石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極測定鉛離子

吳 芳，史曉霞，王 榮，張 艮，吳霞琴

（上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海200234）

石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極測定鉛離子

吳 芳，史曉霞，王 榮*，張 艮，吳霞琴

（上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海200234）

通過聚賴氨酸修飾電極靜電吸附氧化石墨烯，并結(jié)合電化學(xué)還原制備石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極。應(yīng)用Raman光譜確認(rèn)了通過電化學(xué)還原過程可將電極表面所吸附的氧化石墨烯部分地還原成石墨烯。在陽極溶出法測定Pb2+的應(yīng)用中，所得到的石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極較裸玻碳電極表現(xiàn)出較高的響應(yīng)靈敏度。在1.0～5.0×10-6mol/L濃度范圍，響應(yīng)峰電流與Pb2+濃度呈良好的線性關(guān)系。

石墨烯；聚賴氨酸；修飾電極；陽極溶出伏安法；鉛離子

0 引言

陽極溶出伏安法用于溶液中重金屬離子的測定具有靈敏度高、操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。早期的陽極溶出法常用各種汞或汞齊電極，但汞的引入將造成環(huán)境的再次污染并對人體有害。近年來用化學(xué)修飾電極測定重金屬離子的研究仍十分活躍，如用雙硫腙修飾電極測定痕量鎘和鉛[1~2]、MWNT-石墨糊電極陽極溶出伏安法測定鉛[3]、聚蘇木精氧化石墨烯修飾玻碳電極測定水樣中痕量鉛和鎘[4]、將羧基化石墨烯滴涂修飾于玻碳電極表面，用于水樣中痕量鉛和鎘的測定[5]以及植酸鈉修飾玻碳電極測定鉛[6]等。

作為新型功能材料，石墨烯由于其特殊的sp2雜化平面結(jié)構(gòu)使其具有高導(dǎo)電性和高比表面而引起了廣泛的關(guān)注[7~8]。許春萱等先后報(bào)道了聚蘇木精氧化石墨烯修飾玻碳電極和羧基化石墨烯修飾玻碳電極用于鉛離子的測定[3~4]。但滴涂修飾的石墨烯容易脫落，從而可能影響電極的穩(wěn)定性和使用壽命。最近該文研究小組華亮等報(bào)道了通過聚賴氨酸修飾電極靜電吸附氧化石墨烯，并結(jié)合電化學(xué)還原制備了石墨烯修飾電極用于葡萄糖氧化酶的直接電子傳遞研究，該電極表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性[9]。該文對該石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極的電化學(xué)還原過程進(jìn)行了表征，并將其應(yīng)用于Pb2+濃度的測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

L-賴氨酸(L-Lysine)為生化試劑純（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），其余試劑均為分析純。Pb(NO3)2溶于二次蒸餾水制成1.0×10-3mol/L鉛離子儲備液，所需其它濃度溶液均由此儲備液逐步稀釋而成。實(shí)驗(yàn)用水取自MILLQ超純水機(jī)。

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI 650A電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)上進(jìn)行，采用三電極系統(tǒng)：石墨烯修飾玻碳電極(直徑3 mm)作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑絲電極作為對電極。

Raman光譜分析使用法國 Dilor公司的Super Labram II型共焦顯微激光拉曼系統(tǒng)，采用50倍的長焦物鏡測試，激發(fā)光源為He-Ne激光器(激發(fā)線波長為632.8 nm)，聚焦到電極表面的光斑直徑約為3 μm。到達(dá)電極表面的激光功率約為5 mW。光譜積分時間是8 s，累計(jì)次數(shù)是3。

1.2 氧化石墨烯的制備

實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的Hummers方法[10~11]制備氧化石墨烯。取石墨粉3 g和NaNO3粉末3 g置于500 mL圓底燒瓶中，加入120 mL濃H2SO4。將圓底燒瓶放入冰浴中，慢慢加入15 g KMnO4，歷時3 h。接著在冰浴條件中攪拌2 h，后升高溫度至35℃，攪拌2 d。把圓底燒瓶放入冰浴中，將1L去離子水慢慢滴加入所獲產(chǎn)物中，再慢慢加入30% H2O2，攪拌2 h。最后依次用5%HCl及去離子水多次離心洗滌。取沉淀干燥，所得產(chǎn)物即為氧化石墨烯。

