检测大气中羟基自由基传感器的开发与应用

李瑞红，何伟迪

（1.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050；2.建昌县环保局，辽宁 葫芦岛 125300）

1 概述

大气环境与人类的健康息息相关，当空气质量变得恶劣时，人们的健康也将受到威胁[1]。有研究指出，环境空气污染与新冠肺炎的传播之间存在统计上的显著关联，并且改善空气有助于延缓病毒的传播[2-3]。大气的氧化能力影响着二次污染的生成和污染物的去除，羟基自由基（·OH）是对流层中重要的氧化物质，也是白天大气氧化能力的主要贡献者[4-6]。因此，对·OH 的浓度变化和分布实施有效的监控是预测和应对大气污染必不可少的环节。

·OH 具有寿命短、浓度低、不稳定的性质，这给它的检测带来了不小的挑战，在过去几十年里，已经开发出了多种·OH 的检测技术，如激光诱导荧光技术（LIF）[7]、电子自旋共振技术（ESR）[8]、高效液相色谱法（HPLC）[9]、化学离子质谱法（CIMS）等[10]，这些方法普遍灵敏度高且较为成熟，但操作繁琐、运行成本高等缺点限制了它们的适用性。电化学检测技术具有成本低、操作灵活、灵敏度高的优点，将其用于·OH 的检测具有重要意义。

石墨烯是从石墨中剥离出来的由sp2 杂化的碳原子组成的薄膜状结构的二维材料，具有大的比表面积和优异的导电性[11]。石墨烯纳米纤维（SGNF）由石墨烯纳米片堆积而成，表面含有大量开放的石墨烯端面，它不仅具有石墨烯的优异特性，而且自身具有独特的性能，在玻碳电极上，石墨烯纳米纤维表现出比石墨和碳纳米管更快的非均相电子传输速率，是一种理想的电化学传感器材料[12-14]。

当4-羟基苯甲酸（4-HBA）被羟基自由基（·OH）氧化后会生成3,4-二羟基苯甲酸（3,4-DHBA）（如图1 所示）[15]，因此选择以4-HBA 和3,4-DHBA 分别为检测·OH 时的捕集剂和探针。用石墨烯纳米纤维修饰玻碳电极，开发了一种能够灵敏地检测出大气中·OH 的传感器。

图1 4-HBA 与·OH 反应机理

2 材料与方法

2.1 仪器与试剂

多通道电化学综合测试仪（普林斯顿公司），JSM-6701F 冷场发射型扫描电镜（日本电子光学公司），PHS-3C 型精密pH 计（上海仪电科学仪器股份有限公司），SB-5200 超声波清洗机(宁波新芝生物科技公司)，TH-3150 大气与颗粒物组合采样器（武汉天虹仪器公司）。

石墨烯纳米纤维（STREM Chemicals），对羟基苯甲酸（4-HBA）和3,4-二羟基苯甲酸（3,4-DHBA）（上海源叶生物公司），磷酸二氢钠和磷酸氢二钠（天津市凯通化工有限公司），去离子水（实验室自制）。

2.2 实验方法

2.2.1 石墨烯纳米纤维的纯化

为了改善石墨烯纳米纤维的疏水性和在其表面增加活性位点，需要将它纯化处理获得更多的含氧官能团（如羟基、羧基）。具体操作为:用100 mL量筒分别量取60 mL 浓硫酸和20 mL 浓硝酸溶液（体积比3:1），然后把它们混合到一起配成混合液。用电子天平称取0.2 g 石墨烯纳米纤维粉末，再把它缓慢加入到混和酸溶液中并搅拌均匀，室温条件下放在磁力搅拌器上搅拌72 h 让其反应以除去杂质，反应结束后，加入去离子水稀释反应液后再倒入砂芯漏斗中对稀释液进行抽滤，重复水洗反应物至滤液呈中性，最后让它在60 ℃下真空干燥24 h，即可得到纯化的石墨烯纳米纤维粉末。如图2 所示。

图2 石墨烯纳米纤维的纯化流程

2.2.2 电极的制备

玻碳电极表面在环境中极易形成氧化层，从而影响电极的稳定性和灵敏度。因此在玻碳电极被制备修饰层之前，必须要对它进行抛光处理。具体操作为：先用1500 目、2000 目和2500 目的金相砂纸打磨除去杂质，再依次用1.0～0.05 μm 的三氧化二铝粉末对电极表面进行抛光，前面每步完成后需用去离子水冲净电极表面，所有抛光结束后用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗电极表面（超声时间不能长），把干净的电极浸入0.1 mol/L 的KCl 中记录2×10-3mol/L K3Fe（CN）6溶液的循环伏安曲线，如果循环伏安曲线上两峰电位差介于80 mV 与64 mV 之间时，则电极预处理合格，否则，需继续处理。

