陳 松，夏 志，余 衛(wèi)，趙 凱，祁培洋，夏雨夢(mèng)

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700)

甲基對(duì)硫磷(MP)俗稱(chēng)甲基1605，是一種廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高毒、廣譜類(lèi)有機(jī)磷酸酯殺蟲(chóng)劑[1-2]。其容易殘留在土壤中和農(nóng)作物上，對(duì)環(huán)境造成污染，也會(huì)危害人的身體健康[3]。以往對(duì)于MP檢測(cè)的方法主要是標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)法[4-5]，即GB 2763—2019。該法雖然靈敏度高、可靠性性好，但其檢測(cè)成本高、需要在實(shí)驗(yàn)室中操作，不利于農(nóng)藥殘留現(xiàn)場(chǎng)的快速分析。與標(biāo)準(zhǔn)法相比，電化學(xué)傳感器檢測(cè)法成本低、速度快，對(duì)試樣中組分的分離和檢測(cè)可同時(shí)完成，是一種能夠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)快速分析的檢測(cè)方法[6]。

石墨炔(GDY)是一種新型的二維碳納米材料，它是由二乙炔鍵組成的具有大網(wǎng)結(jié)構(gòu)的碳的同素異形體，有sp和sp2兩種雜化態(tài)[7]。研究發(fā)現(xiàn)，GDY足夠的sp雜化碳可以與金屬原子配位并將它們固定在GDY表面[8]?；诖?，筆者制備了一種較穩(wěn)定的以GDY為基底模板的金納米粒子(AuNPs)@GDY，并以其構(gòu)建了MP電化學(xué)傳感器。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑和儀器

GDY，南京XFNANO材料技術(shù)有限公司；四氯金酸氫(Ⅲ)三水合物(HAuCl4·3H2O)，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；MP，北京壇墨質(zhì)檢-標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。其他試劑均為分析級(jí)試劑，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。

CHI660E電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；FEI Talos F200S透射電子顯微鏡、Super X能譜儀，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司；精密型酸度計(jì)，上海雷磁儀器廠(chǎng)。

1.2 AuNPs@GDY納米復(fù)合材料的制備

將5 mg GDY超聲分散在1 mL蒸餾水中5 min，在冰浴中攪拌10 min，同時(shí)滴加0.5 mL 1%的HAuCl4。離心洗滌混合物，得到AuCl4-@GDY納米復(fù)合材料,將其用1 mL蒸餾水分散，冰浴攪拌加入0.5 mL 10 mg/mL硼氫化鈉溶液，10 min后，離心洗滌得到最終產(chǎn)物AuNPs@GDY。

1.3 電極制備方法

玻碳電極(GCE)修飾前在麂皮上用粒徑0.05 μm的Al2O3粉拋光成鏡面，用蒸餾水清洗干凈，分別在乙醇和蒸餾水中各超聲清洗5 min，室溫下自然晾干待用。將5 μL AuNPs@GDY納米復(fù)合物滴涂在電極表面，晾干即制得AuNPs@GDY/GCE(圖1)。采用同樣的方法制備對(duì)比電極GDY/GCE和AuCl4-@GDY/GCE。

圖1 電極制備過(guò)程示意

1.4 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

采用三電極系統(tǒng)：修飾的玻碳電極(GCE)為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極(Pt)為對(duì)電極，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。循環(huán)伏安法(CV)[9]和DPV的支撐電解液為0.1 mol/L磷酸緩沖溶液(PBS)，阻抗法(EIS)的支撐電解液為含0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-(體積比1∶1)溶液。CV在鐵氰化鉀溶液的電位范圍為-0.2～0.6 V，采樣間隔0.001 V，安靜時(shí)間2 s，掃描速率100 mV/s。DPV參數(shù)設(shè)置為：電位范圍0～0.8 V，電位增量0.004 V，振幅50 mV，脈沖寬度0.06 s，脈沖周期0.5 s，安靜時(shí)間2 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