1.3 石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極的制備

玻碳電極依次用金相砂紙及0.3 μm和0.05 μm氧化鋁粉末與水混合進(jìn)行拋光,再依次經(jīng)1∶1 HNO3和1∶1乙醇和純水超聲清洗。以玻碳電極為工作電極,在L-賴氨酸濃度為7.4×10-4mol/L的PBS(pH=9.0)中,以0.1 V/s的掃描速度在-1.0～2.5 V電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描8圈后取出。用超純水沖洗電極表面，室溫干燥后即制得聚-L-賴氨酸修飾電極(縮寫PLL/GC)[9,12]。將干燥后的PLL/ GC電極浸泡在2 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，4 h后取出并室溫干燥得到氧化石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極（GO-PLL/GC）。將該電極置于0.1 mol/L KNO3溶液中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下，以0.01 V/s的掃描速度在0～-1.0 V的電位范圍內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)還原，制得石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極（ERGO-PLL/GC）。為了避免基底玻碳電極對測定的干擾，用于Raman光譜研究的修飾電極使用金盤電極為基底電極，其修飾過程同上。

1.4 石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極對Pb2+的電化學(xué)測定方法

實(shí)驗(yàn)選定的富集電位為-0.8 V，富集時間為200 s。然后以脈沖幅值為50 mV、脈沖寬度0.04 s、掃描速度為20 mV/s，在-0.8～-0.2 V電位范圍內(nèi)測定樣品溶液的微分脈沖伏安曲線（DPV）。測試底液為pH=3的NaAc-HAc-KCl，實(shí)驗(yàn)前先通30 min高純N2以除去溶液中的溶解氧，并在N2氣氛保護(hù)條件下進(jìn)行測定。所有電化學(xué)測定均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極的制備及Raman光譜表征

當(dāng)賴氨酸電聚合實(shí)驗(yàn)完成后，在電極表面可觀察到一層致密的藍(lán)棕色薄膜。表明賴氨酸可通過電化學(xué)聚合修飾于電極的表面。從賴氨酸電聚合過程的循環(huán)伏安圖（圖未給出）中可知賴氨酸的氧化起始電位約為1.8 V左右，且氧化電流隨著掃描圈數(shù)的增加而略有增加，說明該聚賴氨酸膜具有一定的導(dǎo)電性。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)賴氨酸在酸性條件下不易被聚合成膜，而在弱堿性條件下易成膜，所以該試驗(yàn)選擇在pH=9.0的PBS緩沖溶液中進(jìn)行電聚合。圖1為將制得的GO-PLL/GC修飾電極置于0.1 mol/L KNO3溶液中在氮?dú)獗Ｗo(hù)的氣氛下，在0～-1.0 V的電位范圍進(jìn)行電化學(xué)還原過程中所記錄的循環(huán)伏安曲線（CV）。由圖中可以看出，在第一圈CV曲線的-0.3 V左右處可觀察到一個明顯的還原峰（曲線a），而此峰在隨后的CV掃描中消失（曲線b），這可歸結(jié)于GO進(jìn)行了電化學(xué)還原，并且此過程為一個不可逆的過程。

圖1 GO-PLL/GC修飾電極在0.1 mol/L KNO3中的CV曲線，掃速為0.01 V/s。（a）第1圈，（b）第2圈Fig.1 Cyclic vlotammograms of GO-PLL/GC electrode in 0.1 mol/L KNO3with a scan rate of 0.01 V/s.(a)First cycle, (b)Second cycle

圖2 GO-PLL/Au修飾電極（A）和ERGO-PLL/Au修飾電極（B）的Raman譜圖Fig.2 Raman spectra of(A)GO-PLL/Au electrode,(B)ERGO-PLL/Au electrode

圖2為GO-PLL/Au電極和經(jīng)電化學(xué)還原的ERGO-PLL/Au電極的Raman光譜圖。圖中1 343 cm-1處為石墨烯D峰，由碳環(huán)中sp2原子呼吸振動的模式產(chǎn)生，1 600 cm-1處的G峰由碳環(huán)和長鏈中的所有sp2原子對的拉伸運(yùn)動產(chǎn)生[13]。 圖2A中GO-PLL/Au電極上觀測到了這對石墨烯特征峰，說明氧化石墨烯已被吸附于聚賴氨酸修飾電極的表面。此外，G峰和D峰都是由sp2化學(xué)鍵振動引起，D峰與石墨烯尺寸和缺陷有關(guān)。D峰與G峰的積分強(qiáng)度比ID/IG可反映sp2鍵碳材料晶體結(jié)構(gòu)的有序度。由圖2可以看出ERGOPLL/Au電極的ID/IG明顯小于GO-PLL/Au電極，說明通過電化學(xué)還原可部分地將氧化石墨烯還原為石墨烯。同時，石墨烯經(jīng)還原后在水中的溶解性明顯減小[14~15]，從而將有效提高石墨烯修飾玻碳電極的穩(wěn)定性。

