单壁碳纳米管-氨基二茂铁复合物修饰玻碳电极对对硝基苯酚的电化学检测

李 晶， 姜云芳， 周 磊， 陈艺夫， 杨晓英*

(1.天津医科大学药学院天津市临床药物关键技术重点实验室，天津 300070；2.天津出入境检验检疫局工业产品安全技术中心，天津 300201；3.天津大学化工学院，天津 300072)

对硝基苯酚(p-nitrophenol,p-NP)作为一种重要的精细化工中间体，广泛用于杀虫剂、除草剂和合成染料的生产中。p-NP的结构稳定、毒性高，进入水体后会对生态环境及人类健康造成严重的威胁[1]。因此，建立简单有效且灵敏度高的不同样品中高危害性、高毒性的p-NP检测方法有重要意义。单壁碳纳米管(SWNTs)自从1993年被发现以来，由于其具有独特的一维管状纳米结构和优异的导电性及电催化性能，使其在电分析化学领域受到广泛关注[2]。许多生物分子如肌红蛋白(Mb)[3]、血红蛋白(Hb)[4]、细胞色素C(Cyt C)[5]、辣根过氧化物酶(HRP)[6]等都可以被固定到SWNTs上，实现其直接电子转移反应。除了这些活性生物分子，一些具有π共轭体系的小分子也很容易通过与SWNTs的π-π共轭作用被固定到SWNTs表面。Xu等[7]曾报道了SWNTs可以在短时间内吸附大量p-NP分子，并实现对其高灵敏度检测。

二茂铁(Ferrocene，Fc)是具有高度稳定性和芳香性的富π电子体系，对缺电子的硝基酚类化合物具有较好的亲和性[8]。本研究利用氨基二茂铁(Aminoferrocene，AFc)经重氮化反应后形成的重氮化二茂铁修饰SWNTs，制备SWNTs-AFc复合物，使AFc与SWNTs通过共价键连接，形成大π共轭体系，从而有利于体系形成电荷转移的共振态，扩大π电子的流动范围，增强电化学反应中的电子转移速率。同时利用SWNTs对具有芳香性化合物的高吸附性能[9]，用SWNTs-AFc复合物修饰玻碳电极(GCE)，实现了对p-NP的高灵敏电化学检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LK98Ⅱ微机电化学分析系统(LANLIKE)；TECNAI-20透射电镜(TEM)，配备X-射线能谱，EDS能谱(FEI)；inVia Raman光谱仪(RENISHAW)；Tensor 27傅立叶变换红外光谱(FT-IR)(BRUKER)；V-570 紫外分光光度计(Jasco)；DHJF-8002低温恒温搅拌反应浴(上海翔雅仪器设备有限公司)。

SWNTs(纯度95%，中国科学院成都有机化学有限公司)；AFc(纯度96%，天津希恩思生化科技有限公司)；对硝基苯酚(p-NP,天津博迪化工股份有限公司)。所用试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

1.2.1SWNTs的氧化反应称取200 mg的SWNTs加入到150 mL浓H2SO4-HNO3(3∶1，V/V)混合酸中，超声3 h，20 min后再超声4 h，于80 ℃油浴中搅拌回流4 h，水洗至pH为5，冻成干粉备用。实验中使用的SWNTs均为酸化处理后的样品。

1.2.2SWNTs-AFc复合物的制备准确称取16 mg AFc置于50 mL烧瓶中，加入 4 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)超声使其分散均匀，然后加入6 mL 0.5 mol/L HCl，搅拌均匀，再加入8.4 mg NaNO2。在氩气保护的状态下搅拌，冰浴至0 ℃保持30 min。另外，准确称取4 mg SWNTs加至10 mL DMF中超声30 min使其分散均匀，然后加至上述体系中，0 ℃搅拌过夜，反应产物通过离心分离，用DMF通过三次超声、分散和离心循环洗涤产物SWNTs-AFc，然后将产物分散于约1 mL DMF中备用。

1.2.3SWNTs-AFc/GCE的制备GCE先用Al2O3粉末抛光，再依次浸入水、丙酮中分别超声洗涤2 min，自然晾干。在预处理好的GCE上滴加6 μL SWNTs或SWNTs-AFc复合物的DMF溶液，待溶剂自然挥干即可。SWNTs及其复合物溶液浓度均为0.4 mg/mL。

1.2.4电化学检测电化学检测采用三电极体系，以SWNTs及其复合物修饰的GCE为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极。采用pH=7.4的0.05 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS，含0.1 mol/L KCl)为支持电解质。分别对不同修饰电极进行循环伏安(CV)扫描和差分脉冲伏安(DPV)扫描，并记录电流时间(i-t)曲线。

2 结果与讨论

2.1 SWNTs-AFc复合物的表征

2.1.1SWNTs及SWNTs-AFc复合物的透射电镜透射电镜(TEM)表征结果如图1所示。从图中可以看到纯化的SWNTs表面光滑，大部分呈束状。SWNTs与AFc反应后则可看到SWNTs表面有许多附着物，同时SWNTs-AFc复合物更容易稳定地分散于DMF中。此外，从相应的EDS能谱中也可看到在SWNTs-AFc复合物中含有一定量的铁元素，说明AFc确实被附着在SWNTs表面。

图1 SWNTs的透射电镜(TEM)照片(A)和EDS能谱图(C)；SWNTs-AFc复合物的透射电镜(TEM)照片(B)和EDS能谱图(D)

