石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极用于甲基对硫磷的电化学测定

付 菊， 谭小红， 宋新建*

(1.湖北民族学院 生物资源保护与利用湖北省重点实验室， 湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院 化学与环境工程学院， 湖北 恩施 445000)



石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极用于甲基对硫磷的电化学测定

付 菊1，2， 谭小红2， 宋新建1，2*

(1.湖北民族学院 生物资源保护与利用湖北省重点实验室， 湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院 化学与环境工程学院， 湖北 恩施 445000)

采用一步电沉积法制备了石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极.利用循环伏安法和方波伏安法研究了甲基对硫磷在该复合膜电极上的电化学行为.结果表明，该复合膜对甲基对硫磷具有灵敏度高、响应速度快等特点.在最佳条件下，甲基对硫磷的峰电流响应与其浓度在0.000 3～2.5 μmol/L范围内呈现良好的线性关系，检测限为0.05 nmol/L.该石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰玻碳电极也表现出良好的稳定性、重现性和抗干扰能力，并可用于实际样品的检测．

一步电沉积； 石墨烯； 4-氨基-2-巯基嘧啶； 修饰电极； 甲基对硫磷

甲基对硫磷(Methyl Parathion，MP)是一种持久、神经毒性的有机磷酸酯杀虫剂[1]，其残留不仅严重污染环境，而且还可以通过食物链作用危害人类健康.因此，发展快速、简单和灵敏的方法检测MP残留量显得尤为重要.MP残留量的检测方法通常有荧光分析法[2]、表面增强拉曼光谱法[3]、气相色谱-质谱法[4]、高效液相色谱法[5]和化学发光法[6]等.这些方法往往操作耗时、分析成本昂贵和需要复杂的样品预处理.电分析方法因设备简单、检测快速、灵敏且周期短而备受青睐[7].为了提高电化学测定MP的灵敏度和选择性，关键在于寻找到性能优异的电化学传感材料．

石墨烯是一种由单层碳原子构成的新型二维碳纳米材料，具有大的比表面积和优异的电子传输性能，因而石墨烯及其复合材料广泛应用于电化学传感器中[8-10].有机导电聚合物膜因具有三维网状结构和良好的稳定性、导电性[11-13]，使其在电化学领域已引起人们的极大兴趣.基于材料的协同作用，将石墨烯和聚嘧啶两种材料复合构建一种复合物膜传感材料，以期提高其对MP的电化学增敏效应.然而，石墨烯复合材料的制备方法多采用直接混合或者原位还原的方式，操作繁琐、过程难以控制，且容易导致复合材料在结构上不均匀，影响材料的性能.用电沉积法制备电极，操作简单易行，膜厚可控，而且有利于提高电化学测定方法的重现性.本文采用一步电沉积法简易制备了一种未见文献报道的石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极，研究了MP在该电极上的电化学行为，对实验条件进行了优化，并建立了MP的电化学检测方法．

1 实验部分

1.1仪器与试剂

ZEISS Sigma场发射扫描电子显微镜(德国，ZEISS公司)；NICOLET 5700智能傅里叶变换红外光谱仪(美国，Thermo公司)；RM-1000激光共聚焦拉曼光谱仪(英国，Renishaw公司)；CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)； KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；DZF-6020真空干燥箱(上海博讯实业有限公司)；三电极体系：玻碳电极(GCE)为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极．

氧化石墨烯(GO)购于南京先丰纳米材料科技有限公司；磷酸二氢钾(KH2PO4)、十二水磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)，均购于上海国药集团化学试剂有限公司；4-氨基-2-巯基嘧啶(AMP)购自美国Acros Organics 公司；甲基对硫磷购自湖北沙隆达农药厂；所用试剂均为分析纯，所有溶液均用二次蒸馏水配制．

1.2石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极

将GCE(Φ=3)依次用0.05 μm Al2O3抛光粉抛光成镜面，分别用HNO3(1∶1)、无水乙醇、二次蒸馏水超声清洗3 min，于室温下自然晾干.将预处理后的玻碳电极置于已超声分散的含1.0×10-3mol/L 4-氨基-2-巯基嘧啶(AMP)和1 mg/mL GO的0.1 mol/L NaOH混合溶液中，在-1.5～+1.6 V电位范围内以50 mV/s的速度循环扫描10圈.洗净，晾干，制得rGO/pAMP电极．

