二茂鐵巰基化合物/金納米粒子/還原石墨烯修飾電化學(xué)傳感器檢測(cè)Cu2+

楊 梅, 謝成根, 吳 菊, 金俊成, 程 超， 單宏偉

(皖西學(xué)院材料與化工學(xué)院，安徽仿生傳感與檢測(cè)技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽六安 237012)

銅元素是人體進(jìn)行正常生命活動(dòng)所必需的微量元素之一，影響著人體的正常代謝，對(duì)人體中多種酶的合成及增強(qiáng)人體免疫力有著重要作用[1]。測(cè)量Cu2+方法最常見的有：熒光法[2 - 3]、原子吸收光譜法[4]、電化學(xué)分析方法等[5]。其中電化學(xué)方法，尤其是伏安法，因其具有使用費(fèi)用低，儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，檢測(cè)步驟簡(jiǎn)便，易于操作的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于金屬離子的檢測(cè)分析。還原石墨烯(RGO)具備較大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的機(jī)械和吸附等特性,可以提高電化學(xué)傳感器的靈敏度[6]。二茂鐵(Fc)具有夾心結(jié)構(gòu)和芳香性的高度富電子特性，因其特有的結(jié)構(gòu)而具有良好的反應(yīng)活性，在大多數(shù)常見溶劑中可進(jìn)行可逆的單電子氧化，具有可逆的氧化還原特點(diǎn)。有機(jī)-無機(jī)雜化材料與兩種原始的有機(jī)化合物和無機(jī)化合物相比，表現(xiàn)出更強(qiáng)的電催化性能。

本文利用RGO較大的比表面積和吸附性能，將RGO修飾到玻碳電極(GCE)上，再電沉積金納米粒子(AuNPs)，利用自組裝原理將二茂鐵巰基化合物(FcSH)修飾到AuNPs表面，制備成有機(jī)-無機(jī)雜化材料電化學(xué)傳感器[7 - 9]。Fc的富電子性能和良好的反應(yīng)活性可以與重金屬Cu2+發(fā)生配位作用，RGO和Fc在GCE上形成的有機(jī)-無機(jī)雜化材料提高了檢測(cè)的靈敏度，通過這一機(jī)理建立了超痕量Cu2+電化學(xué)檢測(cè)新方法[10 - 12]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

IS5紅外光譜儀(美國(guó)，熱電尼高力)；TU-1901紫外光譜儀(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，三電極體系：以修飾GCE作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲電極作為對(duì)電極。

二茂鐵甲醛(Fc,薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司)，石墨(上海膠體化工廠)，半胱氨酸(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，氯金酸(上海三愛思試劑有限公司)，水合肼(天津市福晨化學(xué)試劑廠)。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

1.2 RGO的制備

參照文獻(xiàn)方法[13]制備RGO。

1.3 FcSH的制備

FcSH合成路線如下：

取含有1.0 mmol L-半胱氨酸的10 mL無水乙醇溶液，置于圓底燒瓶中,在50～60 ℃油浴中，攪拌下滴加含有1.0 mmol二茂鐵甲醛的10 mL無水乙醇溶液，反應(yīng)4 h，過濾，并用少量無水乙醇洗滌，干燥后即得產(chǎn)物FcSH化合物。 紅外光譜表明在波數(shù)1 606 cm-1處是-C=N伸縮振動(dòng)，波數(shù)為3 057 cm-1、1 387 cm-1、1 122 cm-1處的峰為Fc的特征吸收峰， 2 570 cm-1是-SH伸縮振動(dòng)。紫外光譜表明Fc基團(tuán)的最大紫外吸收峰在225 nm處，-C=O基團(tuán)最大吸收峰在265 nm處[14]。

1.4 傳感器的制備

1.4.1FcSH/AuNPs/RGO/GCE電化學(xué)傳感器的制備分別用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末將GCE拋光成鏡面，依次用乙醇和二次蒸餾水超聲清洗后，氮?dú)饬鞔蹈?。在處理后的GCE表面滴加RGO，靜置風(fēng)干后，將電極放在5 mmol的氯金酸溶液中，于-0.6 V～+0.6 V電位下，用循環(huán)伏安法沉積AuNPs，再將電極放入含有2 mmol/L FcSH化合物的乙醇溶液中浸泡48 h后取出電極，依次用乙醇和二次蒸餾水沖洗，氮?dú)饬鞔蹈?，即制FcSH/AuNPs/RGO/GCE電化學(xué)傳感器。

圖1 FcSH/AuNPs/RGO/GC 電化學(xué)傳感器的制備Fig.1 Schematic illustration showing the preparation of the FcSH/AuNPs/RGO/GC sensor

1.4.2FcSH/AuNPs/RGO/GCE電化學(xué)傳感器的電化學(xué)測(cè)定將三電極體系浸入含一定濃度Cu2+的0.1 mol/L HCl 支持電解質(zhì)的電解池中，在-0.2 V～+0.6 V的電位范圍內(nèi)，陰極富集，于富集電位為-0.2 V，靜置時(shí)間為180 s條件下進(jìn)行方波伏安法掃描，記錄方波伏安峰電流。

