付 菊， 譚小紅， 宋新建*

(1.湖北民族學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室， 湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 恩施 445000)

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石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極用于甲基對硫磷的電化學(xué)測定

付 菊1，2， 譚小紅2， 宋新建1，2*

(1.湖北民族學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室， 湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 恩施 445000)

采用一步電沉積法制備了石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極.利用循環(huán)伏安法和方波伏安法研究了甲基對硫磷在該復(fù)合膜電極上的電化學(xué)行為.結(jié)果表明，該復(fù)合膜對甲基對硫磷具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點.在最佳條件下，甲基對硫磷的峰電流響應(yīng)與其濃度在0.000 3～2.5 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測限為0.05 nmol/L.該石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾玻碳電極也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力，并可用于實際樣品的檢測．

一步電沉積； 石墨烯； 4-氨基-2-巰基嘧啶； 修飾電極； 甲基對硫磷

甲基對硫磷(Methyl Parathion，MP)是一種持久、神經(jīng)毒性的有機磷酸酯殺蟲劑[1]，其殘留不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且還可以通過食物鏈作用危害人類健康.因此，發(fā)展快速、簡單和靈敏的方法檢測MP殘留量顯得尤為重要.MP殘留量的檢測方法通常有熒光分析法[2]、表面增強拉曼光譜法[3]、氣相色譜-質(zhì)譜法[4]、高效液相色譜法[5]和化學(xué)發(fā)光法[6]等.這些方法往往操作耗時、分析成本昂貴和需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理.電分析方法因設(shè)備簡單、檢測快速、靈敏且周期短而備受青睞[7].為了提高電化學(xué)測定MP的靈敏度和選擇性，關(guān)鍵在于尋找到性能優(yōu)異的電化學(xué)傳感材料．

石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的新型二維碳納米材料，具有大的比表面積和優(yōu)異的電子傳輸性能，因而石墨烯及其復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中[8-10].有機導(dǎo)電聚合物膜因具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和良好的穩(wěn)定性、導(dǎo)電性[11-13]，使其在電化學(xué)領(lǐng)域已引起人們的極大興趣.基于材料的協(xié)同作用，將石墨烯和聚嘧啶兩種材料復(fù)合構(gòu)建一種復(fù)合物膜傳感材料，以期提高其對MP的電化學(xué)增敏效應(yīng).然而，石墨烯復(fù)合材料的制備方法多采用直接混合或者原位還原的方式，操作繁瑣、過程難以控制，且容易導(dǎo)致復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上不均勻，影響材料的性能.用電沉積法制備電極，操作簡單易行，膜厚可控，而且有利于提高電化學(xué)測定方法的重現(xiàn)性.本文采用一步電沉積法簡易制備了一種未見文獻(xiàn)報道的石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極，研究了MP在該電極上的電化學(xué)行為，對實驗條件進(jìn)行了優(yōu)化，并建立了MP的電化學(xué)檢測方法．

1 實驗部分

1.1儀器與試劑

ZEISS Sigma場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國，ZEISS公司)；NICOLET 5700智能傅里葉變換紅外光譜儀(美國，Thermo公司)；RM-1000激光共聚焦拉曼光譜儀(英國，Renishaw公司)；CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)； KQ-50B型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；DZF-6020真空干燥箱(上海博訊實業(yè)有限公司)；三電極體系：玻碳電極(GCE)為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲為對電極．

氧化石墨烯(GO)購于南京先豐納米材料科技有限公司；磷酸二氫鉀(KH2PO4)、十二水磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)，均購于上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；4-氨基-2-巰基嘧啶(AMP)購自美國Acros Organics 公司；甲基對硫磷購自湖北沙隆達(dá)農(nóng)藥廠；所用試劑均為分析純，所有溶液均用二次蒸餾水配制．

