檢測大氣中羥基自由基傳感器的開發(fā)與應(yīng)用

李瑞紅，何偉迪

（1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050；2.建昌縣環(huán)保局，遼寧 葫蘆島 125300）

1 概述

大氣環(huán)境與人類的健康息息相關(guān)，當(dāng)空氣質(zhì)量變得惡劣時，人們的健康也將受到威脅[1]。有研究指出，環(huán)境空氣污染與新冠肺炎的傳播之間存在統(tǒng)計上的顯著關(guān)聯(lián)，并且改善空氣有助于延緩病毒的傳播[2-3]。大氣的氧化能力影響著二次污染的生成和污染物的去除，羥基自由基（·OH）是對流層中重要的氧化物質(zhì)，也是白天大氣氧化能力的主要貢獻者[4-6]。因此，對·OH 的濃度變化和分布實施有效的監(jiān)控是預(yù)測和應(yīng)對大氣污染必不可少的環(huán)節(jié)。

·OH 具有壽命短、濃度低、不穩(wěn)定的性質(zhì)，這給它的檢測帶來了不小的挑戰(zhàn)，在過去幾十年里，已經(jīng)開發(fā)出了多種·OH 的檢測技術(shù)，如激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（LIF）[7]、電子自旋共振技術(shù)（ESR）[8]、高效液相色譜法（HPLC）[9]、化學(xué)離子質(zhì)譜法（CIMS）等[10]，這些方法普遍靈敏度高且較為成熟，但操作繁瑣、運行成本高等缺點限制了它們的適用性。電化學(xué)檢測技術(shù)具有成本低、操作靈活、靈敏度高的優(yōu)點，將其用于·OH 的檢測具有重要意義。

石墨烯是從石墨中剝離出來的由sp2 雜化的碳原子組成的薄膜狀結(jié)構(gòu)的二維材料，具有大的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性[11]。石墨烯納米纖維（SGNF）由石墨烯納米片堆積而成，表面含有大量開放的石墨烯端面，它不僅具有石墨烯的優(yōu)異特性，而且自身具有獨特的性能，在玻碳電極上，石墨烯納米纖維表現(xiàn)出比石墨和碳納米管更快的非均相電子傳輸速率，是一種理想的電化學(xué)傳感器材料[12-14]。

當(dāng)4-羥基苯甲酸（4-HBA）被羥基自由基（·OH）氧化后會生成3,4-二羥基苯甲酸（3,4-DHBA）（如圖1 所示）[15]，因此選擇以4-HBA 和3,4-DHBA 分別為檢測·OH 時的捕集劑和探針。用石墨烯納米纖維修飾玻碳電極，開發(fā)了一種能夠靈敏地檢測出大氣中·OH 的傳感器。

圖1 4-HBA 與·OH 反應(yīng)機理

2 材料與方法

2.1 儀器與試劑

多通道電化學(xué)綜合測試儀（普林斯頓公司），JSM-6701F 冷場發(fā)射型掃描電鏡（日本電子光學(xué)公司），PHS-3C 型精密pH 計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司），SB-5200 超聲波清洗機(寧波新芝生物科技公司)，TH-3150 大氣與顆粒物組合采樣器（武漢天虹儀器公司）。

石墨烯納米纖維（STREM Chemicals），對羥基苯甲酸（4-HBA）和3,4-二羥基苯甲酸（3,4-DHBA）（上海源葉生物公司），磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉（天津市凱通化工有限公司），去離子水（實驗室自制）。

2.2 實驗方法

2.2.1 石墨烯納米纖維的純化

為了改善石墨烯納米纖維的疏水性和在其表面增加活性位點，需要將它純化處理獲得更多的含氧官能團（如羥基、羧基）。具體操作為:用100 mL量筒分別量取60 mL 濃硫酸和20 mL 濃硝酸溶液（體積比3:1），然后把它們混合到一起配成混合液。用電子天平稱取0.2 g 石墨烯納米纖維粉末，再把它緩慢加入到混和酸溶液中并攪拌均勻，室溫條件下放在磁力攪拌器上攪拌72 h 讓其反應(yīng)以除去雜質(zhì)，反應(yīng)結(jié)束后，加入去離子水稀釋反應(yīng)液后再倒入砂芯漏斗中對稀釋液進行抽濾，重復(fù)水洗反應(yīng)物至濾液呈中性，最后讓它在60 ℃下真空干燥24 h，即可得到純化的石墨烯納米纖維粉末。如圖2 所示。

