劉 海,司士輝，趙志佳，占秋玲，熊慧娟，藍(lán)昌華

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

一次性石墨紙電極用于電化學(xué)快速測(cè)定硝酸根

劉 海,司士輝*，趙志佳，占秋玲，熊慧娟，藍(lán)昌華

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為了簡(jiǎn)單快速測(cè)定硝酸根，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作出了低成本、免打磨和重現(xiàn)性良好的石墨紙電極，在自制便攜式電化學(xué)分析儀上，采用差分脈沖伏安法同位鍍銅催化還原硝酸根。與銅修飾的玻碳電極相比，銅修飾的一次性石墨紙電極大大提高了硝酸根的分析靈敏度。在硝酸根離子濃度為0.03～1 mmol/L范圍內(nèi)，硝酸根離子的濃度與還原峰電流呈良好的線性關(guān)系，檢出限為1.1 μmol/ L。此外，研究了水樣中一些常見陰離子對(duì)硝酸根測(cè)定的干擾作用，電極表現(xiàn)出較好的抗干擾性。此電極能有效地應(yīng)用于實(shí)際水樣中硝酸根的檢測(cè)。

一次性石墨紙電極；差分脈沖伏安法；硝酸根；同位鍍銅

硝酸鹽污染已成為一個(gè)世界性的環(huán)境問(wèn)題。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中硝酸鹽肥料的過(guò)度使用，會(huì)引起水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化等許多水質(zhì)問(wèn)題，如果飲用水中硝酸鹽含量過(guò)高就可能影響人類健康。硝酸鹽易與人體內(nèi)的鐵紅蛋白發(fā)生反應(yīng)引發(fā)消化道癌癥或者肝癌等疾病[1]。鑒于人類食用過(guò)量的硝酸鹽會(huì)危及健康，世界衛(wèi)生組織將飲用水中硝酸根的濃度限制在0.8mmol/L[2]。因此，急需開發(fā)一種高靈敏度、簡(jiǎn)單、快速且低成本的硝酸鹽檢測(cè)方法。

目前，檢測(cè)硝酸鹽最常用的方法包括熒光測(cè)定法[3]、氣相色譜 - 質(zhì)譜法(GC-MS)[4]、高效液相色譜法等[5]。但由于這些檢測(cè)方法具有消耗時(shí)間長(zhǎng)和對(duì)大規(guī)模儀器依賴等缺點(diǎn)，不適于常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)使用。電化學(xué)方法因具有快速響應(yīng)、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、低功耗和適用于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而受到了人們的重視。由于電化學(xué)方法通常是基于硝酸根在電極表面還原，所以電極材料的選擇對(duì)傳感器性能的提高至關(guān)重要。膨脹石墨紙由于具有較大比表面積和較高表面活性等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛的關(guān)注。然而，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，使用裸露的電極直接測(cè)定硝酸鹽是困難的，易導(dǎo)致測(cè)量靈敏度低、重復(fù)性差。因此，人們采用了一些敏感性物質(zhì)對(duì)電極進(jìn)行修飾，如銅[6]、銀[7]、鎘[8]、鉛[9]、鈀[10]、聚吡咯材料[11]、硼摻雜的金剛石電極[12]以及生物催化劑[13]等。由于銅具有良好的電催化活性、成本低且易于電沉積等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者的青睞[14]。

研究者用電化學(xué)方法檢測(cè)硝酸鹽時(shí)，主要集中采用循環(huán)伏安法[15]或恒電位法[16]沉積一層銅修飾電極后再檢測(cè)硝酸根。然而，這些方法的應(yīng)用容易導(dǎo)致修飾電極的銅膜在含氧水中氧化變質(zhì)，從而影響檢測(cè)的靈敏度。而絲網(wǎng)印刷碳電極由于具有如小尺寸、低檢測(cè)限、快速響應(yīng)時(shí)間和高重復(fù)性[17]等獨(dú)特性能，在電化學(xué)分析領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本研究采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，以膨脹石墨紙作為導(dǎo)電基底制造一次性石墨紙電極。其與玻碳電極相比，不但價(jià)格低廉、免打磨，而且大大提高了硝酸根的分析靈敏度；同時(shí)提出了一種采用基于差分脈沖伏安法自制的便攜式電化學(xué)分析儀[18]快速測(cè)定硝酸根的簡(jiǎn)單且低成本的方法。在處理干擾離子亞硝酸根時(shí)，提出了一種簡(jiǎn)單有效的處理方法。該檢測(cè)方法能有效地應(yīng)用于實(shí)際水樣中硝酸根的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1)材料：柔性石墨、KNO3、CuSO4·H2O、H2SO4、KCl、KH2PO4、K2HPO4·3H2O、K2SO4、NaNO2、NH2SO3H和無(wú)水乙醇，以上均為分析純?cè)噭?，試劑溶劑均?次超純水。