1.3分析方法

循环伏安法(CV)测定条件：电位范围为-0.8～0.4 V，静置时间为2 s，扫描速度为100 mV/s；方波伏安法(SWV)测定条件：在pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中，扫描电位范围-0.8～0.4 V，富集电位-0.2 V，富集时间100 s，振幅25 mV，电位阶差10 mV，频率15 Hz．

2 结果与讨论

2.1修饰电极的表征

从聚嘧啶(pAMP)膜的扫描电镜图(图1A)可以看出，聚嘧啶呈均一的纳米粒子分布于电极表面.图1B是石墨烯/聚嘧啶扫描电镜图，可以看出电极表面覆盖了一层均匀的聚嘧啶纳米粒子和还原石墨烯(rGO)膜，可提供更多的活性位点，进而增强对MP的响应能力．

电极制备的过程采用EIS监测，结果如图2所示.由高频区半圆直径的变化，可以清晰地反映出电极界面的微观变化：在含有5.0×10-3mol/L K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6](1.0 mol/L KCl)中，GCE呈现出一个大的阻抗响应(Rct=2600 Ω).与rGO(Rct=1549 Ω)和pAMP(Rct=481 Ω)相比较，rGO/pAMP的Rct值为204 Ω，说明rGO/pAMP复合膜具有更好的电子传导能力．

图1 聚嘧啶膜的扫描电镜图(A)和石墨烯/聚嘧啶复合膜的扫描电镜图(B)Fig.1 SEM images of pAMP (A)， and rGO/pAMP composite (B)

图2 不同修饰电极的交流阻抗图Fig.2 Impedance diagrams of different modified electrodes

2.2MP在不同电极上的电化学行为

图3为石墨烯/聚嘧啶复合膜在3.0 μmol/L MP的磷酸盐缓冲溶液(PBS， pH=7.0)中的循环伏安图.由图3可以看出，第一圈扫描时在-0.532 V电位处出现一个很尖锐的不可逆还原峰，对应于MP的苯硝基(Ar-NO2)通过4电子不可逆地还原为羟氨基(Ar-NHOH)的过程(反应式R1)；在连续扫描时，MP在电位-0.009 V和-0.024 V出现一对准可逆的氧化-还原峰，分别对应羟氨基(Ar-NHOH)和亚硝基(Ar-NO)的氧化和还原过程(反应式O2/R2).MP在电极上的反应机理可描述如下[14].

图3 石墨烯/聚嘧啶复合膜对MP的循环伏安图Fig.3 Cyclic voltammorgrams (CVs) of rGO/pAMP composite film for MP

图4分别为裸玻碳(a)、rGO/GCE(b)、pAMP/GCE(c)和rGO/pAMP/GCE(d)在2.0 μmol/L MP磷酸盐缓冲溶液(PBS， pH=7.0)中的方波伏安图.曲线a表明裸玻碳对Ar-NHOH的氧化几乎没有响应，rGO(曲线b)的响应主要归因于石墨烯大的比表面积和优异的电子传输能力.AMP的NH2红外吸收峰在3 330 cm-1附近(图5A)，电沉积后变化到3 316 cm-1附近(图5B)，说明电沉积发生聚合后以亚氨基(—NH—)的形式存在；图5B中1 632 cm-1和1 570 cm-1是嘧啶环C=N的特征吸收峰， 在图6Raman谱中出现

1 598.3 cm-1偏振线也证实了聚嘧啶膜中C=N的存在；图5B中在2 550 cm-1附近未出现S—H红外吸收峰，同时在图6 Raman谱中也未观察到S—H偏振线，说明聚嘧啶膜中不存在巯基(—SH)，而可能以—S○-形式存在，pAMP中亚氨基、嘧啶环上N原子以及S负离子可与羟氨基(—NHOH)之间形成分子间氢键作用力，从而增加电极界面对Ar-NHOH的富集能力，因此，pAMP膜电极(曲线c)对MP的响应很高.而从图4中曲线d可看出rGO/pAMP修饰电极的电化学响应明显高于rGO和pAMP修饰电极，说明两种材料之间的协同作用对Ar-NHOH的氧化具有明显的增敏效应．

图4 MP在不同电极上的方波伏安图Fig.4 Square wave voltammograms (SWVs) of different modified electrodes

图5 AMP (A)和pAMP (B)的红外光谱图Fig.5 IR spectra of AMP (A) and pAMP (B)

