聚多巴胺-還原氧化石墨烯修飾電極同時(shí)測(cè)定鄰苯二酚和對(duì)苯二酚

常鳳霞*， 譚 炯， 張熠佳

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川成都 610041)

鄰苯二酚(Catechol,CC)是重要的化工中間體，它在橡膠、電鍍、顯影劑等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1]。對(duì)苯二酚(Hydroquinone，HQ)是CC的同分異構(gòu)體，也是一種重要的化工原料，它在顯影劑、燃料、阻聚劑、涂料等的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[2]。CC和HQ結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相近，常共存于工業(yè)污水中，并且具有毒性及低降解性，是重要的環(huán)境污染物[3]。因此，對(duì)CC和HQ的高選擇性、高靈敏度同時(shí)檢測(cè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前已發(fā)展的CC和HQ的檢測(cè)方法包括高效液相色譜法[4]、分光光度法[5]、毛細(xì)管電泳法[6]、化學(xué)發(fā)光法[7]等。電化學(xué)方法具有儀器簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速、便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、選擇性高和靈敏度高等特點(diǎn)[8 - 9]。但電化學(xué)方法同時(shí)檢測(cè)CC和HQ的難點(diǎn)在于二者的峰電位接近，信號(hào)峰易發(fā)生重疊[10]，并且二者在電極表面的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程可能引起峰電流與濃度的關(guān)系偏離線性[11]。因此對(duì)電極進(jìn)行化學(xué)修飾以獲得足夠高的峰電位差，以及良好的峰電流和濃度的線性關(guān)系，在同時(shí)檢測(cè)CC和HQ的研究中具有重要意義。

石墨烯(GR)獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的光電化學(xué)性質(zhì)[12]。氧化石墨烯(GO)一定程度上破壞了GR的高度共軛結(jié)構(gòu)，但是仍保留了特殊的層狀結(jié)構(gòu)與表面性能。含氧基團(tuán)的引入不僅可提高材料的溶解性，有效抑制GR團(tuán)聚過(guò)程，而且可提供表面修飾活性位點(diǎn)，賦予材料更多的功能和性質(zhì)[13]。還原氧化石墨烯(rGO)是GO的還原產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可避免產(chǎn)物因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變質(zhì)[14]。rGO具有高比表面積、高化學(xué)穩(wěn)定性以及獨(dú)特的電子和機(jī)械性能，在電化學(xué)傳感領(lǐng)域備受關(guān)注[15 - 18]。由GO制備rGO的方法主要有熱還原法和化學(xué)還原法。熱還原法的缺點(diǎn)是耗能高和操作復(fù)雜?；瘜W(xué)還原法是目前應(yīng)用前景較好的方法，已有多種還原試劑被用于GO的還原，其中水合肼的應(yīng)用最廣泛。雖然水會(huì)肼的還原效率高，但是其高毒性驅(qū)動(dòng)了其他GO還原劑的研究[19]。維生素C、葡萄糖、褪黑素等都曾被用作GO的還原劑。另外，水熱還原、溶劑熱還原、催化還原、光致還原等方法也已被用于rGO的制備[20]。因此發(fā)展經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的GO還原方法具有重要意義。

多巴胺(DA)具有還原性，在弱堿性條件下氧化的過(guò)程中易聚合，生成聚多巴胺(PDA)[21]。PDA是一種具有強(qiáng)吸附性、易制備、易功能化、具有良好生物相容性的多功能材料，在電化學(xué)分析領(lǐng)域，PDA主要被用于納米材料的制備或提高修飾材料在電極表面的固定效果[22 - 24]。本文以DA作為還原劑，在還原GO的同時(shí)，在rGO表面形成的PDA薄層，可以增加rGO在電極表面的穩(wěn)定性。將制得的PDA-rGO修飾到玻碳電極(GCE)表面，實(shí)現(xiàn)了CC和HQ的同時(shí)檢測(cè)。以此建立了溫和、簡(jiǎn)便的可同時(shí)檢測(cè)CC和HQ的電化學(xué)分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

CHI 760e型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)；三電極體系：GCE、GO或PDA-rGO修飾的GCE為工作電極，參比和對(duì)電極分別為Ag/AgCl電極和鉑絲電極。

GO(純度>99%)、鹽酸多巴胺(分析純)(上海阿拉丁生化科技公司)，CC、HQ、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O、KCl、無(wú)水乙醇(分析純，成都科隆化學(xué)品公司)；所有試劑未經(jīng)純化直接使用。實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PDA-rGO的制備將10 mg GO分散于20 mL磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH=8.0)中，在持續(xù)通入高純N2的條件下，加入5 mg DA，在冰水浴中超聲10 min，然后在70 ℃、600 r/min條件下攪拌24 h，冷卻后離心，棄去上清液后加水再次離心，重復(fù)三次，最后加水至5 mL，得到PDA-rGO懸浮液。