2)儀器：便攜式自制電化學(xué)分析儀；數(shù)字顯示pH計(jì)(pH值范圍0～14，PHS-2F 型，上海雷磁儀器廠)；UV2000/1000(Lab Tech Instrument Corporation，北京)。所有實(shí)驗(yàn)均在三電極體系下完成，工作電極為一次性石墨紙電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。

1.2 一次性石墨紙電極的制作

將柔性膨脹石墨紙用二次去離子水清洗，烘干后其一面粘在0.5 mm PVC板上，并切成60 mm×5 mm矩形電極，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在膨脹石墨紙電極的另一面印刷絕緣層，制作出邊長(zhǎng)為3 mm的測(cè)試電極。

1.3 硝酸根的檢測(cè)

將石墨紙電極、鉑電極、飽和甘汞電極放在含有5 mmol/L CuSO4和10 mmol/L KCl(用2 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)至pH=2)的溶液中，采用差分脈沖伏安法檢測(cè)硝酸根，其參數(shù)設(shè)置為：電位區(qū)間為0～-0.75 V,電位增量為4 mV,靜止時(shí)間為3 s,脈沖寬度為0.2 s，脈沖周期為0.5 s。在硝酸根還原過(guò)程中，銅離子先于硝酸根離子被還原成銅沉積在電極表面，從而能夠催化還原硝酸根離子。所有實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝酸根檢測(cè)原理

研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用裸電極時(shí)，還原步驟非常緩慢，需要很大的負(fù)電位，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)電解液中存在多價(jià)陽(yáng)離子可加速還原反應(yīng)過(guò)程。因此，在溶液中引入價(jià)格低廉的銅離子來(lái)加速硝酸根的還原反應(yīng)。據(jù)文獻(xiàn)[19]記載，硝酸鹽的電化學(xué)還原過(guò)程很復(fù)雜，首先硝酸根被還原成亞硝酸根，亞硝酸根再進(jìn)一步還原為其他氮化合物，其產(chǎn)物取決于實(shí)驗(yàn)條件，如電極性質(zhì)、電解質(zhì)介質(zhì)和pH值。

在酸性條件下，硝酸根在石墨紙電極上發(fā)生還原反應(yīng)生成氨根離子。具體反應(yīng)式如式(1)：

NO3-+10H++ 8e-→ NH4++3H2O

(1)

因此，在檢測(cè)硝酸根時(shí)，測(cè)試液要調(diào)節(jié)到合適的pH值。

2.2 同位鍍銅對(duì)硝酸根的催化還原

在室溫條件下，石墨紙電極在沒有添加CuSO4的空白底液(100 μmol/L KNO3, 10 mmol/L KCl，pH=2)和添加了CuSO4且濃度不同的硝酸根測(cè)試液(①100 μmol/L KNO3, 10 mmol/L KCl,5 mmol/L CuSO4,pH=2;②200 μmol/L KNO3,10 mmol/L KCl,5 mmol/L CuSO4, pH=2)中分別進(jìn)行差分脈沖伏安掃描。石墨紙電極在不同溶液中的差分脈沖伏安曲線如圖1所示。在0～-0.75 V的電位掃描區(qū)間，沒有添加CuSO4的空白底液中沒有明顯的還原峰(圖1a曲線)，但是當(dāng)石墨紙電極放在含有5 mmol/L CuSO4的測(cè)試液中時(shí)，在-0.6V處有明顯的還原峰(圖1b曲線)，并且隨硝酸根濃度增加，還原峰電流增大(圖1c曲線)，這表明在石墨紙電極上原位電沉積銅修飾電極對(duì)硝酸鹽的電化學(xué)還原具有良好的催化作用。眾所周知，新鮮銅表層容易在空氣中快速被氧化或鈍化，為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象，使用差分脈沖伏安法測(cè)定硝酸根，在含有Cu2+的測(cè)試溶液中將銅催化劑原位電沉積到石墨紙電極表面。

