王 佳,朱永春,2*,那寶雙，辛士剛，張洪波

(1.沈陽師范大學 化學化工學院,遼寧 沈陽 110034;2.沈陽師范大學 能源與環(huán)境催化研究所,遼寧 沈陽 110034;3.沈陽師范大學 實驗中心，遼寧 沈陽 110034)

有機磷農藥(OPs)因具有殺蟲效率高、防治范圍廣、成本低、易降解等特點，在農業(yè)生產中得到廣泛使用。由于有機磷農藥的大量使用和在食物鏈中的殘留富集,對人類健康產生了潛在威脅。有機磷為神經毒素，主要抑制膽堿酯酶(AchE)的活性，使其失去分解乙酰膽堿的能力，造成乙酰膽堿積累，引起精神功能紊亂，導致運動失調、昏迷、癱瘓甚至死亡等癥狀[1]。辛硫磷(O-α-氰基亞苯基氨基-O,O-二乙基硫代磷酸酯)是有機磷農藥中應用最廣泛的農藥之一，用于防治地下害蟲，尤其對花生、蔬菜等作物的鱗翅目害蟲有良好的作用。因此，找到一種高效、準確的辛硫磷檢測方法十分必要。目前已經建立一些方法對辛硫磷進行檢測，如高效液相色譜法[2-3]、液相色譜-質譜聯(lián)用法[4-5]、酶抑制法[6]、生物傳感器法[7]、紅外光譜法[8]、拉曼光譜法[9]等。這些方法大多需要對樣品進行前處理且具有操作復雜、儀器昂貴[10-11]等缺點。而電化學傳感器由于其方便、快捷、靈敏和高選擇性等優(yōu)點而備受關注[12]。但由于辛硫磷本身的電化學活性不高，且其屬于脂溶、疏水性農藥，在水相中溶解度很差，直接電化學檢測有一定難度，因此多采用修飾電極的電化學催化提高其靈敏度和選擇性[13]。

鈷是性能活潑的廉價金屬[14]，因具有自然資源豐富、低毒、電化學穩(wěn)定性良好及反應活性中心高等優(yōu)點[15]，其氫氧化物在電極材料[16-17]及電化學催化[18]方面具有廣泛的研究和應用，其中氫氧化鈷薄膜因在電極表面具有良好的穩(wěn)定性,而多用于復合修飾膜檢測物質的應用研究[19-20]。

本文利用納米氫氧化鈷的電化學催化和固相微萃取以及有機硅油的液相微萃取作用，將辛硫磷吸附萃取到碳糊電極表面，在優(yōu)化條件下，采用電化學催化微分脈沖伏安(DPV)法直接測定催化電流，可實現(xiàn)農作物中辛硫磷的快速、靈敏、選擇性檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI620B電化學工作站(上海辰華有限公司)；Auto-lab PGSTAT30(瑞士萬通中國有限公司)；電子天平(上海佑科有限公司)；三電極體系系統(tǒng)：工作電極為自制的碳糊電極；參比電極為飽和甘汞電極(上海精密科學儀器有限公司)，對電極為自制的鉑絲電極。

石墨粉(化學純)，甲基硅油(分析純)，68%硝酸(分析純)，氯化鉀(分析純)，氯化鈷(分析純)，氫氧化鈉(分析純)，以上試劑均由國藥集團化學試劑有限公司生產。實驗所需溶液均用超純水(18.2 MΩ/cm，Billerica,MA,USA)配制。緩沖溶液為磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液。

1.2 碳糊電極的修飾

將預處理的碳糊電極浸入5.0 mL 0.01 mol/L CoCl2溶液中，在-1.2 V電位處恒電位富集100 s后取出，水洗凈晾干后，將電極移至5.0 mL 0.10 mol/L NaOH溶液中，在0.8 V電位處恒電位富集100 s，即得到納米氫氧化鈷修飾的碳糊電極，用水洗凈晾干備用。

圖1 修飾電極在1.0 mol/L KCl溶液中(1),以及裸電極(2)和修飾電極(3)分別在含1.0×10-6 mol/L辛硫磷的1.0 mol/L KCl溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of modified carbon paste electrode in 1.0 mol/L KCl(1),and bare electrode(2) and modified electrode(3) in 1.0×10-6 mol/L phoxim solution with 1.0 mol/L KCl insert：reduction peak current changes with scan rate

