酚类有机物高灵敏电化学传感策略、方法及应用

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酚类有机物是化学化工,石油工业以及钢铁冶金等行业废水中的主要污染物。因其高毒性、分布广泛性、难降解性以及生物富集性,酚类污染物进入环境后不仅会破坏生态系统,造成环境污染;还会严重威胁人类生命健康,即使痕量级别的酚类污染物也会对人体健康造成不可挽回的损害。因此建立灵敏、快速、简便的酚类污染物检测新方法非常必要。电化学传感器具备操作简便、所用仪器简单便携、分析速度快、灵敏度高等特点,最有希望实现环境污染物的实时在线监测。对于电化学传感而言,传感界面尤为重要,这是因为其性能很大程度上决定了传感器的灵敏度、选择性和实用性等。本文构建了球磨石墨烯,球磨石墨烯/MOFs复合物,纳米金三种不同的电化学传感界面,探究了敏感材料结构形貌与其电化学传感活性之间的构效关系,阐述了显著提高电化学传感性能的作用机理;以酚类污染物为检测对象,构建了三种高灵敏的电化学传感平台,并用于实际样品测定。本文的主要工作如下:(1)提出了一种简单、环境友好、结构形貌易调控的石墨烯纳米片(GS)球磨制备方法。在乙醇/水混合溶液中,以表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为辅助剂,通过湿法球磨剥离原始石墨粉制备出GS,发现CTAB的引入大大提高了石墨烯纳米片的剥离效率。进一步探究了球磨时间对GS的尺寸形貌,缺陷含量以及电化学性能的影响。证实随着球磨时间的增加,GS的尺寸和厚度不断减小,边缘缺陷不断增加,电化学活性面积增大,电催化能力提高,表现出更优异的电化学传感活性。并且还发现球磨时间可以调控GS对三种酚类物质(对苯二酚,对氯苯酚和对硝基苯酚)的信号增强能力。基于球磨时间调控的GS信号放大策略,构建了同时测定对苯二酚,对氯苯酚和对硝基苯酚的电化学传感平台,检出限分别为17μg L-1,24μg L-1和0.42 mg L-1。(2)以上一章制备的球磨石墨烯为基底,通过原位生长,一步在其表面复合Cu-BTC金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks,MOFs),提出了一种简便的石墨烯/MOFs复合电化学传感界面的构筑方法。氮气吸脱附曲线表明,与单一GS相比,Cu-BTC纳米颗粒的引入显著提高了其比表面积和孔隙率。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的旋转圆盘电极氧化实验发现NADH的电子转移速率常数在Cu-BTC@GS复合界面上最大,这表明较之单一组分,复合界面具有更高的催化能力。此外,通过双电位阶跃计时电量法研究了酚类污染物(双酚A和对氯苯酚)在不同材料表面的电化学吸附量,结果表明Cu-BTC@GS复合界面对目标分子显示出更强的吸附能力,从而产生更高的响应信号和检测灵敏度。以上结果证实GS与Cu-BTC的复合会产生显著的协同效应,Cu-BTC@GS复合界面的电化学传感性能得到明显的提升。基于此,成功构建了酚类污染物的高灵敏电化学传感平台,双酚A和对氯苯酚的检出限分别为1.2μg L-1和1.9μg L-1。将该传感体系用于电子小票和废水样品的分析,测定结果与高效液相色谱法结论一致。(3)在基底表面原位、自动化修饰敏感材料对于构建具备现场在线监测能力的电化学传感体系非常重要。为此,本章中我们通过循环伏安扫描在玻碳电极表面原位修饰纳米金(AuNPs),并通过不同基团取代的2-巯基苯并噻唑(MBT)来对AuNPs进行功能化调控。以电子产品中广泛使用的溴代阻燃剂四溴双酚A(TBBPA)为研究对象,探讨了循环伏安扫描电位范围对AuNPs形貌以及TBBPA氧化增敏效应的影响。在此基础上,研究了MBT,6-硝基-2-巯基苯并噻唑(NMBT)以及6-乙氧基-2-巯基苯并噻唑(EMBT)存在下,TBBPA在AuNPs表面的氧化活性,发现MBT分子C-6位置的取代基类型会进一步影响AuNPs对TBBPA的氧化增敏效应。在给电子取代基(如EMBT)存在下,TBBPA在AuNPs表面的富集能力明显提高,从而导致更高的氧化信号和检测灵敏度;而在吸电子取代基(如NMBT)存在下,TBBPA在AuNPs表面的富集能力反而降低,导致氧化信号减弱。基于AuNPs与EMBT的协同信号放大策略,构建一种TBBPA的高灵敏电化学传感平台,检出限为7.2 ng L-1。将此传感体系用于电子废物和废水样品测定,结果与高效液相色谱法结论一致。
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