納米金/Nafion/石墨烯修飾玻碳電極檢測對苯二酚的研究

孫 雪，康天放

(北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院，北京 100124)

石墨烯具有優(yōu)良的導電性、生物相容性、機械強度、化學穩(wěn)定性等，近些年已被用作制備高選擇性和高靈敏性化學修飾電極的納米材料［1－6］。到目前為止，石墨烯修飾電極的制備方法一般是通過化學方法將氧化石墨烯(GO)還原為石墨烯(Chemically reduced graphene oxide，CRGO)，然后再將分散于溶劑中的CRGO滴涂于電極表面而完成制備［7－10］。然而，這種方法制備的石墨烯需要消耗大量的有毒試劑，如肼、NaBH4、堿性試劑等，而且這些試劑具有很強的腐蝕性，甚至有爆炸的危險。此外，這種合成方法的實驗條件不易掌控，大量的有毒試劑易對環(huán)境造成污染。近年來，科研工作者報道了基于電化學方法合成電化學還原石墨烯(Electrochemical reduced graphene oxide，ERGO)的方法［11－14］。相對于其它方法，該方法由于綠色環(huán)保、高效、簡便、成本低廉而成為研究熱點。該方法制備的ERGO已經(jīng)成功用于如葡萄糖［1］、DNA［2］、酚類［4－5，15］、多巴胺［16］、H2O2［17－18］等的分析檢測。

對苯二酚(HQ)是一種重要的酚類化合物，在日常生產(chǎn)和生活中廣泛應用于照相顯影劑、合成染料、阻聚劑、抑制劑、橡膠防老劑和食品抗氧化劑等，對人體有較大毒性，對皮膚、眼睛、粘膜有刺激作用。目前測定對苯二酚的方法主要有分光光度法、高效液相色譜法、薄層色譜法、毛細管電泳法等。這些技術(shù)雖然應用比較廣泛，但使用的儀器昂貴、試劑消耗量大且分析時間較長，不能滿足現(xiàn)場快速檢測的需求。大多數(shù)電分析方法具有省時、成本低、選擇性好、靈敏度高、響應快、儀器簡單等優(yōu)點。目前，已有一些關(guān)于用納米材料修飾電極快速檢測對苯二酚的文獻報道［4，19－21］。

本研究采用一步電化學共還原的方法將納米金(AuNPs)、Nafion、電化學還原石墨烯(ERGO)修飾到玻碳電極(GCE)表面，制成修飾電極AuNPs/Nafion/ERGO/GCE，并將制備的修飾電極用于對苯二酚的檢測，研究結(jié)果表明，該方法簡便、靈敏，具有較好的選擇性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電化學實驗均在CHI430b電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)上進行，采用三電極系統(tǒng)，以AuNPs/Nafion/ERGO/GCE為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑絲電極為輔助電極。IRPrestige－21傅立葉變換紅外光譜儀(日本島津公司)，JEOL_JSM_6500F掃描電子顯微鏡(SEM)。修飾電極界面的電化學交流阻抗(EIS)實驗在含5.0 mmol/L K3［Fe(CN)6］/K4［Fe(CN)6］(1∶1)的0.1 mol/L KCl溶液中進行，測量范圍為0.2 Hz～100 kHz。

氧化石墨烯購于南京先鋒納米材料科技有限公司，Nafion(5%，乙醇溶液)購于Sigma公司，氯金酸HAuCl4·4H2O(Au% ＞47%，北京化學試劑公司)、對苯二酚(天津市福晨化學試劑廠)以及實驗所用其它試劑均為分析純，實驗以pH 7.0的0.1 mol/L磷酸緩沖溶液(PBS)為底液，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 修飾電極的制備

玻碳電極用0.03 μm Al2O3粉末拋光成鏡面，用水沖洗后，依次用無水乙醇和水各超聲清洗5 min，氮氣吹干備用。取1.0 mg GO在10 mL水中超聲分散30 min，制成0.10 g/L的GO懸濁液。用微量進樣器吸取10.0 μL GO懸濁液滴涂于清洗干凈的裸玻碳電極表面，室溫下自然晾干，制成GO/GCE。用微量進樣器將0.5%的Nafion溶液6.0 μL滴涂在GO/GCE表面，自然晾干，用水清洗后備用。

