納米NiO/石墨烯修飾電極電化學(xué)同時(shí)檢測(cè)對(duì)苯二酚和鄰苯二酚

封科軍，鄒秀婷，黃煥豐,歐敏敏，劉麗園

（惠州學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，廣東惠州516007）

0 引言

石墨烯自2004年問世以來[1]，因其化學(xué)穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性好、生物相容性好，常被用作制備化學(xué)修飾電極的理想材料[2]。傳統(tǒng)的石墨烯修飾電極，通常采用水合肼、硼氫化鈉等化學(xué)物質(zhì)將氧化石墨烯還原為石墨烯后滴涂在電極表面。該法中采用的試劑具有較強(qiáng)的腐蝕性或潛在毒性，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。近年來，電化學(xué)還原方法制備石墨烯引起研究者們的廣泛關(guān)注。該方法通過施加一定的負(fù)電位去除氧化石墨烯的邊緣或表面的含氧基團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的還原，是一種在導(dǎo)電基底上快速制備穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性高的石墨烯的綠色方法，已成功用于各類生物小分子[3-4]及有機(jī)污染物[5-7]等的測(cè)定。

苯二酚是一種重要的化工原料和合成中間體，被廣泛用于化工、皮革、染料、化妝品等眾多領(lǐng)域[8]。由于其具有毒性且難以降解，在環(huán)境檢測(cè)中被列為優(yōu)先檢測(cè)對(duì)象。鄰苯二酚、對(duì)苯二酚和間苯二酚是苯二酚的三種同分異構(gòu)體，由于性質(zhì)、結(jié)構(gòu)類似，工業(yè)生產(chǎn)中?；旌显谝黄穑瑱z測(cè)中測(cè)定的多是總量，單獨(dú)的定量分析較為困難。因此，建立簡(jiǎn)單快速、靈敏、低成本的多種苯二酚類物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)方法非常有意義[9]。

目前，測(cè)定苯二酚的方法主要有色譜法、分光光度法和電化學(xué)方法等。色譜法儀器昂貴，操作復(fù)雜，對(duì)操作人員要求高。分光光度法雖然操作簡(jiǎn)單、成本低，但受基體效應(yīng)影響，精確性不高。比較而言，電化學(xué)方法簡(jiǎn)單快速、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。化學(xué)修飾電極可以通過對(duì)不同異構(gòu)體氧化峰位置的區(qū)分實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)。目前，納米材料修飾電極已廣泛用于單一酚和多種酚類物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)[10-14]。但很多方法尚存在制備復(fù)雜、成本較高、線性范圍較窄等問題。納米氧化鎳具有較高的電催化活性和比表面積，電化學(xué)方法制備簡(jiǎn)單、成本低，納米氧化鎳/石墨烯復(fù)合材料修飾電極同時(shí)測(cè)定兩種苯二酚尚未見報(bào)道。

該研究工作采用簡(jiǎn)單的電化學(xué)一步共還原法制備納米氧化鎳/石墨烯修飾玻碳電極，并將其用于對(duì)苯二酚和鄰苯二酚的同時(shí)電化學(xué)檢測(cè)。方法簡(jiǎn)單靈敏、成本低廉，能實(shí)現(xiàn)兩種苯二酚同分異構(gòu)體的選擇性區(qū)分，修飾電極具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，結(jié)果令人滿意。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

石墨購(gòu)自青島富潤(rùn)達(dá)石墨有限公司，硝酸鎳、對(duì)苯二酚和鄰苯二酚購(gòu)自天津大茂化學(xué)試劑廠，殼聚糖購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。循環(huán)伏安法（CV）和交流阻抗法（IMP）測(cè)定支持電解液為鐵氰化鉀-氯化鉀溶液 （5.0mmol/L K3[Fe(CN)6]-5.0mmol/L K4[Fe(CN)6]-0.2mol/L KCl），檸檬酸-磷酸氫二鈉（pH=7.0）為檢測(cè)體系采用的緩沖液，其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

采用CHI660D型電化學(xué)工作站（北京華科普天公司），三電極系統(tǒng)，直徑為2mm的玻碳電極和修飾電極為工作電極，鉑電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極；KQ5200V超聲清洗儀 （昆山市超聲儀器有限公司）。

1.2 氧化石墨烯的制備

根據(jù)Hummers法[15]合成氧化石墨。即先將石墨粉在適量的濃H2SO4、KMnO4和NaNO3存在下，在一定溫度和攪拌條件下氧化，再加入H2O2反應(yīng)一段時(shí)間后,經(jīng)多次離心洗滌獲得沉淀物，將其用超純水分散，透析除去其中的離子，至溶液呈中性后，將其放入干燥箱中干燥，即得到氧化石墨。稱取氧化石墨加入適量水，超聲分散2 h以上，則可得到氧化石墨烯。

