纳米氢氧化钴原位修饰碳糊电极固-液微萃取及电化学检测辛硫磷

王 佳,朱永春,2*,那宝双，辛士刚，张洪波

(1.沈阳师范大学 化学化工学院,辽宁 沈阳 110034;2.沈阳师范大学 能源与环境催化研究所,辽宁 沈阳 110034;3.沈阳师范大学 实验中心，辽宁 沈阳 110034)

有机磷农药(OPs)因具有杀虫效率高、防治范围广、成本低、易降解等特点，在农业生产中得到广泛使用。由于有机磷农药的大量使用和在食物链中的残留富集,对人类健康产生了潜在威胁。有机磷为神经毒素，主要抑制胆碱酯酶(AchE)的活性，使其失去分解乙酰胆碱的能力，造成乙酰胆碱积累，引起精神功能紊乱，导致运动失调、昏迷、瘫痪甚至死亡等症状[1]。辛硫磷(O-α-氰基亚苯基氨基-O,O-二乙基硫代磷酸酯)是有机磷农药中应用最广泛的农药之一，用于防治地下害虫，尤其对花生、蔬菜等作物的鳞翅目害虫有良好的作用。因此，找到一种高效、准确的辛硫磷检测方法十分必要。目前已经建立一些方法对辛硫磷进行检测，如高效液相色谱法[2-3]、液相色谱-质谱联用法[4-5]、酶抑制法[6]、生物传感器法[7]、红外光谱法[8]、拉曼光谱法[9]等。这些方法大多需要对样品进行前处理且具有操作复杂、仪器昂贵[10-11]等缺点。而电化学传感器由于其方便、快捷、灵敏和高选择性等优点而备受关注[12]。但由于辛硫磷本身的电化学活性不高，且其属于脂溶、疏水性农药，在水相中溶解度很差，直接电化学检测有一定难度，因此多采用修饰电极的电化学催化提高其灵敏度和选择性[13]。

钴是性能活泼的廉价金属[14]，因具有自然资源丰富、低毒、电化学稳定性良好及反应活性中心高等优点[15]，其氢氧化物在电极材料[16-17]及电化学催化[18]方面具有广泛的研究和应用，其中氢氧化钴薄膜因在电极表面具有良好的稳定性,而多用于复合修饰膜检测物质的应用研究[19-20]。

本文利用纳米氢氧化钴的电化学催化和固相微萃取以及有机硅油的液相微萃取作用，将辛硫磷吸附萃取到碳糊电极表面，在优化条件下，采用电化学催化微分脉冲伏安(DPV)法直接测定催化电流，可实现农作物中辛硫磷的快速、灵敏、选择性检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI620B电化学工作站(上海辰华有限公司)；Auto-lab PGSTAT30(瑞士万通中国有限公司)；电子天平(上海佑科有限公司)；三电极体系系统：工作电极为自制的碳糊电极；参比电极为饱和甘汞电极(上海精密科学仪器有限公司)，对电极为自制的铂丝电极。

石墨粉(化学纯)，甲基硅油(分析纯)，68%硝酸(分析纯)，氯化钾(分析纯)，氯化钴(分析纯)，氢氧化钠(分析纯)，以上试剂均由国药集团化学试剂有限公司生产。实验所需溶液均用超纯水(18.2 MΩ/cm，Billerica,MA,USA)配制。缓冲溶液为磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液。

1.2 碳糊电极的修饰

将预处理的碳糊电极浸入5.0 mL 0.01 mol/L CoCl2溶液中，在-1.2 V电位处恒电位富集100 s后取出，水洗净晾干后，将电极移至5.0 mL 0.10 mol/L NaOH溶液中，在0.8 V电位处恒电位富集100 s，即得到纳米氢氧化钴修饰的碳糊电极，用水洗净晾干备用。

图1 修饰电极在1.0 mol/L KCl溶液中(1),以及裸电极(2)和修饰电极(3)分别在含1.0×10-6 mol/L辛硫磷的1.0 mol/L KCl溶液中的循环伏安图Fig.1 Cyclic voltammograms of modified carbon paste electrode in 1.0 mol/L KCl(1),and bare electrode(2) and modified electrode(3) in 1.0×10-6 mol/L phoxim solution with 1.0 mol/L KCl insert：reduction peak current changes with scan rate

