基于N2等离子体改性的薄层C3N4/丝网印刷电极氧氟沙星光电化学检测

苏 帅, 党 雪 明, 石 振 家, 孙 稚 菁, 赵 慧 敏*

( 1.大连理工大学 环境学院 工业生态与环境工程教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024;2.大连产品质量检验检测研究院有限公司, 辽宁 大连 116000 )

0 引 言

氧氟沙星(OFL)是人工合成的喹诺酮类抗生素的代表药物,被广泛用于治疗呼吸道感染、泌尿生殖道感染、消化道感染等疾病[1]．然而,约70%的OFL会以原型的形式随尿液排出体外[2],最终进入环境水体,对生态环境和人类健康造成危害．因此,检测水体中OFL具有重要意义．

光电化学检测法是依据目标物对光电信号的影响,建立目标物浓度与光电流的关系,从而实现对目标物的检测,具有背景信号强度低、检测灵敏度高等优点．光活性材料是光电信号产生的来源,因此光活性材料的选择是实现光电化学检测OFL的关键因素．C3N4具有可见光响应能力好、热和化学稳定性高及电子能带结构独特(～2.7 eV)等优点,常被作为光活性材料用于光电化学检测中[3]．但C3N4的光生电荷分离效率较低,需要对其进行改性以提高C3N4的光电化学活性．形貌调控和元素掺杂是改性C3N4的常用方法．相比于块体C3N4(B-CN),薄层C3N4(L-CN)具有更大的比表面积和更高的光生电荷分离效率,常被用于光催化产氢、光催化消毒、光催化降解污染物、光电化学传感等领域[4-5]．研究表明,增加材料中的N元素含量可以抑制光生电荷复合,有效提高材料的光电化学活性[6]．等离子体改性技术可以对材料表面进行元素掺杂,具有对材料结构破坏小、工艺简单、处理时间短等优点．通过选择不同等离子体处理条件,可以调节元素掺杂量以及形成不同的官能团结构[7]．张雯雯用N2等离子体改性ITO制备N掺杂ITO电极,促进了ITO表面光生电荷分离[8]．综上,用N2等离子体改性L-CN,可以增加L-CN中的N元素含量,促进L-CN光生电荷分离．

本文采用煅烧法制备L-CN并采用N2等离子体技术改性L-CN(RF-L-CN)．薄层C3N4具有较强的光生电荷分离性能,N2等离子体改性增加了L-CN的N元素含量,进一步促进光生电荷分离．将RF-L-CN负载在丝网印刷电极(SPE)上(RF-L-CN/SPE),再通过RF-L-CN与OFL适配体(APT)的π-π相互作用将APT负载在RF-L-CN/SPE上(APT/RF-L-CN/SPE),考察APT/RF-L-CN/SPE光电化学检测OFL的性能,并将APT/RF-L-CN/SPE应用于实际水体中OFL的检测．

1 实验材料与方法

1.1 实验试剂与仪器

(1)实验试剂

抗坏血酸(AA,C6H8O6,分析纯,≥99%)、三聚氰胺(C3H6N6,分析纯,≥99%)、6-巯基-1-己醇(MCH,C6H14OS,分析纯,98%)、萘酚购于国药集团化学试剂有限公司,OFL(C18H20FN3O4,分析纯,98%)、诺氟沙星(C16H18FN3O3,分析纯,98%)、头孢氨苄(C16H17N3O4S·H2O,分析纯,98%)、阿司匹林(C9H8O4,分析纯,99%)、阿托伐他汀钙(C66H68CaF2N4O10,分析纯,98%)购于上海阿拉丁生化科技有限公司;OFL适配体(序列为5′-ATA CCA GCT TAT TCA ATT AGT TGT GTA TTG AGG TTT GAT CTA GGC ATA GTC AAC AGA GCA CGA TCG ATC TGG CTT GTT CTA CAA TCG TAA TCA GTT AG-3′)购于上海生工生物工程有限公司．

(2)实验仪器

采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析样品的微观形貌和晶体结构;样品的化学官能团结构和元素组成用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和X射线光电子能谱仪(XPS)测定;采用紫外-可见漫反射光谱仪(UV-Vis/DRS)分析样品的光吸收性能,用荧光分光光度计测试样品的光致发光光谱(PL)．

