空心海胆状MnO2比色法测定对苯二酚

刘 涵，刘占全，郑学芳

(河北科技师范学院化学工程学院，河北 秦皇岛，066600)

对苯二苯酚(HQ)作为重要的有机原料之一，在工业、化妆品、染料和农药等领域应用十分广泛[1～3]，但是其具有的高毒性和低降解性等缺点也极大的限制了其实际应用。因此，在自然环境中关于HQ含量的检测具有重要意义。目前为止，检测HQ的方法主要有液相色谱法[4]、荧光分析法[5]、分光光度法[6]和电化学分析法[7]。与上述方法相比，比色检测法因具有操作简单、成本低和实用性强等优点，引起了人们的广泛关注[8,9]。通常，它是利用肉眼可见的颜色变化来对某一物质的含量进行检测的，从而避免了昂贵仪器的使用和复杂的操作。近年来，二氧化锰(MnO2)愈加被广泛研究得益于其表现出了优异的模拟酶性能[10,11]，被广泛应用于比色检测当中。MnO2能够有效的将酶底物3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)氧化为相应的蓝色产物氧化型四甲基联苯胺(oxTMB)，其能够和HQ发生氧化还原反应，从而引起颜色的变化。基于上述研究现状，笔者通过简便的水热法，制备了一种具有模拟氧化酶特性的空心海胆状MnO2，考察了其在氧化TMB显色反应中的催化性能，并对其反应条件进行了探索优化。期望建立一种快速、灵敏的针对HQ含量检测的新方法，为水生生态系统中污染物浓度的检测提供新思路。

1 实验部分

1.1 实验药品

对苯二酚(HQ)，高锰酸钾(KMnO4)，一水合硫酸锰(MnSO4·H2O)，浓硫酸，3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)，磷酸氢二钠，柠檬酸，乙醇试剂均为分析纯，试验用水均为蒸馏水。

1.2 制备工艺

称取0.468 6 g KMnO4和0.072 8 g MnSO4·H2O，分别加入10.0 mL水配成溶液，然后将两溶液混合均匀并搅拌10 min，再往混合溶液中加入1.0 mL浓度为18.4 mol/L的浓硫酸，搅拌10 min，转移至50 mL的反应釜中，在160 ℃±5 ℃下反应12 h。反应完后，冷却静置，用去离子水和无水乙醇清洗，离心，保留沉淀，经60 ℃烘箱干燥，得到最终产物。

1.3 表征手段

本次实验中所有制备的样品进行了下列测试(所有测试都是在室温下进行)：

(1) D/MAX2500TC型X射线衍射仪(日本理学公司生产，X-ray diffraction，XRD，采用Cu靶，工作条件为40 kV，200 mA，波长为0.154 06 nm)分析样品的物相。

(2) SU8010型扫描电子显微镜(日本日立公司生产)观测样品的形貌。

(3) H-7650型透射电子显微镜(日本日立公司生产)观测样品的内在形貌。

(4) FT-IR8900傅里叶变换红外光谱仪(日本日立公司生产)测定样品的官能团，测量范围为4 000～400 cm-1。

(5)Thermo escalab 250Xi型X射线光电子能谱仪(美国Thermo Fisher Scientific公司生产)研究材料的元素组成和化合价态。

1.4 MnO2催化性能研究

在4 mL离心管中，用移液枪依次加入1.9 mL不同pH (2.2～8.0)的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液、0.05 mL 8 mmol/L的TMB乙醇溶液及 0.05 mL不同浓度MnO2，反应5 min后，在652 nm波长下测定其吸光度或者吸收光谱。

1.5 HQ的测定

在4 mL离心管中，用移液枪依次加入1.85 mL pH 4的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液、0.05 mL不同浓度的HQ溶液、0.05 mL MnO2浊液(最终浓度为115 μmol/L)及0.05 mL 8 mmol/L的TMB乙醇溶液，35 ℃下反应孵育5 min后，在652 nm波长下测定其吸光度或者吸收光谱。

2 结果与分析

2.1 物相分析

XRD结果表明，合成的样品的XRD谱图与JCPDS 44-0141 (MnO2)标准卡片的峰型和峰位置基本一致(图1)，且峰形尖锐，没有出现杂质峰。几个主要衍射峰的位置2θ=12.78°，18.10°，28.84°，37.52°，41.96°，49.86°，60.27°，69.71°，分别与晶面(110)，(210)，(310)，(211)，(301)，(411)，(521)，(541)对应良好。说明成功地合成了物相纯净的MnO2样品。

