馮玉翔,張升暉
(湖北民族學院 化學與環(huán)境工程學院,湖北 恩施 445000)
甲基對硫磷是一種高毒有機磷酸酯類農(nóng)藥,其殘留不僅對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染與危害,而且還可以通過食物鏈作用在人體積累,引發(fā)各類急慢性中毒現(xiàn)象,危害人類健康,因此在很多國家已經(jīng)被禁用.但在食品安全、環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的進出口貿(mào)易中, 仍把甲基對硫磷列為重要的污染檢測物[1-2].所以建立快速、靈敏、可靠的甲基對硫磷檢測方法尤為重要.目前,有關甲基對硫磷的檢測方法主要有光譜法[3-4]、免疫測定法[5]、色譜法[6]、 色譜與質(zhì)聯(lián)用法[7-8]及電化學生物傳感器法[9-13]等.電化學聚合膜因其厚度可控、響應快,為甲基對硫磷的快速檢測開辟了一條新思路.
氨基酸因含氨基和羧基兩種功能團而具有許多獨特的性質(zhì),通過電化學方法將氨基酸聚合[14-15]到電極表面研究其生物活性,已經(jīng)引起了許多化學研究者的關注.本文以L-賴氨酸為聚合單體,將其聚合到玻碳電極表面制成修飾電極.并利用K3[Fe(CN)6]作為電化學探針分子,考察了聚合物膜修飾電極的電化學性能,結(jié)果表明,該膜修飾電極對甲基對硫磷有良好的增敏作用, 其氧化峰峰電流明顯大于在裸玻碳電極上的氧化峰峰電流.在此基礎上,通過電化學方法研究了甲基對硫磷在修飾電極上的電化學行為,建立了一種快速、靈敏、簡便的甲基對硫磷電化學檢測新方法.
在CHI660B電化學工作站(辰華儀器公司,中國上海)上采用常規(guī)三電極系統(tǒng)進行電化學測試,聚L-賴氨酸修飾電極和裸玻碳電極GCE(直徑3 mm)為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑電極為對電極.甲基對硫磷(湖北沙隆達農(nóng)藥研究所),用乙醇配為0.01 mol·L-1儲備液, 于4℃冷藏保存?zhèn)溆茫涣姿猁}緩沖溶液由磷酸氫二鈉和磷酸二氫鉀組成;L-賴氨酸購自上海源聚生物科技有限公司,其他試劑均為分析純.實驗用水為二次蒸餾水,所有實驗均在室溫下完成.
玻碳電極先用金砂紙打磨, 在三氧化鋁懸濁液中拋光成鏡面,然后將電極依次用 HNO3(1∶1),無水乙醇,二次蒸餾水超聲清洗3 min,取出后晾干備用.將處理好的玻碳電極置入5.0×10-3mol·L-1L-賴氨酸的無水乙醇溶液和1/15 mol·L-1的磷酸鹽緩沖液(pH 9.0) 體系中,在0~1.9 V電位范圍內(nèi),以10 mV·s-1的掃描速度循環(huán)伏安掃描10圈,電化學聚合制得聚L-賴氨酸修飾電極.取出電極用蒸餾水洗凈,晾干備用.
所有電化學測量都在10 mL 電解池中進行,將一定量的甲基對硫磷加入1/15磷酸鹽緩沖溶液(pH 7.0)中,在0 V條件下富集120 s,靜止2 s,在-0.80~0.60 V范圍內(nèi)進行方波伏安法掃描,電位階差10 mV,振幅25 mV,頻率15 Hz,掃速為100 mV·s-1;在-0.85~0.4 V范圍內(nèi)進行循環(huán)伏安法掃描.每次掃描結(jié)束后,按上述方法重新制備修飾電極,以獲得好的重現(xiàn)性.