1.2 RF-L-CN的制备

(1)B-CN制备

称取三聚氰胺6.0 g于坩埚中,将坩埚放入马弗炉,设置升温速率为10 ℃/min,520 ℃煅烧3 h,得到黄色块状样品,将样品研磨后保存,得到B-CN．

(2)L-CN制备

称取0.2 g B-CN于刚玉舟中,将刚玉舟放入马弗炉,设置升温速率为10 ℃/min,550 ℃煅烧3 h,得到白色粉末样品,即为L-CN．

(3)RF-L-CN制备

取一定量的L-CN放入96微孔板中,打开N2阀和射频辉光等离子体清洗仪开关,将96微孔板放置于射频辉光等离子体清洗仪腔体内,关闭舱门,运行仪器,设置仪器运行功率为120 W,运行时间为5 min,N2等离子体改性后的样品为RF-L-CN．

1.3 APT/RF-L-CN/SPE的制备

(1)RF-L-CN/SPE制备

称取2 mg RF-L-CN放入离心管,并加入2 mL超纯水,超声分散10 h．向离心管中加入质量分数为1%的萘酚,之后取15 μL样品滴涂于SPE工作电极表面,60 ℃干燥30 min,超纯水冲洗电极表面,去除未负载的RF-L-CN,得到RF-L-CN/SPE．

(2)APT/RF-L-CN/SPE制备

取10 μL 4 μmol/L的APT滴涂于RF-L-CN/SPE表面,37 ℃干燥2 h,超纯水冲洗去除未负载的APT;再取15 μL 2 mmol/L的MCH滴涂于复合电极表面,37 ℃干燥1 h,超纯水冲洗去除未负载的MCH,得到APT/RF-L-CN/SPE．

1.4 OFL的光电化学检测

将OFL滴涂于APT/RF-L-CN/SPE表面,37 ℃干燥2 h,超纯水冲洗去除未固定的OFL,之后将固定有OFL的APT/RF-L-CN/SPE浸入含有0.01 mol/L AA的PBS电解液中(0.1 mol/L,pH=7.4),以氙灯(300 W)作为光源,保持APT/RF-L-CN/SPE与氙灯的距离为15 cm,采用计时电流法(Ip-t)进行光电化学测试(偏压为0 V)．测试步骤:先避光测试40 s,待Ip-t曲线平稳后,打开光源照射20 s,并记录光电流信号,测试结束．

1.5 实际水体中OFL的光电化学检测

为探索APT/RF-L-CN/SPE检测实际水体中OFL的应用性能,对取自大连市3家医院医疗废水中的OFL进行检测．检测之前将水样通过0.2 μm孔径的滤膜以去除微生物细胞和悬浮颗粒杂质,之后将医疗废水用PBS缓冲溶液(0.1 mol/L,pH=7.4)稀释10 000倍(稀释方法为先取100 μL医疗废水,用PBS缓冲溶液定容至10 mL;然后取稀释后的医疗废水100 μL,再次用PBS缓冲溶液定容至10 mL)后进行光电化学检测,光电化学检测实验按照1.4中的步骤进行．

医疗废水中OFL的实际浓度采用高效液相色谱法(HPLC)测定,色谱分析条件如下:色谱柱,XB-C18(4.6 mm×250 mm,5 μm);柱温,30 ℃;流动相,V(草酸,0.01 mol/L)∶V(甲醇)∶V(乙腈)=45∶20∶35;流速,1 mL/min;进样量,20 μL;检测波长,293 nm．HPLC测定OFL的标准曲线为ρ=25 798+35 278ρOFL,其中ρ为质量浓度,单位为mg/L,相关系数R2为0.999．

2 结果与讨论

2.1 形貌和结构分析

如图1所示,对B-CN、L-CN、RF-L-CN进行SEM和XRD表征．B-CN为片层堆积的块体结构(图1(a)),L-CN为薄层结构(图1(b)),RF-L-CN同是薄层结构(图1(c)),表明N2等离子体改性技术不会改变L-CN的微观形貌．如图1(d)所示,B-CN在13.1°((100)晶面)和27.3°((002)晶面)处的吸收峰分别归属于七嗪单元的平面内结构和共轭芳香基团的层间堆叠结构[9]．在(002)晶面吸收峰处,L-CN相对B-CN出现红移,这是由于热处理降低了共轭芳香基团层间堆叠结构的层间距[10]．L-CN仅在27.9°出现一个较弱的吸收峰,是因为热处理降低了材料的结晶度．RF-L-CN相比L-CN有着几乎同样的吸收峰位置和强度,表明N2等离子体改性技术不会改变材料的晶体结构．