2 结果与讨论

2.1 实验结果

2.1.1 辛硫磷的循环伏安行为在 pH 2.2磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，以1.0 mol/L的KCl作为支持电解质，采用裸电极和修饰电极在-0.6～-0.2 V范围内对1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液进行循环伏安扫描，得到循环伏安曲线(如图1)。修饰电极在1.0 mol/L KCl溶液中扫描时,未出现氧化还原峰(曲线1)；裸电极在含有1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液中扫描时，可观察到一个较小且不明显的还原峰(曲线2)；将修饰电极在含有1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液中扫描时，在-0.489 V处得到一个还原峰，峰电流为91.56 μA(曲线3)，与裸电极相比，修饰电极的峰电流明显增大且峰位移动，表明纳米氢氧化钴的修饰对电极具有活化作用，同时也说明钴与辛硫磷分子形成了络合物并已富集在电极表面。

改变扫速对氢氧化钴修饰的碳糊电极与辛硫磷反应体系进行循环伏安扫描,得到峰电流对扫描速率作图(图1插图)，可观察到峰电流与扫速呈线性关系，其回归方程为：Ipc=84.08+31.27v,r2=0.998 2，此结果表明辛硫磷的还原过程受表面控制[21]。

2.1.2 富集时间的影响采用制备好的裸碳糊电极在CoCl2与NaOH溶液中分别恒电位富集2、5、10、20、30、50、100 s。结果表明，在其他条件相同的情况下，当二者的恒电位富集时间均为100 s时对应的还原峰电流最大。所以选择100 s为最佳富集时间。

2.1.3 修饰电极的XRD表征图2为裸碳糊电极(A)、氢氧化钴修饰碳糊电极(B)及氢氧化钴-辛硫磷络合物修饰碳糊电极(C)的XRD衍射图。可观察到3图在26.76°和29.56°左右均出现2个明显的衍射峰，根据文献报道，位于26.76°和29.56°处的峰为石墨(002)晶面的峰[22]。由于碳糊电极中石墨的含量最大，所以其峰强度最大(图2A)。在Co(OH)2修饰及其络合物修饰的碳糊电极的石墨(002)峰强度均有所减小，其中Co(OH)2修饰电极在26.76°处的峰强度减少76%，络合物修饰电极减少了56%。在29.56°处的峰强度，Co(OH)2修饰电极减少95%，络合物修饰电极减少了86%。此结果表明碳糊电极表面有超过50%被氢氧化钴络合物修饰。修饰后碳糊电极的XRD于38.00°、45.00°、65.22° 附近出现3个新的衍射峰(图2B、C)，分别对应Co(OH)2的(015)、(018)、(110)晶面[23],其峰强度分别为:262.5,300.0,1 629.2(图2B);454.2,404.2,275.0(图2C)。于56°附近出现1个新的衍射峰，根据文献[23]，其属于Co3O4的(422)晶面,峰位置分别为54.58°(图2B)、54.68°(图2C)，峰强度分别为1 629.17(图2B)、3 150.00(图2C)。说明电极表面既有Co(OH)2又有Co3O4，进一步证明Co(OH)2已经修饰到碳糊电极表面，且在络合物修饰膜中仍然存在Co—O键成分，类似的氢氧化镍表征已有报道[24]。

图2 不同电极的XRD图Fig.2 XRD diagrams of different electrodesA.bare carbon paste electrode;B.cobalt hydroxide modified carbon paste electrode;C.complex modified carbon paste electrode

图3 还原峰电流与溶液pH值的关系Fig.3 Relationship between reduction peak current and pH value

2.1.4 pH值的影响在电极最佳富集时间下进行实验，于不同pH值(1.0～8.0)的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中进行循环伏安扫描，并采用峰电流对溶液pH值作图(图3)。实验结果表明，在pH 2.2时，辛硫磷的还原峰电流最大，表明酸性条件更适宜辛硫磷的还原过程，过酸或过碱均不利于辛硫磷的还原。因此选择pH 2.2为辛硫磷的最佳检测条件。进一步考察溶液pH值对辛硫磷还原峰电位的影响，结果显示，在pH 2.2～3.6范围内，其峰电位随着pH值的增加而正移，线性方程为：E=-0.796 5+0.068 2 pH,r2=0.992 3，斜率为0.068 2，此值接近0.059 2，表明辛硫磷的还原过程为1个电子伴随1个质子的反应。

