梁 凤,李 刚,方怀防,郑国立

(中南民族大学化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074)

1 引言

2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)是氯苯酚类的代表性物质之一，被广泛用作药物，除草剂和杀虫剂的生产中间体，还用于合成防腐剂，抗真菌剂及染料[1]。它可以引起昏厥、瘙痒、粉刺、贫血，并且与癌症的发生有关[2]。欧盟和美国环保局已经将2,4-DCP列为优先控制污染物的一种[3]。尽管浓度低，但仍然具有高毒性，生物降解性差，对生物有潜在致癌及致基因突变的作用[4]。Gao[5]的小组在中国七个主要流域和三个流域的600多个站点提取水样，其中有一半以上的地表水样本中(1.1 ～ 19,960.0 ng L-1)检测到2,4-DCP。因此，建立一种快速灵敏的检测2,4-DCP的方法来维护公众健康和提供环境安全非常重要。

目前为止，尽管包括气相[6]或液相色谱[7]和光谱学[8]在内的仪器方法为2,4-DCP的测定提供了高灵敏度，但在成本，时间消耗和缺乏便携性方面的缺点是不可避免的。与这些技术相比，直接电化学方法由于它成本较低、仪器简单、操作简单、实时检测、灵敏度高而受到更多的关注[9]。其中，方波阳极溶出伏安法检测由于其高灵敏度，高效率对氯酚类有机污染物的分析而显示出巨大的希望。

碳糊电极具有易于制备、修饰方便、表面可更新，背景电流低和响应速度快等特点，广泛用于电化学研究和表面分析[10]。化学修饰碳糊电极可以根据修饰剂的特性，使电极能有选择地快速反应[11]，从而提高灵敏度，降低背景电流，并允许在很宽的电位范围内工作[12]。

修饰剂是修饰碳糊电极的重要成分，常用的修饰剂有离子交换树脂、吸附剂、络合剂和金属配合物等[13]。杂环多孔聚合物是一种含有杂原子的特殊的多孔有机化合物(POPs)，可以通过杂环单体的直接聚合而构成。Li[14]等人用Buchwald-Hartwig方法合成了氮原子连接的含氮多孔有机聚合物。杂原子的引入增加了POP骨架中孤电子对的可用性，并使杂环POP具有特殊的电子性质和表面化学性质[15]。POP由于其结构可控、高比表面积、密度低、热稳定性及化学稳定性良好等特点引起人们的关注。其中，含氮多孔聚合物不仅具有以上优点，而且富含孤对电子的氮原子和独特的孔结构，在吸附、催化、储能等领域有重要的应用[16-18]。新杂环ARPOP-1(Scheme 1)具有扩展的π共轭主链和含N的芳族特性，通过π堆积和H键相互作用可增强其对芳族分子的亲和力，使其成为有分析应用前景的吸附剂。

研究表明，含氮多孔有机聚合物ARPOP-1中的-NH-提供了多个吸附位点，ARPOP-1与2,4-DCP之间存在氢键的相互作用，且2,4-DCP也可以留在ARPOP-1的骨架里，因而对2,4-DCP有吸附聚集能力。受到Sheying Dong[19]等人的启发，文章将ARPOP-1作为电极表面富集2,4-DCP的电极改性剂，制作了ARPOP-1材料改性的碳糊电极传感器(ARPOP-1-CPE)，用方波阳极溶出伏安法测定2,4-DCP。现文献中尚未有相关报道。

Scheme 1 Structural formula of nitrogen-containing porous organic polymers ARPOP-1 and 2,4-dichlorophenol

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；三电极体系：CPE或ARPOP-1 ARPOP-1-CPE为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；CP114电子天平(上海奥豪斯仪器有限公司)；玛瑙研钵(深圳市奥华仪器设备有限公司)；KQ218超声清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；WH-2微型旋涡混合仪(上海沪西分析仪器厂有限公司)；Milli-Q Advantage A10超纯水系统(德国Merk公司)；MS-H-S标准型磁力搅拌器(美国SCILOGEX公司)；梅特勒-托利多FE28 pH计和LE422电极(瑞士Mettle Toledo公司)。

