石墨烯量子點/PtAu復合電極應用于四環(huán)素的電化學檢測

李愛莉， 朱建豪， 陳帥妤， 梅言玉， 許 賀

(東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海 201620)

四環(huán)素(Tetracycline，TTC)抗生素具有廣譜抗菌作用，被廣泛應用于治療和預防動物疾病。TTC在自然界中難以降解，多級富集后對生物體和環(huán)境產(chǎn)生極大的危害作用[1]。傳統(tǒng)的檢測技術，如高效液相色譜法(HPLC)[2]、質譜法(MS)、HPLC-MS、酶聯(lián)免疫法[5]等方法，難以推廣于TTC的現(xiàn)場快速檢測。電化學法由于具有儀器設備相對簡單，分析速度快，攜帶方便以及高靈敏的檢測信號等優(yōu)點，易推廣到突發(fā)污染事件的現(xiàn)場、快速檢測[6,7]。近年來電化學檢測方面的研究取得一定的進展，主要采用適配體[8,9]和免疫傳感器[10,11]檢測。這些方法雖具有較高靈敏度，但操作繁瑣和實驗條件嚴苛，限制了它們的應用范圍。因此，有必要發(fā)展簡單、快速、靈敏、價廉的電化學分析方法。TTC在化學結構上均屬于多環(huán)并四苯羧基酰胺母核的衍生物，催化電勢較高，電化學反應較難進行。據(jù)報道，TTC的催化位點通常是10號位的羥基氧化，過高的氧化電位限制了直接電化學在TTC檢測中的應用。因此，探索TTC的高靈敏、高準確性電極敏感材料，實現(xiàn)TTC定量檢測具有重要的研究意義。

石墨烯量子點(GQDs)是近年來發(fā)展起來的一種新型零維石墨烯材料，具有比表面積大、導電性高、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在電化學方面具有良好的發(fā)展應用前景[16,17]。采用GQDs修飾電極作為基底材料，可以更好地提高電極的導電性和電活性面積。Au和Pt納米粒子有獨特的催化性能和導電特性，將其沉積在大比表面積的GQDs修飾電極界面，不僅進一步提高電極的催化性能，而且可很好地降低Au和Pt納米粒子的用量。目前，采用電化學法直接檢測TTC的研究較少，而以GQDs、Au和Pt復合電極應用于TTC的檢測尚未見報道。

本文以石墨烯量子點修飾玻碳電極(GQDs/GCE)作為基底電極，采用電化學共聚方法制備Au和Pt復合材料，得到GQDs/PtAu/GCE復合電極，并將其應用于TTC的電化學檢測，探討GQDs/PtAu/GCE催化氧化TTC的電子轉移途徑和反應機理。結果表明，GQDs/PtAu/GCE復合電極對TTC表現(xiàn)出了良好的電催化性能，顯著降低了TTC氧化電位。電氧化過程出現(xiàn)兩個氧化峰，其中高電位氧化峰較穩(wěn)定，用于TTC的氧化檢測，具有良好的檢測結果。該方法具有一定的穩(wěn)定性和準確性，有望用于實際環(huán)境樣品中四環(huán)素類抗生素的定量檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

所有電化學實驗均在CHI760E電化學工作站上(上海辰華儀器有限公司)進行。采用三電極體系：工作電極為修飾的玻碳電極(GCE，直徑3 mm)，參比電極和輔助電極分別為飽和甘汞電極和鉑絲。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡-能譜儀(S-4800型，日本)對復合電極的形貌和組成進行表征；通過場發(fā)射透射電鏡(JEM-2100 F，日本)對GQDs的形貌和尺寸進行表征。

