汪萬強(qiáng)，崔莉娟，牛 頓，冉 茜，劉素芹*

（湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院·化學(xué)工程學(xué)院，低維光電材料與器件湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441053）

水合肼，又稱水合聯(lián)氨，具有強(qiáng)堿性和吸濕性。它常作精細(xì)化工原料，用于藥物、食品、農(nóng)藥等的生產(chǎn)。同時(shí)，作為神經(jīng)毒素，它對(duì)人的身體健康有一定的危害性[1-2]。因此，建立一種高效、快速、靈敏的水合肼殘留量檢測方法勢在必行。目前，檢測水合肼的方法主要有分光光度法[3-5]、熒光探針[6-8]色譜法[9-11]和電化學(xué)法[12-16]。

普魯士藍(lán)的過渡金屬類似物是一種無機(jī)電活性材料，被廣泛應(yīng)用于電催化、化學(xué)修飾電極、生物傳感器、分子識(shí)別等領(lǐng)域[17-18]。鐵氰化銅（copper hexacyanoferrate，CuHCF）作為代表物，在各個(gè)領(lǐng)域尤其是電化學(xué)傳感及電催化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[19-21]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，NiHCF/CCE[22]、AuS/CuHCF[23]、NBHCFCPE[24]、NiHCF/AuNPs[25]、ITO/G-M/CuHCF-M[26]等化學(xué)修飾電極都被用于檢測水合肼，并且取得了較好結(jié)果。類石墨相氮化碳（g-C3N4）具有二維堆積層狀結(jié)構(gòu)，具有硬度高、密度低、化學(xué)穩(wěn)定性高、耐磨性強(qiáng)、生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。在膜材料、催化劑及催化劑載體等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景[27-29]。因此，本實(shí)驗(yàn)利用CuHCF和g-C3N4的優(yōu)異催化性能，制備了CuHCF/Nafion/g-C3N4納米復(fù)合修飾電極，并用于電催化氧化檢測水合肼。與文獻(xiàn)報(bào)道的基于鐵氰化物、其他納米材料復(fù)合鐵氰化物等傳感器相比，此修飾電極檢測水合肼的結(jié)果大致相當(dāng)，具有檢測限低、線性范圍較寬等特點(diǎn)。另外，該修飾電極可用于生活飲用水及其水源中的水合肼濃度的定量檢測，與標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)照，結(jié)果令人滿意。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

三聚氰胺、硝酸銅、鐵氰化鉀、硝酸、水合肼上海凌峰化學(xué)試劑公司。Nafion（5%） 美國Sigma-Aldrich公司。實(shí)驗(yàn)用試劑均為分析純，用水為二次去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

RST5000電化學(xué)工作站 蘇州瑞思特儀器有限公司；三電極體系：修飾電極作為工作電極（玻碳電極），飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為輔助電極；D8 ADVANCE X射線衍射儀 德國Bruker公司；FESEM S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；ASAP2020比表面積檢測儀 美國Micromeritics公司。

1.3 方法

1.3.1 g-C3N4的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[30]制備g-C3N4。稱取大約5.00 g三聚氰胺于坩堝中，然后放入馬弗爐中，以3 ℃/min的升溫速率升至550 ℃，保溫2 h，然后冷卻至室溫。將得到的黃色塊狀固體置于瑪瑙研缽中研磨，得到的黃色粉末為g-C3N4。稱取0.1 g上述制得的粉末g-C3N4于燒杯中，加入200?mL水，置于超聲波清洗機(jī)中超聲12 h。將得到的懸濁液離心分離，然后于80 ℃干燥10 h，即得g-C3N4。

1.3.2 CuHCF的制備

稱取1.00 g鐵氰化鉀溶于90 mL去離子水中，稱取0.50 g硝酸銅溶于10 mL去離子水中。在磁力攪拌器上，向CuHCF溶液中緩慢滴加硝酸銅溶液，溶液由黃色變?yōu)辄S綠色懸濁液，充分?jǐn)嚢瑁{(diào)節(jié)pH 6.5～7.5之間。將懸濁液放置超聲儀中0.5 h，然后靜置陳化8 h，離心，洗滌，干燥得CuHCF樣品。