(a) B-CN的SEM图像

(b) L-CN的SEM图像

(c) RF-L-CN的SEM图像

(d) XRD图谱

图2(a)为B-CN、L-CN和RF-L-CN的FTIR图谱．在813 cm-1处观察到三嗪单元的振动模式,归属于C3N4的CN杂环[11];在1 200～1 600 cm-1处为典型的CN杂环伸缩振动模式[12];在2 900～3 700 cm-1处为未缩合末端氨基的N—H振动模式以及材料表面官能团或吸附水分子的O—H振动模式[4,13]．FTIR图谱表明热处理和N2等离子体改性后,RF-L-CN仍旧保持良好的C3N4骨架单元结构．

(b) L-CN、RF-L-CN的XPS总谱

(c) C1s高分辨图谱

(d) N1s高分辨图谱

表1 L-CN和RF-L-CN样品的元素分析

2.2 光学性能分析

图3是L-CN和RF-L-CN的UV-Vis/DRS以及Tauc plot法结果．L-CN和RF-L-CN的光吸收边缘分别为434 nm和443 nm,并且在波长443～800 nm处,RF-L-CN具有更强的光吸收性能(图3(a))．由Tauc plot法得出(图3(b)),L-CN和RF-L-CN的带隙分别为3.05 eV和3.03 eV．UV-Vis/DRS和Tauc plot法的分析结果表明,N2等离子体改性技术增强了L-CN的可见光吸收,并降低了L-CN的带隙．

(a) UV-Vis/DRS

(b) Tauc plot法结果

测试了在350 nm波长处激发的B-CN、L-CN和RF-L-CN的光致发光光谱,如图4所示．L-CN相比B-CN的光致发光强度更低,表明薄层结构促进了材料光生电荷分离;RF-L-CN相比L-CN的光致发光强度进一步降低,表明N2等离子体改性L-CN进一步促进了材料光生电荷分离．

图4 B-CN、L-CN和RF-L-CN的光致发光光谱

2.3 实验条件优化

探究了RF-L-CN浓度(0.2～2.0 mg/mL)对光电流的影响．如图5所示,将15 μL不同浓度的RF-L-CN滴涂到SPE上进行光电化学测试．随着RF-L-CN浓度的增大,光电流逐渐增强,在1.0 mg/mL时达到最大．这是由于RF-L-CN浓度增大导致电极表面光生电荷数量增加,而光生电荷可以氧化电极表面附近过量的AA,导致光电流信号增强．当RF-L-CN浓度超过1.0 mg/mL时,光电流降低．这是由于RF-L-CN涂层厚度较大,抑制了电荷传递到电极表面,导致光电流信号强度降低．因此选择1.0 mg/mL为最佳的RF-L-CN浓度．

图5 RF-L-CN浓度对光电流的影响

探究了OFL与APT的结合时间(0～5 h)对光电流的影响,如图6所示．光电流随结合时间增加呈先增大后降低的趋势,在结合2 h时光电流最大,因此2 h为OFL与APT的最佳结合时间．

图6 OFL与APT的结合时间对光电流的影响

2.4 APT/RF-L-CN/SPE检测OFL

B-CN、L-CN和RF-L-CN分别负载在SPE的光电流如图7(a)所示,光电流由小到大依次为B-CN、L-CN和RF-L-CN,表明薄层结构的构建和N元素含量的增加,促进了C3N4光生电荷分离．图7(b)为OFL和AA对APT/RF-L-CN/SPE光电流的影响．当电解液中添加AA时,APT/RF-L-CN/SPE的光电流有所增大,这是由于AA在电极表面发生了氧化反应,进一步在电极表面负载OFL后,所制备的电极展现出更强的光电流信号,同时,在未添加AA的电解液中,OFL的负载对于光电流信号没有明显的影响,上述实验结果表明OFL可以增强AA在电极表面的氧化反应．

