納米金/Nafion/石墨烯修飾玻碳電極檢測(cè)對(duì)苯二酚的研究

孫 雪，康天放

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

石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)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(xué)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(guò)化學(xué)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(qiáng)的腐蝕性，甚至有爆炸的危險(xiǎn)。此外，這種合成方法的實(shí)驗(yàn)條件不易掌控，大量的有毒試劑易對(duì)環(huán)境造成污染。近年來(lái)，科研工作者報(bào)道了基于電化學(xué)方法合成電化學(xué)還原石墨烯(Electrochemical reduced graphene oxide，ERGO)的方法［11－14］。相對(duì)于其它方法，該方法由于綠色環(huán)保、高效、簡(jiǎn)便、成本低廉而成為研究熱點(diǎn)。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(cè)。

對(duì)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(yīng)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(duì)人體有較大毒性，對(duì)皮膚、眼睛、粘膜有刺激作用。目前測(cè)定對(duì)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(xì)管電泳法等。這些技術(shù)雖然應(yīng)用比較廣泛，但使用的儀器昂貴、試劑消耗量大且分析時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求。大多數(shù)電分析方法具有省時(shí)、成本低、選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)快、儀器簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前，已有一些關(guān)于用納米材料修飾電極快速檢測(cè)對(duì)苯二酚的文獻(xiàn)報(bào)道［4，19－21］。

本研究采用一步電化學(xué)共還原的方法將納米金(AuNPs)、Nafion、電化學(xué)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(duì)苯二酚的檢測(cè)，研究結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)便、靈敏，具有較好的選擇性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)均在CHI430b電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)上進(jìn)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(xué)交流阻抗(EIS)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，測(cè)量范圍為0.2 Hz～100 kHz。

氧化石墨烯購(gòu)于南京先鋒納米材料科技有限公司，Nafion(5%，乙醇溶液)購(gòu)于Sigma公司，氯金酸HAuCl4·4H2O(Au% ＞47%，北京化學(xué)試劑公司)、對(duì)苯二酚(天津市福晨化學(xué)試劑廠)以及實(shí)驗(yàn)所用其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)以pH 7.0的0.1 mol/L磷酸緩沖溶液(PBS)為底液，實(shí)驗(yàn)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(wú)水乙醇和水各超聲清洗5 min，氮?dú)獯蹈蓚溆?。?.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(jìn)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(jìn)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(yù)先通入高純氮?dú)獬?0 min，氮?dú)夥毡Ｗo(hù))，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?dú)獯蹈?，即制得修飾電極AuNPs/Nafion/ERGO/GCE。

1.3 電化學(xué)測(cè)定

在測(cè)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(duì)苯二酚，通高純氮?dú)獬?0 min后，進(jìn)行電化學(xué)測(cè)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)均在氮?dú)夥毡Ｗo(hù)下進(jìn)行。微分脈沖伏安法(DPV)實(shí)驗(yàn)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(shí)間0.2 s;靜止時(shí)間20 s。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)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(shí)電流下降很快，隨后電流下降逐漸變緩，在100 s左右電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。采用傅立葉變換紅外光譜(FTIR)對(duì)－1.3 V恒電位制備的ERGO薄膜作進(jìn)一步表征(見(jiàn)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(tuán)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(dòng)。GO經(jīng)過(guò)電化學(xué)還原后，其含氧基團(tuán)的FTIR吸收帶明顯減少甚至消失(曲線b)，表明恒電位電化學(xué)法已成功地將GO轉(zhuǎn)變成ERGO。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中均采用－1.3 V對(duì)GO進(jìn)行電化學(xué)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(xué)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(duì)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(huì)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(xué)阻抗圖譜，在高頻觀察到的半圓部分與電荷轉(zhuǎn)移限制過(guò)程相對(duì)應(yīng)。電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt可以通過(guò)直接測(cè)量半圓直徑獲得。從圖4插圖可看到，當(dāng)GO被修飾到裸玻碳電極后，半圓直徑明顯增大。這說(shuō)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(fù)電荷排斥鐵氰化物和亞鐵氰化物離子通過(guò)電荷傳遞到達(dá)電極表面［13－14］。當(dāng)電極表面上的 GO膜被電化學(xué)還原后，半圓直徑明顯減小，說(shuō)明ERGO能夠加快［Fe(CN)6］3－/4－與電極間的電荷傳遞。對(duì)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(shuō)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(shè)計(jì)的修飾電極能加快電荷在溶液與電極間的傳遞過(guò)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(xué)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(duì)苯二酚電化學(xué)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(xué)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(gè)還原峰和1個(gè)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(tuán)如COOH，導(dǎo)電性能差，阻礙了電子傳遞。GO通過(guò)恒電位電化學(xué)還原后，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電性良好的石墨烯，增加了電子傳遞速率。在AuNPs/ERGO/GCE上(曲線d)，ΔEp=0.061 V且峰電流進(jìn)一步增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明電沉積的納米金粒子和電化學(xué)還原石墨烯對(duì)對(duì)苯二酚有較強(qiáng)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(duì)GO、Nafion及金微粒負(fù)載量、檢測(cè)溶液的pH值進(jìn)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(shí)，HQ氧化峰電流達(dá)到最大。當(dāng)GO用量超過(guò)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(dāng)Nafion用量超過(guò)6 μL后，由于電極表面Nafion膜過(guò)厚，增大了修飾電極的界面電阻，阻礙了對(duì)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(shí)驗(yàn)通過(guò)控制恒電位沉積的時(shí)間對(duì)金納米粒子的負(fù)載量進(jìn)行控制。隨著沉積時(shí)間的增加，氧化峰電流也相應(yīng)增大。當(dāng)沉積時(shí)間超過(guò)400 s后，峰電流減小，這是由于隨著電沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致金粒子的粒徑過(guò)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(shí)的金納米粒子的量作為最佳負(fù)載量。

底液的pH值也顯著影響HQ在修飾電極上的電流響應(yīng)。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(dāng)pH值等于7.0時(shí)，HQ氧化峰電流達(dá)到最大。pH值進(jìn)一步增大時(shí)，則氧化峰電流隨之減小。HQ的陽(yáng)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(shuō)明H+參與了HQ在電極表面的電化學(xué)氧化還原過(guò)程。本文以pH 7.0的0.1 mol/L PBS作為測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)HQ測(cè)定的干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)定8次，HQ峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.1%;以相同條件下制備的5支電極進(jìn)行測(cè)定，HQ峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.4%。將使用過(guò)的修飾電極清洗干凈后，于4℃保存15 d，該電極對(duì)HQ的響應(yīng)電流仍為最初響應(yīng)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(shí)際水樣的測(cè)定

實(shí)際水樣分別取自北京市涼水河、通惠河以及自來(lái)水，經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾處理后進(jìn)行HQ的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。以 AuNPs/Nafion/ERGO/GCE為工作電極測(cè)定水樣，均未檢測(cè)出HQ。加入一定量的HQ配成模擬水樣，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行檢測(cè)，得到樣品的回收率在97.8%～104%之間(見(jiàn)表2)，說(shuō)明本方法可用于實(shí)際樣品中HQ的測(cè)定。

表2 模擬水樣中HQ加標(biāo)回收率的測(cè)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(fù)合膜，研究了HQ在修飾電極上的電化學(xué)行為，建立了靈敏測(cè)定HQ的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該修飾電極在中性條件下對(duì)HQ的氧化還原過(guò)程具有良好的電催化活性。該修飾電極制備簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、重現(xiàn)性好，可用于實(shí)際水樣中對(duì)苯二酚的測(cè)定。

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