圖1是裸玻碳電極(曲線a)和聚L-賴氨酸膜修飾電極(曲線b)在5.0×10-3mol·L-1的K3[Fe(CN)6]和0.1 mol·L-1KCl溶液中的循環(huán)伏安曲線.經(jīng)比較可知,與裸玻碳電極相比,K3[Fe(CN)6] 在聚L-賴氨酸膜修飾電極上的峰電流明顯增加,氧化-還原峰峰電位差減小.由Nicholson理論,氧化還原峰電位之差變小標志著標準異相速率常數(shù)增加.又根據(jù)Randles-sevcik方程可知,電極的有效響應面積與峰電流成正比,因此聚L-賴氨酸膜顯著增加了玻碳電極的表面積,表現(xiàn)出明顯的表面增強效應.毫無疑問,聚L-賴氨酸膜表現(xiàn)出了明顯的加速電子轉(zhuǎn)移效應,也具有了更高的電子交換速率常數(shù).由此可得出這樣一個結(jié)論,聚L-賴氨酸修飾玻碳電極是一種高效、靈敏的甲基對硫磷電化學檢測方法.
圖2為裸玻碳電極(曲線a)和聚L-賴氨酸膜修飾電極(曲線b)在2.0×10-5mol·L-1甲基對硫磷中的循環(huán)伏安曲線.從圖上可以看出,甲基對硫磷在裸GCE上幾乎沒有響應,而在修飾電極上,第一圈循環(huán)掃描時在-0.587 V電位處出現(xiàn)一個尖銳的不可逆還原峰;而在反描時,在-0.064 V和-0.093 V電位處出現(xiàn)一對準可逆的氧化-還原峰.這說明聚L-賴氨酸膜能促進甲基對硫磷的電化學氧化還原過程,表現(xiàn)出明顯的增敏作用.
圖1 裸玻碳電極(a)和聚L-賴氨酸修飾 圖2 裸玻碳電極(a)和聚L-賴氨酸修飾玻碳電極(b)在5.0×10-3mol·L-1 玻碳電極(b) 在2.0 × 10-5mol·L-1K3[Fe(CN)6]溶液中的循環(huán)伏安曲線 甲基對硫磷溶液中的循環(huán)伏安曲線
用方波伏安法研究了2.0×10-5mol·L-1甲基對硫磷在pH值4.5~9.2范圍內(nèi)的磷酸鹽緩沖溶液中的電化學行為.圖3給出了甲基對硫磷在修飾電極上的氧化峰峰電流與pH值的關系曲線,由圖可知,當pH值從4.5增加到7.0時,甲基對硫磷的氧化峰峰電流不斷增高.當pH值達到7.0時,甲基對硫磷的氧化峰峰電流達到最大,然后隨著pH的升高反而降低,因此選擇pH=7.0為電聚合L-賴氨酸膜測定的最佳pH條件.
進一步考察了富集時間在0~180 s范圍,對甲基對硫磷氧化峰峰電流的影響.結(jié)果如圖4所示,當富集時間由0 s增加到120 s時,甲基對硫磷的氧化峰峰電流不斷增大,這是因為富集顯著提高了甲基對硫磷在電極表面的量.當富集時間超過120 s后,甲基對硫磷氧化峰電流增加緩慢, 這說明電極表面甲基對硫磷的濃度趨于飽和.綜合分析,選擇120 s為測定時最佳富集時間.
表1 聚L-賴氨酸修飾玻碳電極測定蘋果樣中甲基對硫磷結(jié)果
因為聚L-賴氨酸膜修飾電極表面對甲基對硫磷的強烈吸附,實驗中每支修飾電極只使用一次,每次測試后都重新制備新的修飾電極.分別采用8支不同批次制備的修飾電極測定2.0×10-5mol·L-1的甲基對硫磷,以考察不同修飾電極之間的重現(xiàn)性,其相對標準偏差(RSD)為3.7%,說明該修飾電極具有較好的制備重現(xiàn)性.
在最佳條件下,用方波伏安法考察了該新方法在不同濃度下的甲基對硫磷的線性范圍和檢測限,結(jié)果發(fā)現(xiàn),其氧化峰電流與甲基對硫磷濃度在1.0×10-6~ 1. 0×10-4mol·L-1范圍內(nèi)呈良好線性關系,其線性方程為Ip(μA)=0.479 6 C(μmol/L)+39.313(R=0.993),相關系數(shù)為0.993,檢出限為4.0×10-7mol·L-1(S/N=3).
