一次性石墨纸电极用于电化学快速测定硝酸根

刘 海,司士辉，赵志佳，占秋玲，熊慧娟，蓝昌华

(中南大学 化学化工学院，湖南 长沙 410083)

一次性石墨纸电极用于电化学快速测定硝酸根

刘 海,司士辉*，赵志佳，占秋玲，熊慧娟，蓝昌华

(中南大学 化学化工学院，湖南 长沙 410083)

为了简单快速测定硝酸根，通过丝网印刷技术制作出了低成本、免打磨和重现性良好的石墨纸电极，在自制便携式电化学分析仪上，采用差分脉冲伏安法同位镀铜催化还原硝酸根。与铜修饰的玻碳电极相比，铜修饰的一次性石墨纸电极大大提高了硝酸根的分析灵敏度。在硝酸根离子浓度为0.03～1 mmol/L范围内，硝酸根离子的浓度与还原峰电流呈良好的线性关系，检出限为1.1 μmol/ L。此外，研究了水样中一些常见阴离子对硝酸根测定的干扰作用，电极表现出较好的抗干扰性。此电极能有效地应用于实际水样中硝酸根的检测。

一次性石墨纸电极；差分脉冲伏安法；硝酸根；同位镀铜

硝酸盐污染已成为一个世界性的环境问题。农业领域中硝酸盐肥料的过度使用，会引起水质富营养化等许多水质问题，如果饮用水中硝酸盐含量过高就可能影响人类健康。硝酸盐易与人体内的铁红蛋白发生反应引发消化道癌症或者肝癌等疾病[1]。鉴于人类食用过量的硝酸盐会危及健康，世界卫生组织将饮用水中硝酸根的浓度限制在0.8mmol/L[2]。因此，急需开发一种高灵敏度、简单、快速且低成本的硝酸盐检测方法。

目前，检测硝酸盐最常用的方法包括荧光测定法[3]、气相色谱 - 质谱法(GC-MS)[4]、高效液相色谱法等[5]。但由于这些检测方法具有消耗时间长和对大规模仪器依赖等缺点，不适于常规现场使用。电化学方法因具有快速响应、操作简单、便于携带、低功耗和适用于自动化等优点而受到了人们的重视。由于电化学方法通常是基于硝酸根在电极表面还原，所以电极材料的选择对传感器性能的提高至关重要。膨胀石墨纸由于具有较大比表面积和较高表面活性等优点而引起了广泛的关注。然而，根据电子转移动力学，使用裸露的电极直接测定硝酸盐是困难的，易导致测量灵敏度低、重复性差。因此，人们采用了一些敏感性物质对电极进行修饰，如铜[6]、银[7]、镉[8]、铅[9]、钯[10]、聚吡咯材料[11]、硼掺杂的金刚石电极[12]以及生物催化剂[13]等。由于铜具有良好的电催化活性、成本低且易于电沉积等优点而受到研究者的青睐[14]。

研究者用电化学方法检测硝酸盐时，主要集中采用循环伏安法[15]或恒电位法[16]沉积一层铜修饰电极后再检测硝酸根。然而，这些方法的应用容易导致修饰电极的铜膜在含氧水中氧化变质，从而影响检测的灵敏度。而丝网印刷碳电极由于具有如小尺寸、低检测限、快速响应时间和高重复性[17]等独特性能，在电化学分析领域获得了广泛的应用。本研究采用丝网印刷技术，以膨胀石墨纸作为导电基底制造一次性石墨纸电极。其与玻碳电极相比，不但价格低廉、免打磨，而且大大提高了硝酸根的分析灵敏度；同时提出了一种采用基于差分脉冲伏安法自制的便携式电化学分析仪[18]快速测定硝酸根的简单且低成本的方法。在处理干扰离子亚硝酸根时，提出了一种简单有效的处理方法。该检测方法能有效地应用于实际水样中硝酸根的检测。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1)材料：柔性石墨、KNO3、CuSO4·H2O、H2SO4、KCl、KH2PO4、K2HPO4·3H2O、K2SO4、NaNO2、NH2SO3H和无水乙醇，以上均为分析纯试剂，试剂溶剂均为2次超纯水。

2)仪器：便携式自制电化学分析仪；数字显示pH计(pH值范围0～14，PHS-2F 型，上海雷磁仪器厂)；UV2000/1000(Lab Tech Instrument Corporation，北京)。所有实验均在三电极体系下完成，工作电极为一次性石墨纸电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。

1.2 一次性石墨纸电极的制作

将柔性膨胀石墨纸用二次去离子水清洗，烘干后其一面粘在0.5 mm PVC板上，并切成60 mm×5 mm矩形电极，采用丝网印刷技术在膨胀石墨纸电极的另一面印刷绝缘层，制作出边长为3 mm的测试电极。