2 結(jié)果與討論

2.1 RGO/GCE、AuNPs/GCE和AuNPs/RGO/GCE的掃描電鏡形貌表征

從RGO/GCE、AuNPs/GCE和AuNPs/RGO/GCE的掃描電鏡(SEM)形貌來看，圖2A中RGO具有褶皺的卷曲狀結(jié)構(gòu)，圖2B中AuNPs在GCE上以聚集的形式存在，圖2C中AuNPs分散在RGO薄層上，AuNPs顆粒大小的變化表明了AuNPs和RGO之間有相互作用。

2.2 FcSH/AuNPs/RGO/GCE電化學(xué)傳感器的的電化學(xué)表征

從RGO/GCE、AuNPs/GCE、AuNPs/RGO/GCE和FcSH/AuNPs/RGO/GCE的交流阻抗(圖3)可以看出，F(xiàn)cSH/AuNPs/RGO/GCE共修飾電極增大了GCE的比表面積和導(dǎo)電性。從圖4可以看出不同修飾電極在1.0×10-12mol/L Cu2+溶液(0.01 mol/L HCl)中檢測(cè)，F(xiàn)cSH/AuNPs/RGO/GCE方波伏安峰電流最大，電化學(xué)響應(yīng)最好，說明FcSH化合物對(duì)于痕量Cu2+具有很好的結(jié)合作用。

圖2 GCE表面修飾層的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 SEM images of modified layer on GCEA.RGO/GCE；B.AuNPs/GCE；C.AuNPs/RGO/GCE.

圖3 不同材料修飾GCE的阻抗(EIS)圖Fig.3 EIS of GCE modified with different materials

圖4 Cu2+在不同材料修飾GCE上的方波伏安圖Fig.4 Square -wave voltammograms of 1.0×10-12 mol/L Cu2+ at GCE modified with different materials

2.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化[14]

實(shí)驗(yàn)表明，支持電解質(zhì)對(duì)Cu2+的方波伏安曲線影響較大，圖5表示在含有1.0×10-12mol/L Cu2+的0.1 mol/L HCl、HNO3和 H2SO4的方波伏安曲線。由圖可知，在HCl介質(zhì)中體系的方波伏安曲線最好，峰電流最大，所以實(shí)驗(yàn)中選擇HCl為支持電解質(zhì)。進(jìn)一步探討了1.0×10-12mol/L Cu2+分別于0.001、0.01、0.1 mol/L HCl介質(zhì)中的方波伏安曲線。如圖6所示，在0.01 mol/L HCl中1.0×10-12mol/L Cu2+的方波伏安峰電流最大，所以實(shí)驗(yàn)中的HCl濃度選擇為0.01 mol/L。同樣討論了富集時(shí)間對(duì)Cu2+的方波伏安峰電流的影響，結(jié)果表明最佳的富集時(shí)間為180 s。

圖5 不同支持電解質(zhì)中1.0×10-12 mol/L Cu2+的方波伏安圖Fig.5 Square -wave voltammograms of 1.0×10-12 mol/L Cu2+ in 0.1 mol/L HCl,0.1 mol/L HNO3 and 0.1 mol/L H2SO4

圖6 不同濃度支持電解質(zhì)中1.0×10-12 mol/L Cu2+的方波伏安圖Fig.6 Square -wave voltammograms of 1.0×10-12 mol/L Cu2+ in 0.1 mol/L HCl,0.01 mol/L HCl and 0.001 mol/L HCl

2.4 FcSH/AuNPs/RGO/GCE電化學(xué)傳感器應(yīng)用

圖7為FcSH/AuNPs/RGO/GCE 電化學(xué)傳感器在最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，在 Cu2+濃度為1.0×10-12～1.0×10-11mol/L、1.0×10-11～1.0×10-10mol/L范圍內(nèi)的方波伏安曲線。結(jié)果顯示Cu2+的濃度在上述范圍內(nèi)與其峰電流(ip)呈良好的線性關(guān)系，Cu2+濃度在1.0×10-12～1.0×10-11mol/L范圍內(nèi)的回歸方程為:i(μA)=0.682c(1.0×10-12mol/L)+2.732，相關(guān)性系數(shù)為0.9866；Cu2+濃度在1.0×10-11～1.0×10-10mol/L范圍內(nèi)回歸方程為：i(μA)=0.377c(1.0×10-12mol/L)+6.583，相關(guān)系數(shù)為0.9974，檢出限(S/N=3)為0.94×10-12mol/L。對(duì)1.0×10-11mol/L Cu2+平行測(cè)定8次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.8%。

圖7 不同濃度Cu2+在0.01 mol/L HCl中的方波伏安圖(A)和Cu2+的校正曲線(B)Fig.7 Square -wave voltammograms of increasing Cu2+ concentration in 0.01 mol/L HCl(A) and the calibration curve of Cu2+(B)

2.5 方法的選擇性和穩(wěn)定性

2.6 分析應(yīng)用

將本方法應(yīng)用于已知Cu2+含量樣品的檢測(cè)，每個(gè)加標(biāo)水平做6次平行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算不同樣品中的Cu2+含量，以考察該方法的精密度和回收率，具體結(jié)果見表l。從表1中可見回收率為92.9%～106.2%，RSD為2.6%～4.2%。說明該方法準(zhǔn)確度較高[15 - 16]。

表1 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于FcSH/AuNPs/RGO/GCE電化學(xué)傳感器，建立了電化學(xué)方波伏安法測(cè)定Cu2+的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法靈敏度高、檢出限低，并具有良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，可用于溶液中Cu2+的測(cè)定，顯示了本方法在Cu2+檢測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。