石墨粉(国药试剂化学纯颗粒度 ≤ 30 μm)；液体石蜡(国药试剂化学纯)；无水乙醇(国药试剂分析纯)；六青合铁(Ⅲ)酸钾(国药试剂分析纯)；氯化钾(国药试剂分析纯)；磷酸(国药试剂分析纯)；氢氧化钠(国药试剂分析纯)；2,4-二氯苯酚(上海 Aladdin 试剂公司)；磷酸缓冲溶液(PBS缓冲液)由磷酸氢二钾(国药试剂分析纯)和磷酸二氢钾(国药试剂分析纯)配制，制备不同的pH值可用一定浓度的磷酸或氢氧化钠调节。材料ARPOP-1由课题组人员提供；实验用水为超纯水。

2.2 实验方法

2.2.1 电极的制备

碳糊电极制备的方法与文献[20]报道方法相似。将石墨粉和液体石蜡的质量比例为70%和30%彻底研磨，形成均匀的混合物。再将混合物装入内径为3 mm的碳糊电极管腔中压实后在称量纸上抛光，用超纯水洗净后放置在PBS缓冲液中待用。

含修饰剂碳糊电极制备是先将ARPOP-1材料、石墨粉与液体石蜡分别按质量比为4%、66%与30%称取好后混合均匀，在整个实验中液体石蜡的质量比保持为30%。其中，先使用少量乙醇将ARPOP-1材料和石墨粉充分混合，待乙醇挥发完全加入液体石蜡，将三者搅拌均匀后，填充入洁净的碳糊电极管压实、抛光，用超纯水洗净后放置在PBS缓冲液中待用，再次抛光能使ARPOP-1-CPE表面更新。

2.2.2 电极的活化

将三电极体系浸入0.4 mol L-1pH值= 8.0的PBS缓冲液溶液中，以100 mV/s的扫描速度在 -0.5 ～ 1.0 V的电位范围内进行循环伏安(CV)扫描，直至CV曲线呈现稳定状态。电极活化后，用超纯水洗净后待用。

2.2.3 电化学测试

活化的CPE或ARPOP-1-CPE作为工作电极，将三电极侵入10.0 mL含4 μmol L-12,4-DCP的0.4 mol L-1PBS缓冲液(pH值= 8.0)中，用SW-ASV在 -0.5 V电位下富集200 s，静止2 s后由0.0 ～ 1.0 V正向扫描，记录下二次微分溶出峰电流ip，每次测定结束后，用安培计时法于 +0.5 V处理电极240 s使电极表面重现。按照该方法进行实验条件的优化，最后采用标准加入法测定自来水及南湖水中2,4-DCP的含量。

2.2.4 样品制备

取自来水样及武汉市南湖水样，两种水样均用0.22 μm过滤器过滤后配成含0.4 mol L-1PBS缓冲液(pH值= 8.0)，离心后取上层清液作为最终的测定水样，进行电化学检测。

3 结果与讨论

3.1 电极的循环伏安法表征

以1.0 mmol L-1K3[Fe(CN)6]作为氧化还原探针，0.1 mol L-1KCl做支持电解质，分别将制好的CPE、ARPOP-1-CPE以三电极体系的形式浸在含有1.0 mmol L-1K3[Fe(CN)6]的0.1 mol L-1KCl溶液中，于0.8 ～ -0.2 V电位范围内进行CV扫描，得到对应的曲线。如图1所示，CPE的CV曲线上有一对氧化还原峰，氧化峰电位大致是0.35 V，还原峰电位大约在0.12 V处，峰电位差值为230 mV，峰形较为对称，说明该CPE具有较好的可逆性。ARPOP-1-CPE氧化峰电位大约为0.38 V，还原峰电位在0.1 V左右，较于CPE氧化还原电位没有发生很大的变化，但峰电流增加，由此可以说明ARPOP-1-CPE的性能要优于CPE。