K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、Na2HPO4、KH2PO4、H2PtCl4、HAuCl4、KCl、氯霉素、土霉素、無水乙醇均購于國藥集團(上海)化學試劑有限公司；5%Nafion溶液(美國Sigma-Adlrich)；鹽酸四環(huán)素、氯四環(huán)素、硫酸卡那霉素、布洛芬和氟比洛芬均購于北京百靈威科技有限公司。所有的化學品均是優(yōu)級純，實驗用水為去離子水。實驗前溶液需通氮除氧。

1.2 GQDs/PtAu/GCE的制備

GQDs依據(jù)文獻方法[18,19]制備。電化學實驗前需對GCE進行預處理，在麂皮上將0.05 μm的Al2O3粉末與水混合形成糊狀懸濁液，打磨拋光GCE成鏡面。并將GCE依次在HNO3(1∶1)、乙醇和水中各超聲5 min，晾干后待用。稱取4 mg GQDs置于2 mL 0.5%Nafion乙醇溶液中，超聲分散30 min，以形成均勻的黑色懸濁液。滴涂10 μL 2 mg/mL GQDs 的懸濁液于GCE表面，制得GQDs/GCE。

以GQDs/GCE為工作電極，在含1.8 mmol/L HAuCl4和2.0 mmol/L H2Pt2Cl4的0.5 mol/L H2SO4中，采用循環(huán)伏安法電沉積制備修飾電極。在電位區(qū)間-0.6～+1.05 V連續(xù)掃描40圈，掃速為100 mV/s，將Pt和Au粒子同時電鍍至GQDs/GCE上，得到GQDs/PtAu/GCE復合電極。Pt/GQDs/GCE和Au/GQDs/GCE復合電極的制備方法與上述過程一致，只是電解質溶液中含2.0 mmol/L H2PtCl4或含1.8 mmol/L HAuCl4的0.5 mol/L H2SO4。Au和Pt粒子的電沉積均在室溫條件下進行。

1.3 TTC的電化學檢測方法

將TTC標準品溶于無水乙醇中配成2 g/L母液保存待用，使用前進行適量稀釋。電化學檢測TTC實驗均采用0.1 mol/L KH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液(PBS，pH=3.0)作為支持電解質。高濃度TTC采用循環(huán)伏安法進行檢測，將0.1 mol/L PBS(pH=3.0)電解質置于電解池中，加入適量TTC標準溶液。循環(huán)伏安掃描電位范圍為-0.2～+1.6 V，掃速為50 mV/s，吸附時間為10～20 s。每次檢測結束后，采用線性伏安掃描，在+1.6～-0.2 V由正向負電位掃描數(shù)次，以減少氧化產(chǎn)物對電極表面的影響。低濃度TTC采用安培法(i-t)進行檢測，施加電位為0.9 V，測定間隔20 s，檢測溶液處于攪拌狀態(tài)，攪拌速度保持恒定。電極每次安培檢測TTC后，再利用i-t曲線，施加+1.0 V左右電位，在攪拌狀態(tài)下清洗電極數(shù)秒，至電極表面反應完全，以處理吸附在復合電極上的TTC，實現(xiàn)電極的再生。

2 結果與討論

2.1 GQDs的透射電鏡(TEM)表征

圖1是GQDs在不同放大倍數(shù)下的TEM表征圖。從圖中可以看出，GQDs尺寸微小，分散均勻，無團聚現(xiàn)象，粒徑大約在10 nm以下。熒光實驗已證明10 nm以下的GQDs呈現(xiàn)CQDs的性質[16,18]。

圖1 GQDs的透射電鏡(TEM)圖Fig.1 TEM images of GQDs

2.2 復合電極的掃描電鏡(SEM)表征

圖2顯示了不同復合電極的SEM和能譜(EDS)表征圖。從圖中可看出，GQDs在SEM圖中并不明顯，一方面由于SEM分辨率有限。另一方面，GQDs分散于Nafion溶液中得到GQDs/GCE。Nafion是網(wǎng)狀聚合物，對GQDs有很好的分散作用，可以提高復合電極的穩(wěn)定性。但由于Nafion本身導電性極差，對復合電極的形貌和性質有一定的影響[20]。考慮到Nafion的良好分散性和穩(wěn)定性以及實驗結果的可重復性，本實驗仍采用Nafion作為GQDs的分散溶液。

