基于氧化鈷/石墨烯修飾電極檢測畜禽飲用水中鉛離子的研究

李智麗++劉佑明++黃興國++廖潔丹++黃淑堅++趙云翔

摘 要 采用兩步電化學沉淀制備氧化鈷/石墨烯修飾電極，通過循環(huán)伏安法對該電極進行表征，并研究鉛離子在修飾電極上的電化學行為。結(jié)果表明，該復合材料修飾的工作電極的靈敏度與導電性增強；在0.1 mol/L PBS緩沖溶液（pH 5.0）中對鉛離子的檢測最優(yōu)；鉛離子在1×10-8-1×10-2 mol/L濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系；信噪比為3時，檢出限為7.5×10-9 mol/L。所構(gòu)建的氧化鈷/石墨烯修飾電極具有良好的靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，同時將所構(gòu)建的復合材料修飾電極應(yīng)用于養(yǎng)殖場畜禽飲用水中鉛離子的檢測。

關(guān)鍵詞 石墨烯 ；氧化鈷 ；循環(huán)伏安法 ；鉛離子

中圖分類號 S855.3

Detection of Pb2+ in Livestock and Poultry Drinking Water by Using Cobalt Oxide

Nanoparticles / Graphene Modified Electrodes

LI Zhili LIU Youming HUANG Xingguo LIAO Jiedan HUANG Shujian ZHAO Yunxiang

（College of Life Science and Engineering， Foshan University， Foshan， Guangdong 528000）

Abstract In this work， we prepared graphene-based nanocomposite material by electrochemically depositing cobalt oxide nanoparticles on the surface of graphene by two-step. Cyclic Voltammetry （CV） was used to characterize the electrode and study the electrochemical behavior of Pb2+ on the modified electrode. The results showed that the cobalt oxide nanoparticles /graphene modified electrode had a good electrocatalytic activity to Pb2+ in 0.10 mol/L PBS buffer solution （pH 5.0）. In the concentration range of 1×10-8-1×10-2 mol/L， the method presented a linear relationship. The limit of detection （LOD） was 7.5×10-9 mol/L at a signal-to-noise ratio of 3. The cobalt oxide nanoparticles/grapheme modified electrode showed a good stability， and reproducibility， and was used to detect Pb2+ in livestock and poultry drinking water in farms.

Key words graphene ； cobalt oxide nanoparticles ； cyclic voltammetry ； Pb2+

石墨烯（GNS）是一種以SP2雜化的由碳原子組成的單原子層厚的蜂窩狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的碳材料，是世界上最薄的材料。其特殊結(jié)構(gòu)使其導電性增強，比表面積增大，是國際材料技術(shù)的研究前沿[1-3]，并廣泛應(yīng)用于電子、光學、電化學能源轉(zhuǎn)換和存儲、電化學傳感器等。近年來，為了擴展石墨烯的應(yīng)用范圍和提高石墨烯材料的性能，許多研究人員開展了關(guān)于石墨烯復合材料的合成和應(yīng)用工作，包括聚合物/石墨烯、金屬氧化物/石墨烯、金屬/石墨烯等，如TiO2[4-5]，ZnO[6-7]，SnO2[8]，Mn3O4[9]，Co3O4[10]和Fe3O4[11]等。這些石墨烯的復合材料已成功被合成，并應(yīng)用于催化和生物傳感器等領(lǐng)域。

將無機晶體通過電化學沉積法直接沉積在石墨烯基底表面，不需要復合物材料的合成轉(zhuǎn)換，是合成薄膜類材料的有效方法[12]。如將納米級的ZnO，Cu2O和Cd Se顆粒沉積在rGO或者CVD-GNS膜表面[12-14]。氧化鈷是一種過渡金屬氧化物，具有尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，溫度低于800 ℃時穩(wěn)定存在。氧化鈷納米材料比表面積較大，導電能力優(yōu)良，且具有高效的催化性能，在電化學傳感器領(lǐng)域具有非常巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

鉛及其化合物對人體各組織均有毒性，口服2-3 g可致中毒，50 g可致死[15]，一般由消化道吸收，進入血液而發(fā)生中毒，常見的是慢性鉛中毒，鉛中毒患者一般會有持久的行為和認知障礙。而隨著“工業(yè)三廢”（廢液，廢氣，廢渣）的排放及農(nóng)用化學品的濫用等原因使世界上許多地區(qū)的鉛污染日趨嚴重，且鉛很難被降解，可以隨食物鏈積累，繼而給動物和人類健康帶來很大的威脅。當今，中國養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，而養(yǎng)殖場畜禽飲用水鉛污染成為從業(yè)人員面臨的棘手問題。根據(jù)GB/T 5750.6-2006和GB 5009.12-2010，常用檢測鉛離子的方法是原子吸收光譜法，氫化物原子熒光法，紫外可見分光光度法，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法，電感耦合等離子體質(zhì)譜法等。這些技術(shù)靈敏度高、結(jié)果準確，但儀器昂貴。另外，樣品制備過程復雜，不適合現(xiàn)場實時檢測。因此，開發(fā)快速、可靠的痕量鉛粒子檢測方法對于養(yǎng)殖場畜禽飲水用檢測意義重大。