1.2石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極

將GCE(Φ=3)依次用0.05 μm Al2O3拋光粉拋光成鏡面，分別用HNO3(1∶1)、無水乙醇、二次蒸餾水超聲清洗3 min，于室溫下自然晾干.將預(yù)處理后的玻碳電極置于已超聲分散的含1.0×10-3mol/L 4-氨基-2-巰基嘧啶(AMP)和1 mg/mL GO的0.1 mol/L NaOH混合溶液中，在-1.5～+1.6 V電位范圍內(nèi)以50 mV/s的速度循環(huán)掃描10圈.洗凈，晾干，制得rGO/pAMP電極．

1.3分析方法

循環(huán)伏安法(CV)測定條件：電位范圍為-0.8～0.4 V，靜置時間為2 s，掃描速度為100 mV/s；方波伏安法(SWV)測定條件：在pH=7.0的磷酸鹽緩沖溶液中，掃描電位范圍-0.8～0.4 V，富集電位-0.2 V，富集時間100 s，振幅25 mV，電位階差10 mV，頻率15 Hz．

2 結(jié)果與討論

2.1修飾電極的表征

從聚嘧啶(pAMP)膜的掃描電鏡圖(圖1A)可以看出，聚嘧啶呈均一的納米粒子分布于電極表面.圖1B是石墨烯/聚嘧啶掃描電鏡圖，可以看出電極表面覆蓋了一層均勻的聚嘧啶納米粒子和還原石墨烯(rGO)膜，可提供更多的活性位點，進(jìn)而增強對MP的響應(yīng)能力．

電極制備的過程采用EIS監(jiān)測，結(jié)果如圖2所示.由高頻區(qū)半圓直徑的變化，可以清晰地反映出電極界面的微觀變化：在含有5.0×10-3mol/L K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6](1.0 mol/L KCl)中，GCE呈現(xiàn)出一個大的阻抗響應(yīng)(Rct=2600 Ω).與rGO(Rct=1549 Ω)和pAMP(Rct=481 Ω)相比較，rGO/pAMP的Rct值為204 Ω，說明rGO/pAMP復(fù)合膜具有更好的電子傳導(dǎo)能力．

圖1 聚嘧啶膜的掃描電鏡圖(A)和石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜的掃描電鏡圖(B)Fig.1 SEM images of pAMP (A)， and rGO/pAMP composite (B)

圖2 不同修飾電極的交流阻抗圖Fig.2 Impedance diagrams of different modified electrodes

2.2MP在不同電極上的電化學(xué)行為

圖3為石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜在3.0 μmol/L MP的磷酸鹽緩沖溶液(PBS， pH=7.0)中的循環(huán)伏安圖.由圖3可以看出，第一圈掃描時在-0.532 V電位處出現(xiàn)一個很尖銳的不可逆還原峰，對應(yīng)于MP的苯硝基(Ar-NO2)通過4電子不可逆地還原為羥氨基(Ar-NHOH)的過程(反應(yīng)式R1)；在連續(xù)掃描時，MP在電位-0.009 V和-0.024 V出現(xiàn)一對準(zhǔn)可逆的氧化-還原峰，分別對應(yīng)羥氨基(Ar-NHOH)和亞硝基(Ar-NO)的氧化和還原過程(反應(yīng)式O2/R2).MP在電極上的反應(yīng)機理可描述如下[14].

圖3 石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜對MP的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammorgrams (CVs) of rGO/pAMP composite film for MP

圖4分別為裸玻碳(a)、rGO/GCE(b)、pAMP/GCE(c)和rGO/pAMP/GCE(d)在2.0 μmol/L MP磷酸鹽緩沖溶液(PBS， pH=7.0)中的方波伏安圖.曲線a表明裸玻碳對Ar-NHOH的氧化幾乎沒有響應(yīng)，rGO(曲線b)的響應(yīng)主要歸因于石墨烯大的比表面積和優(yōu)異的電子傳輸能力.AMP的NH2紅外吸收峰在3 330 cm-1附近(圖5A)，電沉積后變化到3 316 cm-1附近(圖5B)，說明電沉積發(fā)生聚合后以亞氨基(—NH—)的形式存在；圖5B中1 632 cm-1和1 570 cm-1是嘧啶環(huán)C=N的特征吸收峰， 在圖6Raman譜中出現(xiàn)