2.1.5 吸附时间的影响将修饰电极静置于电解池，待萃取完成的时间称之为吸附时间。实验考察了不同吸附时间对还原峰电流的影响。结果显示，在10～50 s范围内，其还原峰电流随吸附时间的延长迅速上升，50 s之后逐渐下降，前一部分属于辛硫磷在电极表面上的单层分子吸附动力学。在10 ～50 s范围内以吸附时间对其还原峰电流作回归方程，得到：Ipc=47.17(1-e-0.065t),r2=0.994，根据一级动力学方程[24-26]确定表观一级反应速率常数k=0.065 s-1。表明此吸附过程满足一级动力学方程。可以判断电极放入溶液中施加电位后电极表面的氢氧化钴纳米粒子与辛硫磷络合需有一定的作用时间，在50 s时吸附完全。由于电极表面位置有限，超过此时间后，多余的辛硫磷分子将吸附到电极表面并由单层变成多层，阻碍电子转移，导致峰电流下降。所以本实验选择50 s为最佳吸附时间。

通过交流阻抗实验进一步推测及验证电极的成膜及反应过程。将电极在最佳修饰条件修饰后，在阻抗谱测试频率10 MHz～0.1 Hz范围内，电位-0.2 V条件下，于5.0 mL 1.0 mol/L KCl-5.0 mL pH 2.2缓冲溶液-5.0 mL 1.0×10-5mol/L辛硫磷混合液中分别吸附0、50、1 800 s后进行实验。该测试体系由电极和电解质溶液两部分组成。等效电路模型用CDC(Circuit description code)描述为Rs(Cf1(Rf1(QfRf2)))(CeRe),此为经典的Randles电路模型。

图4 不同吸附时间下电极的电化学阻抗谱图Fig.4 Niquist impedance plots of electrode at different adsorption times adsorption time(A-C) :0,50,1 800 s

图5 拟合阻抗谱的Randles等效电路图Fig.5 Randles equivalent circuit diagram of fitting electrochemical impedance spectrum

通过对比实际检测得到的谱图(图4曲线1)与拟合得到的谱图(图4曲线2)，表明电极反应可用已知电路模型进行拟合。结果显示，该模型在Nyquist图上显示为两个半圆。前一个小半圆与膜和电极反应相关，后一个半圆与电解质溶液相关。 修饰电极反应过程的电化学阻抗谱Randles等效电路图如图5所示，图中Rs为溶液电阻；Cf1为电极表面碳粒与硅油之间形成的电容；Rf1为硅油产生的电阻，其中碳粒间的距离越大，表明硅油越多，Rf1越大；Qf为碳糊电极各碳粒间的电容；Rf2为碳粉与Co(OH)2膜间产生的电阻；Ce为Co(OH)2膜与辛硫磷间的反应电容；Re为反应电阻。拟合结果列于表1，其中CPE为常相位角元件，Freq power为测试频率相关参数。结果表明电极膜的反应受扩散电流控制[27]，由表中数据还可看出，随着吸附时间的增长，有机物在电极表面形成的膜加厚，使电极膜与溶液之间的电阻增大，导致溶液的导电性减弱，进而阻碍了溶液与电极之间的电子转移，使峰电流下降，这与吸附时间和静止时间曲线的结果相一致。其中反应电阻Re在1 800 s时数值最大，表明此时在电极Co(OH)2膜上吸附的辛硫磷最多，反应电阻最大。

表1 Rs(Cf1(Rf1(QfRf2)))(CeRe)模型中参数拟合结果Table 1 Electrical parameters of Rs(Cf1(Rf1(QfRf2)))(CeRe) model obtained by fitting the EIS data

