基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚的电化学方法
【专利摘要】本发明公开一种基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚含量的电化学方法，采用石墨烯-壳聚糖修饰玻碳电极作为工作电极，利用循环伏安法和差示脉冲伏安法检测环境水样中苯酚含量；本发明建立了一种检测环境水样中苯酚的新方法，快速、准确、实时。
【专利说明】基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚的电化学方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及环境水样中挥发酚的测定，特别是一种直接测定苯酚的电化学方法，具体涉及基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚含量的电化学方法，属于环境电分析【技术领域】。
【背景技术】
[0002]苯酚是一种重要的苯系中间体，是生产酚醛树脂、杀菌剂、防腐剂以及药物的重要原料。然而，在相关产品生产过程中，苯酚也被排放到环境中，不仅危害了环境，也严重威胁着人类的健康。苯酚容易挥发到空气中，而空气中的苯酚又可以通过降雨、降雪等方式进入河流和土壤，对土壤、水体水质、农作物的生长以及水中生物的生长与繁殖造成不可估量的影响。环境中微量苯酚会通过皮肤、粘膜、呼吸道和口腔等多种途径进入人体，对人体的肝脏、呼吸道和肠道有严重危害，特别是具有潜在的致癌、致畸和致突变性，严重威胁着人类的生存健康。
[0003]目前检测环境水样中苯酚的方法主要有:分光光度法、高效液相色谱法、气相色谱法、化学发光法、荧光分析法等。这些方法虽然具有检测限低、灵敏度高、选择性好等优点，但是因其需大型仪器设备、复杂的样品前处理过程，并且检测过程繁琐，大大限制了其实用性，特别是复杂的样品前处理过程，不利于实现苯酚的现场实时检测，并且在环境样品分析中，经常由于色谱柱被污染而造成其寿命缩短。
[0004]电化学方法具有设备简单、携带方便、操作快速简捷、灵敏度高的优点，并且不需要进行复杂的前期处理分离，可直接用于溶液中化合物的测定，因此近年来发展十分迅速。关于电化学测定苯酚已有报道，但尚未见有文献报道将石墨烯用于苯酚的检测中。·
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于:提供一种基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚含量的电化学方法，采用原位还原法制备石墨烯-壳聚糖修饰玻碳电极，根据苯酚在该电极上的电化学行为建立苯酚检测新方法，快速、准确、实时的检测环境水样中苯酚含量。
[0006]本发明的技术解决方案是:采用石墨烯-壳聚糖修饰玻碳电极作为工作电极，利用循环伏安法和差示脉冲伏安法检测环境水样中苯酚含量；具体包括以下步骤:
步骤一:氧化石墨烯制备氧化石墨烯溶液，将氧化石墨烯溶液与壳聚糖按一定体积比进行混合，超声形成均匀稳定的氧化石墨烯-壳聚糖溶液；
步骤二:取步骤一得到的氧化石墨烯-壳聚糖溶液5 μ?滴于洁净的玻碳电极表面，自然晾干，得氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极；
步骤三:将步骤二得到的氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极浸于质量浓度50%水合肼溶液中于60°C _70°C恒温水浴加热8小时制得石墨烯-壳聚糖修饰电极；
步骤四:将步骤三制得的石墨烯-壳聚糖修饰电极作为工作电极，与作为参比电极的饱和甘汞电极以及作为对电极的钼丝电极组成三电极系统，在CHI660B电化学工作站上完成苯酚电化学测定。
[0007]上述步骤一中，所述氧化石墨烯-壳聚糖溶液的制备包括以下步骤:
(al)称取10 mg氧化石墨烯在10 mL水中超声溶解,制得I mg/ mL氧化石墨烯溶