1.3.3 CuHCF/Naf i on/g-C3N4修飾玻碳電極的制備

用粒徑為0.3 μm和0.05 μm的Al2O3乳液將裸玻碳電極（直徑2 mm）拋光至鏡面，每次拋光后用去離子水超聲清洗3 次，每次5 min。

稱取10 mg CuHCF粉末和0.2 mg g-C3N4粉末加入980 μL乙醇中，再加入20 μL Nafion的乙醇溶液，超聲分散，待分散完全后，用滴涂法滴涂到處理好的電極上，風(fēng)干備用，記為CuHCF/Nafion/g-C3N4/GCE。作為對(duì)照，按照相同的方法分別制備了CuHCF/GCE、Nafion/GCE、g-C3N4/GCE、CuHCF/g-C3N4/GCE。

2 結(jié)果與分析

2.1 掃描電子顯微鏡表征

圖1 CuHCF（a）、g-C3N4（b）和CuHCF/g-C3N4/Na fi on復(fù)合物（c）的掃描電子顯微鏡圖Fig.1 SEM images of CuHCF (a), g-C3N4 (b) and CuHCF/Na fi on/g-C3N4 nanocomposites (c)

從圖1a可以看出，CuHCF晶體的顆粒較小，但發(fā)生了一定程度的聚集。圖1b中合成的g-C3N4為較小尺寸的納米片的聚集結(jié)構(gòu)。每個(gè)薄片的厚度小于50 nm，寬度約為幾百納米。由圖1c可以看出，當(dāng)兩者與Naf i on復(fù)合后，復(fù)合物的顆粒較小，平均顆粒直徑小于100 nm，顆粒分散均勻。

從圖2a可看出，所合成的CuHCF結(jié)晶度高，具有普魯士藍(lán)面心立方結(jié)構(gòu)（ICDD PDF card no. 01-086-0513）。圖2b中在衍射角2θ為27.4°處的特征峰對(duì)應(yīng)于g-C3N4（PDF no.87-1526）卡片中的（002）晶面。

圖2 CuHCF和g-C3N4的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of CuHCF and g-C3N4

2.2 電極的電化學(xué)行為

圖3 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of modi fi ed glassy carbon electrode in 0.5 mol/L KCl with a scan rate of 50 mV/s

利用循環(huán)伏安法在掃描速率50 mV/s、0.3～1.0 V的電位范圍下掃描0.5 mol/L KCl溶液，如圖3所示，裸玻碳電極、Nafion修飾電極和g-C3N4修飾電極幾乎沒有氧化還原峰，而CuHCF修飾電極、CuHCF/g-C3N4復(fù)合修飾電極、CuHCF/Naf i on/g-C3N4復(fù)合修飾電極有明顯的氧化還原峰。其中明顯可以看到CuHCF/Naf i on/g-C3N4復(fù)合修飾電極的氧化還原峰電流最大，電極響應(yīng)是最好的。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

如圖4A所示，用循環(huán)伏安法，在0.3～1.0 V的電位范圍內(nèi)研究了0.1 mol/L不同支持電解質(zhì)的影響，在KCl溶液中的峰電流最大，峰形最好。進(jìn)一步考察支持電解質(zhì)陰陽離子的選擇。從圖4B可以看出，在KCl溶液中的峰電流最大，峰形最好；從圖4C可以看出，考察0.1 mol/L不同氯鹽的影響，也得到了同樣的結(jié)果。綜上所述，KCl溶液是支持電解質(zhì)的最好選擇。

支持電解質(zhì)的濃度大小也是一個(gè)重要的影響因素，CuHCF/Nafion/g-C3N4/GCE修飾電極在不同濃度（0.05、0.1、0.2、0.5、1.0 mol/L）的KCl溶液中的循環(huán)伏安圖見圖4D。隨著KCl溶液濃度逐漸增加，峰形逐漸變好，峰電流逐漸增加，當(dāng)KCl溶液濃度為0.5 mol/L時(shí)，峰電流達(dá)到最大，繼續(xù)增加其濃度，峰電流反而減小。因此，選擇0.5 mol/L KCl溶液為支持電解質(zhì)。