將制得的Nafion/GO/GCE在0.5 g/L HAuCl4溶液中(預先通入高純氮氣除氧30 min，氮氣氛保護)，于－1.3 V恒電位電沉積400 s，使金微粒沉積于電極表面，將該電極用水清洗干凈，高純氮氣吹干，即制得修飾電極AuNPs/Nafion/ERGO/GCE。

1.3 電化學測定

在測定之前，修飾電極在0.1 mol/L PBS中于－0.6～0.6 V循環(huán)掃描至穩(wěn)定。在盛有10 mL pH 7.0的PBS中，加入一定量的對苯二酚，通高純氮氣除氧10 min后，進行電化學測定，整個實驗均在氮氣氛保護下進行。微分脈沖伏安法(DPV)實驗參數(shù)為:電位掃描范圍為－0.3～0.3 V;振幅0.05 V;脈沖寬度0.05 s;脈沖時間0.2 s;靜止時間20 s。整個實驗過程均在室溫下進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學還原制備ERGO

圖1為氧化石墨烯在PBS中以－1.3 V恒電位還原的I～t曲線，從圖中可觀察到，在前5 s時電流下降很快，隨后電流下降逐漸變緩，在100 s左右電流達到穩(wěn)定狀態(tài)。采用傅立葉變換紅外光譜(FTIR)對－1.3 V恒電位制備的ERGO薄膜作進一步表征(見圖2)，圖中曲線a為純GO的紅外光譜，在853、1 049、1 171、1 232、1 730cm－1附近的吸收帶均由 GO 中含氧官能團產(chǎn)生［14，22－23］，在 1 619 cm－1附近的吸收帶歸結(jié)為夾層中水分子O－H的變形振動。GO經(jīng)過電化學還原后，其含氧基團的FTIR吸收帶明顯減少甚至消失(曲線b)，表明恒電位電化學法已成功地將GO轉(zhuǎn)變成ERGO。在后續(xù)實驗中均采用－1.3 V對GO進行電化學還原。

圖1 GO/GCE在除氧的PBS(0.1 mol/L，pH 7.0)中以－1.3 V恒電位電化學還原GO的I～t曲線Fig.1 I－t curve of GO/GCE in PBS(0.1 mol/L，pH 7.0)at the potential of－1.3 V

圖2GO(a)及ERGO(b)的傅立葉變換紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of GO(a)and ERGO(b)

2.2 SEM表征

圖3為金納米粒子沉積在GO/GCE和Nafion/GO/GCE上的掃描電鏡圖，對比圖3A、B可以看出，在未修飾Nafion的GO/GCE上電沉積的納米金分布比較致密(圖3A)，而在玻碳電極表面修飾上Nafion和GO之后電沉積納米金，會使電極的比表面積增大(圖3B)，Nafion膜具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能使金屬納米粒子分布更均勻，從而加快電子的傳遞速率［24］。如圖3所示，金納米粒子的粒徑在40～60 nm之間。

圖3 AuNPs/ERGO/GCE(A)及AuNPs/Nafion/ERGO/GCE(B)修飾電極表面放大50 000倍的SEM圖Fig.3 SEM images of AuNPs/ERGO/GCE(A)and AuNPs/Nafion/ERGO/GCE(B)with 50 000 times magnification insert images are 100 000 times magnification