圖2A和2B是Pt/GQDs/GCE的SEM和EDX圖，可以看出，Pt粒子成功電鍍在GQDs/GCE表面，呈現(xiàn)球形且粒度較小，分布均勻性稍差。圖2C和2D是Au/GQDs/GCE的SEM和EDX圖，Au粒子亦成功沉積在GQDs/GCE表面，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，部分區(qū)域有少量團簇現(xiàn)象。圖2E和2F是GQDs/PtAu/GCE復合電極的SEM和EDX圖，從圖中可以看出，Pt和Au粒子同時電鍍在GQDs/GCE表面，且Pt和Au粒子相互“包裹”形式沉積于電極表面，粒徑適中且分布均勻。據(jù)EDS粗略統(tǒng)計分析(n=3)，Pt/GQDs/GCE的Pt平均含量為15.24%，Au/GQDs/GCE的Au平均含量為42.42%，GQDs/PtAu/GCE的Pt平均含量為17.62%，Au平均含量為30.81%。再次證明Pt粒子和Au粒子同時成功沉積在GQDs/GCE表面，且與Pt/GQDs/GCE和Au/GQDs/GCE的含量與形貌不同。根據(jù)Au和Pt循環(huán)伏安制備方法和SEM、EDX表征可得知，Au和Pt是復合物而非合金材料。

Fig.2 Pt/GQDs/GCE(A、B)、Au/GQDs/GCE(C、D)和GQDs/PtAu/GCE(E、F)復合電極的掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)圖Fig.2 SEM images and EDS of Pt/GQDs/GCE(A,B),Au/GQDs/GCE(C,D) and GQDs/PtAu/GCE(E,F)

2.3 GQDs/PtAu/GCE復合電極對TTC的電化學性能

圖3為不同電極在0.1 mol/L PBS(pH=3.0)中對2.0×10-3mol/L TTC的循環(huán)伏安圖。從圖中可以看出，GQDs/GCE對TTC有較小的電流信號，氧化電位約為1.05 V，負電位掃描未出現(xiàn)還原峰，說明TTC在該電極上的電化學催化是不可逆反應。Pt/GQDs/GCE對TTC檢測的性能比GQDs/GCE有一定程度提升，峰電流稍微提高，氧化電位負移至1.02 V，但峰形較寬，氧化峰位不明顯。Au/GQDs/GCE復合電極對TTC的檢測性能比GQDs/GCE和Pt/GQDs/GCE的信號稍強，出現(xiàn)明顯的氧化峰。但起始氧化電位正移至1.1 V處，峰電位約為1.25 V。原因可能是單獨Au粒子易于在電極表面團聚(SEM圖也證實)，不利于TTC的催化氧化。負電位掃描約0.7～0.8 V出現(xiàn)的峰是金屬氧化物的還原峰[22]，約0.1 V處出現(xiàn)的峰為H2析出峰[23]。然而，GQDs/PtAu/GCE復合電極對TTC的檢測性能明顯優(yōu)于其他電極，起始氧化電位負移至0.8 V，峰電位約為0.9 V，并且峰電流顯著提高，說明該復合電極具有更好的電化學性能，更有利于TTC的電催化氧化。此氧化峰電位(峰1，0.5 V和峰2,0.9 V)與文獻方法相比,如Pt納米粒子/碳電極(氧化電位：0.95 V和1.15 V vs.SCE)[14]，石墨烯/L-半胱氨酸修飾電極(氧化電位：0.8 V和0.98 V vs.SCE)[15]，碳納米管修飾電極(氧化電位：+1.2 V vs.SCE)等，有很大程度的降低。TTC氧化電位降低，有利于采用電催化氧化對TTC進行準確檢測。

圖3 GQDs/GCE(a)、Pt/GQDs/GCE(b)、Au/GQDs/GCE(c)和GQDs/PtAu/GQDs/GCE(d)對2.0×10-3 mol/L TTC檢測的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of GQDs/GCE(a),Pt/GQDs/GCE(b),Au/GQDs/GCE(c) and GQDs/PtAu/GCE(d) for the detection of 2.0×10-3 mol/L TTCThe electrolyte:0.1 mol/L PBS,pH=3.0.