圖2和圖3分別AuNPs@GDY納米復(fù)合材料的TEM照片和EDS曲線(xiàn)。

圖2 AuNPs@GDY的TEM照片

圖3 AuNPs@GDY的EDS曲線(xiàn)

從圖2可知，AuNPs@GDY呈薄片狀，偶爾有褶皺，呈現(xiàn)GDY的固有特征，AuNPs均勻分散其中，AuNPs的直徑約為3 nm。從圖3可見(jiàn)，該納米復(fù)合材料主要的元素為碳、氧和金，說(shuō)明該納米復(fù)合材料制備成功，GDY在超聲波和制備過(guò)程中仍能保持薄片狀結(jié)構(gòu)[10]。

2.2 電化學(xué)表征

圖4和圖5分別為不同材料修飾的玻碳電極的CV曲線(xiàn)和阻抗曲線(xiàn)。由圖4可以看出：裸玻碳電極的氧化峰電流較大，GDY加入后峰電流減小，這主要是因GDY的半導(dǎo)體屬性導(dǎo)致的；但是AuNPs加入后峰電流明顯增強(qiáng)，說(shuō)明AuNPs促進(jìn)了電極表面的電子傳遞，增強(qiáng)了傳感器的信號(hào)放大能力。Nyquist圖譜是由一個(gè)半圓部分和一個(gè)線(xiàn)性部分組成，半圓部分在高頻區(qū)，對(duì)應(yīng)的是電子搬運(yùn)約束進(jìn)程，半圓越大，電阻就越大，后邊直線(xiàn)部分在低頻規(guī)模，對(duì)應(yīng)的是分散約束進(jìn)程。由此可知，GDY/GCE的阻抗最大，AuNPs@GDY/GCE比GDY/GCE的阻抗小，阻抗曲線(xiàn)分析的結(jié)果與圖4結(jié)果相吻合。

圖4 不同修飾電極的CV曲線(xiàn)

圖5 不同修飾電極的阻抗曲線(xiàn)

2.3 pH優(yōu)化及掃描速率對(duì)修飾電極的影響

圖6為修飾電極在不同pH值的PBS中對(duì)相同濃度的MP的響應(yīng)曲線(xiàn)。pH值和氧化峰電流、pH值和氧化峰電位的關(guān)系如圖7所示。可見(jiàn)，響應(yīng)峰電位隨著pH值的增大而增大，響應(yīng)峰電流在4.0～7.0范圍內(nèi)逐漸增加，并在7.0時(shí)達(dá)到最大值，之后峰值電流顯著下降。因此，緩沖溶液較佳的pH值為7.0。

圖6 修飾電極在PBS中對(duì)相同濃度的MP的CV響應(yīng)曲線(xiàn)

圖7 pH值與峰電位和峰電流的關(guān)系

圖8為AuNPs@GDY/GCE在含0.1 mol/L KCl的5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-(1∶1)溶液中的不同掃描速率(0.01，0.03，0.05，0.07，0.1，0.13， 0.15，0.17，0.2 V/s)下的CV曲線(xiàn)。圖9為掃描速率與氧化還原峰電流的關(guān)系。由圖8可知，氧化還原峰電流與掃描速率的平方根成正比關(guān)系，說(shuō)明MP在該修飾電極表面的電氧化還原是典型的擴(kuò)散控制過(guò)程。

圖8 修飾電極不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)

圖9 掃描速率與氧化還原峰電流的關(guān)系

2.4 修飾電極對(duì)MP的電化學(xué)響應(yīng)