1 598.3 cm-1偏振線也證實了聚嘧啶膜中C=N的存在；圖5B中在2 550 cm-1附近未出現(xiàn)S—H紅外吸收峰，同時在圖6 Raman譜中也未觀察到S—H偏振線，說明聚嘧啶膜中不存在巰基(—SH)，而可能以—S○-形式存在，pAMP中亞氨基、嘧啶環(huán)上N原子以及S負(fù)離子可與羥氨基(—NHOH)之間形成分子間氫鍵作用力，從而增加電極界面對Ar-NHOH的富集能力，因此，pAMP膜電極(曲線c)對MP的響應(yīng)很高.而從圖4中曲線d可看出rGO/pAMP修飾電極的電化學(xué)響應(yīng)明顯高于rGO和pAMP修飾電極，說明兩種材料之間的協(xié)同作用對Ar-NHOH的氧化具有明顯的增敏效應(yīng)．

圖4 MP在不同電極上的方波伏安圖Fig.4 Square wave voltammograms (SWVs) of different modified electrodes

圖5 AMP (A)和pAMP (B)的紅外光譜圖Fig.5 IR spectra of AMP (A) and pAMP (B)

圖6 pAMP/GCE的Raman光譜圖Fig.6 Raman spectrum of pAMP/GCE

2.3pH值、富集時間、富集電位和膜厚度的影響

圖7A考察了不同pH值(4.9、5.9、6.5、7.0、7.4和8.0)在PBS中對MP氧化峰電流和峰電位的影響.在pH 4.9～7.0范圍內(nèi)MP的氧化峰電流隨pH值的增大而增大，而超過7.0后隨pH值的增大而減小，實驗選取pH=7.0為最佳實驗條件.圖7B考察了0～140 s富集時間對MP氧化峰電流的影響.當(dāng)富集時間由0 s增加到100 s時，MP氧化峰電流值急劇增加，而超過100 s后MP的氧化峰電流基本趨于穩(wěn)定，表明此時石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜對MP的吸附已基本達(dá)到飽和.圖7C在電位范圍為-0.8～0.2 V的條件下，選擇不同富集電位進(jìn)行SWV掃描.結(jié)果發(fā)現(xiàn)在-0.2 V時峰電流最大，大于-0.2 V后峰電流逐漸變小，故實驗選擇富集電位為-0.2 V.另外，rGO/pAMP復(fù)合膜的厚度對MP的響應(yīng)也會產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)鍍膜圈數(shù)由1圈→10圈時是逐漸增加，而超過10圈后會逐漸減小.這是因為隨著復(fù)合膜厚度的增加，電極的活性面積增加，導(dǎo)電性增強，因此峰電流也相應(yīng)增加.但是復(fù)合膜厚度太大時，會阻礙MP與電極之間的電子傳遞，故氧化峰電流反而降低．

圖7 rGO/pAMP/GCE在含2.0 μmol/L MP中不同pH值(A)、富集時間(B)和富集電位(C)的方波伏安曲線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線性范圍和檢測限

于最優(yōu)實驗條件下，在-0.6～0.4 V范圍內(nèi)用rGO/pAMP電極對不同濃度的MP溶液進(jìn)行掃描.結(jié)果表明，MP的氧化峰電流(Ipa)與其濃度在0.000 3～2.5 μmol/L范圍成良好的線性關(guān)系(圖8)，線性回歸方程為Ipa(μA)=0.1557+14.1865C(μmol/L)，r=0.9992，檢測限可達(dá)0.05 nmol/L(S/N=3).本文提供了一種rGO/pAMP修飾電極測定MP的新方法，將其與部分文獻(xiàn)所載方法進(jìn)行了比較，結(jié)果列于表1．

