李 晶， 姜云芳， 周 磊， 陳藝夫， 楊曉英*

(1.天津醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院天津市臨床藥物關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300070；2.天津出入境檢驗檢疫局工業(yè)產(chǎn)品安全技術(shù)中心，天津 300201；3.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

對硝基苯酚(p-nitrophenol,p-NP)作為一種重要的精細(xì)化工中間體，廣泛用于殺蟲劑、除草劑和合成染料的生產(chǎn)中。p-NP的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、毒性高，進(jìn)入水體后會對生態(tài)環(huán)境及人類健康造成嚴(yán)重的威脅[1]。因此，建立簡單有效且靈敏度高的不同樣品中高危害性、高毒性的p-NP檢測方法有重要意義。單壁碳納米管(SWNTs)自從1993年被發(fā)現(xiàn)以來，由于其具有獨(dú)特的一維管狀納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電性及電催化性能，使其在電分析化學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[2]。許多生物分子如肌紅蛋白(Mb)[3]、血紅蛋白(Hb)[4]、細(xì)胞色素C(Cyt C)[5]、辣根過氧化物酶(HRP)[6]等都可以被固定到SWNTs上，實(shí)現(xiàn)其直接電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。除了這些活性生物分子，一些具有π共軛體系的小分子也很容易通過與SWNTs的π-π共軛作用被固定到SWNTs表面。Xu等[7]曾報道了SWNTs可以在短時間內(nèi)吸附大量p-NP分子，并實(shí)現(xiàn)對其高靈敏度檢測。

二茂鐵(Ferrocene，F(xiàn)c)是具有高度穩(wěn)定性和芳香性的富π電子體系，對缺電子的硝基酚類化合物具有較好的親和性[8]。本研究利用氨基二茂鐵(Aminoferrocene，AFc)經(jīng)重氮化反應(yīng)后形成的重氮化二茂鐵修飾SWNTs，制備SWNTs-AFc復(fù)合物，使AFc與SWNTs通過共價鍵連接，形成大π共軛體系，從而有利于體系形成電荷轉(zhuǎn)移的共振態(tài)，擴(kuò)大π電子的流動范圍，增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移速率。同時利用SWNTs對具有芳香性化合物的高吸附性能[9]，用SWNTs-AFc復(fù)合物修飾玻碳電極(GCE)，實(shí)現(xiàn)了對p-NP的高靈敏電化學(xué)檢測。

1 實(shí)驗部分

1.1 儀器與試劑

LK98Ⅱ微機(jī)電化學(xué)分析系統(tǒng)(LANLIKE)；TECNAI-20透射電鏡(TEM)，配備X-射線能譜，EDS能譜(FEI)；inVia Raman光譜儀(RENISHAW)；Tensor 27傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)(BRUKER)；V-570 紫外分光光度計(Jasco)；DHJF-8002低溫恒溫攪拌反應(yīng)浴(上海翔雅儀器設(shè)備有限公司)。

SWNTs(純度95%，中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司)；AFc(純度96%，天津希恩思生化科技有限公司)；對硝基苯酚(p-NP,天津博迪化工股份有限公司)。所用試劑均為分析純。實(shí)驗用水為二次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1SWNTs的氧化反應(yīng)稱取200 mg的SWNTs加入到150 mL濃H2SO4-HNO3(3∶1，V/V)混合酸中，超聲3 h，20 min后再超聲4 h，于80 ℃油浴中攪拌回流4 h，水洗至pH為5，凍成干粉備用。實(shí)驗中使用的SWNTs均為酸化處理后的樣品。

1.2.2SWNTs-AFc復(fù)合物的制備準(zhǔn)確稱取16 mg AFc置于50 mL燒瓶中，加入 4 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)超聲使其分散均勻，然后加入6 mL 0.5 mol/L HCl，攪拌均勻，再加入8.4 mg NaNO2。在氬氣保護(hù)的狀態(tài)下攪拌，冰浴至0 ℃保持30 min。另外，準(zhǔn)確稱取4 mg SWNTs加至10 mL DMF中超聲30 min使其分散均勻，然后加至上述體系中，0 ℃攪拌過夜，反應(yīng)產(chǎn)物通過離心分離，用DMF通過三次超聲、分散和離心循環(huán)洗滌產(chǎn)物SWNTs-AFc，然后將產(chǎn)物分散于約1 mL DMF中備用。