图1 MnO2的XRD谱图

2.2 FESEM与TEM分析

FESEM形貌分析表明，样品为形貌均匀的空心海胆状(图2(a))。从局部放大图可以看出，空心海胆的直径约为5 μm(图2(b))。从TEM图中也可以看出，样品为空心海胆状(图2(c))，海胆空心球的直径约1 μm，海胆长刺约为2 μm。X射线能谱(EDS)分析结果表明，样品由Mn (64.21%)和O (35.80%)组成(图2(d))，质量比非常接近55∶32的理论值，表明成功制备了MnO2样品。

图2 MnO2 的FESEM和TEM分析结果(a) FESEM图；(b) FESEM图的局部放大图；(c) TEM图；(d) EDS图

2.3 FT-IR分析

FT-IR结果表明，MnO2的IR图谱峰型和峰位置与文献报道基本一致[12](图3)。在456，518 cm-1处可观察到Mn—O的伸缩振动峰，3 432和1 629 cm-1处的峰归因于羟基(—OH)的伸缩振动。

图3 MnO2的FT-IR图

2.4 XPS分析

XPS研究了MnO2的化学组成和价态。XPS分析结果表明，合成的样品中存在Mn和O两种元素(图4(a))。样品的Mn 3s XPS分析结果显示，Mn 3s的特征峰位于84.5，89.7 eV处，且4.8 eV的自旋能量分离表明，Mn的氧化态主要为Mn4+(图4(b))。Mn 2p的XPS图谱显示了Mn 2p1/2和Mn 2p3/2在654.5，642.3 eV处有两个特征峰，表明样品中锰元素的化学态为Mn4+，与Mn 3s的结果吻合良好(图4(c))。O 1s XPS图谱可以拟合为两个峰，分别位于530.3，531.8 eV附近，对应于金属氧化物(M—O)的晶格氧(Olatt)和从羟基到金属(M—OH)表面的吸附氧(Oads) (图4(d))。

图4 MnO2的总扫描(a)，Mn 3s(b)，Mn 2p(c)和O 1s(d)的XPS图谱

2.5 MnO2类酶催化性能

研究了MnO2材料对特征底物TMB的催化性能。紫外可见吸收光谱分析结果表明(图5(a))未加入催化剂(曲线a)，溶液为无色，在652 nm处无吸收峰。加入催化剂后(曲线b)，溶液变为蓝色，且在652 nm 处有特征吸收峰，说明MnO2可以作为氧化酶催化TMB发生氧化反应，生成oxTMB。本实验还分别考察了温度、pH以及MnO2浓度对MnO2催化氧化TMB的影响。改变反应温度可以看出，MnO2材料在较宽的温度范围内均可以催化TMB，且在35 ℃条件下具有最高的相对活性，说明35 ℃条件更适合其催化TMB(图5(b))。随着反应体系pH的变化，表明在酸性环境中的催化性能比中性和碱性环境中的好，表明H+有助于加快反应，但H+离子浓度过大也会抑制催化反应，在pH 4的反应体系中催化能力最强(图5(c))。随着反应体系pH的变化，在35 ℃，pH 4反应5 min的条件下，随着催化剂浓度的升高，TMB的氧化反应程度增大，且当催化剂浓度为115 μmol/L时，TMB反应的程度不再增加，说明115 μmol/L是反应体系的最佳浓度(图5(d))。

图5 MnO2对特征底物TMB的催化性能(a)，加入MnO2催化剂前后的TMB的紫外吸收光谱；(b)，温度对MnO2催化氧化TMB的影响； (c)，pH对MnO2催化氧化TMB的影响；(d)，催化剂浓度对MnO2催化氧化TMB的影响

2.6 HQ的测定

设计了一个由空心海胆MnO2和TMB组成的简便比色检测法，并将其用于HQ的检测。分析结果表明，随着HQ浓度的增加，反应体系吸光度逐渐降低，表明吸光度与HQ浓度有关(图6(a))。吸光度与HQ浓度的线性拟合方程为y=-0.011x+0.844，相关系数为0.997，线性关系良好(图6(b))。这表明空心海胆MnO2和TMB反应体系在线性范围为5～30 μmol/L内可以很好的检测HQ的浓度。

图6 加入不同浓度HQ对MnO2催化TMB的影响 (a)，加入不同浓度HQ的紫外吸收光谱；(b)，加入不同浓度HQ吸光度的线性关系

3 结 论

本次研究通过简便的水热法，合成了具有类似氧化酶催化活性的空心海胆状MnO2微球，研究了其在氧气存在下对特征底物TMB的催化氧化性能，考察了温度、pH以及催化剂浓度对类酶催化反应的影响，确定了最佳反应条件，HQ的存在会导致反应体系的吸光度减小，蓝色逐渐褪去。在此基础上，建立了检测HQ的新方法，其线性关系介于5～30 μmol/L之间。