彭蘇娟 ,陳海川 ,梅 勇 ,顧纓纓 ,宋世震 ,潘洪志

(1.武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院職業(yè)危害識別與控制湖北省重點實驗室,武漢 430065;2.上海健康醫(yī)學(xué)院,上海 201318)

對硝基苯胺(PNA)是染料工業(yè)極為重要的中間體,可用作偶氮染料為棉麻織物染色、印花,也可作為農(nóng)藥和獸藥的中間體,在醫(yī)藥工業(yè)中廣泛應(yīng)用,還可作為防老劑、顯影劑等的原料。PNA 生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生產(chǎn)母液和洗滌廢水直接排放,會對周圍環(huán)境造成嚴重污染[1]。目前,檢測PNA 的方法主要有氣相色譜法[2]、分光光度法[3]、電化學(xué)方法[4-7],前兩種方法存在操作繁瑣、分析時間長、前處理復(fù)雜等缺點,而電化學(xué)傳感方法因其靈敏、快速和操作簡單等特點受到廣泛的關(guān)注。

單層二硫化鎢(WS2)具有二維層狀結(jié)構(gòu),兼具n型和p型電子輸運特性,密度和相對分子質(zhì)量較高,自旋軌道耦合強等優(yōu)點[8]。多壁碳納米管(MWCNTs)是一種徑向為納米級、軸向為微米級、富含電子、具有疏水性的納米材料,且有著較大的比表面積和靜電堆積性能。在MWCNTs表面引入羧基,不僅能保持其原有的良好性質(zhì),還可以改善其表面的極性和親水性,提高對離子的結(jié)合能力[9]。本工作利用單層WS2和羧基化多壁碳納米管(CMWCNTs)聯(lián)合作為修飾材料,用于修飾玻碳電極(GCE),構(gòu)建了WS2/CMWCNTs/GCE 傳感器,采用循環(huán)伏安法(CV)研究PNA 在此修飾電極上的電化學(xué)行為,并應(yīng)用于測定實際廢水中PNA的含量。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

CS2350H 型雙單元電化學(xué)工作站;PGJ-20-AS型超純水機;p HS-3E 型pH 計;科璽1900QT 型超聲波清洗機;DHG-9030A 型恒溫鼓風干燥箱。

PNA 標準儲備溶液:1 mmol·L-1,稱取0.138 0 g PNA,用10 mL 乙醇溶解后,轉(zhuǎn)移至1 L容量瓶中,用水定容,備用。

0.1mol·L-1磷酸鹽緩沖溶液(PBS):采用Na2HPO4和Na H2PO4配制成pH 為4.0～9.0的緩沖溶液。

5 mmol· L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液(含0.1 mol·L-1KCl):稱取0.164 0 g 鐵氰化鉀和0.211 2 g亞鐵氰化鉀,加入0.745 0 g KCl,定容至100 mL。

PNA(純度大于99%);所用試劑均為分析純;試驗用水為二次蒸餾水。

1.2 循環(huán)伏安工作條件

采用三電極系統(tǒng):WS2/CMWCNTs/GCE 為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑絲為輔助電極;掃描速率100 m V·s-1,起始電位-1.1 V,終止電位0.4 V。

1.3 WS2/CMWCNTs/GCE的制備

1.3.1 修飾材料的制備

CMWCNTs:在室溫下,稱取0.3 g MWCNTs,加入24 mL體積比為1∶3的HNO3-H2SO4混酸溶液,超聲振蕩8 h進行氧化,直至溶液呈均一黑色懸浮液,過0.45μm 濾膜后,用大量水沖洗,直至濾液呈中性,將經(jīng)過處理的MWCNTs于100 ℃干燥4 h,得到CMWCNTs[10]。

WS2/CMWCNTs:稱取5.0 mg單層WS2于離心管中,加入5 mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF),超聲混勻30 min,再向其中加入上述制備好的5.0 mg CMWCNTs,超聲1 h,制得WS2/CMWCNTs懸浮液,于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 修飾電極的制備