圖2 石墨烯納米纖維的純化流程

2.2.2 電極的制備

玻碳電極表面在環(huán)境中極易形成氧化層，從而影響電極的穩(wěn)定性和靈敏度。因此在玻碳電極被制備修飾層之前，必須要對它進行拋光處理。具體操作為：先用1500 目、2000 目和2500 目的金相砂紙打磨除去雜質(zhì)，再依次用1.0～0.05 μm 的三氧化二鋁粉末對電極表面進行拋光，前面每步完成后需用去離子水沖凈電極表面，所有拋光結(jié)束后用丙酮、乙醇、去離子水依次超聲清洗電極表面（超聲時間不能長），把干凈的電極浸入0.1 mol/L 的KCl 中記錄2×10-3mol/L K3Fe（CN）6溶液的循環(huán)伏安曲線，如果循環(huán)伏安曲線上兩峰電位差介于80 mV 與64 mV 之間時，則電極預(yù)處理合格，否則，需繼續(xù)處理。

修飾電極的制備：電子天平稱取3 mg 純凈的石墨烯納米纖維粉末，把它緩慢加入到1 mL 去離子水中，采用超聲3 h 的方法形成均勻分散液，移液器準確吸取6 μL 分散液滴到潔凈的電極表面，空氣中干燥后備用，標記為GNF/GCE。

2.2.3 3,4-DHBA 的檢測

在0.2 mol/L 的磷酸鹽緩沖液（PBS）中加入不同濃度的3,4-DHBA，工作電極在-0.1 V 富集120 s，記錄掃描電勢0～0.8 V 內(nèi)循環(huán)伏安曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 石墨烯納米纖維的表征

實驗室采用掃描電鏡對純化前后的石墨烯納米纖維的表面形態(tài)進行了表征。從圖3（A）可以觀察到純化前，石墨烯納米纖維由片狀的石墨烯堆積而成，形狀不規(guī)則且大小不一；而從圖3（B）可觀察到純化后的石墨烯納米纖維表面光滑，纖維狀成熟，形狀大小較均勻，有利于電子傳輸。

為了進一步比較純化前后石墨烯納米纖維的結(jié)構(gòu)特征，實驗采用紅外光譜儀表征了石墨烯納米纖維純化前后官能團變化情況。如圖3（C）所示，純化處理后的石墨烯納米纖維在1720 cm-1、1390 cm-1、1210 cm-1處出現(xiàn)三個新的吸收峰，它們分別被鑒定為—C=O、—OH 和—C-O-C 這三個含氧官能團的伸縮振動吸收峰。這表明，經(jīng)過純化處理，石墨烯納米纖維表面增加了含氧官能團，這對于改善它的疏水性是非常有利的。

圖3 （A）原石墨烯納米纖維的SEM 圖；（B）純化后的石墨烯納米纖維SEM 圖；（C）純化前后石墨烯納米纖維的紅外譜圖

3.2 3,4-DHBA 的電化學(xué)行為

實驗中利用循環(huán)伏安法考察3,4-DHBA 在0.1 mol/L PBS 中的電化學(xué)行為，掃描速度為0.1 V/s。結(jié)果如圖4 所示，從曲線a 可以看出，3,4-DHBA 在裸電極上出現(xiàn)了一對極其微弱的氧化還原峰，表明3,4-DHBA 在裸電極上發(fā)生了緩慢的氧化還原反應(yīng)，這可能由于裸電極電阻較大，阻礙了電子傳遞過程。相反，在修飾電極曲線b 上分離出來的一對氧化還原峰峰型明顯，與裸電極相比，兩峰電位差減小，峰電流增加，說明GNF/GCE 修飾電極對3,4-DHBA 的電化學(xué)氧化有較好的電催化能力。這可能是由于石墨烯納米纖維的修飾使得電極導(dǎo)電能力增強，電子轉(zhuǎn)移速率增加，另一方面，純化后的石墨烯納米纖維表面含有大量的有效活性面積，從而導(dǎo)致修飾電極的有效面積大大增加。