圖8 濃度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上的方波伏安圖(其內(nèi)插圖為校準(zhǔn)曲線)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)

修飾方法檢測范圍/(μmol·L-1)最低檢測限/(nmol·L-1)參考文獻(xiàn)金?十二烷基磺酸鈉納米粒子05～10086[15]多壁碳納米管?聚丙烯酰胺0005～1012[16]聚離子液體/石墨烯001～72[17]有序介孔碳009～6176[18]巰基?β?環(huán)糊精?納米金/多壁碳納米管0002～00801[19]分子印跡多孔硅酸鹽001～1089[20]石墨烯/聚嘧啶00003～25005本研究

2.5修飾電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性

分別采用6支不同批次制備的石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極檢測2.0 μmol/L MP溶液，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.31%，表明該電極具有良好的制備重現(xiàn)性.用同一支石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極平行測定2.0 μmol/L的MP溶液12次，結(jié)果其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.31%，表明該電極具有優(yōu)良的測定重現(xiàn)性.用該石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極平行測定2.0 μmol/L MP溶液35次，峰電流沒有明顯降低，表明該復(fù)合膜修飾電極具有較好的穩(wěn)定性．

2.6抗干擾實驗

2.7實際樣品的測定

在最優(yōu)實驗條件下，以rGO/pAMP/GCE為工作電極，用方波伏安法對預(yù)處理實際樣品中的MP進(jìn)行加入回收實驗，分析結(jié)果見表2.回收率為96.0%～104.5%，可滿足常規(guī)分析要求．

表2 實際樣品中對MP的測定

3 結(jié)論

本文通過一步電沉積法簡易制備出石墨烯/聚嘧啶復(fù)合膜修飾電極，并構(gòu)建了測定MP的電化學(xué)方法.與pAMP/GCE、rGO/GCE相比，MP的氧化峰電流信號在rGO/pAMP/GCE上得到大大提高，表明兩種材料之間的協(xié)同作用對MP的氧化具有明顯的增敏效應(yīng).同時，rGO/pAMP/GCE對MP的線性檢測范圍廣，靈敏度高、穩(wěn)定性好和抗干擾能力強，可用于實際樣品中MP的檢測．

[1] MANZANILLA-CANO J A， REYES-SALAS E O， BARCEL-QUINTAL M H. Electrochemical elimination of the pesticide methylparathion in an aqueous medium[J]. International Journal of Environmental Analytical Chemistry， 1999， 75(4): 387-405．

[2] HOU J， TIAN Z， XIE H， et al. A fluorescence resonance energy transfer sensor based on quaternized carbon dots and Ellman’s test for ultrasensitive detection of dichlorvos[J]. Sensors and Actuators B: Chemical， 2016， 232: 477-483．

[3] ZHOU Q， MENG G， WU N， et al. Dipping into a drink: Basil-seed supported silver nanoparticles as surface-enhanced Raman scattering substrates for toxic molecule detection[J]. Sensors and Actuators B: Chemical， 2016， 223: 447-452．

[4] CINELLI G， AVINO P， NOTARDONATO I， et al. Ultrasound-vortex-assisted dispersive liquid-liquid microextraction coupled with gas chromatography with a nitrogen-phosphorus detector for simultaneous and rapid determination of organophosphorus pesticides and triazines in wine[J]. Analytical Methods， 2014， 6(3): 782-790．

[5] WANG Q， ZHANG X， XU Z， et al. Simultaneous determination of three trace organophosphorus pesticide residues in vegetables using molecularly imprinted solid-phase extraction coupled with high-performance liquid chromatography[J]. Food Analytical Methods， 2015， 8(8): 2044-2051．