2.1.2SWNTs-AFc复合物的红外光谱红外光谱如图2所示，490 cm-1处是C-Fe吸收峰，1 000～1 100 cm-1茂环的υC-C组峰[10]出现在SWNTs-AFc的红外谱图，表明该复合物中已有二茂铁基团。且其在2 852和2 921 cm-1处的CH2伸缩振动峰更强，这是因为SWNTs与AFc通过共价键连接形成了大π共轭体系的SWNTs-AFc复合物。

2.1.3SWNTs-AFc复合物的拉曼光谱如图3所示，SWNTs的拉曼光谱显示了SWNTs的三个特征峰，即在1 599.67 cm-1处出现的切向模(G -band)、在1393.97 cm-1处出现的无序诱导模(D -band))及在2 600～2 700 cm-1之间的二阶模(G′-band)[11]。D模与G模的强度比(ID/IG)可用来表征SWNTs的功能化程度，D峰越高一般表示SWNTs功能化程度越高[12]。图3中SWNTs-AFc复合物的拉曼光谱在1 598.19 cm-1和1 339.05 cm-1处出现的G峰和D峰较SWNTs的这两个特征峰有明显位移，说明SWNTs与AFc之间产生了较强的相互作用。且其G峰强度远远低于SWNTs的G峰强度，即ID/IG数值大大增加，表明SWNTs表面功能化程度显著增加[13]。

图2 SWNTs-AFc复合物、AFc和SWNTs的FT-IR光谱图

图3 AFc(A)、SWNTs(B)和SWNTs-AFc复合物(C)的Raman光谱图

图4 SWNTs-AFc/GCE、SWNTs/GCE和裸GCE对100 μmol/L p -NP在0.05 mol/L PBS(0.1 mol/L KCl，pH=7.4)中的循环伏安图

2.2 SWNTs-AFc/GCE对p -NP的CV响应

分别用SWNTs-AFc/GCE和SWNTs/GCE在0.05 mol/L PBS中对100 μmol/L的p-NP进行CV扫描。如图4所示，用裸GCE对p-NP进行扫描，发现在-0.77 V处出现一个明显的还原峰，其还原峰电流仅有18 μA，而用SWNTs/GCE在-0.65 V处的还原峰电流为23 μA，这表明与裸GCE相比，SWNTs/GCE对p-NP 的还原反应显示了一定的电催化作用，还原过电位显著减小，峰电流也有所增高。然而同样浓度的SWNTs-AFc/GCE对p-NP 的检测在-0.65 V处则显示了35 μA的显著增强的还原电流响应。该结果表明SWNTs-AFc和SWNTs修饰的电极均显著降低了p-NP的还原过电位，这样可以避免检测过程中一些干扰物质的影响，同时SWNTs-AFc/GCE对p-NP显示了增强的电流响应。这可能是因为SWNTs与AFc通过偶氮键连接所形成的大π共轭体系增加了电子离域，从而促进了电子转移反应。因而，大π共轭在该复合物具有增强的电化学性能中扮演了重要角色。CV扫描结果表明SWNTs-AFc复合物对于p-NP的还原反应具有较强的电化学催化性能。这种对于p-NP检测的电位的明显降低和响应电流的显著升高的特点是制备超灵敏和低电位检测的安培传感器所应具备的最重要条件[14]。

2.3 SWNTs-AFc/GCE对p -NP的DPV响应

与CV法相比，DPV法有更好的灵敏度和信噪比，因此选择DPV法对SWNTs-AFc/GCE在PBS中对p-NP的电化学行为作进一步研究。其优化DPV参数为：电位增量0.005 V；脉冲幅度0.025 V；脉冲宽度1.0 s；脉冲间隔1.0 s；等待时间2 s，所得DPV曲线噪音低、峰形好、信号大，如图5所示。结果显示在-0.65 V处出现还原峰，且峰电流大小与p-NP的浓度密切相关，随着PBS中p-NP浓度的增加，其还原峰电流也相应增加。p-NP的还原峰电流与其浓度在1～700 μmol/L之间呈现良好的线性关系，回归方程为：Ip=0.0474cp -NP(μmol/L)+0.685(R2=0.9934)，其检测限为1 μmol/L。

图5 SWNTs-AFc/GCE对不同浓度p -NP检测的DPV曲线(A)及其校正曲线(B)

2.4 SWNTs-AFc复合物修饰GCE对p -NP的安培响应

进一步用SWNTs-AFc/GCE扫描了p-NP的电流时间(i-t)曲线。图6为SWNTs-AFc复合物修饰GCE对每加入50.0 μmol/Lp-NP的安培响应。随p-NP的加入，电流响应逐渐升高，在浓度1～850 μmol/L范围内，平台期的平均电流与p-NP浓度的线性关系为：Ip=0.0425cp -NP(μmol/L)+15.287(R2=0.997)。同时当加入p-NP时，电流响应瞬时增强，这表明SWNTs-AFc复合物修饰的电极对电流响应非常快。这些结果显示，SWNTs-AFc修饰GCE对p-NP具有较好的电化学响应，可作为一种良好的检测p-NP 的电化学传感器。

图6 SWNTs-AFc/GCE对每加入50.0 μmol/L p -NP的安培响应(A)及其校正曲线(B)

3 结论

本实验制备了SWNTs-AFc复合物，并研究了用该复合物修饰的GCE对p-NP进行电化学检测的性能。分别通过CV扫描、DPV扫描和安培响应对SWNTs-AFc复合物修饰的GCE进行性能考察，与SWNTs修饰的GCE和裸GCE相比，SWNTs-AFc复合物修饰电极显示了显著减小的还原过电位和显著增强的还原电流响应。极快的电流响应、低的检测限、宽的线性范围和较高灵敏度表明SWNTs-AFc是用于检测p-NP的优良传感器复合材料。