2.3 石墨紙電極和玻碳電極檢測(cè)硝酸根的結(jié)果比較

石墨紙電極和玻碳電極分別在100 μmol/L KNO3,10 mmol/L KCl 和5 mmol/L CuSO4溶液中的差分脈沖伏安曲線如圖2所示，從圖2中可以看到，石墨紙電極在-0.60 V左右有1個(gè)硝酸根的還原峰，并且在-0.25 V左右有1個(gè)銅離子的還原峰(曲線c)，而玻碳電極卻沒有明顯的峰(曲線a)。但是當(dāng)玻碳電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中用循環(huán)伏安法活化后，光滑的玻碳電極表面被粗糙化后有一個(gè)明顯的硝酸根的還原峰(曲線b),這表明銅的電沉積行為取決于電極表面的性質(zhì)，如粗糙度和官能團(tuán)。而通過(guò)化學(xué)氧化的石墨粉末制備的膨脹石墨紙，表面粗糙且含有羥基、羧基等活性官能團(tuán)，因此采用石墨紙電極檢測(cè)硝酸根有利于銅的電沉積，能夠大大提高檢測(cè)靈敏度。

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

為了改善石墨紙電極的靈敏性，對(duì)采用差分脈沖伏安法掃描檢測(cè)硝酸根含量過(guò)程中涉及的pH值、Cu2+濃度和Cl-濃度這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)條件下，將石墨紙電極先后置于不同pH值(1，2，3，4，5)的含有200 μmol/L KNO3, 5 mmol/L CuSO4和10 mmol/L KCl的混合溶液，含不同濃度Cl-的200μmol/ L KNO3,5 mmol/L CuSO4(pH=2)的混合溶液以及含不同濃度Cu2+的200 μmol/L KNO3,10 mmol/L KCl(pH=2)混合溶液中，考察不同參數(shù)對(duì)硝酸根還原電流的影響。測(cè)試參數(shù)結(jié)果如圖3所示，當(dāng)pH值為2、Cu2+濃度為5 mmol/L、Cl-濃度為10 mmol/L時(shí)響應(yīng)電流最大。因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，電極的這3個(gè)參數(shù)分別固定為pH值為2、CuSO4濃度為5 mmol/L、KCl濃度為10 mmol/L。

2.5 差分脈沖伏安法檢測(cè)硝酸根含量

采用差分脈沖伏安法，用石墨紙電極在最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件下考察硝酸根濃度與還原電流大小的關(guān)系以實(shí)現(xiàn)硝酸根的檢測(cè)。不同濃度硝酸根的差分脈沖伏安曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，在硝酸根濃度為0.03～1 mmol/L的范圍內(nèi)，隨著電解液中硝酸根離子的增加，峰電流也隨之增加，且峰電流與硝酸根濃度有良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)是0.999 2，檢出限是1.1 μmol/L (S/N=3)。

2.6 重現(xiàn)性及干擾性實(shí)驗(yàn)

為了考察一次性石墨紙電極的重現(xiàn)性，在同一條件下，用10個(gè)石墨紙電極在含有200 μmol/L KNO3測(cè)試溶液中測(cè)試，比較電流響應(yīng)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(RSD)為5.06%，表明此種一次性石墨紙電極具有良好的重現(xiàn)性。

由于常見水樣中存在其他陰離子可能對(duì)檢測(cè)硝酸根離子造成干擾，在含有200 μmol/L NO3-的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下分別加入5倍濃度(1 000 μmol/L)的NO2-、Cl-、CO32-、SO42-、HPO42-、H2PO4-等干擾離子。石墨紙電極對(duì)水中常見離子的響應(yīng)曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)干擾離子濃度為5倍于NO3-濃度時(shí)，Cl-、CO32-、SO42-、HPO42-、H2PO4-等干擾離子對(duì)于硝酸根檢測(cè)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，而NO2-會(huì)產(chǎn)生較大影響，這是由于NO2-還原峰與NO3-還原峰信號(hào)位于同一位置，這表明NO2-與NO3-還原電位較接近。所以在實(shí)際測(cè)定中，檢測(cè)前應(yīng)除去水中的NO2-以排除干擾。本實(shí)驗(yàn)中，采取化學(xué)還原法利用氨基磺酸與亞硝酸根的定量反應(yīng)對(duì)NO2-進(jìn)行直接處理，此方法可以完全去除溶液中的NO2-，不會(huì)生成有害物質(zhì)，且不會(huì)生成對(duì)硝酸根檢測(cè)實(shí)驗(yàn)有影響的物質(zhì)[20],其反應(yīng)方程式為：