如圖4E所示，隨著掃描速率的增大，該修飾電極的氧化還原峰電流不斷增大。線性方程分別為：Ipa/μA=-169.5-1.03 6v，R=0.997 5；Ipc/μA=120.4+0.7947 v，R=0.992 8。說明該修飾電極的氧化還原過程受表面吸附控制。

考察CuHCF/Nafion/g-C3N4/GCE修飾電極在pH值為4.0～11.0（以0.5 mol/L KCl溶液為基礎(chǔ)溶液，分別加入HCl和KOH溶液調(diào)節(jié)至所需pH值）之間的電化學(xué)行為，由圖4F可以看出，pH 7.0～10.0之間峰電流和峰電位幾乎不變，當(dāng)pH值低于7.0和pH值高于10.0時(shí)，峰電流減小，峰電位發(fā)生偏移，且峰形變差，當(dāng)pH 4.0時(shí)峰電流幾乎消失，說明峰電流是會(huì)隨著pH值的改變而改變的。從圖4F可以看出該電極在中性和弱堿性環(huán)境中較穩(wěn)定，在pH 7.0的時(shí)候最穩(wěn)定，氧化峰和還原峰最為對(duì)稱，所以實(shí)驗(yàn)應(yīng)該選擇pH 7.0的環(huán)境中進(jìn)行。

圖4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化Fig.4 Optimization of experimental conditions

2.4 電催化檢測水合肼

2.4.1 水合肼在不同電極上的電化學(xué)響應(yīng)

圖5 電催化檢測水合肼Fig.5 Electrocatalytic detection of hydrazine hydrate

如圖5A所示，a、b曲線為裸玻碳電極在0.5 mol/L KCl溶液中加入50 μmol/L水合肼前后的循環(huán)伏安圖。加入水合肼后，修飾電極的還原峰電流和氧化峰電流均明顯增加。c、d曲線為CuHCF/Nafion/g-C3N4復(fù)合修飾玻碳電極在0.5 mol/L KCl溶液中加入50 μmol/L水合肼前后的循環(huán)伏安圖。其催化活性比裸玻碳電極要高得多，氧化-還原電流得到數(shù)十倍的放大，說明g-C3N4和Nafion的摻入提高了CuHCF對(duì)水合肼的電催化活性。根據(jù)BET（Brunauer-Emmett-Teller）實(shí)驗(yàn)，其中CuHCF的比表面積為9.36 m2/g，而CuHCF/Naf i on/g-C3N4為16.02 m2/g，近兩倍于前者，因此g-C3N4和Nafion的摻入增大了CuHCF的比表面積，從而增加了活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了電子遷移的速率。

2.4.2 線性范圍與檢測限測定結(jié)果

用循環(huán)伏安法研究CuHCF/Nafion/g-C3N4復(fù)合修飾電極對(duì)水合肼的電催化效果，掃描速率為50 mV/s，結(jié)果見圖5B。隨著水合肼濃度的增加，氧化峰和還原峰電流同時(shí)增加，還原峰電流的增加比氧化峰電流的增加更加明顯，且陰極峰電流與陽極峰電流之比約為1.5∶1。說明復(fù)合電極對(duì)水合肼的催化效果明顯。