2.1.6 静止时间的影响电极置于溶液中，在初始电位下对修饰电极施加电压到开始扫描的时间称为静止时间。实验考察了不同静止时间对还原峰电流的影响。结果显示，在静止时间5 s时还原峰电流达到最大值,这是由于酸性条件下辛硫磷会发生质子化而带正电，在-0.2 V初始电位下，有利于辛硫磷的吸附，并达到最大值。此后随着静止时间的继续增加，其还原峰电流降低。这是因为静止时间越长，吸附的带有正电荷的辛硫磷对后续到达的辛硫磷具有排斥作用，使其无法到达电极表面，不利于电化学反应进行。故选择5 s为最佳静止时间。研究也表明负电位在初始阶段可将分子到达电极表面的时间大大缩短，有利于反应物的吸附富集，提高实验效率。

2.1.7 初始电位的影响考察了不同初始电位对还原峰电流的影响。结果显示，初始电位在-0.4～-0.1 V范围内还原峰电流随初始电位的增大而增大，在-0.1～0.2 V范围内还原峰电流减小。在-0.4～0.2 V电位范围内做回归方程:Ipc=20.99+101.6e-0.5[(Eint+0.119)/0.067],r2=0.980 6，表明电流强度随着初始电位呈e指数变化。由于初始电位过负时排斥作用过大，不利于反应进行，并且根据方程得到中心电压为-0.119 V，故选择-0.1 V作为最佳初始电位。

2.1.8 浓度的影响与工作曲线在最佳实验条件下，改变辛硫磷浓度进行微分脉冲伏安扫描，结果显示，辛硫磷在3.333×10-13～3.333×10-8mol/L范围内随浓度增大峰电流增大，在3.333×10-8～3.333×10-6mol/L范围内随浓度增大峰电流减小。且辛硫磷浓度在上述两范围内峰电流与其浓度的对数呈线性关系，其线性方程分别为：Ipc=205.4-26.56lnc,r2=0.998 3;Ipc=-52.34+10.55lnc,r2=0.995 2。辛硫磷的检出限为3.333×10-13mol/L。上述曲线表明辛硫磷在电极表面上的萃取过程符合Temkin[28]吸附，其吸附等温方程为:Ipc=BlnAT+Blnc,式中AT为等温平衡常数，B为与热量相关的常数。浓度以mol/L为单位时，计算得到两个线性方程的AT分别为0.000 438和0.007。根据吉布斯自由能与平衡常数的关系，得到ΔG分别为-1.084 kJ/mol和-17.375 kJ/mol，均小于零，表明该吸附过程在热力学上为自发过程。

2.1.9 重现性及回收率称取25 g于超市购买的新鲜菠菜，捣烂，加入138 mL 0.1 mol/L KCl电解质溶液将菠菜浸没，萃取60 min,取上清液进行实验，检出辛硫磷浓度为1.0×10-6mol/L。取5.0 mL上清液用同一支氢氧化钴修饰碳糊电极在优化条件下进行检测，平行测定5次，测得相对标准偏差(RSD)为1.4%。在待测液中加入5.0 mL 1.0×10-6mol/L辛硫磷标准液，平行测定5次，测得回收率分别为106%、90.2%、94.1%、92.8%、93.7%，平均回收率为95.4%，结果令人满意。

2.1.10 共存物质的干扰在5.0 mL 1.0×10-6mol/L辛硫磷溶液中，在允许误差±5%的范围内，发现浓度为1.0×10-6mol/L的葡萄糖、蔗糖、果糖、柠檬酸、水杨酸、对苯二酚和对乙酰氨基酚对辛硫磷的检测均不产生干扰，表明该方法具有良好的选择性。

2.2 理论计算结果

2.2.1 分子模型使用ACDfree12软件模拟出络合物的分子模型，分别构建了钴与不同位置N、S结合，以及不同配位数的络合物模型，以该分子模型为基础进行理论计算，分子模型如图6所示。

图6 辛硫磷分别与不同原子配位的分子模型Fig.6 Molecular models for the coordination of phoxim with different atomsa：Co(OH)2；b：phoxim molecule；c：phoxim coordination with double bond N；d：phoxim coordination with triple bond N；e：phoxim coordination with S；f：phoxim coordination with double bond N,S;g:phoxim coordination with triple bond N,S;h:phoxim coordination with double and triple bond N;i:phoxim coordination with double and triple bond N and S(a：Co(OH)2 ；b：phoxim分子 ；c：phoxim 与双键N配位；d：phoxim 与三键N配位；e：phoxim 与S配位；f：phoxim与双键N、S配位;g:phoxim与三键N、S配位;h:phoxim 与双、三键N配位;i:phoxim与双、三键N、S配位)

