空心海膽狀MnO2比色法測定對苯二酚

劉 涵，劉占全，鄭學芳

(河北科技師范學院化學工程學院，河北 秦皇島，066600)

對苯二苯酚(HQ)作為重要的有機原料之一，在工業、化妝品、染料和農藥等領域應用十分廣泛[1～3]，但是其具有的高毒性和低降解性等缺點也極大的限制了其實際應用。因此，在自然環境中關于HQ含量的檢測具有重要意義。目前為止，檢測HQ的方法主要有液相色譜法[4]、熒光分析法[5]、分光光度法[6]和電化學分析法[7]。與上述方法相比，比色檢測法因具有操作簡單、成本低和實用性強等優點，引起了人們的廣泛關注[8,9]。通常，它是利用肉眼可見的顏色變化來對某一物質的含量進行檢測的，從而避免了昂貴儀器的使用和復雜的操作。近年來，二氧化錳(MnO2)愈加被廣泛研究得益于其表現出了優異的模擬酶性能[10,11]，被廣泛應用于比色檢測當中。MnO2能夠有效的將酶底物3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)氧化為相應的藍色產物氧化型四甲基聯苯胺(oxTMB)，其能夠和HQ發生氧化還原反應，從而引起顏色的變化。基于上述研究現狀，筆者通過簡便的水熱法，制備了一種具有模擬氧化酶特性的空心海膽狀MnO2，考察了其在氧化TMB顯色反應中的催化性能，并對其反應條件進行了探索優化。期望建立一種快速、靈敏的針對HQ含量檢測的新方法，為水生生態系統中污染物濃度的檢測提供新思路。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

對苯二酚(HQ)，高錳酸鉀(KMnO4)，一水合硫酸錳(MnSO4·H2O)，濃硫酸，3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)，磷酸氫二鈉，檸檬酸，乙醇試劑均為分析純，試驗用水均為蒸餾水。

1.2 制備工藝

稱取0.468 6 g KMnO4和0.072 8 g MnSO4·H2O，分別加入10.0 mL水配成溶液，然后將兩溶液混合均勻并攪拌10 min，再往混合溶液中加入1.0 mL濃度為18.4 mol/L的濃硫酸，攪拌10 min，轉移至50 mL的反應釜中，在160 ℃±5 ℃下反應12 h。反應完后，冷卻靜置，用去離子水和無水乙醇清洗，離心，保留沉淀，經60 ℃烘箱干燥，得到最終產物。

1.3 表征手段

本次實驗中所有制備的樣品進行了下列測試(所有測試都是在室溫下進行)：

(1) D/MAX2500TC型X射線衍射儀(日本理學公司生產，X-ray diffraction，XRD，采用Cu靶，工作條件為40 kV，200 mA，波長為0.154 06 nm)分析樣品的物相。

(2) SU8010型掃描電子顯微鏡(日本日立公司生產)觀測樣品的形貌。

(3) H-7650型透射電子顯微鏡(日本日立公司生產)觀測樣品的內在形貌。

(4) FT-IR8900傅里葉變換紅外光譜儀(日本日立公司生產)測定樣品的官能團，測量范圍為4 000～400 cm-1。

(5)Thermo escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀(美國Thermo Fisher Scientific公司生產)研究材料的元素組成和化合價態。

1.4 MnO2催化性能研究

在4 mL離心管中，用移液槍依次加入1.9 mL不同pH (2.2～8.0)的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液、0.05 mL 8 mmol/L的TMB乙醇溶液及 0.05 mL不同濃度MnO2，反應5 min后，在652 nm波長下測定其吸光度或者吸收光譜。

1.5 HQ的測定

在4 mL離心管中，用移液槍依次加入1.85 mL pH 4的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液、0.05 mL不同濃度的HQ溶液、0.05 mL MnO2濁液(最終濃度為115 μmol/L)及0.05 mL 8 mmol/L的TMB乙醇溶液，35 ℃下反應孵育5 min后，在652 nm波長下測定其吸光度或者吸收光譜。

2 結果與分析

2.1 物相分析

XRD結果表明，合成的樣品的XRD譜圖與JCPDS 44-0141 (MnO2)標準卡片的峰型和峰位置基本一致(圖1)，且峰形尖銳，沒有出現雜質峰。幾個主要衍射峰的位置2θ=12.78°，18.10°，28.84°，37.52°，41.96°，49.86°，60.27°，69.71°，分別與晶面(110)，(210)，(310)，(211)，(301)，(411)，(521)，(541)對應良好。說明成功地合成了物相純凈的MnO2樣品。