CuHCF/Nafion/g-C3N4復(fù)合修飾電極在加入不同量水合肼時(shí)的動(dòng)力學(xué)計(jì)時(shí)安培圖，測定電位控制為0.75 V。由圖5可見，隨著水合肼的加入，電流以階梯狀逐漸增加，符合穩(wěn)態(tài)電流的特征，響應(yīng)時(shí)間小于5 s。在優(yōu)化條件下，電流與水合肼濃度在10～1 100 μmol/L范圍內(nèi)時(shí)，其氧化峰電流與濃度具有良好的線性關(guān)系，其線性方程為：Ipa/μA=-1.055-0.048 14 C，相關(guān)系數(shù)R為0.998 8，檢測限為1 μmol/L。與文獻(xiàn)報(bào)道的基于鐵氰化物、其他納米材料復(fù)合鐵氰化物等傳感器相比（表1），此修飾電極檢測水合肼的結(jié)果大致相當(dāng)，具有檢測限低，線性范圍較寬等特點(diǎn)。注：*.NiHCF/CCE指鐵氰化鎳納米顆粒修飾碳陶瓷電極；AuS/CuHCF 指自組裝3-巰基吡咯和鐵氰化銅修飾金電極；NBHCF-CPE指尼羅藍(lán)-鐵氰化物修飾碳糊電極；CPE/NiHCF/AuNP指鐵氰化鎳/金納米復(fù)合物修飾碳糊電極；ITO/G-M/CuHCF-M石墨烯/Au納米顆粒摻雜的鐵氰化銅多層膜修飾銦錫氧化物電極。

表1 不同修飾電極測定水合肼時(shí)的分析性能比較Table1 Comparison of electroanalytical data of various chemically modif i ed electrodes towards hydrazine detection

2.5 選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

100 倍濃度的各物質(zhì)干擾結(jié)果見圖6，這些干擾物質(zhì)對(duì)測定均無明顯影響，說明本方法具有較好的選擇性。

在優(yōu)化條件下，用CuHCF/Nafion/g-C3N4復(fù)合修飾電極對(duì)50 μmol/L的水合肼平行測定10 次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）為2.2%。對(duì)上述溶液連續(xù)掃描20 圈，峰電流的RSD為2.5%。用同樣的方法分別制備5 支CuHCF/Nafion/g-C3N4復(fù)合修飾電極，測定同一濃度的水合肼，RSD為4.5%。這說明該修飾電極具有較好的重復(fù)性。將CuHCF/Nafion/g-C3N4復(fù)合修飾電極保存在干燥的空氣中，用該電極每天測定濃度為50 μmol/L的水合肼1 次，然后在空白緩沖溶液中經(jīng)循環(huán)伏安掃描將峰掃平，再放入空氣中，10 d后水合肼的峰電流僅下降3.3%，這說明該修飾電極使用壽命較長。

實(shí)驗(yàn)還采取了自來水、漢江水和隆中地下水3 種樣品各3 份，分別加入水合肼，使其濃度分別為0.05、0.1、0.5 mol/L。移取5 μL不同濃度的水合肼溶液于5 mL 0.5 mol/L KCl溶液中，用CuHCF/Nafion/g-C3N4復(fù)合修飾電極檢測，進(jìn)行回收實(shí)驗(yàn)，每個(gè)樣品測5 次取平均值，其回收率介于97.2%～104.7%之間，說明本方法能滿足常規(guī)分析要求，可用于實(shí)際樣品的檢測。并與對(duì)二甲基苯甲醛直接分光光度法測定生活飲用水及其水源中的水合肼標(biāo)準(zhǔn)方法作對(duì)照，結(jié)果見表2。

圖6 CuHCF/Na fi on/g-C3N4修飾玻碳電極檢測水合肼時(shí)對(duì)干擾物質(zhì)的響應(yīng)Fig.6 Dynamic amperometric responses of different interfering substances at CuHCF/Na fi on/g-C3N4/GCE

表2 飲用水中水合肼的測定（n=5）Table2 Determination of hydrazine hydrate in real water samples (n= 5)

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)將CuHCF、g-C3N4和Naf i on的分散物修飾到玻碳電極表面構(gòu)建了CuHCF/Nafion/g-C3N4/GCE修飾電極，并用于水合肼的電化學(xué)定量分析。該法線性范圍寬、靈敏度高、儀器設(shè)備簡單及操作簡便，可成功用于生活飲用水及其水源中的水合肼濃度的定量檢測，其結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法相當(dāng)吻合。另外，該電極的選擇性、穩(wěn)定性良好，結(jié)果令人滿意。