圖4 3,4-DHBA 在不同電極上的電化學(xué)行為

3.3 實驗條件優(yōu)化

3.3.1 緩沖溶液pH 值的影響

緩沖溶液的pH 是影響有機物電化學(xué)反應(yīng)過程的關(guān)鍵因素之一，實驗利用循環(huán)伏安法考察了pH從2 到8 對氧化還原峰電流的影響，結(jié)果如圖5（A）所示，在pH=3.5 時獲得最大的電流響應(yīng)。當(dāng)pH>3.5時，氧化還原峰電流反而降低，表明3,4-DHBA 的電化學(xué)反應(yīng)易在酸性環(huán)境中進行。因此，選擇3.5 為后續(xù)實驗緩沖溶液的pH。

圖5（B）所示，3,4-DHBA 的峰電勢也會隨pH變化。從圖中可以看出，隨著PBS 的pH 從2 增加到6，3,4-DHBA 的氧化峰電勢偏負向移動，這可能是當(dāng)pH 增大時，3,4-DHBA 氧化反應(yīng)中的去質(zhì)子化過程加快。從圖5（B）也可以看出，3,4-DHBA 的陽極峰電勢與溶液pH 在2～6 范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，方程為E（V）=-0.031 5 pH（V/pH）+0.998 2（R2=0.994 4）。

圖5 pH 值對3,4-DHBA 峰電流（A）、峰電位（B）的影響

3.3.2 富集電勢和富集時間的影響

富集操作能夠改善待測物在修飾電極上的吸附量，增加氧化信號，提高測定的靈敏度。圖6（A）反映了當(dāng)富集時間從0～180 s 增加時，電流峰值在120 s時增加到最大，隨后開始略微降低，表明在120 s 時3,4-DHBA 在修飾電極上的負載量達到飽和。因此，為減少電極的響應(yīng)時間，提高分析效率，在之后的測定中以120 s 為實驗富集時間。圖6（B）探究了富集電勢從-0.4 V 到0.2 V 對3,4-DHBA 測定的影響，可以看到，當(dāng)電勢向負向變化時，電流峰值會呈現(xiàn)先增加后降低的波動，在-0.1 V 時，電流響應(yīng)最強，因此作為最佳的富集電勢進行后續(xù)實驗。

圖6 富集時間（A）和富集電勢（B）對3,4-DHBA 峰電流的影響

3.3.3 掃描速率的影響

氧化還原峰電流和掃描速率的關(guān)系能夠反映電化學(xué)反應(yīng)機理的有用信息，因此考察了掃描速率40～400 mVs-1對3,4-DHBA 在緩沖溶液中氧化行為的影響。如圖7（A）所示：隨著掃描速率的增加，陽極、陰極峰電流逐漸增加，且與掃描速率具有良好的線性關(guān)系圖7（B），線性回歸方程為I（μA）=0.015 67u（mV/s）+3.371 87（R2=0.997 8）,這表明3,4-DHBA 在GNF/GCE 修飾電極上的電化學(xué)氧化為吸附控制過程，因此，增加電極的有效面積可以提高電極的靈敏度。

圖7 （A）GNF/GCE 修飾電極在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線圖（40～400mV/s）；（B）氧化峰電流值與掃速的校準曲線

