對甲基苯酚在PLYS/TiO2-CS修飾電極上的電化學(xué)行為

蔡 惠，廖華玲，劉 義，萬其進(jìn)

(武漢工程大學(xué)綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

對甲基苯酚是制造防老劑264(2,6-二叔丁基對甲酚)和橡膠防老劑的原料，在塑料工業(yè)中可制造酚醛樹脂和增塑劑.它具有一定的水溶性，毒性較其他多元酚高，若管理不善，經(jīng)雨水淋洗會(huì)造成地表、地下水系的污染，影響水體中水生生物的生存，并經(jīng)過食物鏈威脅人類健康[1].2001年，中國衛(wèi)生部頒布了新《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》，并于2001年9月1日起執(zhí)行.其中規(guī)定鄰、間、對甲酚等揮發(fā)酚以苯酚計(jì)，總含量不得超過0.002 mg/L[2].

測定對甲基苯酚的方法已經(jīng)很多，如高效液相色譜法[3-4]，分光光度法[5-6]，氣相色譜法[7-10]等，但分光光度法的測定結(jié)果比實(shí)際水中的含量偏低.比色法準(zhǔn)確度較高，但步驟繁多，靈敏度也較差.液相色譜法靈敏度不夠高，氣相色譜法需要衍生化處理，操作繁瑣，重現(xiàn)性差，回收率低.而電化學(xué)方法由于其低成本、設(shè)備簡單、響應(yīng)快速、靈敏度高和小型化等優(yōu)點(diǎn)，在對對甲基苯酚的檢測方面有著其優(yōu)勢.其中國外研究較多的是基于酪氨酸酶修飾電極制備的酚類傳感器[11-15]，但這些修飾電極的制備條件較復(fù)雜和苛刻，檢測限也只有10-6mol/L.

本研究將納米二氧化鈦分散于殼聚糖中，取適量分散液滴涂于電極表面，干燥后置于一定濃度的賴氨酸溶液中進(jìn)行聚合制備了聚賴氨酸/納米二氧化鈦-殼聚糖修飾電極，研究了對甲基苯酚在該修飾電極上的電化學(xué)行為，并對一系列模擬環(huán)境水樣中的對甲基苯酚進(jìn)行了電化學(xué)測定，得到了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.該電極有望用于實(shí)際污水中對甲基苯酚含量的測定.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI760B電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)用三電極體系：修飾電極為工作電極，Pt絲電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極(文中所有電位均相對參比電極而言).

賴氨酸(L-lys)(上海政翔化學(xué)試劑研究所)用磷酸鹽緩沖液(PBS，pH6.98)配制成2 mmol/L儲(chǔ)備液，使用前先通氮除氧.對甲基苯酚(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)配成5×10-3mol/L的儲(chǔ)備液.其它試劑均為分析純.所有溶液均采用超純水配制.所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.

1.2 復(fù)合修飾電極的制備

1.2.1 納米二氧化鈦-殼聚糖修飾電極的制備 取納米二氧化鈦1 mg在1 mL0.3％殼聚糖中超聲分散，得納米二氧化鈦的殼聚糖懸浮液.然后用微量注射器取5 μL白色懸濁液滴涂在預(yù)處理好的玻碳電極表面，室溫下晾干，即制得納米二氧化鈦-殼聚糖修飾電極(TiO2-CS/GCE).

1.2.2 聚賴氨酸/納米二氧化鈦-殼聚糖修飾電極 將制備好的修飾電極置于含有2 mmol/L賴氨酸的NaH2PO4-Na2HPO4磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描聚合.圖1為L-賴氨酸在修飾電極上電聚合的循環(huán)伏安圖.由圖可知隨著圈數(shù)的增加，掃描電流不斷增大，說明聚合正在進(jìn)行.電聚合完成后，可發(fā)現(xiàn)在電極表面有一層具藍(lán)色光澤的物質(zhì)，說明聚合膜已經(jīng)形成，即制得聚賴氨酸/納米二氧化鈦/殼聚糖復(fù)合修飾電極(PLYS/TiO2-CS/GCE).

圖1 L-賴氨酸在納米二氧化鈦-殼聚糖修飾電極上電聚合的循環(huán)伏安圖

注：掃描速度為100 mV/s,聚合圈數(shù)為10圈，掃描范圍為-1.2～2.5 V.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電極在[Fe(CN)6]3-/4-中的電化學(xué)響應(yīng)

用循環(huán)伏安法研究了不同電極在[Fe(CN)6]3-/4-中的電化學(xué)響應(yīng).如圖2所示，圖中曲線a為GCE，曲線b為TiO2-CS/GCE，曲線c為PLYS/GCE，曲線d為PLYS/TiO2-CS/GCE分別在[Fe(CN)6]3-/4-中的電化學(xué)響應(yīng).與GCE相比，TiO2-CS/GCE、PLYS/GCE和PLYS/TiO2-CS/GCE復(fù)合修飾電極的峰電流都是增加的.其中PLYS/TiO2-CS/GCE的峰電流最大，這表明復(fù)合修飾電極具有最大的有效面積.最大的有效面積意味著復(fù)合修飾電極具有最高的電子催化活性.