1.2.2 GO/GCE和PDA-rGO/GCE的制備將GO置于水中，超聲分散20 min，得到濃度為2 mg/mL的懸浮液，每次使用前超聲處理5 min。用直徑0.05 μm的Al2O3拋光粉在麂皮上將GCE拋光至鏡面，然后依次在無(wú)水乙醇和水中各超聲清洗1 min，之后在紅外燈下烘干。用微量移液器移取5 μL GO或PDA-rGO懸浮液滴涂于干燥潔凈的GCE表面，用紅外燈烘干，即制得修飾電極GO/GCE或修飾電極PDA-rGO/GCE。

圖1 PDA-rGO及PDA-rGO/GCE的制備過(guò)程示意圖 Fig.1 Schematic diagram for the preparation of PDA-rGO and PDA-rGO/GCE

1.2.3 電化學(xué)測(cè)定首先，于含有CC和HQ的0.1 mol/L的PBS(pH=7.44)中，持續(xù)通入高純N210 min，然后采用三電極系統(tǒng)，以GO/GCE或PDA-rGO/GCE為工作電極，進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。掃描電位范圍為-0.1～0.6 V，掃速為50 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 CC和HQ在不同電極上的電化學(xué)行為

采用循環(huán)伏安法研究了CC和HQ共存時(shí)，他們?cè)贕CE、GO/GCE、PDA-rGO/GCE上的電化學(xué)行為，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，在未修飾的GCE上，濃度均為0.50 mmol/L CC和HQ的氧化峰重疊。在GO/GCE上，CC和HQ的氧化還原峰未發(fā)生重疊，還原峰峰形相對(duì)氧化峰更清晰，與裸GCE相比，氧化峰電位均降低，還原峰電位均增大。而在PDA-rGO/GCE上，CC和HQ的氧化峰電位差為114 mV，還原峰電位差為115 mV，與GO/GCE相比，氧化峰和還原峰均未發(fā)生重疊，同時(shí)峰形更加尖銳，峰電流顯著增加。說(shuō)明PDA-rGO對(duì)CC和HQ比GO有更強(qiáng)的電催化效果，并且CC和HQ氧化還原峰電位差異顯著，可用于對(duì)CC和HQ的同時(shí)檢測(cè)。

2.2 底液pH的選擇

CC和HQ的氧化還原反應(yīng)都有H+參與，因此研究了pH對(duì)PDA-rGO/GCE上CC和HQ電化學(xué)行為的影響，結(jié)果如圖3所示。在pH=3.06～8.73范圍內(nèi)，隨pH升高，CC和HQ的氧化還原峰負(fù)移。說(shuō)明隨pH升高，PDA-rGO對(duì)CC和HQ的催化能力增強(qiáng)，所需活化能降低，所以兩種酚能夠在更低的電位被氧化。CC和HQ峰電流隨pH變化無(wú)明顯規(guī)律，pH=7.44和pH=8.73的結(jié)果相比，峰電流更高，峰形更尖銳，并且更接近實(shí)際水樣的pH，因此選擇pH為7.44的PBS作為測(cè)定CC和HQ的支持電解質(zhì)溶液。

圖2 CC和HQ在GCE、GO/GCE和PDA-rGO/GCE上的循環(huán)伏安圖Fig.2 The cyclic voltammograms of CC and HQ at GCE,GO/GCE and PDA-rGO/GCE

圖3 不同pH的PBS底液中CC和HQ在PDA-rGO/ GCE上的循環(huán)伏安圖Fig.3 The cyclic voltammograms of CC and HQ at PDA-rGO/GCE in different pH PBS

2.3 PDA-rGO修飾量的選擇

圖4 不同體積PDA-rGO修飾GCE上的循環(huán)伏安圖Fig.4 The cyclic voltammograms at of CC and HQ at GCE modified by different volumes of PDA-rGO a-d:3 μL,5 μL,7 μL,9 μL,respectively.

研究了GCE表面PDA-rGO的修飾量對(duì)CC和HQ循環(huán)伏安掃描結(jié)果的影響(圖4)。分別用3、5、7、9 μL PDA-rGO懸浮液修飾GCE，觀察到CC和HQ峰電流隨PDA-rGO修飾量的增大而增大，靈敏度提高。繼續(xù)增大修飾體積存在修飾液易溢出GCE表面和修飾層過(guò)厚易脫落的問(wèn)題，所以選擇9 μL PDA-rGO懸浮液修飾的GCE進(jìn)行CC和HQ的同時(shí)測(cè)定。