圖4為不同修飾電極的電化學阻抗圖譜，在高頻觀察到的半圓部分與電荷轉(zhuǎn)移限制過程相對應。電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt可以通過直接測量半圓直徑獲得。從圖4插圖可看到，當GO被修飾到裸玻碳電極后，半圓直徑明顯增大。這說明電極表面電阻增大，阻礙了界面電荷轉(zhuǎn)移。此外，GO電極表面的負電荷排斥鐵氰化物和亞鐵氰化物離子通過電荷傳遞到達電極表面［13－14］。當電極表面上的 GO膜被電化學還原后，半圓直徑明顯減小，說明ERGO能夠加快［Fe(CN)6］3－/4－與電極間的電荷傳遞。對于Nafion/ERGO/GCE，半圓直徑非常小，而在AuNPs/Nafion/ERGO/GCE修飾電極上，界面阻抗最小，說明Nafion和金納米粒子均可降低電極表面的界面阻抗并提高電荷的傳遞性能。因此，本文設計的修飾電極能加快電荷在溶液與電極間的傳遞過程。

圖4 不同修飾電極在含有5.0 mmol/L K3［Fe(CN)6］ /K4［Fe(CN)6］(1 ∶1)的 0.1 mol/L KCl溶液中的電化學阻抗圖譜Fig.4 EIS curves of different electrodes in 5.0 mmol/L K3［Fe(CN)6］ /K4［Fe(CN)6］(1 ∶1)and 0.1 mol/L KCl▲:ERGO/GCE，●:Nafion/ERGO/GCE，★:AuNPs/Nafion/ERGO/GCE;insert:GO/GCE

2.3 對苯二酚電化學行為的研究

采用循環(huán)伏安法考察了不同修飾電極在含有5.0×10－4mol/L HQ的PBS緩沖溶液中的電化學行為(圖5)。從圖中可以觀察到，裸玻碳電極(曲線a)分別在0.0 V和0.124 V附近出現(xiàn)1個還原峰和1個氧化峰，其峰電位差ΔEp=0.124 V。在修飾了GO的GO/GCE電極上(曲線 b)，ΔEp=0.217 V，峰電流減小，然而在ERGO/GCE上(曲線c)，ΔEp=0.171 V且峰電流明顯增大，這是由于GO含有大量的含氧官能團如COOH，導電性能差，阻礙了電子傳遞。GO通過恒電位電化學還原后，轉(zhuǎn)變?yōu)閷щ娦粤己玫氖黾恿穗娮觽鬟f速率。在AuNPs/ERGO/GCE上(曲線d)，ΔEp=0.061 V且峰電流進一步增強。實驗結(jié)果說明電沉積的納米金粒子和電化學還原石墨烯對對苯二酚有較強的協(xié)同催化活性。在AuNPs/Nafion/ERGO/GCE上(曲線 e)，峰電位差幾乎不變，但峰電流略有增加，這是由于修飾Nafion后，增大了電極表面沉積納米金的比表面積。

圖5 不同修飾電極在5.0×10－4mol/L HQ中的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of 5.0×10－4mol/L HQ at different electrodes a．GCE，b．GO/GCE，c．ERGO/GCE，d．AuNPs/ERGO/GCE，e．AuNPs/Nafion/ERGO/GCE;pH 7.0 PBS

2.4 電極修飾條件的優(yōu)化

采用微分脈沖伏安法對GO、Nafion及金微粒負載量、檢測溶液的pH值進行優(yōu)化，溶液中HQ的濃度為5.0×10－5mol/L。在裸玻碳電極表面修飾10 μL GO時，HQ氧化峰電流達到最大。當GO用量超過10 μL后，氧化峰電流隨著GO用量的增加而減小。HQ氧化峰電流首先隨著Nafion用量的增加而增加，但當Nafion用量超過6 μL后，由于電極表面Nafion膜過厚，增大了修飾電極的界面電阻，阻礙了對苯二酚與玻碳電極的電子交換，之后氧化峰電流隨Nafion用量的逐漸增加而降低。故本文以GO用量為10 μL、Nafion用量為6 μL作為制備AuNPs/Nafion/ERGO/GCE的最佳用量。

實驗通過控制恒電位沉積的時間對金納米粒子的負載量進行控制。隨著沉積時間的增加，氧化峰電流也相應增大。當沉積時間超過400 s后，峰電流減小，這是由于隨著電沉積時間的延長，導致金粒子的粒徑過大，從而降低了其電催化活性。因此，本文選擇－1.3 V電位下沉積400 s時的金納米粒子的量作為最佳負載量。

