一种基于纳米氧化铝/石墨烯复合膜修饰的对硫磷电化学传感器

宋　斌，徐俊晖，王亚珍*（江汉大学　a.光电化学材料与器件省部共建教育部重点实验室，湖北　武汉　430056；.化学与环境工程学院，湖北　武汉　430056）

一种基于纳米氧化铝/石墨烯复合膜修饰的对硫磷电化学传感器

宋斌a，b，徐俊晖b，王亚珍*a，b
（江汉大学a.光电化学材料与器件省部共建教育部重点实验室，湖北武汉430056；b.化学与环境工程学院，湖北武汉430056）

摘要：制备了一种纳米氧化铝/石墨烯（Al2O3/Gr）复合膜修饰的对硫磷电化学传感器，用电子扫描显微技术（SEM）表征了复合膜的表面形貌，用循环伏安法研究了对硫磷（PT）在复合膜及单层膜修饰的电极表面的电化学行为。研究表明：在pH为5.2的醋酸缓冲液中开路富集2.5 min时，PT的还原峰电流最大。在优化实验条件下，PT的还原峰电流ipc与其浓度在0.05～60 μM范围内呈良好线性关系，线性回归方程为ipc（μA）=5.666+0.693 7 c （μM），R =0.996 4，检测限可达20 nM（S / N =3）。该传感器稳定性好、重现性佳，且具有一定抗干扰能力。用加标回收法测量新鲜小白菜样品中PT含量，回收率在94.5％～101.0％，结果令人满意。

关键词：石墨烯（Gr）；纳米Al2O3；对硫磷；电化学传感器

有机磷类的农药生产规模巨大，仅美国就达几十亿美元，其中对硫磷（Parathion，PT）是一种稳定且高效的杀虫剂，应用广泛。但PT对中枢神经［1］和外周神经系统产生较大影响，也有致突变致癌性［2］等，因此发展其快速、简便的检测方法非常重要，常见的方法有色谱法［3-4］、波谱法［5］及光度法［6］等。色谱法仪器昂贵、庞大且维护困难；光度法虽操作简便，但灵敏度低。近年来，农药残留的安培检测和电化学传感器快速发展，它选择性强、灵敏度高、成本低，有利于现场-实时检测的推广，受到环境分析工作者的青睐。基于纳米材料构建的电化学传感器目前已发表的有：贵金属Au［7］、Pt［8-9］、Ag［10］；金属氧化物NiO［11］、Fe3O4［12］、ZrO2［13］等。其中，纳米Al2O3有较大比表面［14］、高孔隙率，被广泛用作催化剂；石墨烯（graphene，Gr），具有高比表面、高导电性（106S / m）、高稳定性［15-17］等特性，是室温下导电性最佳的材料。笔者制备了一种纳米Al2O3/ Gr复合膜修饰玻碳电极，采用电化学方法测定新鲜小白菜中的农药残留。

1　实验

1.1主要仪器与试剂

电化学实验在CHI660b电化学工作站（上海辰华仪器公司）上进行，采用三电极体系，其中铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，纳米Al2O3/ Gr复合膜修饰玻碳电极为工作电极。SEM图像是在高分辨冷场发射扫描电子显微镜（HITACHI SU8000）上获得的。

Gr分散液（1 g / L，购于南京先丰纳米材料科技有限公司），纳米Al2O3（粒径10 nm，γ相，购于Alad⁃din），壳聚糖（脱乙酰度92％，购于上海国药集团），其他试剂纯度均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2修饰电极的制备

Gr分散液稀释一定比例超声分散2 min；Al2O3两步沉淀法分散，在pH为4的盐酸中磁力搅拌10 min后，超声分散30 min，加入10％（体积分数）的壳聚糖溶液超声分散1 h，静置一段时间，留上层液备用。玻碳电极依次用0.3 μm和0.05 μm Al2O3浆在柔软的抛光布上抛至镜面，冲洗干净后，超声清洗1 min。滴涂8 μL Gr于裸玻碳电极上，自然晾干2 h，再进一步滴涂8 μL Al2O3分散液，自然晾干2 h，制成纳米Al2O3/ Gr复合膜修饰的玻碳电极，表示为Al2O3/ Gr / GCE。纳米Al2O3单层电极的制备方法如上面相同，表示为Al2O3/ GCE。

1.3电化学测量

将制备好的修饰电极在醋酸缓冲液中进行电化学研究，记录膜在+0.4 ～ -0.8 V范围内的循环伏安（Cyclic Voltammetry，CV）曲线研究PT的氧化还原机制，并用线性伏安法（Linear Sweep Voltammetry，LSV）测量其浓度。测量前，修饰电极在空白的醋酸缓冲液中以100 mV / s的速度循环扫描10周至修饰电极达一稳定的电流响应；测量PT前，电解池先通高纯N230 min除氧。

2　结果与讨论

2.1扫描电镜

纳米Al2O3和纳米Al2O3/Gr复合膜在玻碳基底上的表面形貌如图1所示。Al2O3展现出三维带孔状结构，但团聚也比较严重（图1（a））；片状突起的Gr表面覆盖一层纳米Al2O3后团聚大大改善（图1（b）），纳米Al2O3的高孔隙率和Gr的高导电性有机结合，使得复合膜呈现出三维结构，有利于PT在传感器表面的催化氧化还原。

