趙靈芝， 趙 柳， 苗延青， 劉春葉

(1.西安醫(yī)學院藥學院,陜西西安 710021；2.生命分析重點實驗室,陜西師范大學化學化工學院,陜西西安 710062；3.北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究中心，北京 100097)

銅是自然環(huán)境中普遍存在的重金屬，也是人體必需的微量元素之一，但過多的攝入銅會導致中毒，甚至威脅健康，所以建立準確、靈敏檢測痕量Cu2+的分析方法具有十分重要的意義[1 - 2]。目前，Cu2+的測定方法主要有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、紫外-可見分光光度法、熒光法等[3 - 10]。電化學方法檢測Cu2+具有儀器設(shè)備便宜、操作簡便、靈敏度高等諸多優(yōu)點。該方法是通過把對Cu2+具有富集作用的分子修飾到電極表面來提高Cu2+檢測的電化學信號，如聚苯胺、聚氨基酸、聚噻吩等[8,11 - 13]。此外，納米材料如碳納米管、石墨烯以及多種納米材料的復合材料也被引入電極表面來提高Cu2+檢測的響應(yīng)信號[14 - 17]。然而，比率型Cu2+電化學傳感器卻鮮有報道[18 - 19]。比率型電化學傳感方法引入了內(nèi)參比探針分子，并以目標物的響應(yīng)信號與內(nèi)參比探針的響應(yīng)信號的比值來定量目標物，這種方法可以較好的避免系統(tǒng)誤差和人為誤差，具有更好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

本研究以吩噻嗪類染料硫堇的聚合物作為內(nèi)參比探針分子，結(jié)合單壁碳納米管(SWNTs)在結(jié)構(gòu)和電化學催化方面的優(yōu)越性，通過電化學聚合法將硫堇固定于SWNTs修飾玻碳電極(GCE)上，制得聚硫堇/單壁碳納米管/玻碳電極(poly-Th/SWNTs/GCE)，以該修飾電極為工作電極，建立一種比率型電化學傳感器檢測Cu2+的電化學新方法，并成功用于自來水樣中Cu2+的檢測。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

CHI760D電化學工作站(上海辰華)；SU8020高分辨場發(fā)射掃描電鏡(日立，日本公司)。電化學實驗使用三電極體系：以GCE(Φ=20 mm，高仕睿聯(lián)公司)或poly-Th/SWNTs為工作電極，Ag/AgCl(飽和KCl溶液)作為參比電極，鉑絲作為對電極。

SWNTs(直徑<2 nm，長5～30 μm) 購自中國科學院成都有機化學有限公司，碳納米管在使用之前在2.6 mol/L濃HNO3中回流純化5 h，過濾清洗，蒸干溶劑，氬氣氛圍中600 ℃加熱3 h，備用。硫堇(Th)購自北京化學試劑公司。摻雜氟的SnO2透明導電玻璃(FTO) 購自深圳華南湘城科技有限公司。1倍的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)配制：136.7 mmol/L NaCl、2.7 mmol/L KCl、87 mmol/L Na2HPO4·12H2O、14 mmol/L K2HPO4溶于二次蒸餾水，再用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值。2倍的PBS配制：1倍的PBS所含有鹽濃度的2倍，再用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值。實驗中所用的PBS除了實樣檢測部分，均為1倍的PBS。實驗中其它試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 修飾電極的制備

GCE在使用之前在拋光布上依次用0.3、0.05 μm的Al2O3粉懸濁液拋光，然后依次用丙酮和二次水超聲清洗2 min，N2吹干。3 μL 1 mg/mL SWNTs的N,N-二甲基甲酰胺(DMF) 的懸浮液滴在處理干凈的GCE上，紅外燈下?lián)]發(fā)去溶劑，制得 SWNTs/GCE。將SWNTs/GCE浸泡在含有1 mmol/L Th的PBS中，在電位-0.40～0.10 V范圍內(nèi)，以50 mV/s掃描速度循環(huán)掃描30圈，可得到性能優(yōu)良的藍色聚合物膜，取出用二次水清洗，以除去吸附不牢的Th，得到poly-Th/SWNTs/GCE。

1.3 實際樣品的制備

自來水樣品采集于陜西師范大學實驗室自來水，樣品被收集后與2倍的PBS(pH=7.4)以體積比1∶1混合后作為檢測液，將Cu2+標準液用1倍的PBS(pH=7.4)配制10-2、10-3mol/L的原溶液，再將其與檢測液以適當比率混合得到相應(yīng)的加標檢測樣品。

2 結(jié)果與討論

圖1 1 mmol/L Th在SWNTs/GCE表面發(fā)生電化學聚合的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of the growth process of the polymerization film for 1 mmol/L thiomine at poly-Th/SWNTs/GCEBuffer：0.1 mol/L PBS(pH=7.4);Scan rate:50 mV/s.