2.4 峰電流與掃速的關(guān)系

研究了CC和HQ的氧化、還原峰電流大小與掃速的關(guān)系。在掃速10～300 mV/s范圍內(nèi)，隨掃速增加，峰電流增大(圖5A)。CC和HQ的氧化峰電流和還原峰電流都與掃速的平方根成正比(圖5B)，相關(guān)系數(shù)依次為0.9997、0.9976、0.9998和0.9998，說(shuō)明CC和HQ在PDA-rGO/GCE上的電化學(xué)過(guò)程由擴(kuò)散過(guò)程控制。

2.5 線性范圍和檢出限

圖5 (A)CC和HQ不同掃速下在PDA-rGO/GCE上的循環(huán)伏安圖(a-k:10、20、30、40、50、60、75、100、150、200、300 mV/s)；(B)峰電流與掃速平方根的線性關(guān)系曲線Fig.5 (A)The cyclic voltammograms of CC and HQ at PDA-rGO/GCE in different scan rates(a-k：10,20,30,40,50,60,75,100,150,200,300 mV/s);(B) The relationship curves of peak currents vs.square root of scan rates

在選定的PDA-rGO修飾量和底液pH條件下，用PDA-rGO/GCE對(duì)含有不同濃度的CC和HQ進(jìn)行了微分脈沖伏安法(DPV)檢測(cè)。結(jié)果顯示，在1.0×10-6～4.0×10-3mol/L濃度范圍內(nèi)，CC和HQ的峰電流ip與濃度呈線性關(guān)系(圖6)。CC和HQ的線性回歸方程分別為：ip(CC)=0.0340+0.0310c；ip(HQ)=0.00881+0.0268c，相關(guān)系數(shù)分別為0.996和0.997，檢出限(S/N=3)分別為2.0×10-7mol/L和3.6×10-7mol/L。與文獻(xiàn)報(bào)道的同時(shí)測(cè)定CC和HQ的方法相比，PDA-rGO/GCE修飾電極具有檢出限較低，線性范圍寬的特點(diǎn)，見(jiàn)表1。

圖6 不同濃度CC和HQ在PDA-rGO/GCE上的微分脈沖伏安圖(插圖為峰電流與濃度的線性關(guān)系曲線)Fig.6 The differential pulse voltammograms of CC and HQ with different concentrations at PDA-rGO/GCE(Inset is the linear relationship curves between peak currents and concentrations)a-i:0.00100,0.00500,0.0500,0.100,0.250,0.500,1.00,2.00,4.00 mmol/L.

2.6 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

考察了PDA-rGO/GCE檢測(cè)CC和HQ的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。對(duì)0.50 mmol/L的CC和HQ的混合溶液連續(xù)測(cè)定10次，峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)依次為3.0%和3.4%。說(shuō)明電極具有較好的穩(wěn)定性。用同樣方法制備了6根PDA-rGO/GCE，測(cè)定0.50 mmol/L的CC和HQ溶液，RSD分別為3.5%和3.9%。這表明該修飾電極制備方法具有較好的重現(xiàn)性。

2.7 干擾實(shí)驗(yàn)

在選定的實(shí)驗(yàn)條件下，混合溶液中CC和HQ的濃度均為5.0 μmol/L，考察了其它可能的干擾物對(duì)CC和HQ測(cè)定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用PDA-rGO/GCE檢測(cè)，20倍于CC和HQ濃度的苯酚、間苯二酚和硝基苯酚幾乎不干擾CC和HQ的測(cè)定(氧化峰電流改變<5%)。

2.8 實(shí)際樣品測(cè)定

為驗(yàn)證PDA-rGO/GCE在實(shí)際樣品檢測(cè)中的應(yīng)用潛力，采用該修飾電極，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)自來(lái)水水樣和西南民族大學(xué)映月潭水樣進(jìn)行了加標(biāo)回收檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。CC和HQ的加標(biāo)回收率在97.6%～100.6%范圍內(nèi)。

表1 不同修飾電極同時(shí)測(cè)定鄰苯二酚和對(duì)苯二酚的比較

表2 水樣中CC和HQ加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本研究用DA還原GO，構(gòu)建了PDA-rGO/GCE修飾電極。研究了CC和HQ在該修飾電極上的電化學(xué)行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，性質(zhì)相近的同分異構(gòu)體CC和HQ在該電極上的氧化峰電位差和還原峰電位差均超過(guò)110 mV，足以區(qū)分兩者信號(hào)，因此采用PDA-rGO/GCE修飾電極可對(duì)CC和HQ進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。優(yōu)化條件下，用微分脈沖伏安法對(duì)CC和HQ進(jìn)行測(cè)定，CC和HQ的峰電流與濃度都在1.0×10-6～4.0×10-3mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限(S/N=3)分別為2.0×10-7、3.6×10-7mol/L。本文中GO的還原以及PDA-rGO/GCE的構(gòu)建過(guò)程具有成本低、條件溫和、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，該修飾電極可應(yīng)用于水樣中CC和HQ的同時(shí)檢測(cè)。