2.2 石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極用于對Pb2+濃度的測定

圖 3為裸玻碳電極、PLL/GC修飾電極和ERGO-PLL/GC修飾電極對2×10-6mol/L Pb2+的陽極溶出DPV響應(yīng)曲線。由圖中可以看出，PLL/ GC修飾電極的響應(yīng)峰電流最小，這可能是由于聚賴氨酸膜具有荷正電性，因而抑制了Pb2+在電極表面的富集。而ERGO-PLL/GC修飾電極較裸玻碳電極的響應(yīng)峰電流提高了近一倍，從而有效地提高了檢測的靈敏度，這可能得益于石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極的高比表面積和殘留活性基團(tuán)對Pb2+的吸附和配位作用。此外，修飾膜的荷電荷性及配位能力的差異，可能是造成不同修飾電極響應(yīng)峰電位偏移的原因[2~3,5]。

圖3 不同修飾電極在含有2×10-6mol/L Pb2+溶液中的DPV響應(yīng)曲線。（1）ERGO-PLL/GC,（2）GC,（3）PLL/GCFig.3 Differential pulse voltammograms of different electrodes in 2×10-6mol/L Pb2+solution.(1)ERGO-PLL/ GC electrode,(2)GC electrode,(3)PLL/GC electrode

實(shí)驗(yàn)也考察了富集時間對ERGO-PLL/GC修飾電極響應(yīng)信號的影響。正如預(yù)期的那樣，隨著富集時間的延長，響應(yīng)峰電位沒有明顯的改變，而響應(yīng)峰電流卻有了明顯的提高。為確保響應(yīng)信號具有較高的信噪比，實(shí)驗(yàn)在富集時間為200 s條件下測定了不同濃度Pb2+下的DPV響應(yīng)曲線，如圖4所示。圖中在-0.55 V左右處有一個明顯的Pb2+陽極溶出電流峰。以該處峰電流與Pb2+關(guān)系繪制了工作曲線，如圖5所示。在1.0～5.0×10-6mol/L濃度范圍內(nèi)，峰電流與Pb2+濃度具有良好的線性關(guān)系（r=0.995），響應(yīng)靈敏度為1.12 μA/（μmol/L）。修飾電極 5次對 2.0×10-6mol/L Pb2+溶液測定的結(jié)果如圖6所示，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.0%，說明該修飾電極具有良好的穩(wěn)定性。

圖4 ERGO-PLL/GC修飾電極對不同濃度Pb2+的DPV響應(yīng)曲線。Pb2+濃度：（1）1×10-6mol/L,（2）2×10-6mol/L,（3）3×10-6mol/L,（4）4×10-6mol/L,（5）5×10-6mol/LFig.4 Differential pulse voltammograms of EEGO-PLL/ GC electrode in the solutions with different concentration of Pb2+.Pb2+concentration:（1）1×10-6mol/L,（2）2×10-6mol/L,（3）3×10-6mol/L,（4）4×10-6mol/L,（5）5×10-6mol/L

圖5 ERGO-PLL/GC修飾電極測定鉛離子的工作曲線。（數(shù)據(jù)讀取自圖4）Fig.5 Working curve of ERGO-PLL/GC electrode for Pb2+detection.(Data obtained from Fig.4)

此外，圖4所示的陽極溶出伏安曲線中，同時能觀察到在-0.45 V左右處還存在一個微小的氧化電流峰，該峰電流也隨著Pb2+濃度的增加而增加。這可能是由于ERGO-PLL/GC修飾電極表面存在對Pb2+具有不同結(jié)合能力的結(jié)合位點(diǎn)，從而造成Pb氧化溶出時，出現(xiàn)2個氧化電流峰。該推測還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

圖6 ERGO-PLL/GC修飾電極對2×10-6mol/L Pb2+溶液的DPV響應(yīng)曲線Fig.6 Differential pulse voltammograms of ERGO-PLL/ GC electrode in 2×10-6mol/L Pb2+solution

2.3 石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極用于在Pb2+的濃度測定的干擾實(shí)驗(yàn)及回收率

在含2×10-6mol/L Pb2+的pH=3 NaAc-HAc-KCl的溶液中，分別加入2×10-6mol/L Cd2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+。當(dāng)電位范圍為-0.8 V~-0.2 V時，在溶出伏安曲線上均未觀察到新的氧化峰，且其他離子的加入對-0.55V處Pb2+陽極溶出峰電流沒有明顯的影響，說明這些離子均不會對Pb2+離子的測定產(chǎn)生干擾。此外，對于含Pb2+和Cd2+離子的混合溶液，當(dāng)電位為-0.9 V~-0.2 V時，Pb2+和Cd2+的陽極溶出電流峰分別出現(xiàn)在-0.55 V和-0.77 V。雖然Cd2+的陽極溶出電流峰的出現(xiàn)，并未對Pb2+的陽極溶出電流峰的峰電位和峰電流產(chǎn)生明顯的影響，為進(jìn)一步抑制Cd2+的干擾，實(shí)驗(yàn)選取-0.8 V~-0.2 V作為Pb2+離子檢測的工作電位。