圖2 GCE(a)、TiO2-CS/GCE(b)、PLYS/GCE(c)和PLYS/TiO2-CS/GCE(d)在10.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的循環(huán)伏安圖

2.2 交流阻抗特性

用交流阻抗法分別對GCE、TiO2-CS/GCE、PLYS/GCE和PLYS/TiO2-CS/GCE進(jìn)行了表征，如圖3所示.由圖3可知，裸電極在高頻部分出現(xiàn)半圓，在低頻區(qū)得到近似直線，表明了裸電極部分阻礙電子的傳遞.而當(dāng)裸電極聚上賴氨酸或滴涂二氧化鈦的殼聚糖懸浮液后TiO2-CS/GCE和PLYS/GCE的阻抗都比裸電極的阻抗小，說明TiO2-CS和PLYS各自都能促進(jìn)電子的傳遞.PLYS/TiO2-CS/GCE的阻抗譜在所有頻率范圍內(nèi)近似為一條直線，表明此時(shí)電極上不存在阻擋電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)，[Fe(CN)6]3-/4-非常容易到達(dá)電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)是受擴(kuò)散控制的過程.說明聚L-賴氨酸和二氧化鈦-殼聚糖在修飾電極上相互促進(jìn)，起到了增強(qiáng)電子傳輸?shù)淖饔?

圖3 GCE (a)、TiO2-CS/GCE (b)、PLYS/GCE (c)和 PLYS/TiO2-CS/GCE (d)的交流阻抗圖

2.3 對甲基苯酚在不同電極上的電化學(xué)行為

圖4為在含5.0×10-4mol/L對甲基苯酚的磷酸鹽緩沖溶液中，用不同的電極獲得的循環(huán)伏安圖.由圖可見，與裸電極相比，對甲基苯酚在TiO2-CS/GCE和PLYS/GCE上的氧化峰增大，峰電位略有負(fù)移.PLYS/TiO2-CS/GCE電極與GCE相比，氧化峰非常明顯，表明復(fù)合修飾電極對對甲基苯酚具有很好的電催化氧化作用.

圖4 5.0×10-4 mol/L對甲基苯酚在GCE (a)，TiO2-CS/GCE (b)，PLYS/GCE (c)和PLYS/TiO2-CS/GCE (d)上的循環(huán)伏安圖

2.4 最佳實(shí)驗(yàn)條件的選擇

2.4.1 聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖修飾電極制備條件的選擇a.聚賴氨酸膜厚度的選擇.由于PLYS/TiO2-CS/GCE的性能與聚賴氨酸膜的厚度有關(guān)，考察了修飾不同厚度的聚賴氨酸膜對對甲基苯酚的響應(yīng)情況.圖5為峰電流與電聚合掃描圈數(shù)的關(guān)系.由圖5可知，隨著聚合厚度的增加，對對甲基苯酚的響應(yīng)峰電力也隨之增大，但當(dāng)賴氨酸的修飾量達(dá)到一定程度后，對甲基苯酚的響應(yīng)峰電流反而變小.這可能是因?yàn)榫酆夏ぬ瘢璧K了電子的傳遞.通過實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)電聚合賴氨酸10圈時(shí)，所制備的修飾電極對對甲基苯酚的響應(yīng)最好.b.二氧化鈦-殼聚糖滴涂量的選擇.固定其它實(shí)驗(yàn)條件，在裸電極表面分別滴涂不同量的二氧化鈦-殼聚糖懸浮液.當(dāng)懸浮液的體積從2 L到8 L變化時(shí)，氧化峰電流先增大后減小，如圖6所示，這可能是由于二氧化鈦-殼聚糖松散的堆積在電極表面，其對計(jì)量愈大則電阻愈大，故導(dǎo)致導(dǎo)電性變差，為了控制峰電流和空白電流的大小，選擇二氧化鈦-殼聚糖懸浮液的滴涂量為5 μL.

2.4.2 支持電解質(zhì)及pH值得選擇 實(shí)驗(yàn)比較了對甲基苯酚在相同pH值得不同緩沖溶液如NaAc～HAc、檸檬酸～檸檬酸鈉、NaH2PO4～Na2HPO4、PBS、HCl、H2SO4中的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)對甲基苯酚在磷酸鹽緩沖溶液中氧化峰形較好，峰電流較高.