2.1 聚硫堇在SWNTs上的電化學行為和表征

本工作選擇聚硫堇修飾SWNTs/GCE作為檢測Cu2+的傳感電極，圖1是SWNTs/GCE在含有1 mmol/L硫堇的PBS(pH=7.4)中發(fā)生電化學反應(yīng)的循環(huán)伏安圖，在-0.28 V電位處，有一對可逆的氧化還原峰，且峰電流隨著掃描圈數(shù)的增加而增加，說明硫堇在PBS(pH=7.4)中于SWNTs/GCE上發(fā)生電化學聚合產(chǎn)生了聚硫堇。在聚合30圈后，取出poly-Th/SWNTs/GCE，重新放入PBS(pH=7.4)復掃得到一穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖(圖略)，說明通過電化學聚合法得到了具有穩(wěn)定聚合物膜修飾的SWNTs/GCE。此外，用掃描電鏡(SEM) 表征了硫堇在SWNTs上電聚合后的表面形貌。圖2A、2B分別為SWNTs/FTO和poly-Th/SWNTs/FTO的SEM圖。未聚合硫堇的FTO表面SWNTs表面光滑；而聚合硫堇的FTO表面SWNTs表面粗糙,這說明成功地通過電化學聚合法將硫堇電聚合至SWNTs表面。

圖2 SWNTs/FTO(A)和poly-Th/SWNTs/FTO(B)的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 SEM images of SWNTs/FTO(A) and poly-Th/SWNTs/FTO(B)

2.2 Cu2+在poly-Th/ SWNTs/GCE上的電化學行為

為建立一種比率型電化學傳感器檢測Cu2+的電化學方法，本研究比較了Cu2+在不同修飾電極上的電化學行為。首先，將SWNTs修飾于電極表面以期增大Cu2+在電極表面的吸附量從而增大Cu2+溶出峰電流。從圖3A可看出，Cu2+溶出峰電位在-0.1 V附近，10 μmol/L Cu2+陽極溶出峰電流響應(yīng)值約為2 μA；此外，在裸GCE電聚合了硫堇，以期poly-Th表面的大量氨基通過與Cu2+發(fā)生的配位作用將更多Cu2+富集于電極表面，從而增大Cu2+的電化學響應(yīng)。結(jié)果如圖3B，Cu2+溶出峰電位在0.0 V附近，10 μmol/L Cu2+陽極溶出峰電流約為7 μA。比較上述兩圖可得以下結(jié)論，與裸GCE相比較，SWNTs修飾的GCE加快了Cu2+在電極表面溶出的電子轉(zhuǎn)移速度，使Cu2+在裸GCE上的溶出峰電位由0.0 V負移至-0.1 V；而poly-Th的存在僅增大了Cu2+陽極溶出峰電流，并沒有影響Cu2+溶出峰電位?；诖私Y(jié)果，為進一步增大Cu2+的電化學響應(yīng)，將SWNTs和poly-Th相結(jié)合，以poly-Th/SWNTs/GCE作為工作電極，建立一種比率型電化學傳感檢測Cu2+的電化學方法。如圖3C所示，Cu2+的溶出峰電位在-0.1 V附近，10 μmol/L Cu2+陽極溶出峰電流響應(yīng)值約為25 μA。將結(jié)果與上述兩圖比較，SWNTs和poly-Th的結(jié)合進一步增大了Cu2+的電化學響應(yīng)和降低了Cu2+檢測限。

然而，要建立一種比率型電化學傳感器檢測Cu2+的電化學方法需要滿足：第一，可作為內(nèi)參比的探針在電極表面應(yīng)具有可逆的氧化還原行為和電化學行為具有穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。poly-Th具有一對可逆的氧化還原峰，在進行多次電化學掃描后以及存儲一星期再進行電化學掃描，其氧化還原峰電位均不變，氧化還原峰電流損失不到5%，這些現(xiàn)象說明poly-Th可作為內(nèi)參比的探針；第二，定量Cu2+是以其電化學響應(yīng)值與作為內(nèi)參比探針的電化學響應(yīng)值比值為定量信號，所以要求內(nèi)參比探針的氧化還原并不干擾Cu2+的電化學行為。從圖3C可知，Cu2+的溶出峰電位-0.1 V與poly-Th的氧化還原峰電位-0.25 V相差0.15 V，所以poly-Th氧化還原并不干擾Cu2+的電化學行為。從以上兩點可得出，以poly-Th/SWNTs/GCE作為工作電極，即以poly-Th作為內(nèi)參比探針，可建立一種比率型檢測Cu2+的電化學方法。

圖3 Cu2+在不同電極上的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic Viltammograms of Cu2+ at different electrode(A) SWNTs/GCE,the concentration of Cu2+:0，10，100,500 μmol/L (a,b,c,d);(B) poly-Th/GCE,the concentration of Cu2+:0，10，30,50 μmol/L (a,b,c,d);(C) poly-Th/ SWNTs/GCE,the concentration of Cu2+:0，10，30,50 μmol/L (a,b,c,d).buffer：0.1 mol/L PBS(pH=7.4).accumulation potential:-0.80 V,accumulation time:100 s,scan rate:50 mV/s.