2 結果與討論

2.1 實驗結果

2.1.1 辛硫磷的循環(huán)伏安行為在 pH 2.2磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中，以1.0 mol/L的KCl作為支持電解質，采用裸電極和修飾電極在-0.6～-0.2 V范圍內對1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液進行循環(huán)伏安掃描，得到循環(huán)伏安曲線(如圖1)。修飾電極在1.0 mol/L KCl溶液中掃描時,未出現(xiàn)氧化還原峰(曲線1)；裸電極在含有1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液中掃描時，可觀察到一個較小且不明顯的還原峰(曲線2)；將修飾電極在含有1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液中掃描時，在-0.489 V處得到一個還原峰，峰電流為91.56 μA(曲線3)，與裸電極相比，修飾電極的峰電流明顯增大且峰位移動，表明納米氫氧化鈷的修飾對電極具有活化作用，同時也說明鈷與辛硫磷分子形成了絡合物并已富集在電極表面。

改變掃速對氫氧化鈷修飾的碳糊電極與辛硫磷反應體系進行循環(huán)伏安掃描,得到峰電流對掃描速率作圖(圖1插圖)，可觀察到峰電流與掃速呈線性關系，其回歸方程為：Ipc=84.08+31.27v,r2=0.998 2，此結果表明辛硫磷的還原過程受表面控制[21]。

2.1.2 富集時間的影響采用制備好的裸碳糊電極在CoCl2與NaOH溶液中分別恒電位富集2、5、10、20、30、50、100 s。結果表明，在其他條件相同的情況下，當二者的恒電位富集時間均為100 s時對應的還原峰電流最大。所以選擇100 s為最佳富集時間。

2.1.3 修飾電極的XRD表征圖2為裸碳糊電極(A)、氫氧化鈷修飾碳糊電極(B)及氫氧化鈷-辛硫磷絡合物修飾碳糊電極(C)的XRD衍射圖?？捎^察到3圖在26.76°和29.56°左右均出現(xiàn)2個明顯的衍射峰，根據(jù)文獻報道，位于26.76°和29.56°處的峰為石墨(002)晶面的峰[22]。由于碳糊電極中石墨的含量最大，所以其峰強度最大(圖2A)。在Co(OH)2修飾及其絡合物修飾的碳糊電極的石墨(002)峰強度均有所減小，其中Co(OH)2修飾電極在26.76°處的峰強度減少76%，絡合物修飾電極減少了56%。在29.56°處的峰強度，Co(OH)2修飾電極減少95%，絡合物修飾電極減少了86%。此結果表明碳糊電極表面有超過50%被氫氧化鈷絡合物修飾。修飾后碳糊電極的XRD于38.00°、45.00°、65.22° 附近出現(xiàn)3個新的衍射峰(圖2B、C)，分別對應Co(OH)2的(015)、(018)、(110)晶面[23],其峰強度分別為:262.5,300.0,1 629.2(圖2B);454.2,404.2,275.0(圖2C)。于56°附近出現(xiàn)1個新的衍射峰，根據(jù)文獻[23]，其屬于Co3O4的(422)晶面,峰位置分別為54.58°(圖2B)、54.68°(圖2C)，峰強度分別為1 629.17(圖2B)、3 150.00(圖2C)。說明電極表面既有Co(OH)2又有Co3O4，進一步證明Co(OH)2已經修飾到碳糊電極表面，且在絡合物修飾膜中仍然存在Co—O鍵成分，類似的氫氧化鎳表征已有報道[24]。

圖2 不同電極的XRD圖Fig.2 XRD diagrams of different electrodesA.bare carbon paste electrode;B.cobalt hydroxide modified carbon paste electrode;C.complex modified carbon paste electrode

圖3 還原峰電流與溶液pH值的關系Fig.3 Relationship between reduction peak current and pH value

2.1.4 pH值的影響在電極最佳富集時間下進行實驗，于不同pH值(1.0～8.0)的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中進行循環(huán)伏安掃描，并采用峰電流對溶液pH值作圖(圖3)。實驗結果表明，在pH 2.2時，辛硫磷的還原峰電流最大，表明酸性條件更適宜辛硫磷的還原過程，過酸或過堿均不利于辛硫磷的還原。因此選擇pH 2.2為辛硫磷的最佳檢測條件。進一步考察溶液pH值對辛硫磷還原峰電位的影響，結果顯示，在pH 2.2～3.6范圍內，其峰電位隨著pH值的增加而正移，線性方程為：E=-0.796 5+0.068 2 pH,r2=0.992 3，斜率為0.068 2，此值接近0.059 2，表明辛硫磷的還原過程為1個電子伴隨1個質子的反應。