配制pH5.8～7.5范圍的磷酸鹽緩沖溶液，研究在掃速為100 mV/s時(shí)對甲基苯酚的電化學(xué)行為隨pH值得變化情況.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)磷酸鹽的pH值為6.5時(shí)，對甲基苯酚顯示出良好的電化學(xué)活性，峰形好且峰電流大，故選定本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)底液pH值為6.5.

圖5 在5.0×10-4 mol/L對甲基苯酚溶液中峰電流與電聚合掃描圈數(shù)的關(guān)系

圖6 在5.0×10-4 mol/L對甲基苯酚溶液中氧化峰電流和滴涂體積的關(guān)系

2.4.3 掃速的影響 在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖修飾電極置于1.0×10-4mol/L對甲基苯酚中，研究了對甲基苯酚在不同掃描速率下的循環(huán)伏安行為.圖7為復(fù)合修飾電極在對甲基苯酚溶液中的不同掃描速度循環(huán)伏安圖.由圖7可知,在掃速為60～200 mV/s范圍內(nèi)，對甲基苯酚在聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖修飾電極上的峰電流和峰電位明顯隨著掃速的增大而增大.并且在該范圍內(nèi)，峰電流與掃速呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.線性回歸方程為ip,a(uA)=1.46+0.009v(mV/s)，R=0.998.表明對甲基苯酚在聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖修飾電極/溶液界面上的吸附為電極反應(yīng)的控制步驟.

圖7 PLYS/TiO2-CS/GCE在1×10-4 mol/L對甲基苯酚溶液中不同掃描速度的循環(huán)伏安圖

注：掃速分別為：60(a),80(b),100(c),120(d),140(e),160(f),180(g),200(h)mV/s.

峰電流與掃速的關(guān)系表明對對甲基苯酚的電極反應(yīng)速率決定步驟為吸附過程.研究了富集電位和富集時(shí)間對其產(chǎn)生的影響.在0.0～0.5 V范圍的不同的電位下，富集25 s.對甲基苯酚的氧化峰電流在0.0～0.4 V范圍內(nèi)隨著富集電位增大峰電流增大，但富集電位增加到0.5 V時(shí)峰電流又減小，說明0.4 V是最佳富集電位.富集時(shí)間對對甲基苯酚的氧化峰電流也產(chǎn)生很大的影響.在前60 s，4.0×10-4mol/L對對甲基苯酚的氧化峰電流值隨富集時(shí)間的增加而明顯的增大，60 s后氧化峰電流隨著富集時(shí)間的增大而減小，說明60 s是最佳富集時(shí)間.因此在實(shí)驗(yàn)中選擇富集電位為0.4 V和富集時(shí)間為60 s.

2.5 線性范圍和檢出限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，富集60 s后，對甲基苯酚在6×10-6～1×10-4mol/L濃度范圍內(nèi)，峰電流與對甲基苯酚濃度呈良好的線性關(guān)系(圖8)，線性回歸方程為ip=2.792 15+0.869 62E-5c(mol/L)，相關(guān)系數(shù)為R=0.998檢測限可達(dá)5.0×10-7mol/L.

圖8 不同濃度的對甲基苯酚在復(fù)合修飾電極上的示差脈沖圖(A)和峰電流和對甲基苯酚濃度的關(guān)系(B)

注：濃度分別為(a)6.0×10-6mol/L;(b)2.0×10-5mol/L;(c)4.0×10-5mol/L;(d)6.0×10-5mol/L;(e)8.0×10-5mol/L;(f)1.0×10-4mol/L.

2.6 穩(wěn)定性與重現(xiàn)性

使用聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖復(fù)合修飾電極平行測定10次1×10-4mol/L的對甲基苯酚溶液，峰電流基本穩(wěn)定，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.2％，由此可以說明體系的重現(xiàn)性良好.對比新制備的聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖復(fù)合修飾電極，使用在二次蒸餾水中放置一周后的電極測定同一濃度的對甲基苯酚溶液，其峰電流無明顯變化，表明聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖修飾電極具有較長的使用壽命和良好的穩(wěn)定性，可以用于實(shí)際樣品的分析測定.

2.7 模擬環(huán)境水樣的測定

配制不同濃度對甲基苯酚的模擬廢水，用聚賴氨酸/二氧化鈦-殼聚糖修飾電極在0.2～0.8 V電位范圍內(nèi)、100 mV/s掃速下，測量峰電流，用加標(biāo)回收法獲得模擬廢水中對甲基苯酚含量，平行測定三次，結(jié)果見表1.由表可見，測定對甲基苯酚的回收率在98.2％～102.3％之間，因此，該修飾電極有望用于實(shí)際污水中對甲基苯酚含量的測定.

表1 不同濃度的對甲基苯酚混合溶液的回收率

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