本文將石墨烯作為碳材料負載基底，采用電化學沉積法將氧化鈷的納米粒子原位負載到石墨烯的表面，這種結(jié)構(gòu)有利于阻礙氧化鈷的納米粒子的團聚，提高了復合材料的導電性。并將復合材料修飾電極應(yīng)用于養(yǎng)殖場畜禽飲用水中鉛離子的檢測，為綠色健康養(yǎng)殖提供新的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試劑材料

主要試劑：乙酸（冰醋酸）、濃硝酸、過硫酸鉀、過氧化氫、五氧化二磷、高錳酸鉀、乙酸鉛、無水乙醇、無水乙酸鈉、氯化鈷、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、高氯酸（天津市德恩化學試劑有限公司）、納米氧化鋁（長沙晶康新材料科技有限公司）。所用試劑均為國產(chǎn)分析純，實驗用水均為二次蒸餾水。

1.1.2 儀器與設(shè)備

CHI620E電化學分析儀、鉑絲電極、Ag/AgCl電極及玻碳電極（上海晨華儀器有限公司）； KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆明市超聲儀器有限公司）；電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；電化學實驗用三電極體系，石墨烯修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極。

1.2 方法

1.2.1 氧化石墨烯的制備

采用改良的Hummers法制備得到氧化石墨[16]。預氧化石墨的制備：將5.0 g天然石墨、5.0 g過硫酸鉀（K2S2O8）和5.0 g五氧化二磷（P2O5）依次加入到60 mL的濃硫酸中，80 ℃下保溫 6 h；冷卻至室溫，用去離子水稀釋洗滌，然后真空干燥，得到預氧化石墨。取預氧化石墨2.5 g、高錳酸鉀（KMnO4）7.5 g 加入0 ℃濃硫酸中，先在20 ℃以下保溫2.5 h，35 ℃以下保溫3.5 h，然后加入230 mL左右的去離子水，95 ℃下保溫1.5 h，最后加入30 % H2O2至反應(yīng)完全。將上述混合物過濾，并用稀鹽酸洗滌2次，洗除金屬離子；再用去離子水洗，目的除去多余的酸；然后取800 mL去離子水分散，超聲30 min，得到氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）水溶液（5.5 mg/mL）。

1.2.2 玻碳電極的清洗

將玻碳電極（GCE）用納米氧化鋁粉懸浮液在人造麂皮磨料上以8字法打磨鏡面，用重蒸餾水超聲清洗30 min，室溫下干燥，用無水乙醇超聲清洗10 min，干燥以后再次用重蒸餾水超聲清洗10 min，干燥后備用。

1.2.3 還原態(tài)石墨烯修飾電極的制備

用移液槍吸取10.0 μL氧化石墨烯分散液滴加到玻碳電極表面鏡面位置，室溫下正常干燥，得到氧化石墨烯修飾電極。然后將其放于0.1 mol/L KCl溶液中，以循環(huán)伏安法以100 mV/s掃速在-1.5-0.5 V電壓范圍內(nèi)掃描圈數(shù)20，完成后取出，用重蒸餾水淋洗，即制得還原態(tài)的石墨烯修飾玻碳電極（GO/GCE）。

1.2.4 氧化鈷修飾石墨烯修飾電極的制備

將還原態(tài)的石墨烯修飾電極以三電極體系插入含有1 mmol/L氯化鈷溶液的磷酸鹽緩沖液中掃描30圈，在-1.5-1.5 V的電位范圍下，采用循環(huán)伏安法以100 mV/s的掃描速率設(shè)置掃描30圈，使氧化鈷納米粒子沉積在電極表面，完成后取出，用重蒸餾水淋洗，即得氧化鈷/石墨烯修飾玻碳電極（CoO/GO/GCE）。

1.2.5 樣品預處理

根據(jù)GB 5027-2008《無公害食品畜禽飲用水質(zhì)》和GB/T 5750.6-2006《生活飲用水標準檢驗方法金屬指標》，采用濕法消化對樣品預處理，將1 mL水體樣品加入消化瓶中，加入新配置的混合酸7 mL（濃硝酸5 mL，過氧化氫2 mL），加入玻璃珠防止爆沸。加熱消解至樣品溶液呈透明后，繼續(xù)加熱驅(qū)趕剩余酸液至近干，冷卻后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶，用二次蒸餾水定容待測。

2 結(jié)果與分析

2.1 還原態(tài)石墨烯修飾電極的制備

由圖1可知，在氧化石墨烯進行還原過程中，最開始時在-0.8 V電壓處出現(xiàn)還原峰電流急劇增加，隨著還原時間的推移，電流逐漸趨于平穩(wěn)，還原過程非常迅速且不可逆。石墨烯電極的制備為復合電極制備提供了良好導電性和電極轉(zhuǎn)移效果的基底電極。