液；
(a2 )将步骤al得到的氧化石墨烯溶液与质量浓度0.5%的壳聚糖按4:1的体积比混合超声，得到稳定的氧化石墨烯-壳聚糖溶液。
[0008]上述步骤四中，所述电化学测定的方法是:在CHI660B电化学工作站中所用的缓冲溶液为磷酸盐缓冲液PBS，每次测定之前将磷酸盐缓冲液PBS通氮气15 min，然后在
0.3V、.9 V扫描区间内恒电位搅拌富集300s，最后循环伏安法和示差脉冲伏安法测定；其中，磷酸盐缓冲液由0.10 mol/L磷酸一氢钠和0.10 mol/L磷酸二氢钠按62:38体积比混合配制，并由磷酸和氢氧化钠调节至pH=7.0。
[0009]其中，每次扫描结束后，将石墨烯-壳聚糖修饰电极置于pH=7.0的0.10 mol/L的磷酸盐缓冲液中，用循环伏安法扫描至苯酚的电化学响应消失，恢复电极活性，恢复活性后的石墨烯-壳聚糖修饰电极室温下保存待用。
[0010]本发明的有益技术效果是:本发明利用化学还原法制得纳米级片层结构的石墨烯-壳聚糖修饰电极，选取石墨烯-壳聚糖修饰电极作为工作电极，与作为参比电极的饱和甘汞电极及作为对电极的钼丝电极组成三电极系统，对苯酚进行电化学测定，该三电极系统对苯酚具有高的催化活性，检测的灵敏度高，氧化反应的过电位低，选择性好，实现对实际环境水样中苯酚的快速测定，是一种灵敏简便、稳定性好、抗干扰能力强的检测方法，工艺简单，原理可靠，环境友好。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1(A)为实施例1制得的石墨烯-壳聚糖修饰电极透射电镜照片；⑶为实施例I制得的氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极透射电镜照片。
[0012]图2为实施例2制得的石墨烯-壳聚糖修饰电极测定5X 10_4 mol/L苯酚的循环伏安曲线。
[0013]图3 (A)为实施例3制得的石墨烯-壳聚糖修饰电极测定浓度苯酚的示差脉冲伏安曲线；(B)为示差脉冲电流-浓度标准曲线。
[0014]图4为实施例4中制得电极的拉曼光谱(A:a氧化石墨烯，b石墨烯)及红外光谱的表征图(B:a氧化石墨烯，b石墨烯)。
[0015]图5为实施例5中制得电极的导电性能表征的交流阻抗图㈧和循环伏安图⑶。
[0016]图6为实施例6中修饰电极检测苯酚富集条件的优化:㈧富集电位(B)富集时间。
[0017]图7为实施例7苯酚在石墨烯-壳聚糖修饰电极上不同扫速下的循环伏安曲线(A), (B)为峰电流与扫速一次方关系，(C)为峰电流与扫速的二分之一次方关系。
[0018]图8 (A)为实施例8中石墨烯-壳聚糖修饰电极在含苯酚不同pH值磷酸缓冲溶液中的循环伏安曲线；(B)为实施例8中缓冲溶液pH值与峰电流关系曲线，(C)为实施例8中缓冲溶液PH值与峰电位的线性关系。【具体实施方式】
[0019]下面结合附图与具体实施例对本发明的技术解决方案作进一步说明，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。
[0020]实施例1:将1.0 mg/mL氧化石墨烯溶液与质量浓度0.5%壳聚糖CS按4:1的体积比混合超声，取5PL滴于洁净的玻碳电极表面，于室温干燥；待其干燥后将其浸于质量浓度50%的水合肼溶液中于60°C水浴恒温加热8小时；8小时后取出依次用二次蒸馏水、pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液冲洗，置于室温下干燥待用。
[0021]实施例2:将1.0 mg/mL氧化石墨烯溶液与质量浓度0.5%壳聚糖CS按4:1的体积比混合超声，取5PL滴于洁净的玻碳电极表面，于室温干燥；待其干燥后将其浸于质量浓度50%的水合肼溶液中于65°C水浴恒温加热8小时；8小时后取出依次用二次蒸馏水、pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液冲洗，置于室温下干燥待用。