2.4 GQDs/PtAu/GCE對TTC電化學特性

圖4 (A) GQDs/PtAu/GCE對2.0×10-3 mol/L TTC在不同掃速下的循環(huán)伏安圖(a→l:10,20,30,40,50,60,80,100,120,140,160,200 mV/s)；(B)峰電位與logv的線性關系圖(掃速范圍10～100 mV/s)Fig.4 (A) Cyclic voltammograms for the detection of 2.0×10-3 mol/L TTC at the GQDs/PtAu/GCE in the different scan rates(a→l:10,20,30,40,50,60,80,100,120,140,160,200 mV/s;(B) Linear plot of peak potential vs.logv(Scan rate range:10 - 100 mV/s)

根據(jù)實驗結果和前期研究，TTC的電氧化反應機理推測如下(圖5)：在相對較低的氧化電位下，TTC結構中10號位上的羥基會發(fā)生氧化，失去1個電子和1個質子，變成含氧自由基。但它在溶液中很不穩(wěn)定，尤其在高氧化電位下，會迅速失去另一個電子，變成較穩(wěn)定的雙氧鍵結構。而7號位帶有正電荷，有一部分TTC則直接失去個2電子和1個質子，生成帶正電結構的物質(如虛線箭頭所示)。接著，帶正電結構的物質會結合電負性強的水分子中的氧，同時失去2個電子，這個過程在循環(huán)伏安曲線上以氧化峰2的形式表現(xiàn)出來。在循環(huán)伏安法的正向掃描中，這兩步反應隨電位的升高先后發(fā)生，產(chǎn)生相應的催化電流。通過實驗也發(fā)現(xiàn)，低電位的氧化峰不穩(wěn)定。根據(jù)氧化峰的穩(wěn)定性和反應完全性，考慮約0.9 V作為檢測的氧化電位。

圖5 四環(huán)素的電化學氧化反應途徑Fig.5 Reaction pathway of electrochemical oxidation of TTC

2.5 GQDs/PtAu/GQDs/GCE對四環(huán)素的電化學檢測

2.5.1 循環(huán)伏安法圖6為GQDs/PtAu/GQDs/GCE對高濃度TTC連續(xù)檢測的循環(huán)伏安圖。從圖中可以看出，TTC的氧化峰電流隨其濃度的增加而增大。以氧化電位0.9 V處峰電流與濃度之間的關系，得出TTC的氧化電流與其濃度在1.0×10-4～0.2 mol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關系，初步判斷該復合電極可以對TTC進行連續(xù)檢測，其氧化電流與TTC濃度具有良好的正相關性。

圖6 GQDs/PtAu/GQDs/GCE對高濃度TTC連續(xù)檢測的循環(huán)伏安圖Fig.6 Cyclic voltammograms for the consecutive detection of high concentration of TTC at the GQDs/PtAu/GCE