2.1.5 吸附時間的影響將修飾電極靜置于電解池，待萃取完成的時間稱之為吸附時間。實驗考察了不同吸附時間對還原峰電流的影響。結果顯示，在10～50 s范圍內，其還原峰電流隨吸附時間的延長迅速上升，50 s之后逐漸下降，前一部分屬于辛硫磷在電極表面上的單層分子吸附動力學。在10 ～50 s范圍內以吸附時間對其還原峰電流作回歸方程，得到：Ipc=47.17(1-e-0.065t),r2=0.994，根據(jù)一級動力學方程[24-26]確定表觀一級反應速率常數(shù)k=0.065 s-1。表明此吸附過程滿足一級動力學方程?？梢耘袛嚯姌O放入溶液中施加電位后電極表面的氫氧化鈷納米粒子與辛硫磷絡合需有一定的作用時間，在50 s時吸附完全。由于電極表面位置有限，超過此時間后，多余的辛硫磷分子將吸附到電極表面并由單層變成多層，阻礙電子轉移，導致峰電流下降。所以本實驗選擇50 s為最佳吸附時間。

通過交流阻抗實驗進一步推測及驗證電極的成膜及反應過程。將電極在最佳修飾條件修飾后，在阻抗譜測試頻率10 MHz～0.1 Hz范圍內，電位-0.2 V條件下，于5.0 mL 1.0 mol/L KCl-5.0 mL pH 2.2緩沖溶液-5.0 mL 1.0×10-5mol/L辛硫磷混合液中分別吸附0、50、1 800 s后進行實驗。該測試體系由電極和電解質溶液兩部分組成。等效電路模型用CDC(Circuit description code)描述為Rs(Cf1(Rf1(QfRf2)))(CeRe),此為經典的Randles電路模型。

圖4 不同吸附時間下電極的電化學阻抗譜圖Fig.4 Niquist impedance plots of electrode at different adsorption times adsorption time(A-C) :0,50,1 800 s

圖5 擬合阻抗譜的Randles等效電路圖Fig.5 Randles equivalent circuit diagram of fitting electrochemical impedance spectrum

通過對比實際檢測得到的譜圖(圖4曲線1)與擬合得到的譜圖(圖4曲線2)，表明電極反應可用已知電路模型進行擬合。結果顯示，該模型在Nyquist圖上顯示為兩個半圓。前一個小半圓與膜和電極反應相關，后一個半圓與電解質溶液相關。 修飾電極反應過程的電化學阻抗譜Randles等效電路圖如圖5所示，圖中Rs為溶液電阻；Cf1為電極表面碳粒與硅油之間形成的電容；Rf1為硅油產生的電阻，其中碳粒間的距離越大，表明硅油越多，Rf1越大；Qf為碳糊電極各碳粒間的電容；Rf2為碳粉與Co(OH)2膜間產生的電阻；Ce為Co(OH)2膜與辛硫磷間的反應電容；Re為反應電阻。擬合結果列于表1，其中CPE為常相位角元件，F(xiàn)req power為測試頻率相關參數(shù)。結果表明電極膜的反應受擴散電流控制[27]，由表中數(shù)據(jù)還可看出，隨著吸附時間的增長，有機物在電極表面形成的膜加厚，使電極膜與溶液之間的電阻增大，導致溶液的導電性減弱，進而阻礙了溶液與電極之間的電子轉移，使峰電流下降，這與吸附時間和靜止時間曲線的結果相一致。其中反應電阻Re在1 800 s時數(shù)值最大，表明此時在電極Co(OH)2膜上吸附的辛硫磷最多，反應電阻最大。

表1 Rs(Cf1(Rf1(QfRf2)))(CeRe)模型中參數(shù)擬合結果Table 1 Electrical parameters of Rs(Cf1(Rf1(QfRf2)))(CeRe) model obtained by fitting the EIS data

2.1.6 靜止時間的影響電極置于溶液中，在初始電位下對修飾電極施加電壓到開始掃描的時間稱為靜止時間。實驗考察了不同靜止時間對還原峰電流的影響。結果顯示，在靜止時間5 s時還原峰電流達到最大值,這是由于酸性條件下辛硫磷會發(fā)生質子化而帶正電，在-0.2 V初始電位下，有利于辛硫磷的吸附，并達到最大值。此后隨著靜止時間的繼續(xù)增加，其還原峰電流降低。這是因為靜止時間越長，吸附的帶有正電荷的辛硫磷對后續(xù)到達的辛硫磷具有排斥作用，使其無法到達電極表面，不利于電化學反應進行。故選擇5 s為最佳靜止時間。研究也表明負電位在初始階段可將分子到達電極表面的時間大大縮短，有利于反應物的吸附富集，提高實驗效率。