2.3 檢測條件的優(yōu)化

實驗首先考察了pH對poly-Th在SWNTs/GCE上氧化還原行為的影響，見圖4A。結(jié)果表明：在pH=5.0～12.0范圍內(nèi)，poly-Th氧化還原峰電流在pH=10.0時達到最大值，但總體上poly-Th氧化峰電流隨pH 變化差異不大；poly-Th氧化還原峰電位均隨著pH值增大而負移，表觀電位：E=(Epa+Epc)/2，隨溶液pH值的變化率為51 mV/pH(25 ℃)，因此說明poly-Th電化學氧化還原過程中有質(zhì)子參與反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，考察了pH對Cu2+在poly-Th/SWNTs/GCE上溶出行為的影響，見圖4B。結(jié)果表明：在pH=5.0～12.0范圍內(nèi)，Cu2+氧化還原峰電流在pH=5.0時達到最大值，這歸結(jié)于Cu2+在pH<7的酸性條件下，有較大的溶解度；而在pH>7的堿性條件下，易形成Cu(OH)2沉淀使溶液中Cu2+濃度大幅度降低。由于后續(xù)要將所建方法用于自來水中Cu2+檢測，所以選擇pH=7.4為后續(xù)實驗條件。

圖4 (A) poly-Th/SWNTs/GCE在不同緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖;(B)20 μmol/L Cu2+在poly-Th/SWNTs/GCE上于不同緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.4 (A) Cyclic voltammograms of poly-Th/SWNTs/GCE in different buffer;(B) Cyclic voltammograms of 20 μmol/L Cu2+ at poly-Th/SWNTs/GCE in different buffer solutionfrom left to right:0.1 mol/L NH4Cl-NH3 buffer(pH=12.0,a;pH=10.0,b) 0.1 mol/L PBS(pH=7.4,c),0.1 mol/L HAc-NaAc buffer(pH=5.0,d ).accumulation potential:-0.80 V,accumulation time:100 s,scan rate:50 mV/s.

此外，考察了富集電位和富集時間對Cu2+在poly-Th/SWNTs/GCE上溶出行為的影響。對于富集電位，分別選擇-0.80、-0.60、-0.40、-0.20 V為代表值，發(fā)現(xiàn)隨著富集電位負移，Cu2+溶出峰電流增大，所以后續(xù)實驗均選用-0.80 V為富集電位。對于富集時間，分別選擇0、20、40、80、100、120 s為代表，結(jié)果表明：在-0.8 V處，100 s以內(nèi)Cu2+的溶出峰電流隨著富集時間增加而增加；繼續(xù)增大富集時間，Cu2+的溶出峰電流與100 s的峰電流基本重合，說明100 s后峰電流趨于穩(wěn)定,Cu2+已達吸附平衡，因此本實驗選擇最佳富集時間為100 s。

2.4 干擾離子的影響

考慮到poly-Th/SWNTs/GCE對其他金屬離子也會產(chǎn)生吸附作用，從而可能對Cu2+測定造成干擾，實驗考察了部分常見離子對修飾電極測定20 μmol/L Cu2+的影響。結(jié)果見表1。

表1 干擾離子對檢測結(jié)果的影響

2.5 線性范圍與檢測限

以pH=7.4 PBS作為測定Cu2+的底液，設(shè)置富集電位為-0.8 V，富集時間為100 s，采用陽極溶出線性掃描法測定不同濃度的Cu2+在電極上的伏安曲線。實驗結(jié)果顯示:Cu2+在1～25 μmol/L范圍內(nèi)，陽極溶出峰電流ICu2+與poly-Th的氧化峰電流ITh的比值與Cu2+的濃度呈很好的線性關(guān)系，線性方程為：ICu2+/ITh=0.095cCu2+(μmol/L)+0.205，相關(guān)系數(shù)R值達0.98，檢測限為96 nmol/L。

2.6 實際樣品測定

利用該電化學傳感器對實驗室自來水樣進行檢測，根據(jù)標準曲線計算水樣中含有Cu2+約1.3 μmol/L，再向?qū)嶒炇易詠硭畼悠芳尤隒u2+標準溶液，進行回收率試驗。結(jié)果表明，在優(yōu)化條件下，利用poly-Th/SWNTs/GCE對加標樣品測定3次，加標回收率較好，可用于實際樣品的分析。

表2 加標水樣中Cu2+含量的測定(n=3)

3 結(jié)論

本研究以硫堇聚合物作為內(nèi)參比探針分子，通過電化學聚合的方法將硫堇聚合于單壁碳納米管修飾的玻碳電極上，并以該修飾電極為工作電極，采用陽極溶出法檢測Cu2+，進而建立了一種比率型電化學傳感器檢測Cu2+的電化學方法。實驗結(jié)果表明，該電化學分析方法可以有效的避免系統(tǒng)誤差和人為誤差，方法的檢測限為96 nmol/L，具有比直接定量的方法更好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，為快速、簡便、準確的檢測Cu2+提供了新的思路。