2.5.2 安培法由于循環(huán)伏安法的靈敏度限制，低濃度的TTC采用安培法進行檢測。圖7為GQDs/PtAu/GCE對5.0×10-7～2.25×10-4mol/L TTC檢測的i-t曲線。從圖中可以看出，隨著TTC濃度的增加，氧化電流逐漸增大，電流與TTC的濃度呈現(xiàn)兩段線性范圍，其中5.0×10-7～3.5×10-5mol/L的線性方程為：Ip(mA)=18.59cTTC+0.0364(R2=0.9922)；4.5×10-5～2.25×10-4mol/L的線性方程為：Ip(mA)=3.368cTTC+0.5744(R2=0.9942)。通過兩段線性關系的斜率(靈敏度)比較，該方法在TTC低濃度時靈敏度更高。TTC高濃度時，隨著TTC濃度增加，電流信號增加緩慢，靈敏度降低，可能由于電極表面吸附造成飽和所致。本實驗采用電位+1.0 V，在攪拌狀態(tài)下氧化數(shù)秒，致使電極表面的產(chǎn)物徹底氧化以實現(xiàn)電極的再生。采用安培法更適用于低濃度TTC的定量檢測。經(jīng)過計算，該方法的檢出限(S/N=3)為1.5×10-7mol/L，優(yōu)于馬鈴薯淀粉/碳黑/GCE[6]、Au納米粒子/分子印跡過氧化吡咯/碳電極[12]、Pt納米粒子/碳電極[14]、石墨烯/L-半胱氨酸/GCE[15]、碳納米管/GCE、氧化石墨烯修飾電極[25],可望用于實際樣品中TTC的定量檢測。

圖7 GQDs/PtAu/GCE上不同濃度TTC在0.1 mol/L PBS(pH=3.0)中檢測的安培曲線Fig.7 Amperometric curves for TTC detection at the GQDs/PtAu/GCE with different concentration in 0.1 mol/L PBS(pH=3.0)Inset:plot of peak current vs.TTC concentration.

2.6 GQDs/PtAu/GCE的性能評價

將同一支GQDs/PtAu/GCE在3.5×10-5mol/L TTC溶液中連續(xù)測定15次，其氧化峰電流的相對標準偏差(RSD)為4.72%。將6支不同GQDs/PtAu/GCE應用于3.5×10-5mol/L TTC溶液中檢測，所得峰電流的RSD為4.95%，證明該電極具有良好的穩(wěn)定性和重復性。

為了考察GQDs/PtAu/GCE對TTC檢測的選擇性，研究了不同干擾物如卡那霉素、氯霉素、氟比洛芬、布洛芬、鹽酸四環(huán)素、氯四環(huán)素在3.5×10-5mol/L TTC溶液中的電流響應。研究表明，20倍濃度的卡那霉素、氯霉素、氟比洛芬、布洛芬在0.9 V氧化電位下對TTC檢測無明顯干擾。但同分異構體的鹽酸四環(huán)素、氯四環(huán)素在該氧化電位下會增加TTC的催化電流，說明該方法對TTC的同分異構體無法區(qū)分，適用于檢測TTC類抗生素的總含量。

2.7 實際樣品的檢測

取東華大學松江校區(qū)鏡月湖水樣，在最佳制備和測試條件下，考察GQDs/PtAu/GCE的實用性。水樣經(jīng)濾膜(直徑0.45 μm)過濾后，取3 mL放入電化學檢測池中，用0.1 mol/L PBS稀釋至10 mL，調節(jié)pH為3.0，用標準加入法進行測定，加標回收率在95.6%～105.7%之間(表1)。

表1 樣品分析結果及回收實驗(n=3)Table 1 Analytical results of samples and recovery tests(n=3)

3 結論

本文基于GQDs/PtAu復合材料修飾電極，發(fā)展了一種簡單、快速、直接檢測TTC的電化學方法。研究了TTC在GQDs/PtAu/GCE上的電催化反應機理和氧化行為。GQDs/PtAu/GCE呈現(xiàn)出優(yōu)良的電催化性能，顯著降低了TTC的氧化電位，有利于TTC的催化氧化檢測。GQDs/PtAu/GCE對于TTC的檢測具有寬的線性范圍和低的檢出限，同時具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，對于環(huán)境樣品中TTC類抗生素的總量測定具有潛在應用價值。