2.1.7 初始電位的影響考察了不同初始電位對還原峰電流的影響。結果顯示，初始電位在-0.4～-0.1 V范圍內還原峰電流隨初始電位的增大而增大，在-0.1～0.2 V范圍內還原峰電流減小。在-0.4～0.2 V電位范圍內做回歸方程:Ipc=20.99+101.6e-0.5[(Eint+0.119)/0.067],r2=0.980 6，表明電流強度隨著初始電位呈e指數(shù)變化。由于初始電位過負時排斥作用過大，不利于反應進行，并且根據(jù)方程得到中心電壓為-0.119 V，故選擇-0.1 V作為最佳初始電位。

2.1.8 濃度的影響與工作曲線在最佳實驗條件下，改變辛硫磷濃度進行微分脈沖伏安掃描，結果顯示，辛硫磷在3.333×10-13～3.333×10-8mol/L范圍內隨濃度增大峰電流增大，在3.333×10-8～3.333×10-6mol/L范圍內隨濃度增大峰電流減小。且辛硫磷濃度在上述兩范圍內峰電流與其濃度的對數(shù)呈線性關系，其線性方程分別為：Ipc=205.4-26.56lnc,r2=0.998 3;Ipc=-52.34+10.55lnc,r2=0.995 2。辛硫磷的檢出限為3.333×10-13mol/L。上述曲線表明辛硫磷在電極表面上的萃取過程符合Temkin[28]吸附，其吸附等溫方程為:Ipc=BlnAT+Blnc,式中AT為等溫平衡常數(shù)，B為與熱量相關的常數(shù)。濃度以mol/L為單位時，計算得到兩個線性方程的AT分別為0.000 438和0.007。根據(jù)吉布斯自由能與平衡常數(shù)的關系，得到ΔG分別為-1.084 kJ/mol和-17.375 kJ/mol，均小于零，表明該吸附過程在熱力學上為自發(fā)過程。

2.1.9 重現(xiàn)性及回收率稱取25 g于超市購買的新鮮菠菜，搗爛，加入138 mL 0.1 mol/L KCl電解質溶液將菠菜浸沒，萃取60 min,取上清液進行實驗，檢出辛硫磷濃度為1.0×10-6mol/L。取5.0 mL上清液用同一支氫氧化鈷修飾碳糊電極在優(yōu)化條件下進行檢測，平行測定5次，測得相對標準偏差(RSD)為1.4%。在待測液中加入5.0 mL 1.0×10-6mol/L辛硫磷標準液，平行測定5次，測得回收率分別為106%、90.2%、94.1%、92.8%、93.7%，平均回收率為95.4%，結果令人滿意。

2.1.10 共存物質的干擾在5.0 mL 1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液中，在允許誤差±5%的范圍內，發(fā)現(xiàn)濃度為1.0×10-6mol/L的葡萄糖、蔗糖、果糖、檸檬酸、水楊酸、對苯二酚和對乙酰氨基酚對辛硫磷的檢測均不產生干擾，表明該方法具有良好的選擇性。

2.2 理論計算結果

2.2.1 分子模型使用ACDfree12軟件模擬出絡合物的分子模型，分別構建了鈷與不同位置N、S結合，以及不同配位數(shù)的絡合物模型，以該分子模型為基礎進行理論計算，分子模型如圖6所示。

圖6 辛硫磷分別與不同原子配位的分子模型Fig.6 Molecular models for the coordination of phoxim with different atomsa：Co(OH)2；b：phoxim molecule；c：phoxim coordination with double bond N；d：phoxim coordination with triple bond N；e：phoxim coordination with S；f：phoxim coordination with double bond N,S;g:phoxim coordination with triple bond N,S;h:phoxim coordination with double and triple bond N;i:phoxim coordination with double and triple bond N and S(a：Co(OH)2 ；b：phoxim分子 ；c：phoxim 與雙鍵N配位；d：phoxim 與三鍵N配位；e：phoxim 與S配位；f：phoxim與雙鍵N、S配位;g:phoxim與三鍵N、S配位;h:phoxim 與雙、三鍵N配位;i:phoxim與雙、三鍵N、S配位)