依次用1.0,0.3,0.05μm 的Al2O3拋光粉對GCE(直徑3 mm)表面進行拋光后,分別在水、50%(體積分數(shù),下同)硝酸溶液、無水乙醇、水中各超聲5 min,干燥后滴加上述WS2/CMWCNTs懸浮液于GCE 表面,記為WS2/CMWCNTs/GCE。另在相同條件下,制得CMWCNTs/GCE 和WS2/GCE,室溫下自然晾干,備用。

1.4 試驗方法

以含5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液(含0.1 mol·L-1KCl)作為探針,運用CV 對不同的電極表面性質(zhì)進行表征。在10 mL 容量瓶中,加入一定量的水樣或PNA 標準溶液,以0.1 mol·L-1的pH 7.0 的PBS 為支持電解質(zhì)溶液,以 WS2/CMWCNTs/GCE為工作電極,按循環(huán)伏安工作條件進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電極的電化學(xué)表征

試驗考察了不同電極在5 mmol· L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液(含0.1 mol·L-1KCl)中的循環(huán)伏安行為,結(jié)果見圖1。

圖1 不同電極在5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液(含0.1 mol·L-1 KCl)中的循環(huán)伏安曲線Fig.1 CV curves of different electrodes in 5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-solution containing 0.1 mol·L-1 KCl

由圖1 可知:相比于裸電極(曲線1),WS2/GCE的氧化峰和還原峰峰電流均有所增強,這是由于WS2具有超高的比容量和優(yōu)良的速率性能[11](曲線2);在CMWCNTs/GCE 上,MWCNTs由于引入了羧基,使得電化學(xué)性能更好(曲線3);而在WS2/CMWCNTs/GCE上的氧化峰和還原峰峰電流最大(曲線4),表明WS2/CMWCNTs/GCE 的氧化還原能力最強。

試驗進一步考察了不同電極在5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液(含0.1 mol·L-1KCl)中的電化學(xué)阻抗(EIS)行為,所得電化學(xué)阻抗譜圖見圖2(a),高頻部分的半圓直徑對應(yīng)電子傳遞阻抗值(Rct),高頻部分放大圖見圖2(b)。

由圖2(a)可見:裸電極的Rct明顯最大(曲線1),當修飾了WS2后Rct有所減少(曲線2);不同電極電阻從大到小依次為GCE、WS2/GCE、CMWCNTs/ GCE、WS2/CMWCNTs/GCE;CMWCNTs/GCE在高頻區(qū)并未出現(xiàn)明顯的歐姆極化阻抗(曲線3),這是由于修飾的CMWCNTs具有特殊中空管狀分子結(jié)構(gòu)及較高孔隙率,使其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性,能有效減少電阻,加快電子傳遞速率。

由圖2(b)可見:WS2/CMWCNTs復(fù)合膜比單獨的WS2和CMWCNTs導(dǎo)電性更好,說明兩者協(xié)同作用使修飾電極擁有優(yōu)良的電化學(xué)性能,結(jié)合循環(huán)伏安行為與EIS 結(jié)果來看,WS2/CMWCNTs/GCE修飾電極已被成功制備。

2.2 PNA在不同修飾電極表面的電化學(xué)行為

研究了4 種電極在空白溶液(pH 7.0 的0.1 mol·L-1PBS)中(圖3 曲線1～4)和含200μmol·L-1PNA 的pH 7.0 的0.1 mol·L-1PBS中(圖3曲線5～7)的循環(huán)伏安掃描結(jié)果。

圖2 不同電極的電化學(xué)阻抗譜圖(a)及高頻部分放大圖(b)Fig.2 Electrochemical impedance spectroscopy of different electrodes(a)and enlarged view of high frequency part(b)