修饰电极的制备：电子天平称取3 mg 纯净的石墨烯纳米纤维粉末，把它缓慢加入到1 mL 去离子水中，采用超声3 h 的方法形成均匀分散液，移液器准确吸取6 μL 分散液滴到洁净的电极表面，空气中干燥后备用，标记为GNF/GCE。

2.2.3 3,4-DHBA 的检测

在0.2 mol/L 的磷酸盐缓冲液（PBS）中加入不同浓度的3,4-DHBA，工作电极在-0.1 V 富集120 s，记录扫描电势0～0.8 V 内循环伏安曲线。

3 结果与讨论

3.1 石墨烯纳米纤维的表征

实验室采用扫描电镜对纯化前后的石墨烯纳米纤维的表面形态进行了表征。从图3（A）可以观察到纯化前，石墨烯纳米纤维由片状的石墨烯堆积而成，形状不规则且大小不一；而从图3（B）可观察到纯化后的石墨烯纳米纤维表面光滑，纤维状成熟，形状大小较均匀，有利于电子传输。

为了进一步比较纯化前后石墨烯纳米纤维的结构特征，实验采用红外光谱仪表征了石墨烯纳米纤维纯化前后官能团变化情况。如图3（C）所示，纯化处理后的石墨烯纳米纤维在1720 cm-1、1390 cm-1、1210 cm-1处出现三个新的吸收峰，它们分别被鉴定为—C=O、—OH 和—C-O-C 这三个含氧官能团的伸缩振动吸收峰。这表明，经过纯化处理，石墨烯纳米纤维表面增加了含氧官能团，这对于改善它的疏水性是非常有利的。

图3 （A）原石墨烯纳米纤维的SEM 图；（B）纯化后的石墨烯纳米纤维SEM 图；（C）纯化前后石墨烯纳米纤维的红外谱图

3.2 3,4-DHBA 的电化学行为

实验中利用循环伏安法考察3,4-DHBA 在0.1 mol/L PBS 中的电化学行为，扫描速度为0.1 V/s。结果如图4 所示，从曲线a 可以看出，3,4-DHBA 在裸电极上出现了一对极其微弱的氧化还原峰，表明3,4-DHBA 在裸电极上发生了缓慢的氧化还原反应，这可能由于裸电极电阻较大，阻碍了电子传递过程。相反，在修饰电极曲线b 上分离出来的一对氧化还原峰峰型明显，与裸电极相比，两峰电位差减小，峰电流增加，说明GNF/GCE 修饰电极对3,4-DHBA 的电化学氧化有较好的电催化能力。这可能是由于石墨烯纳米纤维的修饰使得电极导电能力增强，电子转移速率增加，另一方面，纯化后的石墨烯纳米纤维表面含有大量的有效活性面积，从而导致修饰电极的有效面积大大增加。

图4 3,4-DHBA 在不同电极上的电化学行为

3.3 实验条件优化

3.3.1 缓冲溶液pH 值的影响

缓冲溶液的pH 是影响有机物电化学反应过程的关键因素之一，实验利用循环伏安法考察了pH从2 到8 对氧化还原峰电流的影响，结果如图5（A）所示，在pH=3.5 时获得最大的电流响应。当pH>3.5时，氧化还原峰电流反而降低，表明3,4-DHBA 的电化学反应易在酸性环境中进行。因此，选择3.5 为后续实验缓冲溶液的pH。

图5（B）所示，3,4-DHBA 的峰电势也会随pH变化。从图中可以看出，随着PBS 的pH 从2 增加到6，3,4-DHBA 的氧化峰电势偏负向移动，这可能是当pH 增大时，3,4-DHBA 氧化反应中的去质子化过程加快。从图5（B）也可以看出，3,4-DHBA 的阳极峰电势与溶液pH 在2～6 范围内呈现良好的线性关系，方程为E（V）=-0.031 5 pH（V/pH）+0.998 2（R2=0.994 4）。

图5 pH 值对3,4-DHBA 峰电流（A）、峰电位（B）的影响

3.3.2 富集电势和富集时间的影响

富集操作能够改善待测物在修饰电极上的吸附量，增加氧化信号，提高测定的灵敏度。图6（A）反映了当富集时间从0～180 s 增加时，电流峰值在120 s时增加到最大，随后开始略微降低，表明在120 s 时3,4-DHBA 在修饰电极上的负载量达到饱和。因此，为减少电极的响应时间，提高分析效率，在之后的测定中以120 s 为实验富集时间。图6（B）探究了富集电势从-0.4 V 到0.2 V 对3,4-DHBA 测定的影响，可以看到，当电势向负向变化时，电流峰值会呈现先增加后降低的波动，在-0.1 V 时，电流响应最强，因此作为最佳的富集电势进行后续实验。