图6 pAMP/GCE的Raman光谱图Fig.6 Raman spectrum of pAMP/GCE

2.3pH值、富集时间、富集电位和膜厚度的影响

图7A考察了不同pH值(4.9、5.9、6.5、7.0、7.4和8.0)在PBS中对MP氧化峰电流和峰电位的影响.在pH 4.9～7.0范围内MP的氧化峰电流随pH值的增大而增大，而超过7.0后随pH值的增大而减小，实验选取pH=7.0为最佳实验条件.图7B考察了0～140 s富集时间对MP氧化峰电流的影响.当富集时间由0 s增加到100 s时，MP氧化峰电流值急剧增加，而超过100 s后MP的氧化峰电流基本趋于稳定，表明此时石墨烯/聚嘧啶复合膜对MP的吸附已基本达到饱和.图7C在电位范围为-0.8～0.2 V的条件下，选择不同富集电位进行SWV扫描.结果发现在-0.2 V时峰电流最大，大于-0.2 V后峰电流逐渐变小，故实验选择富集电位为-0.2 V.另外，rGO/pAMP复合膜的厚度对MP的响应也会产生明显影响，当镀膜圈数由1圈→10圈时是逐渐增加，而超过10圈后会逐渐减小.这是因为随着复合膜厚度的增加，电极的活性面积增加，导电性增强，因此峰电流也相应增加.但是复合膜厚度太大时，会阻碍MP与电极之间的电子传递，故氧化峰电流反而降低．

图7 rGO/pAMP/GCE在含2.0 μmol/L MP中不同pH值(A)、富集时间(B)和富集电位(C)的方波伏安曲线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线性范围和检测限

于最优实验条件下，在-0.6～0.4 V范围内用rGO/pAMP电极对不同浓度的MP溶液进行扫描.结果表明，MP的氧化峰电流(Ipa)与其浓度在0.000 3～2.5 μmol/L范围成良好的线性关系(图8)，线性回归方程为Ipa(μA)=0.1557+14.1865C(μmol/L)，r=0.9992，检测限可达0.05 nmol/L(S/N=3).本文提供了一种rGO/pAMP修饰电极测定MP的新方法，将其与部分文献所载方法进行了比较，结果列于表1．

图8 浓度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上的方波伏安图(其内插图为校准曲线)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)

修饰方法检测范围/(μmol·L-1)最低检测限/(nmol·L-1)参考文献金⁃十二烷基磺酸钠纳米粒子05～10086[15]多壁碳纳米管⁃聚丙烯酰胺0005～1012[16]聚离子液体/石墨烯001～72[17]有序介孔碳009～6176[18]巯基⁃β⁃环糊精⁃纳米金/多壁碳纳米管0002～00801[19]分子印迹多孔硅酸盐001～1089[20]石墨烯/聚嘧啶00003～25005本研究

2.5修饰电极的稳定性与重现性

分别采用6支不同批次制备的石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极检测2.0 μmol/L MP溶液，其相对标准偏差(RSD)为2.31%，表明该电极具有良好的制备重现性.用同一支石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极平行测定2.0 μmol/L的MP溶液12次，结果其相对标准偏差(RSD)为1.31%，表明该电极具有优良的测定重现性.用该石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极平行测定2.0 μmol/L MP溶液35次，峰电流没有明显降低，表明该复合膜修饰电极具有较好的稳定性．

2.6抗干扰实验

2.7实际样品的测定

在最优实验条件下，以rGO/pAMP/GCE为工作电极，用方波伏安法对预处理实际样品中的MP进行加入回收实验，分析结果见表2.回收率为96.0%～104.5%，可满足常规分析要求．

表2 实际样品中对MP的测定

3 结论

本文通过一步电沉积法简易制备出石墨烯/聚嘧啶复合膜修饰电极，并构建了测定MP的电化学方法.与pAMP/GCE、rGO/GCE相比，MP的氧化峰电流信号在rGO/pAMP/GCE上得到大大提高，表明两种材料之间的协同作用对MP的氧化具有明显的增敏效应.同时，rGO/pAMP/GCE对MP的线性检测范围广，灵敏度高、稳定性好和抗干扰能力强，可用于实际样品中MP的检测．

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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.

国家自然科学基金资助项目(21561011)；湖北民族学院科研创新团队项目(MY2014T004)．

1000-1190(2016)04-0565-06

O657.1

A

*通讯联系人. E-mail: whxjsong@163.com．