[0022]实施例3:将1.0 mg/mL氧化石墨烯溶液与质量浓度0.5%壳聚糖CS按4:1的体积比混合超声，取5PL滴于洁净的玻碳电极表面，于室温干燥；待其干燥后将其浸于质量浓度50%的水合肼溶液中于70°C水浴恒温加热8小时；8小时后取出依次用二次蒸馏水、pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液冲洗，置于室温下干燥待用。
[0023]图1(A)为实施例1制得的石墨烯修饰电极的投射电镜图，从图1(A)中可以看出，本实施例制得的石墨烯-壳聚糖具有褶皱的透明卷曲状结构，形貌良好，具有典型的石墨烯完整的二维平面结构，证明已成功通过原位化学还原法将氧化石墨烯上的含氧基团去除，还原成为石墨烯；图1(B)为氧化石墨烯修饰电极的透射电镜图，从图中看出，电极表面有皱褶的片状结构，能明显观察到双层甚至单层的氧化石墨烯，说明氧化石墨烯被修饰到电极表面。
[0024]将得到的石墨烯-壳聚糖修饰电极作为工作电极，与作为参比电极的饱和甘汞电极及作为对电极的钼丝电极组成三电极系统，在CHI660B电化学工作站上完成苯酚的电化学测定；电化学测定的方法如下:将含苯酚的磷酸盐缓冲液通氮气15 min，在氮气保护下于0.3V、.9 V扫描区间内进行循环伏安法分析；图2分别示出浓度均为5X 10_4 mo I/L的苯酚在未经修饰的石墨烯修饰电极(a)、未经修饰的裸电极(b)、氧化石墨烯修饰电极(c)上的循环伏安曲线；由图可观察到苯酚在三种电极上均只有一个氧化峰，没有对应的还原峰，说明苯酚在电极上的反应是个完全不可逆过程；此外，相对于裸电极和氧化石墨烯修饰电极，石墨烯修饰电极对苯酚具有较高的灵敏度，氧化峰电流明显增强，并且峰电位负移，这一方面是因为石墨烯具有优异的导电和催化性能，另一方面是因为石墨烯具有较大的比表面积，有利于苯酚在石墨烯电极表面的吸附；由此说明，制得的石墨烯电极可作为检测苯酚的工作电极。
[0025]将含不同浓度苯酚的磷酸盐缓冲液通氮气15 min，在氮气保护下于0.3V、.9 V扫描区间内进行示差脉冲伏安法分析，并绘制标准曲线；如图3所示，结果表明在1X10_7mo I/L-1 X 1(T5 mol/L范围内，苯酚的浓度与峰电流具有良好的线性关系，线性回归方程为I ( μ A) =0.00441-0.2021c ( μ mol/L)，相关系数 R=0.9990 检测限 1.0XlO-8 mol/L(S/N=3)。
[0026]取一根电极平行测量6次浓度为5X 10_7mol/L的苯酚溶液，其峰电流经计算得相对标准偏差(RSD)为3.0%，用相同的方法修饰六根玻碳电极，分别测定浓度为5X10_7mol/L的苯酚溶液，RSD为8.4% ;将电极至于冰箱存放一周后，再次对5X 10_7mol/L的苯酚进行测量，电流保持在原始值的93.0% ;以上结果表明用石墨烯-壳聚糖修饰电极电化学测定苯酚具有良好的稳定性和重现性。
[0027]上述电解溶液进行干扰实验，通过加入部分常见的无机盐离子、金属离子和酚类物质来确定该方法的抗干扰性；溶液中的四氯邻苯二酚和四氯对苯二酚浓度均为5X10—7mol/L，相对误差不超过 ±3%的情况下，100 倍的 Cl'NO3'SO42'F'K+、Al3+、Mg2+、Zn2+、Cu2+，50倍的壬基酚、双酚A、五氯酚、对苯二酚等常见酚类污染物对测定不造成干扰；以上结果表明此方法具有较高的选择性，抗干扰性较好。
[0028]上述石墨烯-壳聚糖修饰电极测定完成后可重复利用，具体操作方法为:每次扫描结束后，将石墨烯-壳聚糖修饰电极置于0.10 mol/L的磷酸盐缓冲液(pH=7.0)中，用循环伏安法扫描至苯酚的电化学响应消失，恢复电极活性，恢复活性后的石墨烯-壳聚糖修饰电极室温下保存待用。
[0029]实施例4:修饰电极的拉曼及红外表征