1.3 硝酸根的检测

将石墨纸电极、铂电极、饱和甘汞电极放在含有5 mmol/L CuSO4和10 mmol/L KCl(用2 mol/L H2SO4调节至pH=2)的溶液中，采用差分脉冲伏安法检测硝酸根，其参数设置为：电位区间为0～-0.75 V,电位增量为4 mV,静止时间为3 s,脉冲宽度为0.2 s，脉冲周期为0.5 s。在硝酸根还原过程中，铜离子先于硝酸根离子被还原成铜沉积在电极表面，从而能够催化还原硝酸根离子。所有实验在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 硝酸根检测原理

研究中发现当使用裸电极时，还原步骤非常缓慢，需要很大的负电位，实验表明当电解液中存在多价阳离子可加速还原反应过程。因此，在溶液中引入价格低廉的铜离子来加速硝酸根的还原反应。据文献[19]记载，硝酸盐的电化学还原过程很复杂，首先硝酸根被还原成亚硝酸根，亚硝酸根再进一步还原为其他氮化合物，其产物取决于实验条件，如电极性质、电解质介质和pH值。

在酸性条件下，硝酸根在石墨纸电极上发生还原反应生成氨根离子。具体反应式如式(1)：

NO3-+10H++ 8e-→ NH4++3H2O

(1)

因此，在检测硝酸根时，测试液要调节到合适的pH值。

2.2 同位镀铜对硝酸根的催化还原

在室温条件下，石墨纸电极在没有添加CuSO4的空白底液(100 μmol/L KNO3, 10 mmol/L KCl，pH=2)和添加了CuSO4且浓度不同的硝酸根测试液(①100 μmol/L KNO3, 10 mmol/L KCl,5 mmol/L CuSO4,pH=2;②200 μmol/L KNO3,10 mmol/L KCl,5 mmol/L CuSO4, pH=2)中分别进行差分脉冲伏安扫描。石墨纸电极在不同溶液中的差分脉冲伏安曲线如图1所示。在0～-0.75 V的电位扫描区间，没有添加CuSO4的空白底液中没有明显的还原峰(图1a曲线)，但是当石墨纸电极放在含有5 mmol/L CuSO4的测试液中时，在-0.6V处有明显的还原峰(图1b曲线)，并且随硝酸根浓度增加，还原峰电流增大(图1c曲线)，这表明在石墨纸电极上原位电沉积铜修饰电极对硝酸盐的电化学还原具有良好的催化作用。众所周知，新鲜铜表层容易在空气中快速被氧化或钝化，为了避免发生这种现象，使用差分脉冲伏安法测定硝酸根，在含有Cu2+的测试溶液中将铜催化剂原位电沉积到石墨纸电极表面。

2.3 石墨纸电极和玻碳电极检测硝酸根的结果比较

石墨纸电极和玻碳电极分别在100 μmol/L KNO3,10 mmol/L KCl 和5 mmol/L CuSO4溶液中的差分脉冲伏安曲线如图2所示，从图2中可以看到，石墨纸电极在-0.60 V左右有1个硝酸根的还原峰，并且在-0.25 V左右有1个铜离子的还原峰(曲线c)，而玻碳电极却没有明显的峰(曲线a)。但是当玻碳电极在0.5 mol/L H2SO4溶液中用循环伏安法活化后，光滑的玻碳电极表面被粗糙化后有一个明显的硝酸根的还原峰(曲线b),这表明铜的电沉积行为取决于电极表面的性质，如粗糙度和官能团。而通过化学氧化的石墨粉末制备的膨胀石墨纸，表面粗糙且含有羟基、羧基等活性官能团，因此采用石墨纸电极检测硝酸根有利于铜的电沉积，能够大大提高检测灵敏度。

2.4 实验条件的优化

为了改善石墨纸电极的灵敏性，对采用差分脉冲伏安法扫描检测硝酸根含量过程中涉及的pH值、Cu2+浓度和Cl-浓度这3个参数进行优化。在实验条件下，将石墨纸电极先后置于不同pH值(1，2，3，4，5)的含有200 μmol/L KNO3, 5 mmol/L CuSO4和10 mmol/L KCl的混合溶液，含不同浓度Cl-的200μmol/ L KNO3,5 mmol/L CuSO4(pH=2)的混合溶液以及含不同浓度Cu2+的200 μmol/L KNO3,10 mmol/L KCl(pH=2)混合溶液中，考察不同参数对硝酸根还原电流的影响。测试参数结果如图3所示，当pH值为2、Cu2+浓度为5 mmol/L、Cl-浓度为10 mmol/L时响应电流最大。因此在后续的实验中，电极的这3个参数分别固定为pH值为2、CuSO4浓度为5 mmol/L、KCl浓度为10 mmol/L。

2.5 差分脉冲伏安法检测硝酸根含量

采用差分脉冲伏安法，用石墨纸电极在最优的实验条件下考察硝酸根浓度与还原电流大小的关系以实现硝酸根的检测。不同浓度硝酸根的差分脉冲伏安曲线如图4所示。从图4中可以看出，在硝酸根浓度为0.03～1 mmol/L的范围内，随着电解液中硝酸根离子的增加，峰电流也随之增加，且峰电流与硝酸根浓度有良好的线性关系，其相关系数是0.999 2，检出限是1.1 μmol/L (S/N=3)。