图1 CPE(a)与ARPOP-1-CPE(4%)(b)在含1.0 mmol L-1 K3[Fe(CN)6]的0.1 mol L-1 KCl溶液中的循环伏安图

3.2 2,4-DCP分别在CPE与ARPOP-1-CPE上的电化学行为

文章采用SW-ASV探究4 μmol L-12,4-DCP分别在CPE及材料含量为4% ARPOP-1-CPE上的电化学行为，结果如图2所示。曲线a为4 μmol L-12,4-DCP在CPE中的响应情况，在0.35 V左右出现较不明显的电流峰；曲线b为4 μmol L-12,4-DCP在ARPOP-1-CPE的响应，0.35 V则出现较为明显的电流峰。这表明工作电极中含具有吸附功能的ARPOP时，电极表面积累到大量的2,4-DCP，使2,4-DCP在0.35 V左右峰电位处有良好的响应。

图2 4 μmol L-1 2,4-DCP分别在CPE和ARPOP-1-CPE的SW-ASV图

3.3 实验条件的优化

3.3.1 ARPOP-1含量的影响

根据石墨粉、液体石蜡及ARPOP-1质量比制备不同比例的ARPOP-1-CPE，采用SW-ASV研究4 μmol L-12,4-DCP在电极上的峰电流响应。如图3所示，随着ARPOP-1含量的增加，氧化峰值电流值随之增加。当ARPOP-1含量大于4% 时，CPE承受ARPOP-1会达到一个饱和状态，吸附2,4-DCP的能力就会达到上限。除此之外，ARPOP-1不具备导电能力，石墨粉的导电能力也会随着ARPOP-1含量的增加而降低，也就导致了氧化峰值电流降低。因此，选取含量为4% 作为ARPOP-1最佳的比例。

图3 ARPOP-1含量对4 μmol L-1 2,4-DCP峰电流的影响

3.3.2 溶液搅拌速率的影响

图4 溶液搅拌速率对4 μmol L-1 2,4-DCP峰电流的影响

预富集过程中，需要通过搅拌使溶液中的2,4-DCP在短时间内集中到ARPOP-1-CPE表面，以提高ARPOP-1对4 μmol L-12,4-DCP的吸附效率。根据实验条件将溶液搅拌转速范围定为125 ～ 625 r/rpm。如图2.4，当搅速从100 r/rpm增加到500 r/rpmn时，峰电流逐渐增大。可是当达到625 r/rpm，搅速过快会导致2,4-DCP未能及时地充分地积累到ARPOP-1-CPE表面，达不到对4 μmol L-12,4-DCP的最大吸附容量。所以，选取500 r/rpm作为最佳搅拌速率。

3.3.3 富集电位的影响

文章还考察富集电位对4 μmol L-12,4-DCP氧化峰电流的影响。由图5可知，富集电位为 -0.5 V时峰电流响应值最高。富集电位大于 -0.5 V时，ARPOP-1-CPE的电位还不能够引发 2,4-DCP的富集效果，而富集效果主要是2,4-DCP在扩散过程中的负电位决定的，电位越负富集效率越高，但当电位小于 -0.5 V时，水相中有氢气析出，影响ARPOP-1-CPE表面与溶液的接触效果及对2,4-DCP的吸附能力。

图5 富集电位对4 μmol L-1 2,4-DCP峰电流的影响

3.3.4 富集时间的影响

富集时间可以改善电极表面吸收的物质量，从而提高检测2,4-DCP的灵敏度，降低检出限。随着富集时间的增加，4 μmol L-12,4-DCP的氧化峰电流逐渐增加，当达到120 s时峰电流值达到最大。随着预富集时间的增加，峰电流值降低，表明在120 s时2,4-DCP在ARPOP-1-CPE上的富集达到饱和。考虑时效性，选择120 s作为最佳富集时间。