2.2.2 氢氧化钴与辛硫磷相互作用的热力学依据建立的氢氧化钴与辛硫磷相互作用的相关分子模型，利用MOPAC2016半经验轨道计算包中提供的PM7量子化学半经验分子轨道方法的热力学计算，获得各分子模型的热力学参数，根据热力学原理[29]计算出热力学参数ΔHr、ΔSr和ΔGr，结果列于表2。

表2 络合物分子的热力学参数Table 2 Thermodynamic parameters of molecular models

*:no data

通过计算结果ΔHr与ΔGr可以看出，在单配位络合物中，Co(OH)2与三键N配位形成的络合物最稳定，且可以自发生成。由于双键N和S配位化合物的吉布斯改变量为正值，表明其形成的络合物稳定性较差，且二者的ΔHr与ΔGr均为正值，不能自发进行，需要外加电压的作用。在多配位络合物中，均能自发进行，相比之下，与N、N配位和三配位的络合物较稳定。推测多配位化合物稳定的原因是络合物可以尽可能多的与碳糊表面活性位点吸附结合，进而使络合物更稳定，更易在电极表面形成。综合考虑，低过渡态下为双键N、S配位，高过渡态下为三键N、S配位。从电流灵敏度上看，高过渡态下电流斜率大、灵敏度高，而低过渡态下，灵敏度无前者高。

2.2.3 前线轨道相关参数将计算获得的前线轨道的能量按照公式进行分子指数参数计算[30]，得到高占有轨道能量(EHOMO)、最低空轨道能量(ELUMO)、分子的硬度(η)、化学势(μ)、分子的可转移电荷量(ΔNex)、分子相对可转移电荷量(ΔΔNex)结果列于表3。由上述计算结果可知，以辛硫磷作为参考，3种单配位络合物中与三键N配位的络合物的可转移电荷量最高，证明其电子转移活性相对其他两种络合物越大，更易发生氧化还原反应，同时证明与三键N配位的可能性最大。多配位络合物中，与N、N配位和多配位的化合物可转移电荷量最高，证明该状态下的氧化还原活性最大，为络合提供了更大的可能性。该前线轨道指数的计算结果与热力学计算结果一致。

表3 分子模型的前线轨道相关分子指数Table 3 Frontier orbital molecular index of molecular models

*no data

根据电化学阻抗测量结果、热力学计算结果和前线轨道相关参数计算结果综合分析，判断Co(OH)2主要与三键N和S配位，可能的反应过程如下：

3 结 论

将纳米氢氧化钴薄膜原位修饰到碳糊电极表面，并与辛硫磷形成配位化合物，还原峰电流对扫速呈一次方关系，且吸附过程符合Temkin等温吸附模型，证明辛硫磷在电极上的反应受吸附控制。pH结果表明辛硫磷的还原过程为1个电子伴随着1个质子的反应。表观一级反应速率常数k=0.065 s-1。辛硫磷在-0.489 V左右有1灵敏的还原峰，随着辛硫磷的加入，电极表面的纳米氢氧化钴与辛硫磷络合，用交流阻抗方法进一步研究了反应过程，并辅助理论计算，两者与循环伏安实验结果相一致，因此可以用该体系检测辛硫磷。还原峰电流与辛硫磷浓度的对数在3.333×10-8～3.333×10-6mol/L、3.333×10-13～3.333×10-8mol/L范围内均呈良好线性关系，检出限(S/N=3)为3.333×10-13mol/L。该方法具有操作简便、灵敏度高、重现性好等优点。相比于农药检测的主要方法——色谱法，本方法既省去了复杂的前处理过程，又可提高检测的灵敏度和选择性，可实现对辛硫磷的简便准确地现场检测。不足在于1种修饰电极仅检测1种农药，要实现多种农药的同时检测需进一步探索修饰电极的不同物质和方法，但这也体现了本方法的良好选择性。