NH2SO3H + NO2-→ HSO4-+ H2O + N2

2.7 實(shí)際水樣中硝酸根的測(cè)定

取適量湘江水、實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水、池塘水以及岳麓山山泉水用上文2.6中提及的方法去除水中的NO2-，再分別取30 mL樣品于燒杯中，并使待測(cè)液中CuSO4濃度為5 mmol/L,KCl濃度為10 mmol/L，并用2 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)pH值為2，用差分脈沖伏安法檢測(cè)NO3-含量，同時(shí)采用樣品加標(biāo)回收法計(jì)算回收率，分析結(jié)果見表1。用紫外分光光度法測(cè)定上述樣品的NO3-含量分別為72.1 μmol/L、 110.2 μmol/L、159.1 μmol/L 和414.3 μmol/L。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，2種方法測(cè)定結(jié)果基本一致，證明了該一次性石墨紙電極可以應(yīng)用于實(shí)際水樣中硝酸根的檢測(cè)。

表1 用石墨紙電極檢測(cè)水樣的結(jié)果(n=5)

注：a為5次實(shí)驗(yàn)的平均值。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)本研究通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)使用膨脹石墨紙制作導(dǎo)電石墨紙電極，采用原位電沉積法鍍銅修飾石墨紙電極，并用基于差分脈沖伏安法自制的便攜式電化學(xué)分析儀簡(jiǎn)單快速測(cè)定硝酸根。整個(gè)實(shí)驗(yàn)不需要用氮?dú)饷撗踹M(jìn)行樣品制備和除氧，且測(cè)定時(shí)間不超過(guò)10 min。

2)提出的一次性石墨電極表現(xiàn)出很強(qiáng)的實(shí)用性，如低成本、免打磨和良好的重現(xiàn)性，且與修飾玻碳電極相比，銅層修飾膨脹石墨紙電極大大提高了硝酸根的分析靈敏度。在硝酸根離子濃度為0.03～1 mmol/L范圍內(nèi)，有很好的靈敏性和線性度。此外，研究了水樣中一些常見陰離子對(duì)硝酸根測(cè)定的干擾作用，結(jié)果表明，只有亞硝酸會(huì)在與硝酸根相同的電位下產(chǎn)生明顯的峰值電流。

3)采取化學(xué)還原法利用氨基磺酸與亞硝酸根的定量反應(yīng)對(duì)亞硝酸根進(jìn)行直接處理。當(dāng)該自制石墨紙電極應(yīng)用于實(shí)際水樣中檢測(cè)硝酸根時(shí)，測(cè)量結(jié)果與分光光度法測(cè)量的結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性。

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(責(zé)任編輯 高 嵩)

A Rapid Electrochemical Determination of Nitrate by Disposable Graphite Paper Electrode

LiuHai,SiShihui*，ZhaoZhijia,ZhanQiuling,XiongHuijuan,LanChanghua

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha Hunan 410083)

A disposable graphite paper electrode was fabricated by a screen-printing technique,which had such advantages as low cost,no polish and good reproducibility.A simple and rapid electroanalytical assay for the determination of nitrate at an in situ copper-modified graphite electrode was proposed on the basis of differential pulse voltammetry by using a home-made portable electrochemical analyzer.The in situ copper-modi ed graphite paper electrode has greatly improved the analytical sensitivity of nitrate than the modified glassy carbon electrode.The nitrate differential pulse voltammetry response increases linearly with nitrate concentration over a range of 0.03-1mmol/L,and the detection limit is 1.084 μmol/L.In addition,the interferential effects of some common anions in water samples on the nitrate determination were investigated, which indicated that the electrode in this paper had good selectivity to NO3-.The disposable graphite paper electrode can also be effectively applied to the determination of nitrate in natural water．

a disposable graphite paper electrode;differential pulse voltammetry;nitrate;in situ copper film

2017-01-10

湖南省長(zhǎng)沙市科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：k1501086-11)。

劉海，碩士生。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.02.008

O661.1

A

2095-4565(2017)02-0033-06

*通訊作者：司士輝，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：電化學(xué)檢測(cè)和電池材料。