为证实氧化石墨烯被还原为石墨烯，对氧化石墨烯修饰电极和石墨烯修饰电极进行了拉曼光谱表征，结果如图4(A)所示；由图中可知，两电极的拉曼光谱上均呈现G带和D带；1594cm-1处的峰呈现的是结晶化石墨烯的E2g的中心区域，1351CHT1处D带的增长是由于sp3杂化的碳；从图中看出，氧化石墨烯修饰电极的D带和G带强度之比(ID/Ie比率)为0.86，与之相比石墨烯修饰电极的ID/Ie比率显著增长到1.30，这是由于石墨烯结构的无序性引起ID/Ie比率的增长，说明氧化石墨烯成功转变为还原石墨烯；为了进一步验证氧化石墨烯已被成功还原为还原石墨烯，分别对氧化石墨烯修饰电极和还原石墨烯修饰电极进行红外光谱表征，由图 4(B)观察到，a 曲线上的 3400cm-1,1731cm-1,1630cm-1,1412cm-1,1224cm-1,1047cm-1为氧化石墨烯上含氧官能团的特征峰，而b曲线上对应位置的特征峰均已消失，由此说明，氧化石墨烯已成功被还原为还原石墨烯。
[0030]实施例5:石墨烯-壳聚糖修饰剂掉电性能的研究
分别采用交流阻抗法(EIS)和循环伏安法(CV)对修饰电极的导电性能进行表征；在交流阻抗谱图中，阻抗半圆的直径被称为电极的电荷转移电阻值HO，它控制着氧化还原探针在电极表面的电子传递动力学；图5(八)为三种电极的交流阻抗谱图，由图可见，裸电极的Ret值为115 Ohm (A图谱线c),修饰氧化石墨烯后半圆直径增大至6530hm,这是由于氧化石墨烯膜电阻很大，电子的迁移过程受到极大的抑制；而原位还原得到的石墨烯电极的半圆直径减小谱线近乎为一条直线(谱线a)，说明电子在石墨烯电极的导电性能非常好；图5(B)为三种电极在[Fe(CN)6]3_/4_溶液中的循环伏安图，可以观察到，石墨烯修饰电极对铁氰化钾的灵敏度很高，氧化还原峰电流明显增强，而氧化石墨烯修饰电极氧化还原峰电流很弱，同样证明了制得的石墨烯电极导电性增强。
[0031 ] 实施例6:富集条件的优化
对苯酚在溶液中的富集条件进行优化，有效的富集将溶液中的苯酚浓缩与电极表面，对之后的电化学测量增大电流强度起着关键作用；采用恒电位富集法进行富集，对富集电位和富集时间进行了优化，找出实验最佳的富集电位和时间；发现，在-0.3 V -0.3 V范围内随着富集电位的增大，峰电流增强，而在0.3 V-0.6 V范围内随富集电位的进一步增大峰电流减弱，由此可知0.3 V为苯酚检测时的最佳富集电位，测定时选择0.3 V为苯酚的富集电位；发现，苯酚的峰电流随富集时间的增大而增大，但当富集时间达到300 s时，峰电流不再增大，综合考虑，选择300 s作为苯酚的富集时间；综上所述，选择0.3 V, 300 s作为苯酚的富集条件。
[0032]实施例7:扫描速度对于循环伏安峰电流的影响
图7(A)为石墨烯-壳聚糖修饰电极在含有5.0OX 10_5 mol/L苯酚的磷酸盐缓冲溶液(pH=7.0)中的不同扫描速度下的循环伏安曲线，曲线分别为:20，40，60，80，100，150, 200, 250, 300,400, 500,600mV/s ;分别做氧化峰电流与扫速v和扫速开方(v1/2)的线性关系，前者的线性为Ipa(yA)=-0.01318v(mV/S)-1.5731，相关系数R为0.9834，后者为Ipa ( μ A) =0.8835-0.3953v1/2 (mV/s)，相关系数R为0.9986，前者表示受吸附控制，后者受扩散控制；相比较图7(B)、(C)得出，后者线性拟合的相关系数更大，说明苯酚在此电极表面的氧化反应受扩散控制。
[0033]实施例8:溶液pH对于循环伏安峰电流和峰电位的影响
图8 (A)为苯酚浓度为5.0OX 10_4 mol/L，考察PBS缓冲溶液pH值变化对苯酚电化学行为的影响，曲线a~f分别为:pH=5.0,6.0,7.0,8.0,9.0,10.0 ;结果显示在pH值为5.0~7.0范围内，苯酚的氧化峰电流均随pH增大而增大,在pH>7.0时，峰电流随pH值的增大而减小，因此，为了提高检测的灵敏性，选择pH=7.0作为工作条件；这一方面是因为苯酚在电极反应过程中需要质子的参加，随PH增大，溶液中的质子数目减少，电极反应逐渐难发生，峰电流减小，另一方面是由于在碱性条件下，酚类会变为阴离子，与自身及带负电的石墨烯相互排斥难以吸附在电极上，导致峰电流减小。