底液的pH值也顯著影響HQ在修飾電極上的電流響應。在pH 4.0～7.0間，隨著pH值的增大，HQ的氧化峰電流也逐漸增大。當pH值等于7.0時，HQ氧化峰電流達到最大。pH值進一步增大時，則氧化峰電流隨之減小。HQ的陽極峰電位(Epa)和陰極峰電位(Epc)則均隨著pH值增大而逐漸正移，說明H+參與了HQ在電極表面的電化學氧化還原過程。本文以pH 7.0的0.1 mol/L PBS作為測試底液。

2.5 工作曲線

在－0.3～0.3 V電位范圍內(nèi)用微分脈沖伏安法記錄不同濃度的HQ在AuNPs/Nafion/ERGO/GCE電極上的伏安曲線(如圖6)。優(yōu)化條件下，在2.0～800 μmol/L范圍內(nèi)，HQ氧化峰電流隨其濃度的增大而增大，且HQ氧化峰電流與其濃度分別在 2.0 ～100 μmol/L 和100～800 μmol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程分別為:Ipa(μA)=1.904+0.162 0c(μmol/L)(r=0.997)和Ipa(μA)=14.36+0.404 4c(μmol/L)(r=0.998)，檢出限(S/N=3)為 3.0×10－7mol/L。

圖6 不同濃度HQ在AuNPs/Nafion/ERGO/GCE上的微分脈沖伏安圖Fig.6 DPV curves of HQ at AuNPs/Nafion/ERGO/GCE HQ concentration(a－k):0，5.0，10.0，25.0，50.0，75.0，100，200，400，600，800 μmol/L;0.1 mol/L PBS(pH 7.0);insert:the corresponding calibration curve

表1比較了一些用于HQ檢測的不同修飾電極方法，本文所采用的修飾電極展現(xiàn)了較寬的線性范圍和較低的檢出限。

表1 用于檢測HQ的不同電極間的比較Table 1 Comparison of the different electrodes for the detection of HQ

2.6 共存組分的干擾

考察了不同濃度的共存組分對HQ測定的干擾，實驗結(jié)果表明:對于5.0×10－5mol/L的HQ溶液，100 倍的 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO24－、NO3－、CO23－均不干擾HQ的測定;300倍的葡萄糖，100倍的尿素，5倍的苯酚、間苯二酚、氨基乙酸、苯甲酸均不干擾HQ的測定(峰電流改變＜5%)。

2.7 重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

用同1支修飾電極平行測定8次，HQ峰電流的相對標準偏差(RSD)為2.1%;以相同條件下制備的5支電極進行測定，HQ峰電流的相對標準偏差(RSD)為3.4%。將使用過的修飾電極清洗干凈后，于4℃保存15 d，該電極對HQ的響應電流仍為最初響應電流的95%以上。表明電極具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

2.8 實際水樣的測定

實際水樣分別取自北京市涼水河、通惠河以及自來水，經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾處理后進行HQ的檢測實驗。以 AuNPs/Nafion/ERGO/GCE為工作電極測定水樣，均未檢測出HQ。加入一定量的HQ配成模擬水樣，采用標準加入法進行檢測，得到樣品的回收率在97.8%～104%之間(見表2)，說明本方法可用于實際樣品中HQ的測定。

表2 模擬水樣中HQ加標回收率的測定(n=4)Table 2 Recoveries of HQ in simulated water samples(n=4)

3 結(jié)論

本文利用一步共還原的方法在玻碳電極上修飾AuNPs/Nafion/ERGO/復合膜，研究了HQ在修飾電極上的電化學行為，建立了靈敏測定HQ的新方法。實驗結(jié)果表明，該修飾電極在中性條件下對HQ的氧化還原過程具有良好的電催化活性。該修飾電極制備簡單、響應快、重現(xiàn)性好，可用于實際水樣中對苯二酚的測定。

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