圖10為修飾電極對(duì)不同濃度(0, 5,15,30, 50, 75, 110,150,320 μg/mL)的MP的CV響應(yīng)曲線(xiàn)。如圖10所示，在空白的PBS溶液中，CV曲線(xiàn)沒(méi)有明顯氧化、還原峰。當(dāng)加入甲基對(duì)硫磷后，在0.028 V和-0.069 V處出現(xiàn)一對(duì)可逆的氧化還原峰，在-0.636 V 處出現(xiàn)不可逆的還原峰，且隨著MP濃度的不斷加大，還原峰電流明顯增大；這是由于MP中的硝基苯官能團(tuán)在電催化下還原成了羥氨基產(chǎn)生的[11]，可逆峰則是羥氨基進(jìn)一步氧化生成硝基苯造成的。MP在電極表面的反應(yīng)過(guò)程如圖11所示。

圖10 修飾電極對(duì)不同濃度的MP的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線(xiàn)

圖12為還原峰電流與MP質(zhì)量濃度的關(guān)系。由圖12可見(jiàn)，修飾電極在5～320 μg/mL范圍內(nèi)呈現(xiàn)兩端良好的線(xiàn)性關(guān)系，最低檢出限為1.8 μg/mL，相關(guān)系數(shù)為0.99。從圖12還可以看出，低濃度的斜率要比高濃度的斜率大，說(shuō)明該修飾電極對(duì)低濃度的MP靈敏度比高濃度的高。這是因?yàn)椋?)當(dāng)MP濃度較低時(shí)，由于電極表面的擴(kuò)散效應(yīng)，即使?jié)舛鹊奈⑿∽兓矔?huì)導(dǎo)致電極響應(yīng)的顯著變化。同時(shí)，在較低的底物水平下，MP能迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，使電極具有較高的靈敏度響應(yīng)。2)MP濃度較高時(shí)，AuNPs@GDY需要長(zhǎng)時(shí)間的底物供給，反應(yīng)在較大的時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物污染電極表面，從而導(dǎo)致較低的靈敏度[12]。

圖11 MP的電化學(xué)氧化還原機(jī)理

圖12 還原峰電流與MP質(zhì)量濃度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的傳感器與其他MP電化學(xué)傳感器的對(duì)比如表1。從表1可以看出，相對(duì)于以化學(xué)合成材料為電極修飾材料的無(wú)酶?jìng)鞲衅鳎競(jìng)鞲衅?AChE/ZrO2/GE)的性能一般具有線(xiàn)性范圍更廣，檢測(cè)限更低的優(yōu)點(diǎn)，但是在酶的固定和酶的活性保持方面相對(duì)比較難控制，在農(nóng)藥檢測(cè)方面重復(fù)性和穩(wěn)定性較差。而無(wú)酶?jìng)鞲衅髦灰院铣刹牧蠟殡姌O修飾材料，所以具有性質(zhì)穩(wěn)定、傳感器的制作相對(duì)容易，檢測(cè)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其中，CNTs/ZrO2、PTh-NTiO2及GS具有較低的檢出限，這主要得益于它們良好的導(dǎo)電性和檢測(cè)方法的靈敏度。綜上，本傳感器靈敏度高、檢測(cè)限低、線(xiàn)性范圍較寬。

表1 不同電化學(xué)傳感器檢測(cè)MP的方法及性能對(duì)比

3 結(jié) 論

a.AuNPs@GDY納米復(fù)合材料和改性電極的制備工藝簡(jiǎn)單。GDY的強(qiáng)吸附和AuNPs的高導(dǎo)電性及其協(xié)同效應(yīng)使構(gòu)建的傳感器對(duì)MP響應(yīng)具有高催化、高靈敏度和高選擇性。

b.構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單、快速、靈敏的MP電化學(xué)傳感器，該傳感器克服了酶促有機(jī)磷農(nóng)藥電化學(xué)傳感器的成本高、穩(wěn)定性差、存儲(chǔ)困難、使用壽命短等缺點(diǎn)。MP電化學(xué)傳感器在5～320 μg/mL時(shí)，最低檢出限為1.8 μg/mL，對(duì)MP有著很好的檢測(cè)效果。

c.MP電化學(xué)傳感器的制備使檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)就能對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，大大減少了工作難度，可實(shí)現(xiàn)MP的高準(zhǔn)確度、低成本、快速檢測(cè)。