图6 富集时间对4 μmol L-1 2,4-DCP峰电流的影响

3.3.5 PBS缓冲液pH值的影响

pH是影响电化学传感器电化学行为的重要因素之一。因而，考察了0.4 mol L-1PBS缓冲液pH值在4.0至9.0范围内的影响。结果如图7所示。在pH值= 8.0时达到了2,4-DCP的最大电流和良好的峰形。当pH值超过8.0时，观察到峰电流降低，这种现象可归因于较高浓度的OH- 可以取代2,4-DCP分子到达ARPOP-1-CPE表面的吸附位点。所以，根据ARPOP-1-CPE对2,4-DCP测定的敏感性，选择0.4 mol L-1PBS缓冲液的pH值为8.0。

图7 PBS缓冲液 pH值对4 μmol L-12,4-DCP峰电流的影响

3.4 分析方法的评价

3.4.1 ARPOP-1-CPE的重现性和稳定性

每当样品检测结束后，用 +0.5 V的安培i-t曲线法将累积在ARPOP-1-CPE表面的2,4-DCP还原到溶液当中，电极表面以电化学的方式达到更新。为了考究ARPOP-1-CPE的重现性，在最佳的实验条件下，使用同一支ARPOP-1-CPE对4 μmol L-12,4-DCP进行SW-ASV扫描，平行测定11次，氧化峰电流的信号值如表1所示，其相对标准偏差RSD为2.58%，测定结果是比较精确的，ARPOP-1-CPE重现性较为良好。

将ARPOP-1-CPE置于室温当中保存20天，20天后重复以上的实验，结果如表2所示。经计算，相对标准偏差RSD为3.82%，说明ARPOP-1-CPE传感器稳定性良好。

表1 ARPOP-1-CPE的方法重现性

表2 ARPOP-1-CPE传感器稳定性

3.4.2 标准曲线和检出限

采用SW-ASV研究了在ARPOP-1-CPE上2,4-DCP的氧化峰电流及其浓度的关系，图8所示。2,4-DCP的浓度从0.2 μmol L-1增加到20.0 μmol L-1，氧化峰电流随之增大，与峰电流呈线性关系。其线性方程为：Ipa/μA = 0.4895c/μmol L-1+ 0.1805(R2= 0.9991)。实验条件相同的情况下，重复测定空白溶液11次，依照空白的3倍标准偏差计算出方法的检出限为0.073 μmol L-1。

图8 ARPOP-1-CPE测定不同浓度2,4-DCP在0.4 mol L-1 pH值= 8.0 PBS缓冲液中的 SW-ASV曲线图

3.4.3 实际样品分析

ARPOP-1-CPE传感器在最佳的条件下分别测定自来水样及南湖水样中2,4-DCP。水样经处理后，采用标准加入法进行测定。在相同条件下平行测定三次，结果如表3所示。自来水中2,4-DCP在不同加标浓度下的回收率在86.35% 至102.18% 之间；南湖水2,4-DCP的加标回收率为88.10% ～ 98.94%。两种水样的RSD基本上小于5%，表明该方法在不同基质的样品分析中具有很大潜力。

表3 水样中2,4-DCP的回收率实验结果

4 结论

文章将含氮多孔有机聚合物ARPOP-1与碳糊电极结合，制备了一种用于检测2,4-DCP的简单灵敏的电化学传感器ARPOP-1-CPE。研究结果显示，当碳糊电极中添加具有吸附功能的修饰剂富集2,4-DCP，2,4-DCP的氧化峰电流响应显著增强，这可归因于ARPOP-1对2,4-DCP有高的吸附容量。另外，ARPOP-1-CPE传感器具有宽线性范围、高灵敏度、低检出限，以及良好的稳定性和可重复性等优点。从实际水样定量分析的结果表明，ARPOP-1-CPE传感器能够测定真实水样中的氯酚。ARPOP-1所具有的特性可以使ARPOP-1成为电化学分析中的吸附材料，益于扩展电化学的应用范围。