2.2.2 氫氧化鈷與辛硫磷相互作用的熱力學依據(jù)建立的氫氧化鈷與辛硫磷相互作用的相關分子模型，利用MOPAC2016半經驗軌道計算包中提供的PM7量子化學半經驗分子軌道方法的熱力學計算，獲得各分子模型的熱力學參數(shù)，根據(jù)熱力學原理[29]計算出熱力學參數(shù)ΔHr、ΔSr和ΔGr，結果列于表2。

表2 絡合物分子的熱力學參數(shù)Table 2 Thermodynamic parameters of molecular models

*:no data

通過計算結果ΔHr與ΔGr可以看出，在單配位絡合物中，Co(OH)2與三鍵N配位形成的絡合物最穩(wěn)定，且可以自發(fā)生成。由于雙鍵N和S配位化合物的吉布斯改變量為正值，表明其形成的絡合物穩(wěn)定性較差，且二者的ΔHr與ΔGr均為正值，不能自發(fā)進行，需要外加電壓的作用。在多配位絡合物中，均能自發(fā)進行，相比之下，與N、N配位和三配位的絡合物較穩(wěn)定。推測多配位化合物穩(wěn)定的原因是絡合物可以盡可能多的與碳糊表面活性位點吸附結合，進而使絡合物更穩(wěn)定，更易在電極表面形成。綜合考慮，低過渡態(tài)下為雙鍵N、S配位，高過渡態(tài)下為三鍵N、S配位。從電流靈敏度上看，高過渡態(tài)下電流斜率大、靈敏度高，而低過渡態(tài)下，靈敏度無前者高。

2.2.3 前線軌道相關參數(shù)將計算獲得的前線軌道的能量按照公式進行分子指數(shù)參數(shù)計算[30]，得到高占有軌道能量(EHOMO)、最低空軌道能量(ELUMO)、分子的硬度(η)、化學勢(μ)、分子的可轉移電荷量(ΔNex)、分子相對可轉移電荷量(ΔΔNex)結果列于表3。由上述計算結果可知，以辛硫磷作為參考，3種單配位絡合物中與三鍵N配位的絡合物的可轉移電荷量最高，證明其電子轉移活性相對其他兩種絡合物越大，更易發(fā)生氧化還原反應，同時證明與三鍵N配位的可能性最大。多配位絡合物中，與N、N配位和多配位的化合物可轉移電荷量最高，證明該狀態(tài)下的氧化還原活性最大，為絡合提供了更大的可能性。該前線軌道指數(shù)的計算結果與熱力學計算結果一致。

表3 分子模型的前線軌道相關分子指數(shù)Table 3 Frontier orbital molecular index of molecular models

*no data

根據(jù)電化學阻抗測量結果、熱力學計算結果和前線軌道相關參數(shù)計算結果綜合分析，判斷Co(OH)2主要與三鍵N和S配位，可能的反應過程如下：

3 結 論

將納米氫氧化鈷薄膜原位修飾到碳糊電極表面，并與辛硫磷形成配位化合物，還原峰電流對掃速呈一次方關系，且吸附過程符合Temkin等溫吸附模型，證明辛硫磷在電極上的反應受吸附控制。pH結果表明辛硫磷的還原過程為1個電子伴隨著1個質子的反應。表觀一級反應速率常數(shù)k=0.065 s-1。辛硫磷在-0.489 V左右有1靈敏的還原峰，隨著辛硫磷的加入，電極表面的納米氫氧化鈷與辛硫磷絡合，用交流阻抗方法進一步研究了反應過程，并輔助理論計算，兩者與循環(huán)伏安實驗結果相一致，因此可以用該體系檢測辛硫磷。還原峰電流與辛硫磷濃度的對數(shù)在3.333×10-8～3.333×10-6mol/L、3.333×10-13～3.333×10-8mol/L范圍內均呈良好線性關系，檢出限(S/N=3)為3.333×10-13mol/L。該方法具有操作簡便、靈敏度高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點。相比于農藥檢測的主要方法——色譜法，本方法既省去了復雜的前處理過程，又可提高檢測的靈敏度和選擇性，可實現(xiàn)對辛硫磷的簡便準確地現(xiàn)場檢測。不足在于1種修飾電極僅檢測1種農藥，要實現(xiàn)多種農藥的同時檢測需進一步探索修飾電極的不同物質和方法，但這也體現(xiàn)了本方法的良好選擇性。