圖3 不同電極在含PNA 和不含PNA 的pH 7.0的0.1 mol·L-1 PBS中的循環(huán)伏安曲線Fig.3 CV curves of different electrodes in 0.1 mol·L-1 PBS of pH 7.0 with containing or no containing PNA

由圖3可見:曲線2,3,4未出現(xiàn)氧化、還原峰,表明隨后產(chǎn)生的還原峰不是修飾材料本身引起的;PNA 在裸電極上并沒有出現(xiàn)任何氧化、還原峰(曲線4);PNA 在WS2/GCE 上出現(xiàn)一個微弱的還原峰且峰形較差(曲線5),這是由于單層WS2在沒有支撐載體的情況下電催化性能較差[12];PNA 在CMWCNTs/GCE 上產(chǎn)生一個峰形良好的還原峰,且峰電流明顯增加(曲線6),說明電極表面修飾的CMWCNTs能增加電極的有效比表面積[13],且為不可逆的電極反應(yīng)過程;PNA 在 WS2/CMWCNTs/GCE上的還原峰電流進一步增加(曲線7),表明CMWCNTs為單層WS2提供支撐載體和更多位點[14],使得WS2/CMWCNTs復(fù)合膜能有效地協(xié)同催化PNA 發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

2.3 測定條件的優(yōu)化

2.3.1 修飾劑的用量

試驗探討了用量分別為1,2,3,4,5 μL 的WS2、CMWCNTs以及WS2/CMWCNTs等3種不同的修飾劑用于制備修飾電極時,對200μmol·L-1PNA 的峰電流的影響,結(jié)果見圖4。

圖4 修飾劑用量對PNA 峰電流的影響Fig.4 Effect of the dosage of modifiers on the peak current of PNA

由圖4可見:當修飾劑用量從1μL 增至4μL時,在3種修飾劑制得的修飾電極上,PNA 的峰電流隨著修飾劑用量增加均增加,且用量為4μL 時,峰電流達到最大值;而當修飾劑用量從4μL 增至5μL時,PNA 的峰電流均開始下降,這是由于修飾膜太厚時,不利于電子傳遞,從而限制材料的導(dǎo)電性。因此試驗選擇修飾劑用量為4μL 進行下一步研究。

2.3.2 酸度

在0.1 mol·L-1PBS 溶液中,考察了PBS 的酸度對PNA(200μmol·L-1)峰電流的影響,如圖5所示。

圖5 不同酸度對PNA 峰電流的影響Fig.5 Effect of the different acidities on the peak current of PNA

由圖5可見:PNA 的峰電流隨PBS的pH 的增大呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢;當PBS的pH 為7.0時,PNA 的峰電流最大。此外,隨著pH 增大,PNA的還原峰電位還出現(xiàn)了負移現(xiàn)象,其峰電位與p H呈線性關(guān)系,這是由于在酸性環(huán)境中,PNA 活性的質(zhì)子化形式較低[15-16],而在堿性環(huán)境中,電極表面的電子傳輸易受堵塞[17]。因此選取pH 7.0的PBS作為支持電解質(zhì)溶液進行后續(xù)試驗。

2.3.3 掃描速率

試驗考察了不同掃描速率(10～200 m V·s-1)下,PNA 在WS2/CMWCNTs/GCE 上的循環(huán)伏安響應(yīng),結(jié)果見圖6。

圖6 不同掃描速率對PNA 峰電流的影響Fig.6 Effect of the different scanning rates on the peak current of PNA

由圖6可見:PNA 的還原峰電位隨掃描速率增大而負移,說明PNA 在電極表面的還原是一個完全不可逆過程。且PNA 的還原峰峰電流與掃描速率的平方根成正比,線性回歸方程為Ip＝-4.658v1/2-31.70,相關(guān)系數(shù)為0.995 2,由此推測PNA 在修飾電極表面上是一個受擴散控制的過程?？紤]到峰形及電位,試驗最終選擇100 m V·s-1為最佳掃描速率。