圖3 pH值對2.0×10-5mol·L-1的甲基對硫磷氧化峰電流的影響 圖4 富集時間對2.0×10-5mol·L-1的甲基對硫磷氧化峰峰電流的影響
將此方法用于市場上購買的蘋果樣的測定.按最佳測試條件進行測定,沒有檢測到甲基對硫磷的存在,說明其殘留低于傳感器的檢測限.故采用標準加入法驗證傳感器的準確性,其測定結(jié)果如表1 所示.由表可知,其平均回收率為99.0%,相對標準偏差2.0%,表明此方法具有較好的準確性.
[1] Espinosa M,Atanasov P,Wilkins E,et al.Organophosphate biosensors based on mediatodess bioelectrocatalysis[J].Electroanal,1999,11:1055-1062.
[2] 賈明宏,錢傳范,韓麗君,等. 甲基對硫磷人工抗原的合成與鑒定[J].農(nóng)藥學學報,2003,5(2):22-25.
[3] 廖懷平,肖倫,張鵬,等. 毛細管氣相色譜法同時檢測水果蔬菜中的多種殘留有機磷農(nóng)藥[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志,2006,16(6) :682-283.
[4] 陶宏亮,關燕萍,蘇曉峰,等. SPE-HPLC用于蔬菜中甲基對硫磷和對硫磷同時測定[J].華中農(nóng)業(yè)大學學報,2006,25(1):46-49.
[5] Liu YH, Jin M J,Gui W J,et al.Hapten design and indirect competitive immunoassay for parathion determination: Correlation with molecular modeling and principal component analysis[J].Anal Chim Acta,2007,591(2):173-182.
[6] 閔紅,曲云鶴,衛(wèi)銀銀,等.Au-TiO2納米粒子修飾電極用于有機磷農(nóng)藥對硫磷的直接電化學檢測的研究[J].化學傳感器,2007,27(2):20-25.
[7] Nousiainen M,Perakorpi K,Sillanpaa M.Determination of gas-phase produced ethyl parathion and toluene 2,4-diisocyanate by ion mobility spectrometry, gas chromatography and liquid chromatography[J].Talanta,2007,72(3):984-990.
[8] Tomkins B A,Ilgner R H.Determination of atrazine and four organophosphorus pesticides in ground water using solid phase microextraction (SPME) followed by gas chromatography with selected-ion monitoring[J].J Chromatogr A,2002,972(2):183-194.
[9] Albuquerque Y D T, Ferreira L F.Amperometric biosensing of carbamate and organophosphate pesticides utilizing screen-printed tyrosinase-modified electrodes[J].Anal Chim Acta,2007,596(2):210-221.
[10] Du D,Ye X P,Zhang J D,et al.Cathodic electrochemical analysis of methyl parathion at bismuth-lm-modied glassy carbon electrode[J]. Electrochim Acta,2008,53:4478-4484.
[11] Li C Y,Mo W Y,Zhan G Q,et al.Sensitive determination of methyl-parathion in contaminated water using single-walled carbon nano-tube film electrode[J]. Chem Anal,2008,53(2):201-214.
[12] Li C Y,Wang Z G,Zhan G Q.Electrochemical investigation of methyl parathion at gold-sodium Dodecylbenzene sulfonate nanoparticles modified glassy carbon electrode[J].Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2011,82(1):40-45.
[13] 張雁,康天放,魯理平,等.對硫磷分子印跡膜傳感器的制備及識別特性[J].環(huán)境科學,2008,29(4):1072-1076.
[14] 趙艷霞,馬心英,王琦,等.聚L-賴氨酸修飾電極對去甲腎上腺素的電催化氧化[J].分析試驗室,2005,24(3):71-74.
[15] 孫登明,馬偉,張振新.聚L-賴氨酸修飾電極循環(huán)伏安法測定藥劑中的多巴胺[J].分析化學,2006,34(5):668-670.