1.2.3SWNTs-AFc/GCE的制備GCE先用Al2O3粉末拋光，再依次浸入水、丙酮中分別超聲洗滌2 min，自然晾干。在預(yù)處理好的GCE上滴加6 μL SWNTs或SWNTs-AFc復(fù)合物的DMF溶液，待溶劑自然揮干即可。SWNTs及其復(fù)合物溶液濃度均為0.4 mg/mL。

1.2.4電化學(xué)檢測電化學(xué)檢測采用三電極體系，以SWNTs及其復(fù)合物修飾的GCE為工作電極，鉑電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極。采用pH=7.4的0.05 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS，含0.1 mol/L KCl)為支持電解質(zhì)。分別對不同修飾電極進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)掃描和差分脈沖伏安(DPV)掃描，并記錄電流時間(i-t)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 SWNTs-AFc復(fù)合物的表征

2.1.1SWNTs及SWNTs-AFc復(fù)合物的透射電鏡透射電鏡(TEM)表征結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看到純化的SWNTs表面光滑，大部分呈束狀。SWNTs與AFc反應(yīng)后則可看到SWNTs表面有許多附著物，同時SWNTs-AFc復(fù)合物更容易穩(wěn)定地分散于DMF中。此外，從相應(yīng)的EDS能譜中也可看到在SWNTs-AFc復(fù)合物中含有一定量的鐵元素，說明AFc確實(shí)被附著在SWNTs表面。

圖1 SWNTs的透射電鏡(TEM)照片(A)和EDS能譜圖(C)；SWNTs-AFc復(fù)合物的透射電鏡(TEM)照片(B)和EDS能譜圖(D)

2.1.2SWNTs-AFc復(fù)合物的紅外光譜紅外光譜如圖2所示，490 cm-1處是C-Fe吸收峰，1 000～1 100 cm-1茂環(huán)的υC-C組峰[10]出現(xiàn)在SWNTs-AFc的紅外譜圖，表明該復(fù)合物中已有二茂鐵基團(tuán)。且其在2 852和2 921 cm-1處的CH2伸縮振動峰更強(qiáng)，這是因為SWNTs與AFc通過共價鍵連接形成了大π共軛體系的SWNTs-AFc復(fù)合物。

2.1.3SWNTs-AFc復(fù)合物的拉曼光譜如圖3所示，SWNTs的拉曼光譜顯示了SWNTs的三個特征峰，即在1 599.67 cm-1處出現(xiàn)的切向模(G -band)、在1393.97 cm-1處出現(xiàn)的無序誘導(dǎo)模(D -band))及在2 600～2 700 cm-1之間的二階模(G′-band)[11]。D模與G模的強(qiáng)度比(ID/IG)可用來表征SWNTs的功能化程度，D峰越高一般表示SWNTs功能化程度越高[12]。圖3中SWNTs-AFc復(fù)合物的拉曼光譜在1 598.19 cm-1和1 339.05 cm-1處出現(xiàn)的G峰和D峰較SWNTs的這兩個特征峰有明顯位移，說明SWNTs與AFc之間產(chǎn)生了較強(qiáng)的相互作用。且其G峰強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SWNTs的G峰強(qiáng)度，即ID/IG數(shù)值大大增加，表明SWNTs表面功能化程度顯著增加[13]。

圖2 SWNTs-AFc復(fù)合物、AFc和SWNTs的FT-IR光譜圖

圖3 AFc(A)、SWNTs(B)和SWNTs-AFc復(fù)合物(C)的Raman光譜圖

圖4 SWNTs-AFc/GCE、SWNTs/GCE和裸GCE對100 μmol/L p -NP在0.05 mol/L PBS(0.1 mol/L KCl，pH=7.4)中的循環(huán)伏安圖