[0034]图8 (C)为pH值与峰电位的关系曲线，由图知，pH值与峰电位成线性关系，线性方程为 Epa(V) =-0.053pH+0.92，相关系数 R=0.9965。
[0035]由方程dEp/dpH=2.303mRT/nF，其中m为参与反应质子数，η为参与反应的电子数，根据拟合出的线性方程计算，发现对于苯酚均有m/n ^ 1，表明两个物质在参与两者反应的电子数与质子数相等。
[0036]实施例9:利用该电化学方法对环境水样进行测定
在已经优化的最佳条件下，将此方法应用于实际环境水样的分析检测，包括南京自来水、南京玄武湖水、南京仙林金鹰湖水、南京仙林校区水；将取得的实际水样经过过滤处理后，用pH=7.0的PBS缓冲液稀释10倍，用示差脉冲伏安法检测均未检测到，因此采用标准加入法测定苯酚含量，平行测三次取其平均值，结果如表1所示，回收率为96.2%~104.0%之间，表明该方法十分可靠，可应用于实际的水样分析。
[0037]表1石墨烯-壳聚糖修饰电极对环境水样中苯酚测定结果及回收率。
【权利要求】
1.基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚含量的电化学方法，其特征是:采用石墨烯-壳聚糖修饰玻碳电极作为工作电极，利用循环伏安法和差示脉冲伏安法检测环境水样中苯酚含量；具体包括以下步骤: 步骤一:氧化石墨烯制备氧化石墨烯溶液，将氧化石墨烯溶液与壳聚糖按一定体积比进行混合，超声形成均匀稳定的氧化石墨烯-壳聚糖溶液； 步骤二:取步骤一得到的氧化石墨烯-壳聚糖溶液5 μ?滴于洁净的玻碳电极表面，自然晾干，得氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极； 步骤三:将步骤二得到的氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极浸于质量浓度50%水合肼溶液中于60°C _70°C恒温水浴加热8小时制得石墨烯-壳聚糖修饰电极； 步骤四:将步骤三制得的石墨烯-壳聚糖修饰电极作为工作电极，与作为参比电极的饱和甘汞电极以及作为对电极的钼丝电极组成三电极系统，在CHI660B电化学工作站上完成苯酚电化学测定。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚含量的电化学方法，其特征是:上述步骤一中，所述氧化石墨烯-壳聚糖溶液的制备包括以下步骤: (al)称取10 mg氧化石墨烯在10 mL水中超声溶解,制得I mg/ mL氧化石墨烯溶液； (a2 )将步骤al得到的氧化石墨烯溶液与质量浓度0.5%的壳聚糖按4:1的体积比混合超声，得到稳 定的氧化石墨烯-壳聚糖溶液。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚含量的电化学方法，其特征是:上述步骤四中，所述电化学测定的方法是:在CHI660B电化学工作站中所用的缓冲溶液为磷酸盐缓冲液PBS，每次测定之前将磷酸盐缓冲液PBS通氮气15min，然后在0.3V、.9 V扫描区间内恒电位搅拌富集300s，最后进行循环伏安法和示差脉冲伏安法测定；所述磷酸盐缓冲液由0.10 mol/L磷酸一氢钠和0.10 mol/L磷酸二氢钠按62:38体积比混合配制，并由磷酸和氢氧化钠调节至pH=7.0。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯-壳聚糖修饰电极测定环境水样中苯酚含量的电化学方法，其特征是:每次扫描测定结束后，将石墨烯-壳聚糖修饰电极置于pH=7.0的0.10mol/L的磷酸盐缓冲液中，用循环伏安法扫描至苯酚的电化学响应消失，恢复电极活性，恢复活性后的石墨烯-壳聚糖修饰电极室温下保存待用。
【文档编号】G01N27/30GK103630591SQ201310569210
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】周元斌, 杨维本, 唐荣桂, 杨小弟, 楚恩国, 张友明, 周文姝, 王川伟, 张敏, 薛松 申请人:江苏省洪泽湖水利工程管理处