2.2对硫磷在复合膜修饰电极上的循环伏安响应

10 μM的PT在醋酸缓冲液中在不同电极上的CV曲线如图2所示。在裸电极上PT在-0.7 V出现一个较弱的还原峰（如曲线a所示）；在纳米Al2O3修饰的单层膜上，PT也出现了一个还原峰，峰电流比裸电极略大，但峰包较宽，峰形不尖（曲线b），说明纳米Al2O3的高孔隙确实能增加电极的表面积，但Al2O3的导电性不佳，PT的氧化还原催化作用不大；在纳米Al2O3/ Gr复合膜修饰电极上，空白溶液中未出现任何氧化还原峰（曲线d）；但在复合膜修饰电极上，PT在-0.54 V出现一个尖锐的还原峰，相对于裸玻碳电极，峰电位正移160 mV，峰电流增大约8倍（曲线c），表明纳米Al2O3/Gr复合膜对PT的氧化还原具有显著的催化作用，因为Gr有较高的比表面和优异的导电性，同时纳米Al2O3有效高孔隙率、高比表面，它们能提供更多的活性位点。图2内插图为PT在复合膜修饰电极上CV扫描2圈的响应行为，第一圈在-0 .5 V附近还原峰电流较大，但第二圈峰电流显著降低，表明为一不可逆还原反应；0V附近出现一对对称的峰，表明为一可逆的氧化还原反应。因此，后续实验均选择第一圈的CV图形进行研究。

图1　纳米Al2O3和纳米Al2O3/ Gr复合膜在玻碳基底上的SEM图Fig.1 SEM images of Al2O3（a）and Al2O3/ Gr（b）films on glassy carbon substrate

2.3支持电解质的选择

用PT传感器尝试了10 μM的PT在不同支持电解质中的LSV响应，支持电解质为浓度均为0.1 M的醋酸缓冲液、Mcllvaine缓冲液（0.1 M柠檬酸和0.2 M Na2HPO4）、磷酸缓冲液、硼砂缓冲液、氯化铵缓冲液，这5种电解质pH在2.6～9.5范围内。结果表明PT在传感器上醋酸缓冲液中还原峰电流最大（见图3）。所以，选择醋酸缓冲液为最佳支持电解质。

图2　PT在不同电极上的CV响应曲线Fig.2 Cydic voltammetvy（CV）responses of parathion on different electrode

图3　PT在不同支持电解质中伏安响应Fig.3 Effect of supporting electrolyte for electrochemical response of 10 μM PT

2.4pH的选择

溶液pH值影响PT的氧化还原峰电位和电流。分别试验了10 μM的PT在传感器中不同pH醋酸缓冲液中的CV响应，pH选择依次为：5.6、5.4、5.2、5.0、4.8、4.6、4.4。pH为5.2时还原峰ipc最大（见图4内插图）。因此，pH = 5.2为最佳pH。

2.5扫描速度

图5为PT传感器在含10 μM的PT醋酸缓冲液中不同扫速时的LSV图，扫速从a到k依次为20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 mV / s。随着扫描速度的增加，PT的氧化还原峰电流也在增加，发现PT的还原峰电流ipc与扫描速度的平方根v1/2呈良好的线性关系（见图5内插图），其线性回归方程为ipc（μA）=0.658 0 v1/2- 0.232 4，R =0.996 5。表明PT在传感器表面为一扩散控制的过程。

图4　pH影响Fig.4 Effect of the pH value of acetate buffer for electrochemical response of 10 μM PT.

图5　PT在复合膜上不同扫速时的LSV图Fig.5 Linear sweep voltammetry（LSV）responses of parathion on composite film with different scanning speed

2.6富集时间

富集时间是富集过程中重要影响因素。图6为10 μM的PT在醋酸缓冲液中在传感器上的还原峰电流与富集时间的关系图，富集时间依次为：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 min。在0.5～2.5 min范围内，还原峰电流ipc随时间t增加而增加；在2.5～5 min范围内，还原峰电流ipc趋于平稳，因为达到最大吸附。因此，选择2.5 min作为最佳富集时间。

2.7在优化条件下的线性范围、检测限

采用LSV法测定了不同浓度的PT，浓度依次为0、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 μM，在传感器上的LSV响应如图7所示。结果表明PT的还原峰电流ipc与其浓度c 在0.05～60 μM范围内呈现良好的线性关系，其线性回归方程为ipc（μA）=5.666+0.693 7 c（μM），R = 0.996 4，检测限可达20 nM（S / N =3）。

图6　富集时间对PT的还原峰电流的影响Fig.6 Effects of open-circuit accumulation time on reductive peak current

图7　不同浓度的PT在传感器上的LSV响应Fig.7 LSV responses of parathion on sensor with different concentration of PT