2.2 SWNTs-AFc/GCE對p -NP的CV響應(yīng)

分別用SWNTs-AFc/GCE和SWNTs/GCE在0.05 mol/L PBS中對100 μmol/L的p-NP進(jìn)行CV掃描。如圖4所示，用裸GCE對p-NP進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)在-0.77 V處出現(xiàn)一個明顯的還原峰，其還原峰電流僅有18 μA，而用SWNTs/GCE在-0.65 V處的還原峰電流為23 μA，這表明與裸GCE相比，SWNTs/GCE對p-NP 的還原反應(yīng)顯示了一定的電催化作用，還原過電位顯著減小，峰電流也有所增高。然而同樣濃度的SWNTs-AFc/GCE對p-NP 的檢測在-0.65 V處則顯示了35 μA的顯著增強(qiáng)的還原電流響應(yīng)。該結(jié)果表明SWNTs-AFc和SWNTs修飾的電極均顯著降低了p-NP的還原過電位，這樣可以避免檢測過程中一些干擾物質(zhì)的影響，同時SWNTs-AFc/GCE對p-NP顯示了增強(qiáng)的電流響應(yīng)。這可能是因為SWNTs與AFc通過偶氮鍵連接所形成的大π共軛體系增加了電子離域，從而促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。因而，大π共軛在該復(fù)合物具有增強(qiáng)的電化學(xué)性能中扮演了重要角色。CV掃描結(jié)果表明SWNTs-AFc復(fù)合物對于p-NP的還原反應(yīng)具有較強(qiáng)的電化學(xué)催化性能。這種對于p-NP檢測的電位的明顯降低和響應(yīng)電流的顯著升高的特點(diǎn)是制備超靈敏和低電位檢測的安培傳感器所應(yīng)具備的最重要條件[14]。

2.3 SWNTs-AFc/GCE對p -NP的DPV響應(yīng)

與CV法相比，DPV法有更好的靈敏度和信噪比，因此選擇DPV法對SWNTs-AFc/GCE在PBS中對p-NP的電化學(xué)行為作進(jìn)一步研究。其優(yōu)化DPV參數(shù)為：電位增量0.005 V；脈沖幅度0.025 V；脈沖寬度1.0 s；脈沖間隔1.0 s；等待時間2 s，所得DPV曲線噪音低、峰形好、信號大，如圖5所示。結(jié)果顯示在-0.65 V處出現(xiàn)還原峰，且峰電流大小與p-NP的濃度密切相關(guān)，隨著PBS中p-NP濃度的增加，其還原峰電流也相應(yīng)增加。p-NP的還原峰電流與其濃度在1～700 μmol/L之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，回歸方程為：Ip=0.0474cp -NP(μmol/L)+0.685(R2=0.9934)，其檢測限為1 μmol/L。

圖5 SWNTs-AFc/GCE對不同濃度p -NP檢測的DPV曲線(A)及其校正曲線(B)

2.4 SWNTs-AFc復(fù)合物修飾GCE對p -NP的安培響應(yīng)

進(jìn)一步用SWNTs-AFc/GCE掃描了p-NP的電流時間(i-t)曲線。圖6為SWNTs-AFc復(fù)合物修飾GCE對每加入50.0 μmol/Lp-NP的安培響應(yīng)。隨p-NP的加入，電流響應(yīng)逐漸升高，在濃度1～850 μmol/L范圍內(nèi)，平臺期的平均電流與p-NP濃度的線性關(guān)系為：Ip=0.0425cp -NP(μmol/L)+15.287(R2=0.997)。同時當(dāng)加入p-NP時，電流響應(yīng)瞬時增強(qiáng)，這表明SWNTs-AFc復(fù)合物修飾的電極對電流響應(yīng)非?？?。這些結(jié)果顯示，SWNTs-AFc修飾GCE對p-NP具有較好的電化學(xué)響應(yīng)，可作為一種良好的檢測p-NP 的電化學(xué)傳感器。

圖6 SWNTs-AFc/GCE對每加入50.0 μmol/L p -NP的安培響應(yīng)(A)及其校正曲線(B)

3 結(jié)論

本實(shí)驗制備了SWNTs-AFc復(fù)合物，并研究了用該復(fù)合物修飾的GCE對p-NP進(jìn)行電化學(xué)檢測的性能。分別通過CV掃描、DPV掃描和安培響應(yīng)對SWNTs-AFc復(fù)合物修飾的GCE進(jìn)行性能考察，與SWNTs修飾的GCE和裸GCE相比，SWNTs-AFc復(fù)合物修飾電極顯示了顯著減小的還原過電位和顯著增強(qiáng)的還原電流響應(yīng)。極快的電流響應(yīng)、低的檢測限、寬的線性范圍和較高靈敏度表明SWNTs-AFc是用于檢測p-NP的優(yōu)良傳感器復(fù)合材料。