mL,靜置30 min后過濾,取5 mL 濾液于電解池中，加入0.5 mL 1.0 mol/L HCl溶液,加水稀釋至10 mL。測定結果表明,所取水樣中均未檢出o-NP和p-NP,可能是水樣中不含o-NP和p-NP或其含量均低于該方法的檢出限。在自來水、河水和工業廢水中加入一定量的o-NP和p-NP進行回收率試驗(表2)，測得o-NP和p-NP的回收率分別為97.0%～106.5%和98.2%～104.0%，表明該方法可用于實際水樣的測定。

表2 水樣中o-NP 和p-NP的測定結果(n=4)Table 2 Determination results for o-NP and p-NP in water samples(n=4)

*average±confidence interval,the confidence level is 95%

3 結 論

本文采用β-環糊精功能化石墨烯為修飾劑制得β-CD-GR/GCE，運用循環伏安法和二階導數線性掃描伏安法研究了o-NP和p-NP在該修飾電極上的電化學行為，并優化了測試條件。研究結果表明，β-CD-GR/GCE對o-NP和p-NP有較好的電催化活性和電分離作用，o-NP和p-NP無需經過預分離即可被同時檢出。與其它文獻報道的電化學檢測方法相比，該方法響應迅速，線性范圍寬，檢出限低，應用于環境水樣中o-NP和p-NP的同時測定，結果滿意。

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