3.4 GNF/GCE 檢測3,4-DHBA

在最佳的條件下，實驗利用線性掃描伏安法（LSV）對3,4-DHBA 進行測定。一系列不同濃度的樣品分別加入到PBS 緩沖溶液中，在100～500 μmol/L 濃度范圍內(nèi)，3,4-DHBA 在GNF/GCE 上呈現(xiàn)出良好的氧化峰，如圖8（A）所示；3,4-DHBA 的氧化峰電流值與它的各個濃度值線性相關(guān)，如圖8（B）所示，方程為：I（μA）=5.826 4+0.012 41c（μmol/L），檢測 限 低 至3.78×10-9mol/L（S/N=3）。由此可見，GNF/GCE 電極具有較低的檢測限，這主要歸因于石墨烯納米纖維優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性，能夠快速傳遞電子并且對3,4-DHBA 的電化學(xué)氧化具有較強電催化能力。與其他報道的檢測方法相比，也可以得出此結(jié)論（見表1）。

圖8 （A）GNF/GCE 修飾電極在含有不同3,4-DHBA濃度緩沖液中的LSV 圖；（B）LSV 響應(yīng)的氧化峰電流與3,4-DHBA 濃度的校準曲線

表1 檢測3,4-DHBA 的幾種方法性能比較

3.5 電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性

實驗中還探究了GNF/GCE 檢測樣品時的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，當(dāng)把該電極置于干燥的環(huán)境中5 d 后，對樣品的檢測結(jié)果比開始測定值低11%，說明電極的穩(wěn)定性較好。實驗中同時制備了5 根修飾電極，分析對同一樣品的檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相對標準偏差為6.8%,說明該電極的制備方法重復(fù)性好。

4 方法應(yīng)用

為了考察GNF/GCE 修飾電極檢測大氣中·OH的實用性和有效性，將其應(yīng)用于外場大氣環(huán)境中檢測·OH 的濃度。具體方法為吸收瓶內(nèi)裝入10 ml 的4-HBA 溶液，串聯(lián)到大氣采樣器上，空氣流速為80 L/min,采樣時間為4 h,采樣地點在蘭州理工大學(xué)校本部綜合樓樓頂。采樣液中3,4-DHBA 的濃度通過峰值與標準曲線計算得到，再利用公式（1）估算·OH的濃度[22]。進行了連續(xù)五天同一時間段的采樣實驗，采樣結(jié)果見表2。

表2 大氣中OH·濃度的測定結(jié)果

式中：C3,4-DHBA表示樣品中3,4-DHBA 的濃度，V表示捕集液體積（L），N 表示阿伏伽德羅常數(shù)，F(xiàn)3,4-DHBA表示是·OH 到3,4-DHBA 的轉(zhuǎn)化率（%），F(xiàn)g 表示采樣時空氣流速（cm3min-1），t 表示采樣時間（min），α表示空氣透過吸收器時·OH 的損失（%）（min）。其中，由于采樣液的濃度比·OH 高很多，實驗假設(shè)·OH與4-HBA 的反應(yīng)沒有損失，即F3,4-DHBA≈100[21,23]。

該方法的主要誤差產(chǎn)生途徑是·OH 與4-HBA的反應(yīng)，這影響了轉(zhuǎn)化率α，還有采樣后采樣液的轉(zhuǎn)移過程中也會有損失。但是每次測量誤差均在±8%以內(nèi)，這表明此方法測量結(jié)果從捕集到對3,4-DHBA的測量是比較準確的。

5 結(jié)論

采用酸化的方法純化了石墨烯納米纖維，使其獲得了更多的含氧官能團，改善了石墨烯材料的疏水性。通過滴涂的方法制備了修飾電極，研究了它對3,4-DHBA 的電催化活性，結(jié)果表明，石墨烯納米纖維修飾電極能夠極大地提高電極對目標物的電催化活性。將該電極用于外場環(huán)境，研究表明，修飾電極能夠有效地測定·OH 的濃度。因此，石墨烯納米纖維修飾電極，3,4-DHBA 作為探針開發(fā)的檢測大氣中·OH 的電化學(xué)方法是一種便捷、經(jīng)濟、準確可靠的方法。