2.8抗干扰性、重现性及稳定性

考察了PT传感器的抗干扰能力，分别在含10 μM PT的醋酸缓冲液加入一定量的无机化合物或有机化合物，考察该传感器的选择性。分别将50倍浓度（相对于10 μM PT）的NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、CuCl2、ZnCl2溶液中，以及在另一相同条件电解池中加入50倍的KNO3、K2SO4、K2CO3、K3PO4，发现除Cu2+对PT的测定有干扰外，其余的PT还原峰电流相对偏差都小于5％，可以认为无干扰；同样方法，加入1倍浓度的多巴胺、抗坏血酸、对硝基苯酚、马拉硫磷、葡萄糖，也无干扰；然而，仅加入1 μmol/L浓度的甲基对硫磷，对结果产生较大偏差（超过10％），表明有干扰。因此发现常见无机阴、阳离子对PT的测定无干扰，一些结构不同的有机化合物也不干扰PT的测定，但对与PT结构类似的化合物有干扰。

对10 μM的PT在传感器上的响应进行6次重复测定，峰电流基本保持不变，相对标准偏差为3.53％，说明该修饰电极有良好的重现性。该传感器在水溶液中连续工作8 h，电流损失小于10％；然而将该传感器自然置于空气中放置3 d后，测量时损失较大，这可能是纳米Al2O3容易吸附空气中的灰尘等杂质污染了电极表面。最终将传感器保存在4℃冰箱中，结果明显改善。说明该传感器有较好的稳定性，但需进一步改善保存条件。

2.9分析应用

取新鲜小白菜10 g，研钵研碎，先减压抽滤两次，保留滤液，然后用20 mL二氯甲烷（10 mL×2）萃取2次，每次萃取30 min，萃取液合并后用0.45 μM滤膜过滤，滤液旋转蒸发至近干，加入1 mL乙醇，待用。测量时，移取10 μL上述样品至10 mL醋酸缓冲液中，用PT传感器测定小白菜样品中PT残余量，结果未检出小白菜中含PT。随后采用加标回收法测PT（见表1），在新鲜小白菜样品溶液中连续加入2 mL 0.01M的PT标样3次，即理论浓度为2、4、6 μM，回收率在94.5％～101.0％之间，结果令人满意，表明该传感器可用于实际样品中PT的测定。

表1　新鲜小白菜样品中PT含量的测定Tab.1 Determination of parathion in fresh cabbage smple

3　结论

制备了一种纳米Al2O3/ Gr复合膜修饰的PT电化学传感器，绘制了在0.05～60 μM范围内的工作曲线，建立了一种检测PT的分析方法。该传感器操作简单、测量快速、灵敏度高、重现性好，能较好地应用于实际样品中PT含量的测定。PT在传感器表面是扩散控制过程；CV扫描时，先进行不可逆的还原过程，后进行可逆的氧化还原过程（见图2内插图）；其氧化还原机制如图8所示。对测试条件进行了优化：pH= 5.2时醋酸缓冲液中开路富集2.5 min，检测限可达20 nM( S / N =3)。

图8　PT的氧化还原反应反应机理Fig.8 Redox reaction mechanism of parathion

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（责任编辑：叶冰）

A Parathion Electrochemical Sensor Based on Nano-Al2O3/Graphene Composite Film Modified Electrode

SONG Bina，b，XU Junhuib，WANG Yazhen*a，b
（a.Key Laboratory of Optoelectronic Chemical Materials and Devices of Ministry of Education；b.School of Chemistry and Environemental Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Abstract：A parathion electrochemical sensor based on nano-Al2O3/graphene composite film modified electrode has been developed.Scanning electron microscopy（SEM）was used to characterize the surface morphology of nano-Al2O3film and nano-Al2O3/graphene composite film.The electrochemical behavior of parathion at the sensor was investigated by cyclic voltammetry（CV）and linear sweep voltammetry（LSV）.Compared with bare glassy carbon electrode，the sensor showed good catalysis for the redox of parathion due to porous structure of nano-Al2O3and excellent conductivity of graphene.The optimized experimental conditions were obtained.The results indicated that the LSV responses of parathion were linear with concentrations in the range of 0.05 to 60 μM with linear equation of ipc（μA）= 5.666+0.693 7 c（μM）in pH 5.2 acetate buffer with open circuit accumulation for 2.5 min.The detection limit was 20 nM （S / N =3）and R =0.996 4.The sensor exhibited high sensitivity and good selectivity as well as certain anti-interference ability.It was applied to the determination of residual parathion in fresh cabbage sample with the recovery of 94.5％～101.0％.The results were satisfactory.

Keywords：graphene；nano-Al2O3；parathion；electrochemical sensor

*通讯作者：王亚珍（1973—），女，教授，博士，研究方向：光电化学传感器研制及应用。E-mail：yazhenwang@163.com

作者简介：宋斌（1989—），男，硕士生，研究方向：电化学传感与检测。

基金项目：武汉市科技局科技计划项目（201250499145-9）；江汉大学研究生科研创新基金项目（301004210001）

收稿日期：2014 - 12 - 01

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.03.002

中图分类号：O657.15

文献标志码：A

文章编号：1673-0143（2015）03-0204-06