2.2 氧化鈷修飾石墨烯修飾電極的制備

由圖2可以看出，在-0.2 V和-0.1 V處出現(xiàn)了一對氧化還原峰，而且隨著掃描圈數(shù)的增加，峰電流也明顯增加。峰電流先增大后逐漸趨于穩(wěn)定，峰電位向負方向略有移動。這是由于在電極表面二價鈷離子與GO表面的含氧官能團（如：羥基、羧基等）發(fā)生鍵合作用，此時，GO表面負載了金屬鈷離子的納米顆粒并充當納米顆粒繼續(xù)生長的成核位點，納米顆粒在石墨烯的表面沉積而使得峰電流和電位發(fā)生了變化。以上結(jié)果說明，GO充當負載基底，通過電化學沉積氧化鈷納米粒子成功修飾于石墨烯電極表面。

2.3 掃描速率對氧化鈷/石墨烯修飾電極的影響

在0.01 V/s，0.03 V/s，0.07 V/s，0.1 V/s，0.13 V/s，0.17 V/s，0.2 V/s的掃描條件下效果見圖3。不同掃描速率下的伏安曲線均類似，且在0.81 V/0.140 V（對Ag/AgCl參比電極）存在一對非常明顯的氧化還原峰，表明在整個充放電過程中以感應(yīng)電流、氧化還原反應(yīng)為主。隨著掃描速率的增加，氧化峰向正方向移動，而還原峰向負方向移動。而在低掃描速率下，感應(yīng)電、氧化還原反應(yīng)主要依靠電解液中質(zhì)子的嵌入/脫出，掃描速度在0.03 V/s時，鉛離子的峰電流最好。

2.4 pH值對鉛鹽檢測的影響

鉛鹽為弱堿性金屬離子，在不同的pH環(huán)境下對其溶解度不同，且不同pH也會引起鉛離子的導電性與傳導性差異，為優(yōu)化實驗條件，本實驗分別選用pH為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0的0.10 mol/L的PBS溶液，測定濃度為0.01 mol/L的乙酸鉛標準溶液，測定結(jié)果見圖4。由圖4可知，在pH 5.0時，鉛離子具有非常好的電流響應(yīng)峰。因此，選擇pH 5.0的0.10 mol/L PBS溶液作為測定鉛離子的電解質(zhì)溶液。

2.5 電極對鉛離子測定的影響

由圖5可以看出，石墨烯修飾電極對鉛離子的靈敏性有提高，而氧化鈷/石墨烯修飾電極的識別度更大。在使用氧化鈷/石墨烯修飾電極時，峰的高度以及峰面積、穩(wěn)定性都有了很大提高。這是由石墨烯具有非常好的電傳導能力和較大的表面積，GO充當負載基底，修飾過的電極出現(xiàn)了很強的電流傳輸。而氧化鈷中的二價鈷離子與GO表面羥基和羧基等發(fā)生化學鍵合作用，進一步增強電流傳輸。

2.6 鉛離子標準曲線繪制

通過10倍稀釋法制備10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8、10-9 mol/L乙酸鉛溶液，通過循環(huán)伏安法測定電性曲線，鉛離子在1×10-8-1×10-2 mol/L濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，信噪比為3時，檢出限為7.5×10-9 mol/L。

2.7 氧化鈷/石墨烯修飾電極的精密度和穩(wěn)定性

該修飾電極在每次測完后均需置于空白底液中經(jīng)多圈循環(huán)伏安掃描活化，更新電極表面。連續(xù)平行測定5次，1.0×10-6 mol/L鉛離子的RSD為4.3 %，表明該修飾電極具有較好的精密度。

將制備好的電極放在冰箱中7 d，在相同實驗條件下測得電流為原來的95 %，7 d內(nèi)電流的降低值均小于10 %，說明制備的電極穩(wěn)定性較好。對同樣方法制備5根電極進行重復性研究，結(jié)果顯示相對偏差均在5 %以內(nèi)，表示復合電極重復性較好。

2.8 樣品分析

取1 mL樣品，加入9 mL PBS，用循環(huán)伏安法進行掃描，對4份畜禽飲用水樣品檢測，測量值均符合國際限量規(guī)定，采用加標回收試驗來驗證，平均回收率在96.5 %-102.5 %。另外，將4份樣品采用GB/T 5750.6-2006《生活飲用水標準檢驗方法金屬指標》中無火焰原子吸收法進行測定，結(jié)果見表1，所構(gòu)建的氧化鈷/石墨烯修飾電極測定結(jié)果與國標法測定結(jié)果有較好的一致性。

3 結(jié)論

本實驗基于石墨烯復合材料較大的比表面積和氧化鈷良好的電催化作用，利用電化學沉積技術(shù)在玻碳電極上沉積氧化鈷/石墨烯納米復合薄膜并應(yīng)用于檢測養(yǎng)殖場畜禽飲用水。在0.1 mol/L PBS緩沖溶液（pH 5.0）中對鉛離子的檢測最優(yōu)。鉛離子在1×10-8-1×10-2 mol/L濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，信噪比為3時檢出限為7.5×10-9 mol/L。所構(gòu)建的氧化鈷/石墨烯修飾電極具有良好的靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，可用于養(yǎng)殖場畜禽飲用水中鉛離子的檢測。

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