2.6 重现性及干扰性实验

为了考察一次性石墨纸电极的重现性，在同一条件下，用10个石墨纸电极在含有200 μmol/L KNO3测试溶液中测试，比较电流响应，其相对标准误差(RSD)为5.06%，表明此种一次性石墨纸电极具有良好的重现性。

由于常见水样中存在其他阴离子可能对检测硝酸根离子造成干扰，在含有200 μmol/L NO3-的最优实验条件下分别加入5倍浓度(1 000 μmol/L)的NO2-、Cl-、CO32-、SO42-、HPO42-、H2PO4-等干扰离子。石墨纸电极对水中常见离子的响应曲线如图5所示。从图5中可以看出，当干扰离子浓度为5倍于NO3-浓度时，Cl-、CO32-、SO42-、HPO42-、H2PO4-等干扰离子对于硝酸根检测的影响几乎可以忽略不计，而NO2-会产生较大影响，这是由于NO2-还原峰与NO3-还原峰信号位于同一位置，这表明NO2-与NO3-还原电位较接近。所以在实际测定中，检测前应除去水中的NO2-以排除干扰。本实验中，采取化学还原法利用氨基磺酸与亚硝酸根的定量反应对NO2-进行直接处理，此方法可以完全去除溶液中的NO2-，不会生成有害物质，且不会生成对硝酸根检测实验有影响的物质[20],其反应方程式为：

NH2SO3H + NO2-→ HSO4-+ H2O + N2

2.7 实际水样中硝酸根的测定

取适量湘江水、实验室自来水、池塘水以及岳麓山山泉水用上文2.6中提及的方法去除水中的NO2-，再分别取30 mL样品于烧杯中，并使待测液中CuSO4浓度为5 mmol/L,KCl浓度为10 mmol/L，并用2 mol/L H2SO4调节pH值为2，用差分脉冲伏安法检测NO3-含量，同时采用样品加标回收法计算回收率，分析结果见表1。用紫外分光光度法测定上述样品的NO3-含量分别为72.1 μmol/L、 110.2 μmol/L、159.1 μmol/L 和414.3 μmol/L。由测试数据可知，2种方法测定结果基本一致，证明了该一次性石墨纸电极可以应用于实际水样中硝酸根的检测。

表1 用石墨纸电极检测水样的结果(n=5)

注：a为5次实验的平均值。

3 结束语

1)本研究通过丝网印刷技术使用膨胀石墨纸制作导电石墨纸电极，采用原位电沉积法镀铜修饰石墨纸电极，并用基于差分脉冲伏安法自制的便携式电化学分析仪简单快速测定硝酸根。整个实验不需要用氮气脱氧进行样品制备和除氧，且测定时间不超过10 min。

2)提出的一次性石墨电极表现出很强的实用性，如低成本、免打磨和良好的重现性，且与修饰玻碳电极相比，铜层修饰膨胀石墨纸电极大大提高了硝酸根的分析灵敏度。在硝酸根离子浓度为0.03～1 mmol/L范围内，有很好的灵敏性和线性度。此外，研究了水样中一些常见阴离子对硝酸根测定的干扰作用，结果表明，只有亚硝酸会在与硝酸根相同的电位下产生明显的峰值电流。

3)采取化学还原法利用氨基磺酸与亚硝酸根的定量反应对亚硝酸根进行直接处理。当该自制石墨纸电极应用于实际水样中检测硝酸根时，测量结果与分光光度法测量的结果表现出良好的一致性。

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(责任编辑 高 嵩)

A Rapid Electrochemical Determination of Nitrate by Disposable Graphite Paper Electrode

LiuHai,SiShihui*，ZhaoZhijia,ZhanQiuling,XiongHuijuan,LanChanghua

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha Hunan 410083)

A disposable graphite paper electrode was fabricated by a screen-printing technique,which had such advantages as low cost,no polish and good reproducibility.A simple and rapid electroanalytical assay for the determination of nitrate at an in situ copper-modified graphite electrode was proposed on the basis of differential pulse voltammetry by using a home-made portable electrochemical analyzer.The in situ copper-modi ed graphite paper electrode has greatly improved the analytical sensitivity of nitrate than the modified glassy carbon electrode.The nitrate differential pulse voltammetry response increases linearly with nitrate concentration over a range of 0.03-1mmol/L,and the detection limit is 1.084 μmol/L.In addition,the interferential effects of some common anions in water samples on the nitrate determination were investigated, which indicated that the electrode in this paper had good selectivity to NO3-.The disposable graphite paper electrode can also be effectively applied to the determination of nitrate in natural water．

a disposable graphite paper electrode;differential pulse voltammetry;nitrate;in situ copper film

2017-01-10

湖南省长沙市科技项目(项目编号：k1501086-11)。

刘海，硕士生。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.02.008

O661.1

A

2095-4565(2017)02-0033-06

*通讯作者：司士辉，教授，博士，博士生导师，研究方向：电化学检测和电池材料。