图6 富集时间（A）和富集电势（B）对3,4-DHBA 峰电流的影响

3.3.3 扫描速率的影响

氧化还原峰电流和扫描速率的关系能够反映电化学反应机理的有用信息，因此考察了扫描速率40～400 mVs-1对3,4-DHBA 在缓冲溶液中氧化行为的影响。如图7（A）所示：随着扫描速率的增加，阳极、阴极峰电流逐渐增加，且与扫描速率具有良好的线性关系图7（B），线性回归方程为I（μA）=0.015 67u（mV/s）+3.371 87（R2=0.997 8）,这表明3,4-DHBA 在GNF/GCE 修饰电极上的电化学氧化为吸附控制过程，因此，增加电极的有效面积可以提高电极的灵敏度。

图7 （A）GNF/GCE 修饰电极在不同扫速下的循环伏安曲线图（40～400mV/s）；（B）氧化峰电流值与扫速的校准曲线

3.4 GNF/GCE 检测3,4-DHBA

在最佳的条件下，实验利用线性扫描伏安法（LSV）对3,4-DHBA 进行测定。一系列不同浓度的样品分别加入到PBS 缓冲溶液中，在100～500 μmol/L 浓度范围内，3,4-DHBA 在GNF/GCE 上呈现出良好的氧化峰，如图8（A）所示；3,4-DHBA 的氧化峰电流值与它的各个浓度值线性相关，如图8（B）所示，方程为：I（μA）=5.826 4+0.012 41c（μmol/L），检测 限 低 至3.78×10-9mol/L（S/N=3）。由此可见，GNF/GCE 电极具有较低的检测限，这主要归因于石墨烯纳米纤维优异的结构特性，能够快速传递电子并且对3,4-DHBA 的电化学氧化具有较强电催化能力。与其他报道的检测方法相比，也可以得出此结论（见表1）。

图8 （A）GNF/GCE 修饰电极在含有不同3,4-DHBA浓度缓冲液中的LSV 图；（B）LSV 响应的氧化峰电流与3,4-DHBA 浓度的校准曲线

表1 检测3,4-DHBA 的几种方法性能比较

3.5 电极的稳定性与重现性

实验中还探究了GNF/GCE 检测样品时的稳定性和重现性，当把该电极置于干燥的环境中5 d 后，对样品的检测结果比开始测定值低11%，说明电极的稳定性较好。实验中同时制备了5 根修饰电极，分析对同一样品的检测结果，发现相对标准偏差为6.8%,说明该电极的制备方法重复性好。

4 方法应用

为了考察GNF/GCE 修饰电极检测大气中·OH的实用性和有效性，将其应用于外场大气环境中检测·OH 的浓度。具体方法为吸收瓶内装入10 ml 的4-HBA 溶液，串联到大气采样器上，空气流速为80 L/min,采样时间为4 h,采样地点在兰州理工大学校本部综合楼楼顶。采样液中3,4-DHBA 的浓度通过峰值与标准曲线计算得到，再利用公式（1）估算·OH的浓度[22]。进行了连续五天同一时间段的采样实验，采样结果见表2。

表2 大气中OH·浓度的测定结果

式中：C3,4-DHBA表示样品中3,4-DHBA 的浓度，V表示捕集液体积（L），N 表示阿伏伽德罗常数，F3,4-DHBA表示是·OH 到3,4-DHBA 的转化率（%），Fg 表示采样时空气流速（cm3min-1），t 表示采样时间（min），α表示空气透过吸收器时·OH 的损失（%）（min）。其中，由于采样液的浓度比·OH 高很多，实验假设·OH与4-HBA 的反应没有损失，即F3,4-DHBA≈100[21,23]。

该方法的主要误差产生途径是·OH 与4-HBA的反应，这影响了转化率α，还有采样后采样液的转移过程中也会有损失。但是每次测量误差均在±8%以内，这表明此方法测量结果从捕集到对3,4-DHBA的测量是比较准确的。

5 结论

采用酸化的方法纯化了石墨烯纳米纤维，使其获得了更多的含氧官能团，改善了石墨烯材料的疏水性。通过滴涂的方法制备了修饰电极，研究了它对3,4-DHBA 的电催化活性，结果表明，石墨烯纳米纤维修饰电极能够极大地提高电极对目标物的电催化活性。将该电极用于外场环境，研究表明，修饰电极能够有效地测定·OH 的浓度。因此，石墨烯纳米纤维修饰电极，3,4-DHBA 作为探针开发的检测大气中·OH 的电化学方法是一种便捷、经济、准确可靠的方法。