1.3 修飾電極的制備

1.3.1 裸電極的預(yù)處理

用細(xì)砂紙輕輕打磨玻碳電極，接著分別用0.3μm和0.05μm的α-氧化鋁粉拋光至鏡面，然后用無水乙醇和超純水超聲3min。晾干備用。

1.3.2 氧化石墨烯修飾玻碳電極 （GO/GCE）及石墨烯修飾玻碳電極（RGO/GCE）的制備

在裸電極上滴加10μL的2.0mg/mL氧化石墨烯溶液（含0.05%殼聚糖），自然干燥后，得GO/GCE。用蒸餾水洗凈吹干，將其置于pH=7.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液中。采用循環(huán)伏安法，電位為0～-1.5 V，以0.1 V/s的掃描速度掃描50段，即可得RGO/GCE。

1.3.3 納米氧化鎳修飾玻碳電極（NiO/GCE）的制備

將處理好的裸電極置于8×10-3mol/L的硝酸鎳溶液中，采用循環(huán)伏安法，電位為0～-1.5 V，以0.1 V/s的掃描速度掃描50段，洗凈吹干，即得NiO/GCE。

1.3.4 納米氧化鎳/石墨烯修飾玻碳電極（N iORGO/GCE）的制備

將干燥好的GO/GCE置于濃度為8×10-3mol/L的硝酸鎳溶液 （pH=7.0檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液）中，電位為0～-1.5 V，以0.1 V/s的掃描速度掃描50段，洗凈吹干，即得所需的NiO-RGO/GCE。

1.4 電化學(xué)檢測(cè)

樣品的測(cè)定采用差分脈沖伏安法（DPV），測(cè)試條件設(shè)置為：電位-0.2～0.4 V，振幅 0.05 V，靜置時(shí)間20 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)表征

2.1.1 交流阻抗圖譜

在鐵氰化鉀-氯化鉀支持電解液中，不同修飾電極的交流阻抗圖（IMP）見圖1。曲線a為納米NiO/石墨烯修飾電極（NiO-RGO/GCE），曲線b為石墨烯修飾電極（RGO/GCE），曲線c為裸電極（GCE）， 曲 線 d為納米 NiO 修 飾電極(（NiO/GCE）。曲線半圓直徑的大小可以表示修飾電極阻抗的大小。由圖可以看出，裸電極在高頻部分出現(xiàn)半圓，說明對(duì)電子傳遞存在阻礙；納米氧化鎳修飾電極（NiO/GCE）半圓直徑變大，說明阻抗變大，主要是因?yàn)檠趸嚨膶?dǎo)電性較差，進(jìn)一步降低了電極表面的電子傳遞性能；而石墨烯修飾電極（RGO/GCE）和納米NiO/石墨烯修飾電極（NiO-RGO/GCE）的阻抗均明顯減小，主要是由于石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能，有效促進(jìn)了電子的傳遞。

圖1 不同修飾電極在5.0mmol/LK3[Fe(CN)6]-5.0 mmol/LK4[Fe(CN)6]-0.2mol/LKCl電解質(zhì)溶液中的交流阻抗圖：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-GCE，d-NiO/GCEFig.1 IMP curves of different electrodes in 5.0mmol/LK3[Fe(CN)6]-5.0mmol/LK4[Fe(CN)6]-0.2mol/LKCl electrolyte solution：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-GCE，d-NiO/GCE

2.1.2 對(duì)苯二酚和鄰苯二酚在不同修飾電極上的電化學(xué)行為

圖2的循環(huán)伏安(CV)曲線圖是濃度為1×10-4mol/L的對(duì)苯二酚和鄰苯二酚在不同修飾電極上的電化學(xué)行為。由圖可知，裸電極（曲線d）和納米氧化鎳修飾電極（曲線c）的氧化還原峰電流小，不能實(shí)現(xiàn)兩種酚的有效區(qū)分，石墨烯修飾電極（曲線b）增大了峰電流，且能很好的區(qū)分鄰苯二酚和對(duì)苯二酚，納米NiO/石墨烯修飾電極（曲線a）與其他三個(gè)電極相比，峰電流最大，說明由于兩種納米材料的協(xié)同作用，納米NiO進(jìn)一步增大了電極的比表面積，使其具有更強(qiáng)的電催化活性。

圖2 1×10-4 mol/L對(duì)苯二酚和鄰苯二酚在不同修飾電極上的循環(huán)伏安圖：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-NiO/GCE，d-GCEFig.2 CV curves of different electrodes in 1×10-4 mol/L hydroquinone and catechol solution：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-NiO/GCE，d-GCE