2.4 標準曲線與檢出限

在優(yōu)化的試驗條件下,以WS2/CMWCNTs/GCE 為工作電極,在0.1 mol·L-1的pH 7.0 的PBS中對1～500μmol·L-1的PNA 標準溶液系列進行循環(huán)伏安掃描,結(jié)果見圖7。

圖7 不同濃度的PNA 在WS2/CMWCNTs/GCE上的峰電流響應(yīng)值Fig.7 Peak current response of the different concentrations of PNA on WS2/CMWCNTs/GCE

由圖7可見:PNA 在-0.7 V 處出現(xiàn)明顯的還原峰,且隨著PNA 濃度的增加,峰電流增加。PNA的濃度在500μmol·L-1內(nèi)與其對應(yīng)的峰電流呈線性關(guān)系,線性回歸方程為IP＝-0.302 6c-6.286,相關(guān)系數(shù)為0.996 1。

以平行測定10次的空白樣品的3倍標準偏差(s)和標準曲線的斜率(k)之比計算方法的檢出限(3s/k),得到檢出限為0.63μmol·L-1。

2.5 電極的重復(fù)性與重現(xiàn)性

用同1支WS2/CMWCNTs/GCE 為工作電極連續(xù)6次測定100μmol·L-1PNA 標準溶液,所得測定值的相對標準偏差(RSD)為2.3%;表明該修飾電極具有較好的重復(fù)性;取6支按試驗方法制備的WS2/CMWCNTs/GCE 為工作電極,分別測定100μmol·L-1PNA 標準溶液,所得測定值的RSD為3.5%,表明此修飾電極的制備重現(xiàn)性良好。

2.6 干擾試驗

在含100μmol·L-1PNA 的0.1 mol·L-1的pH 7.0的PBS中,加入可能共存的有機物和常見的離子以及同分異構(gòu)體進行干擾試驗,結(jié)果見表1。

由表1 可知:當相對誤差在±5.0%之間時,100倍的Mg2＋、Fe3＋、Cd2＋、Pb2＋,20 倍的、,10倍的苯胺、苯酚、對氯苯酚、4-硝基苯酚以及5倍的鄰硝基苯胺和間硝基苯胺,對待測物的測定均不造成干擾,說明修飾電極對測定PNA 具有較強的選擇性。

表1 干擾試驗結(jié)果Tab.1 Interference experiment results

2.7 樣品分析

采取某化工廠排放廢水,先用0.45μm 的濾紙過濾除去雜質(zhì),用0.1 mol·L-1的Na2HPO4和Na H2PO4調(diào)節(jié)水樣 pH 至 7.0,以 WS2/CMWCNTs/GCE為工作電極,在優(yōu)化的試驗條件下,對實際樣品平行測定6次,得廢水中PNA 平均濃度為1.53μmol·L-1。

取上述廢水水樣3 份,分別在10,50,100μmol·L-1的3個PNA 濃度水平下進行加標回收試驗,測定加標前后PNA 濃度,計算回收率和測定值的RSD,結(jié)果見表2。

表2 實際水樣分析結(jié)果(n＝6)Tab.2 Analytical results of actual water samples(n＝6)

2.8 方法對比

將本工作建立的電化學(xué)方法檢測PNA 的方法性能與文獻報道的其他方法的相比較,結(jié)果見表3。

由表3可見:本方法具有更寬的線性范圍,方法的檢出限比文獻報道的分光光度法、熒光檢測法以及其他電化學(xué)方法更低,精密度良好且準確度高。

表3 檢測方法比較Tab.3 Comparison of detection methods

本工作構(gòu)建了WS2-CMWCNTs復(fù)合材料修飾電極,該修飾電極對于PNA 的電化學(xué)還原具有明顯的催化作用,用建立的新方法測定廢水中的PNA,回收率為92.8%～102%,表明該傳感器性能穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、抗干擾能力強,可用于測定水中PNA。