(a) B-CN、L-CN和RF-L-CN负载在SPE的光电流

(b) OFL和AA对APT/RF-L-CN/SPE光电流的影响

APT/RF-L-CN/SPE检测OFL的机理如图8所示．将RF-L-CN负载在SPE上,构建RF-L-CN/SPE,然后将APT负载在RF-L-CN/SPE上,构建了APT/RF-L-CN/SPE．由于OFL可以增强AA在电极表面的氧化反应,产生更强的光电流信号,因此将不同浓度OFL固定在APT/RF-L-CN/SPE后,会产生不同强度的光电流信号,依据OFL浓度与光电流的关系,实现水体中OFL的光电化学检测．

在最佳实验条件下检测不同浓度的OFL,如图9所示．随OFL浓度增大,光电流逐渐增大,并显示出良好的线性相关关系,光电流与OFL浓度的线性关系曲线为Ip=566+406ρOFL,其中Ip的单位为nA,ρOFL的单位为nmol/L,相关系数R2=0.997,检测范围为0.05～1.0 nmol/L,检测限(3σ/S)为0.03 nmol/L(11.06 ng/L)．如表2所列,本文构建的APT/RF-L-CN/SPE光电化学检测方法与其他分析方法相比具有较低的检测限和良好的OFL检测性能．光电流与OFL浓度线性关系曲线的制定与溶液配制和实验操作等因素有关,其中溶液配制包括电解液中AA的浓度、正确的稀释方法,实验操作包括APT/RF-L-CN/SPE与氙灯的距离、APT/RF-L-CN/SPE浸入电解液的深度．在保持以上因素一致的情况下制定的线性关系曲线不会发生漂移,具有一定的准确度,因此不需要当场标定线性关系曲线．

表2 不同分析方法对OFL的检测性能对比

表3 光电流与OFL浓度线性关系曲线的实测值与理论值对应表

(1)

(2)

2.5 APT/RF-L-CN/SPE抗干扰性能

为了分析APT/RF-L-CN/SPE对OFL的选择性,分别对OFL、诺氟沙星、头孢氨苄、阿司匹林和阿托伐他汀钙进行光电化学检测,结果如图10所示．其中OFL浓度为1 nmol/L,诺氟沙星、头孢氨苄、阿司匹林和阿托伐他汀钙的浓度为100 nmol/L,结果表明APT/RF-L-CN/SPE具有良好的抗干扰性能．

图10 OFL、诺氟沙星、头孢氨苄、阿司匹林和阿托伐他汀钙对APT/RF-L-CN/SPE光电流的影响

2.6 实际水体中OFL的检测

对APT/RF-L-CN/SPE检测实际水体中OFL的可行性进行分析,检测了大连市3家医院医疗废水中的OFL,结果见表4．经过3次重复实验,光电化学法检测OFL的相对误差在-6.54%～10.00%,相对标准偏差(RSD)在1.17%～4.17%,表明制备的APT/RF-L-CN/SPE可以用于实际样品中OFL的检测．

表4 医疗废水中OFL的检测

3 结 语

本文通过煅烧B-CN制备了L-CN,并通过N2等离子体改性L-CN制备了RF-L-CN,薄层结构抑制了C3N4光生电荷复合,N2等离子体改性不会改变C3N4的微观形貌、晶体结构、骨架单元结构和化学官能团结构,但增加了L-CN中N元素含量,进一步促进了C3N4的光生电荷分离,因此RF-L-CN/SPE在含有AA的PBS电解液中展现出较强的光电流信号．由于OFL可以增强AA在电极表面的氧化反应,使固定有OFL的APT/RF-L-CN/SPE展现出更强的光电流信号,进而在最优实验条件下(RF-L-CN滴涂SPE的浓度为1.0 mg/mL,OFL与APT结合时间为2 h)建立了光电流与水体中OFL浓度的关系(线性关系曲线为Ip=566+406ρOFL),OFL的线性检测范围为0.05～1.0 nmol/L,检测限为0.03 nmol/L(11.06 ng/L),对实际水体(医疗废水)中OFL进行检测,相对误差在-6.54%～10.00%,相对标准偏差在1.17%～4.17%,表明制备的APT/RF-L-CN/SPE可以应用于实际水体中OFL的检测．