2.2 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.2.1 氧化石墨烯(GO)的濃度

在其他條件相同的情況下，實(shí)驗(yàn)考察了分別滴加 0.5mg/mL、1.0mg/mL、 1.5mg/mL、 2.0mg/mL、2.5mg/mL、3.0mg/mL不同濃度的氧化石墨烯在玻碳電極上，對(duì)對(duì)苯二酚測(cè)定結(jié)果的影響。圖3可以看出，當(dāng)氧化石墨烯濃度為2.0mg/mL時(shí)，對(duì)苯二酚的峰電流最大，所以2.0mg/mL氧化石墨烯是該實(shí)驗(yàn)的最佳選擇。

2.2.2 氧化石墨烯的滴涂量

圖3 氧化石墨烯濃度對(duì)對(duì)苯二酚峰電流響應(yīng)的影響Fig.3 The effect of GO concentration on the peak current ofHQ

為研究氧化石墨烯滴涂量對(duì)檢測(cè)的影響，在其他條件相同的情況下，分別滴加6μL、8μL、10 μL、12μL、14μL的氧化石墨烯在玻碳電極上，測(cè)定對(duì)苯二酚的響應(yīng)。圖4可以看出，對(duì)苯二酚的峰電流開始隨著氧化石墨烯滴涂量的增加而變大，當(dāng)?shù)瓮苛砍^10μL后，峰電流逐漸變小。這可能是由于石墨烯厚度增加，反而阻礙了電子的傳遞，所以氧化石墨烯滴涂量為10μL是最佳選擇。

圖4 氧化石墨烯滴涂量對(duì)對(duì)苯二酚峰電流響應(yīng)的影響Fig.4 The effect of GO addition on the peak current of HQ

2.2.3 硝酸鎳的掃描段數(shù)

在其他條件相同的情況下，實(shí)驗(yàn)考察了硝酸鎳的掃描段數(shù) （即沉積氧化鎳和還原石墨烯時(shí)間）對(duì)對(duì)苯二酚測(cè)定結(jié)果的影響。圖5可以看出，對(duì)苯二酚的峰電流隨掃描段數(shù)的增加而變大，當(dāng)掃描段數(shù)為50時(shí)，峰電流最大，接著再變小。這可能由于隨著沉積時(shí)間增長(zhǎng)，納米NiO粒徑增大，降低了其電催化活性。因此，實(shí)驗(yàn)選擇最佳掃描段數(shù)為50。

圖5 掃描段數(shù)對(duì)對(duì)苯二酚峰電流響應(yīng)的影響Fig.5 The effect of scanning number on the peak current of HQ

2.2.4 富集時(shí)間和電位

富集時(shí)間和富集電位對(duì)測(cè)定結(jié)果的峰電流值也有重要影響。從圖6中可以看出，對(duì)苯二酚富集時(shí)間逐漸增加時(shí)，峰電流先變大后變小，富集時(shí)間為40 s是最佳選擇；從圖7中可以看出，對(duì)苯二酚富集電位逐漸增加時(shí)，峰電流先變大后變小，富集電位為-1.2V是最佳選擇。

圖6 對(duì)苯二酚峰電流隨富集時(shí)間的影響Fig.6 The effect of deposition time on the peak current of HQ

圖7 對(duì)苯二酚峰電流隨富集電位的影響Fig.7 The effect of deposition potential on the peak current ofHQ

2.3 對(duì)苯二酚和鄰苯二酚的同時(shí)檢測(cè)

在優(yōu)化的最佳條件下，保持檢測(cè)體系中鄰苯二酚濃度不變 （80μmol/L），改變對(duì)苯二酚的濃度，對(duì)苯二酚在納米NiO/石墨烯修飾電極上的響應(yīng)如圖8A所示。圖8B可以看出，在5.0×10-6～8.0×10-4mol/L的濃度范圍，對(duì)苯二酚濃度與其峰電流表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)的線性方程為：I=-0.06016 c+0.78208，相關(guān)系數(shù)r=0.9947（其中I表示峰電流，c表示對(duì)苯二酚濃度，單位分別為 μA、μmol/L）。

圖8 A 不同濃度對(duì)苯二酚和80μmol/L鄰苯二酚在NiO-RGO/GCE上的DPV圖（a→h濃度分別為5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L）Fig.8 ADPV curves of different concentration HQ and 80 μmol/LCCat the NiO-RGO/GCE(a→h:the concentration was5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L,respectively)

圖8 B 對(duì)苯二酚濃度與峰電流的線性關(guān)系圖Fig.8B The linear relation curve ofHQ concentration and peak current

同等條件下，當(dāng)保持對(duì)苯二酚的濃度不變（80μmol/L），用納米NiO/石墨烯修飾電極上測(cè)得的鄰苯二酚的響應(yīng)結(jié)果如圖9A所示。由圖9B可以看出，鄰苯二酚濃度在 5.0×10-6～8.0×10-4mol/L的范圍內(nèi)，其濃度與峰電流值也表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)的線性方程為：I=-0.06043 c+0.82564，相關(guān)系數(shù)r=0.9946（其中I表示峰電流，c表示鄰苯二酚濃度，單位分別為μA、μmol/L）。

