原位氮摻雜石墨烯修飾電極同時(shí)檢測(cè)苯二酚3種異構(gòu)體

周海逢，鄭鳳英1,，吳藝津，郭藝娟，葉妙娟，李順興*1,

(1.福建省現(xiàn)代分離分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建漳州 363000；2.閩南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，福建漳州 363000)

鄰苯二酚(CC)、對(duì)苯二酚(HQ)和間苯二酚(RC)是苯二酚的3種同分異構(gòu)體，它們通常共存于制藥、染料、化妝品、農(nóng)藥等產(chǎn)業(yè)廢水中，但具有高毒性，能抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)和損害肝、腎功能等[1,2]，被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)、歐盟(EU)和我國(guó)列為優(yōu)先污染物。苯二酚的3種同分異構(gòu)體因結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相似，檢測(cè)時(shí)互有干擾，因此，急需建立有效的同時(shí)檢測(cè)方法。目前，檢測(cè)苯二酚同分異構(gòu)體的方法主要有高效液相色譜法[3]、同步熒光法[4]、分光光度法[5]和電化學(xué)法[6,7]。電化學(xué)法因其響應(yīng)快速，成本低，靈敏度高和選擇性好，引起廣泛關(guān)注，但苯二酚同分異構(gòu)體氧化電位相近，傳統(tǒng)電極的電化學(xué)信號(hào)無法將它們分開。

石墨烯(Graphene)比表面積大、導(dǎo)電性優(yōu)異、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高，廣泛用于能源儲(chǔ)存、傳感器和電化學(xué)檢測(cè)[8 - 10]。氮摻雜能影響碳基材料的酸堿特性，誘導(dǎo)更多的正電荷到相鄰碳原子上[11]，提高陰離子交換性能和電催化活性，穩(wěn)定性更優(yōu)異[12,13]。聚多巴胺(PDA)表面官能團(tuán)幾乎能附著在任何材料表面[14,15]，其特異性的還原能力可使氧化石墨烯(GO)被還原成還原氧化石墨烯(rGO)[16,17]。此外，多巴胺含有豐富的氮，可在碳基材料表面原位摻入高電活性的氮原子。Zheng等[17]制備PDA-rGO電極材料，應(yīng)用電化學(xué)法同時(shí)檢測(cè)苯二酚2種同分異構(gòu)物(HQ和CC)，檢測(cè)限為0.74 μmol/L和0.62 μmol/L，線性范圍為1～230 μmol/L和1～250 μmol/L。

本實(shí)驗(yàn)以多巴胺為無毒氮源，將PDA-rGO在溫度800 ℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下高溫碳化，制備出氮原位摻雜石墨烯(C/N-Graphene)，由于氮與碳原子的電負(fù)性不同，從而影響氮周圍碳原子的電子云分布及極性，進(jìn)而影響苯二酚3種同分異構(gòu)體的電化學(xué)氧化動(dòng)力學(xué)過程[17]。該方法提高了電極的導(dǎo)電性、電催化活性和靈敏度，具有良好的選擇性。采用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法研究苯二酚同分異構(gòu)體的電化學(xué)反應(yīng)，相比于其他碳基材料修飾電極，優(yōu)勢(shì)突出，可同時(shí)檢測(cè)苯二酚3種同分異構(gòu)體，線性范圍更寬和檢測(cè)限更低。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

JEM-2010型透射電子顯微鏡(TEM)(日本，電子珠式會(huì)社)；S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)(日本，日立公司)；Nicolet 5700型紅外光譜儀(美國(guó)，Thermo Nicolet 公司)；CT14D 型臺(tái)式高速離心機(jī)(上海天美生化儀器廠)；HJ-6型多頭磁力攪拌器(金壇市江南儀器廠)；BS124S電子天平(北京賽多利斯有限公司)；CHI660E型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)。以氮摻雜還原氧化石墨烯修飾玻碳電極(d=3 mm)為工作電極，Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極、鉑絲為對(duì)電極。

石墨粉、多巴胺(DA)(98%)、鄰苯二酚、間苯二酚、對(duì)苯二酚、Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液(PBS,0.1 mol/L,pH=7.0)，均購(gòu)自阿拉丁試劑公司；5% Nafion 溶液購(gòu)自美國(guó)Sigma公司；其它試劑均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑有限公司(分析純)。實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1GO、PDA-rGO及C/N-Graphene的制備參考文獻(xiàn)方法[17]合成GO，具體步驟為：于1.0 g石墨粉中加入23 mL 98%H2SO4，冰浴攪拌30 min，充分混勻，緩慢加入4 g KMnO4，攪拌1 h，移入40 ℃溫水中，繼續(xù)攪拌30 min，用去離子水稀釋至800～1 000 mL，控制反應(yīng)液溫度在95 ℃，加入6 mL 5%H2O2，趁熱過濾，用5%HCl和水充分洗滌至中性，離心得黃褐色沉淀，冷凍干燥，待用。