圖1 MnO2的XRD譜圖

2.2 FESEM與TEM分析

FESEM形貌分析表明，樣品為形貌均勻的空心海膽狀(圖2(a))。從局部放大圖可以看出，空心海膽的直徑約為5 μm(圖2(b))。從TEM圖中也可以看出，樣品為空心海膽狀(圖2(c))，海膽空心球的直徑約1 μm，海膽長刺約為2 μm。X射線能譜(EDS)分析結果表明，樣品由Mn (64.21%)和O (35.80%)組成(圖2(d))，質量比非常接近55∶32的理論值，表明成功制備了MnO2樣品。

圖2 MnO2 的FESEM和TEM分析結果(a) FESEM圖；(b) FESEM圖的局部放大圖；(c) TEM圖；(d) EDS圖

2.3 FT-IR分析

FT-IR結果表明，MnO2的IR圖譜峰型和峰位置與文獻報道基本一致[12](圖3)。在456，518 cm-1處可觀察到Mn—O的伸縮振動峰，3 432和1 629 cm-1處的峰歸因于羥基(—OH)的伸縮振動。

圖3 MnO2的FT-IR圖

2.4 XPS分析

XPS研究了MnO2的化學組成和價態。XPS分析結果表明，合成的樣品中存在Mn和O兩種元素(圖4(a))。樣品的Mn 3s XPS分析結果顯示，Mn 3s的特征峰位于84.5，89.7 eV處，且4.8 eV的自旋能量分離表明，Mn的氧化態主要為Mn4+(圖4(b))。Mn 2p的XPS圖譜顯示了Mn 2p1/2和Mn 2p3/2在654.5，642.3 eV處有兩個特征峰，表明樣品中錳元素的化學態為Mn4+，與Mn 3s的結果吻合良好(圖4(c))。O 1s XPS圖譜可以擬合為兩個峰，分別位于530.3，531.8 eV附近，對應于金屬氧化物(M—O)的晶格氧(Olatt)和從羥基到金屬(M—OH)表面的吸附氧(Oads) (圖4(d))。

圖4 MnO2的總掃描(a)，Mn 3s(b)，Mn 2p(c)和O 1s(d)的XPS圖譜

2.5 MnO2類酶催化性能

研究了MnO2材料對特征底物TMB的催化性能。紫外可見吸收光譜分析結果表明(圖5(a))未加入催化劑(曲線a)，溶液為無色，在652 nm處無吸收峰。加入催化劑后(曲線b)，溶液變為藍色，且在652 nm 處有特征吸收峰，說明MnO2可以作為氧化酶催化TMB發生氧化反應，生成oxTMB。本實驗還分別考察了溫度、pH以及MnO2濃度對MnO2催化氧化TMB的影響。改變反應溫度可以看出，MnO2材料在較寬的溫度范圍內均可以催化TMB，且在35 ℃條件下具有最高的相對活性，說明35 ℃條件更適合其催化TMB(圖5(b))。隨著反應體系pH的變化，表明在酸性環境中的催化性能比中性和堿性環境中的好，表明H+有助于加快反應，但H+離子濃度過大也會抑制催化反應，在pH 4的反應體系中催化能力最強(圖5(c))。隨著反應體系pH的變化，在35 ℃，pH 4反應5 min的條件下，隨著催化劑濃度的升高，TMB的氧化反應程度增大，且當催化劑濃度為115 μmol/L時，TMB反應的程度不再增加，說明115 μmol/L是反應體系的最佳濃度(圖5(d))。

圖5 MnO2對特征底物TMB的催化性能(a)，加入MnO2催化劑前后的TMB的紫外吸收光譜；(b)，溫度對MnO2催化氧化TMB的影響； (c)，pH對MnO2催化氧化TMB的影響；(d)，催化劑濃度對MnO2催化氧化TMB的影響

2.6 HQ的測定

設計了一個由空心海膽MnO2和TMB組成的簡便比色檢測法，并將其用于HQ的檢測。分析結果表明，隨著HQ濃度的增加，反應體系吸光度逐漸降低，表明吸光度與HQ濃度有關(圖6(a))。吸光度與HQ濃度的線性擬合方程為y=-0.011x+0.844，相關系數為0.997，線性關系良好(圖6(b))。這表明空心海膽MnO2和TMB反應體系在線性范圍為5～30 μmol/L內可以很好的檢測HQ的濃度。

圖6 加入不同濃度HQ對MnO2催化TMB的影響 (a)，加入不同濃度HQ的紫外吸收光譜；(b)，加入不同濃度HQ吸光度的線性關系

3 結 論

本次研究通過簡便的水熱法，合成了具有類似氧化酶催化活性的空心海膽狀MnO2微球，研究了其在氧氣存在下對特征底物TMB的催化氧化性能，考察了溫度、pH以及催化劑濃度對類酶催化反應的影響，確定了最佳反應條件，HQ的存在會導致反應體系的吸光度減小，藍色逐漸褪去。在此基礎上，建立了檢測HQ的新方法，其線性關系介于5～30 μmol/L之間。