圖9 A 不同濃度鄰苯二酚和80μmol/L對(duì)苯二酚在NiO-RGO/GCE上的DPV（從a→h濃度分別為5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L）Fig.9A DPV curves of different concentration CC and 80 μmol/LHQ at the NiO-RGO/GCE(a→h:the concentration was5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L,respectively)

圖9 B 鄰苯二酚濃度與峰電流的線性關(guān)系圖Fig.9B The linear relation curve of CC concentration and peak current

圖10 A 不同濃度對(duì)苯二酚和鄰苯二酚在NiO-RGO/GCE 上的 DPV（從 a→h 濃度分別為 5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L）Fig.10A DPV curves of different concentration CC and HQ at the NiO-RGO/GCE(a→h:the concentration was 5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L,respectively)

圖10 (B-C) 不同濃度對(duì)苯二酚（B）和鄰苯二酚（C）與峰電流的線性關(guān)系圖Fig.10(B-C)The linear relation curves of HQ(B)and CC(C)concentration and peak current

如圖10A所示為同等條件下，同時(shí)改變對(duì)苯二酚和鄰苯二酚濃度，修飾電極的響應(yīng)圖。圖10B和圖10C分別為不同濃度的對(duì)苯二酚和鄰苯二酚與峰電流的線性關(guān)系圖，從圖中可以看出，在 5.0×10-6～8.0×10-4mol/L 的范圍內(nèi)，兩種酚的峰電流分別與其濃度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。對(duì)苯二酚對(duì)應(yīng)的線性方程為：I=-0.05838 c-0.45128，相關(guān)系數(shù)r=0.9978，檢出限為1.0×10-7mol/L；而鄰苯二酚對(duì)應(yīng)的線性方程為：I=-.05352 c-0.19648，相關(guān)系數(shù) r=0.9990，檢出限為5.0×10-7mol/L（其中I表示峰電流，c表示鄰苯二酚濃度，單位分別為 μA、μmol/L）。

2.4 干擾實(shí)驗(yàn)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，往1×10-4mol/L的對(duì)苯二酚和鄰苯二酚溶液加入多種常見的離子和常見酚類物質(zhì)，用修飾電極進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，100 倍的 SO42-、Cl-、Br-、Mg2+、Na+、Fe3+、Ca2+以及半胱氨酸、賴氨酸、葡萄糖、對(duì)硝基苯酚都不會(huì)對(duì)測(cè)定造成干擾，表明修飾電極具有很好的選擇性。

2.5 重現(xiàn)性、重復(fù)性及穩(wěn)定性

使用同一支納米NiO/RGO修飾電極，連續(xù)5次測(cè)定濃度為1×10-4mol/L的對(duì)苯二酚和鄰苯二酚混合溶液，兩者峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為3.1%、3.9%，表明該修飾電極有較好的重現(xiàn)性。

使用5支不同的納米NiO/RGO修飾電極進(jìn)行測(cè)定，對(duì)苯二酚和鄰苯二酚的RSD分別為3.9%、4.4%，表明該修飾電極有較好的重復(fù)性。

將納米NiO/RGO修飾電極置于4℃的條件下，放置5 d后，對(duì)苯二酚和鄰苯二酚的峰電位沒有發(fā)生太大的變化，峰電流為初始電流的92.4%、91.7%，表明該修飾電極有較好的穩(wěn)定性。

2.6 模擬樣品分析

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，以加入不同濃度的對(duì)苯二酚和鄰苯二酚的自來水為模擬水樣，然后用緩沖溶液對(duì)其進(jìn)行稀釋，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，樣品回收率在91.0%～105.5%，表明該實(shí)驗(yàn)方法有較好的可靠性，有望用于實(shí)際污染水樣的分析測(cè)定。

表1 模擬樣品中對(duì)苯二酚和鄰苯二酚的回收率Tab.1 Recoveries of different HQ and CC concentrations in simulated samples

3 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)采用Hummers方法制備氧化石墨烯，然后滴涂在電極表面，通過電化學(xué)一步共還原制備出具有優(yōu)異電催化性能的納米NiO/石墨烯修飾電極，用于鄰苯二酚和對(duì)苯二酚的同時(shí)電化學(xué)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，該修飾電極具有較好的重現(xiàn)性、選擇性和穩(wěn)定性，而且制作簡(jiǎn)單、成本低及靈敏度較高，有望實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染實(shí)際水樣中對(duì)苯二酚和鄰苯二酚的同時(shí)測(cè)定。

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