利用多巴胺的聚合及還原性能制備PDA-rGO：將0.1 g GO超聲均勻分散在80 mL 10 mmol/L Tris-HCl的緩沖液(pH=8.5)中，加0.1 g DA，磁力攪拌15 h，高速離心，水洗三次，冷凍干燥，待用。

氮?dú)獗Ｗo(hù)下煅燒制備C/N-Graphene，方法如圖1(A)所示：將PDA-rGO充分研磨粉碎，取0.1 g放入坩堝中，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，以1 ℃/min的速率升溫至700 ℃、800 ℃、900 ℃，高溫煅燒2 h,制得不同煅燒溫度對(duì)應(yīng)的電極材料C/N-Graphene -700,C/N-Graphene -800,C/N-Graphene -900。

苯二酚同分異構(gòu)體氧化機(jī)理如圖1(B)所示。

1.2.2修飾電極的制備將裸玻碳電極(GCE)依次用 1.0、0.3和0.05 μm 的 Al2O3粉末在麂皮上打磨、拋光至鏡面。用水、無水乙醇、水超聲清洗3次。移取5、10、15 μL C/N-Graphene -800 DMF溶液(含2 μL 5% Nafion )分別滴涂于GCE表面制得不同負(fù)載量的對(duì)應(yīng)電極C/N-Graphene -800-5、C/N-Graphene -800-10、C/N-Graphene -800-15。

1.2.3修飾電極的表征應(yīng)用SEM和TEM表征C/N-Graphene形貌：將樣品均勻分散在水中，取適量滴于硅片和銅網(wǎng)上，于干燥箱中烘干后測(cè)定。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)由紅外(IR)光譜表征，采用KBr壓片法，待測(cè)物與 KBr 按質(zhì)量比1∶100 混合，充分研磨均勻后壓片，在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)掃描。在含適量苯二酚同分異構(gòu)體的PBS中，以C/N-Graphene/GCE 為工作電極，在-0.2～1.0 V范圍內(nèi)，以100 mV/s 的掃速，繪制循環(huán)伏安圖。差分脈沖伏安法(DPV)起始電位和終止電位分別為-0.2 V和1.0 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 C/N-Graphene材料的表征

對(duì)比圖2a與2b，可得褶皺的GO被PDA完全包覆。由圖2c可見，GO結(jié)構(gòu)很薄且表面及邊緣褶皺透明。C/N-Graphene(圖2d～f)結(jié)構(gòu)變厚且多層，厚度約50 nm。從圖3C可見GO含有大量的官能團(tuán)(-COOH及-OH)，包覆PDA后上述官能團(tuán)減少，被還原為PDA-rGO，表面的-NH2基團(tuán)為高溫煅燒制備C/N-Graphene提供豐富氮源。最佳碳化溫度可據(jù)元素分析圖(圖3A)選擇，隨煅燒溫度增加，C/N-Graphene碳化程度提高，C元素含量增加，然而N元素含量下降，而N元素?fù)诫s在電化學(xué)催化過程中起重要作用，因此，最優(yōu)碳化溫度為800 ℃，C/N-Graphene碳化充分又保留充足的電活性元素N。

2.2 苯二酚同分異構(gòu)體的電化學(xué)行為

在含0.1 mmol/L HQ、CC和RC的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，電極材料負(fù)載量對(duì)苯二酚同分異構(gòu)體的氧化電流影響明顯，結(jié)果如圖3(B)所示。C/N-Graphene -800-10與C/N-Graphene -800-5和C/N-Graphene -800-15相比，電流值最大，因?yàn)殡姌O材料負(fù)載量低會(huì)導(dǎo)致氧化反應(yīng)不充分，負(fù)載量太多又會(huì)阻礙電極與材料表面氧化反應(yīng)的電子傳導(dǎo)，因此最佳負(fù)載量10 μL。

不同材料修飾電極的電化學(xué)行為如圖4(A)所示，HQ、CC、RC在rGO/GCE上的響應(yīng)電流增加很小，只出現(xiàn)兩個(gè)氧化峰，HQ與CC的氧化峰重疊；當(dāng)電極表面修飾 PDA-rGO后，峰電流稍有增大，但仍只出現(xiàn)兩個(gè)氧化峰，HQ與CC無法分開；當(dāng)使用C/N-Graphene修飾電極，峰電流明顯增加，出現(xiàn)三個(gè)氧化峰，HQ與CC、CC與RC的峰位差分別為105 mV和528 mV，這說明HQ、CC、RC可被同時(shí)檢測(cè)。由阻抗圖譜(圖4(B))可得，C/N-Graphene的電阻值為28 Ω，與GO、PDA-rGO相比，導(dǎo)電性和電子傳導(dǎo)能力優(yōu)越，這歸因于石墨烯良好的導(dǎo)電性能，電活性氮的摻雜又進(jìn)一步增強(qiáng)其導(dǎo)電性能，且提升電子轉(zhuǎn)移速率。