[6] OUYANG H， WANG L， YANG S， et al. Chemiluminescence reaction kinetics-resolved multianalyte immunoassay strategy using a bispecific monoclonal antibody as the unique recognition reagent[J]. Analytical Chemistry， 2015， 87(5): 2952-2958．

[7] XUE R， KANG T F， LU L P， et al. Electrochemical sensor based on the graphene-nafion matrix for sensitive determination of organophosphorus pesticides[J]. Analytical Letters， 2013， 46(1): 131-141．

[8] 黃柱進(jìn)， 劉雅瓊， 陳明明， 等. 石墨烯修飾玻碳電極測定鉛離子的研究[J]. 華中師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013， 47(4)：514-517．

[9] SHI J， WANG Y， DU W， et al. Synthesis of graphene encapsulated Fe3C in carbon nanotubes from biomass and its catalysis application[J]. Carbon， 2015， 99: 330-337．

[10] 范躍娟， 沙翠翠， 唐旻奕， 等. 氧化石墨烯修飾碳纖維微電極電化學(xué)性能研究[J]. 華中師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015， 49(6)：901-906．

[11] LIU Y， XU K， ZHANG X， et al. Electrochemical codeposition of graphene/polypyrrole composites on carbon paper for electrochemical capacitors[J]. Current Applied Physics， 2016， 16(5): 520-526．

[12] GAO Y S， XU J K， LU L M， et al. Overoxidized polypyrrole/graphene nanocomposite with good electrochemical performance as novel electrode material for the detection of adenine and guanine[J]. Biosensors and Bioelectronics， 2014， 62: 261-267．

[13] TAN X H， ZHANG S H， SONG X J， et al. A nanostructured poly (2-mercapto-4-amino-5-cyano-6-phenylpyrimidine) film for sensitive determination of methyl parathion[J]. Nanoscience and Nanotechnology Letters， 2014， 6(4): 333-338．

[14] LIU G， LIN Y. Electrochemical sensor for organophosphate pesticides and nerve agents using zirconia nanoparticles as selective sorbents[J]. Analytical Chemistry， 2005， 77(18): 5894-5901．

[15] LI C， WANG Z， ZHAN G. 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．

[16] ZENG Y， YU D， YU Y， et al. Differential pulse voltammetric determination of methyl parathion based on multiwalled carbon nanotubes-poly(acrylamide) nanocomposite film modified electrode[J]. Journal of Hazardous Materials， 2012， 217: 315-322．

[17] ZHAO L， ZHAO F， ZENG B. Electrochemical determination of methyl parathion using a molecularly imprinted polymer-ionic liquid-graphene composite film coated electrode[J]. Sensors and Actuators B: Chemical， 2013， 176: 818-824．

[18] PAN D， MA S， BO X， et al. Electrochemical behavior of methyl parathion and its sensitive determination at a glassy carbon electrode modified with ordered mesoporous carbon[J]. Microchimica Acta， 2011， 173(1-2): 215-221．

[19] FU X C， ZHANG J， TAO Y Y， et al. Three-dimensional mono-6-thio-β-cyclodextrin covalently functionalized gold nanoparticle/single-wall carbon nanotube hybrids for highly sensitive and selective electrochemical determination of methyl parathion[J]. Electrochimica Acta， 2015， 153: 12-18．

[20] TAN X， LI B， LIEW K Y， et al. Electrochemical fabrication of molecularly imprinted porous silicate film electrode for fast and selective response of methyl parathion[J]. Biosensors and Bioelectronics， 2010， 26(2): 868-871.Graphene/polypyrimidine composite film modified electrode for electrochemical determination of methyl parathion

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.

國家自然科學(xué)基金資助項目(21561011)；湖北民族學(xué)院科研創(chuàng)新團(tuán)隊項目(MY2014T004)．

1000-1190(2016)04-0565-06

O657.1

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: whxjsong@163.com．