回收率的實(shí)驗(yàn)，采用在含有一定濃度的Pb2+溶液中，加入標(biāo)準(zhǔn)含量的Pb2+，測定加入前后Pb2+陽極溶出電流峰電流的差值，并根據(jù)上文給出的靈敏度，計(jì)算確定其回收率在96.5%~103.5%之間，結(jié)果列入表1。

表1 回收率測定Tab.1 The determination of recovery

3 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)成功制備了石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極，且電極表面的氧化石墨烯可通過電化學(xué)方法部分還原成石墨烯。經(jīng)電化學(xué)還原的石墨烯／聚賴氨酸修飾玻碳電極用于Pb2+的測定時，表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性和響應(yīng)靈敏度。在1.0～5.0×10-6mol/L濃度范圍內(nèi)，響應(yīng)峰電流與Pb2+濃度具有良好的線性關(guān)系。

[1]李耀華.水中痕量鎘的雙硫腙修飾電極陽極溶出伏安測定法[J].環(huán)境與健康雜志，2004，21(4):247~249.

[2]黃文勝，楊春海，張升輝.雙硫腙修飾玻碳電極陽極溶出伏安法測定痕量鎘和鉛[J].分析化學(xué)，2002，30 (11):1 367~1 370.

[3]向偉，李將淵，王玉春，等.MWNT-石墨糊電極陽極溶出伏安法測定鉛[J].西華師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27(2): 209~213.

[4]許春萱，熊小琴，金紫荷，等.聚蘇木精氧化石墨烯修飾玻碳電極測定水樣中痕量鉛和鎘[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，24(2):241~244.

[5]許春萱，吳志偉，曹鳳枝，等.羧基化石墨烯修飾玻碳電極測定水樣中的痕量鉛和鎘[J].冶金分析，2010，30(8):30~34.

[6]阮勇，朱艷，龍麗，等.植酸鈉修飾玻碳電極測定鉛（Ⅱ）[J].化學(xué)傳感器，2012，32(3):33~37.

[7]黃海平，朱俊杰.新型碳材料-石墨烯的制備及其在電化學(xué)中的應(yīng)用[J].分析化學(xué)，2011，39(7):963~971.

[8]劉宇，張?zhí)m蘭.石墨烯中碳原子sp2雜化軌道研究[J].自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(1):42~44.

[9]Liang Hua,Xiaqin Wu,Rong Wang.Glucose sensor based on an electrochemical reduced graphene oxidepoly-(L-lysine)composite film modified GC electrode [J].Analyst,2012,137(24):5 716~5 719.

[10]William S,Hummers Jr,Richard E.Offeman.Preparation of Graphitic Oxide[J].J.Am.Chem.Soc，1958，80(6): 1 339~1 339.

[11]楊常玲，劉云蕓，孫彥平.石墨烯的制備及其電化學(xué)性能[J].電源設(shè)計(jì)，2010，34(2):177~180.

[12]Wen zhao,Xia Qin Wu,Zhong Qing Lu,et al.Electrochemical studies of chloroperoxidase on poly-L-lysine film modified GC electrode[J].Chin.Chem.Lett.，2010，21(1):93~96.

[13]楊勇輝，孫紅娟，彭同江，等.石墨烯薄膜的制備和結(jié)構(gòu)的表征[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(3):736~742.

[14]許春萱，黃克靖，余萌，等.石墨烯修飾玻碳電極伏安法測定酪氨酸[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2011，23(7): 943~946.

[15]陳志華，葛玉卿，金慶輝，等.石墨烯復(fù)合修飾電極的電化學(xué)應(yīng)用[J].化學(xué)傳感器，2010，30(4):9~13.

Determination of lead ions with graphene-poly-L-lysine modified glassy carbon electrode

Wu Fang,Shi Xiao-xia,Wang Rong*,Zhang Geng,Wu Xia-qin
（Life and Environmental College,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China）

A graphene-poly-L-lysine modified glassy carbon electrode was fabricated by a three-step process,i.e. electropolymerization of L-lysine,adsorption of graphene oxide and then electrochemical reduction of graphene oxide.Raman spectra suggested that the graphene oxide on the electrode surface could be partially reduced to graphene during the electrochemical reduction process.The modified electrode showed a good sensitivity and selectivity for Pb2+detection in the concentration range of 1.0～5.0×10-6mol/L.

graphene;poly-L-lysine;modified electrode;anodic stripping voltammetry;lead ions

上海師范大學(xué)?？蒲谢?SK201237)資助;上海師范大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科基金資助

*通訊聯(lián)系人,E-mail:wangrong@shnu.edu.cn