2.3 pH值和掃速對(duì)苯二酚同分異構(gòu)體電化學(xué)行為的影響

在含0.1 mmol/L的HQ、CC、RC的PBS中，在-0.2～1.0 V范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)研究，探討掃描速率的影響，結(jié)果見圖5(A)。隨掃速的增加，氧化峰及還原峰電位分別向正電位和負(fù)電位偏移。HQ、CC和RC的氧化還原峰電流Ipc和Ipa的增加與掃速的平方根成正比，這表明電化學(xué)過程是一個(gè)典型的擴(kuò)散控制過程。

pH值對(duì)HQ、CC、RC在C/N-Graphene電極上的電化學(xué)行為的影響見圖5(B)。在pH=4.0～9.0范圍內(nèi)，峰電位隨pH值增大向負(fù)電位轉(zhuǎn)移，表明質(zhì)子參與電極反應(yīng)。由插圖可見，在pH=4.0～7.0范圍內(nèi)，HQ、CC和RC的氧化峰電流隨pH值增大而增大，當(dāng)pH=7.0～9.0，氧化峰電流隨pH增大而減小，因此選擇支持電解質(zhì)的pH=7.0。由HQ、CC和RC的線性回歸方程斜率可知這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)等質(zhì)子等電子的過程。

2.4 檢測(cè)苯二酚同分異構(gòu)體的線性范圍和檢測(cè)限

應(yīng)用C/N-Graphene修飾電極在優(yōu)化條件下通過DPV法同時(shí)檢測(cè)HQ、CC和RC，結(jié)果如圖6所示。在保持另外兩種同分異構(gòu)體濃度10 mmol/L不變的條件下，逐漸增加待測(cè)異構(gòu)體濃度，待測(cè)異構(gòu)體的氧化峰電流和其濃度間存在線性關(guān)系，結(jié)果見表1。該方法相比其他碳基材料修飾電極，優(yōu)勢(shì)突出，可同時(shí)檢測(cè)苯二酚的3種同分異構(gòu)體，見表2。

表1 苯二酚同分異構(gòu)體測(cè)定的線性方程、線性范圍及檢測(cè)限

表2 碳基材料修飾電極檢測(cè)苯二酚同分異構(gòu)體

aN-CNT:Nitrogen-doped CNT；bOMC:Ordered mesoporous carbon.

2.5 電極的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和干擾研究

2.6 實(shí)際水樣分析

將C/N-Graphene/GCE應(yīng)用于實(shí)際水樣中苯二酚同分異構(gòu)體的測(cè)定。從漳州市片仔癀藥廠廢水排放處取樣，取10 mL廢水，通過0.45 μm微孔濾膜過濾檢測(cè)，廢水中出現(xiàn)其他物質(zhì)的氧化峰，但苯二酚異構(gòu)體含量均低于檢測(cè)限，加標(biāo)后可有效檢出，即廢水成分不干擾測(cè)定(圖7)。另取1 mL江水，同時(shí)適量添加苯二酚同分異構(gòu)體，配成10、20 μmol/L人工廢水，檢測(cè)結(jié)果見表3。方法的加標(biāo)回收率為 97.0%～103.0%，RSD小于 5%(n=5)，表明C/N-Graphene/GCE可用于實(shí)際樣品中苯二酚同分異構(gòu)體的檢測(cè)。

表3 江水及其加標(biāo)液中苯二酚同分異構(gòu)體的檢測(cè)

3 結(jié)論

本文通過綠色的合成方法制備PDA-rGO，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，高溫煅燒制備C/N-Graphene復(fù)合材料，采用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法對(duì)苯二酚3種同分異構(gòu)體在該修飾電極上的電化學(xué)行為進(jìn)行研究。與PDA-rGO修飾電極比較，高溫碳化提高了電極材料的導(dǎo)電性；氮摻雜又顯著提高電極表面的電子傳遞速率；氮碳原子電負(fù)性不同,影響氮周圍碳原子的電子云分布及極性,進(jìn)而影響電化學(xué)氧化動(dòng)力學(xué)過程,從而對(duì)苯二酚同分異構(gòu)體的氧化反應(yīng)表現(xiàn)出高的電催化活性,提高了檢測(cè)的靈敏度和選擇性,檢測(cè)線性范圍寬、靈敏度高,可用于污染水樣的檢測(cè)。