《武汉工程大学学报》 2013年02期
16-23
出版日期：2013-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
石墨烯修饰电极同时测定邻苯二酚和对苯二酚
0引言石墨烯(Graphene)，又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料\[1\].石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料\[2\]，导热系数高达5 300 W/(m·K)\[3\]，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000 cm2/(V·s)，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料，其敏锐的导电性能用于电材料时有利于促进电子的转移，提供了一种新型的方式于电化学传感器和生物传感器\[411\].因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此提供了一种新的方式来研究电化学和生物传感器.已有报道石墨烯成功的应用于研究和检测一些生物和有机分子，包括DNA\[45\]，葡萄糖\[67\]，NADH\[5\]，过氧化氢\[5\]，多巴胺\[5,811\]，抗坏血酸\[5,811\]，尿酸\[5,811\]，血清素\[9\]等.邻苯二酚和对苯二酚是酚的两种同分异构体，是医药、食品和环境中的重要污染物.因此，建立一种快速、灵敏、简单、准确的测定邻苯二酚和对苯二酚的方法非常有意义.已经报道的邻苯二酚和对苯二酚的检测方法有气相色谱(GC)分析方法、荧光光度法、吸光度比值导数法、紫外分光光度法及双波长比值法等\[1216\]，但这些方法大都仪器昂贵，灵敏度低，且前处理复杂.相比于上述方法，电化学方法\[17\]具有仪器简单、选择性好、灵敏度高等优点.用石墨烯修饰电极检测塑料和水样中的邻苯二酚和对苯二酚已有报道\[1718\].本实验将3 mg石墨烯分散于1 mL DMF中超声分散30 min，取适量分散液滴涂于已经处理好的玻碳电极表面，红外烘干，即制得石墨烯修饰电极(GR/GCE)，用循环伏安法\[19\]研究了CC和HQ在磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中的电化学行为\[20\]，并对一系列浓度的CC和HQ进行了电化学测定，得到了较好的实验结果.该石墨烯修饰电极有望用于实际污水中邻苯二酚和对苯二酚含量的测定.1实验部分1.1仪器与试剂CHI760B电化学工作站(上海辰华仪器公司)，KQ250型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)，三电极系统：玻碳电极或修饰电极为工作电极；饱和甘汞电极为参比电极；铂丝电极为对电极.石墨烯(Graphene Nanopowder 8 nm flakes)；邻苯二酚和对苯二酚(上海三浦化工有限公司)；磷酸氢二钠柠檬酸溶液作为支持电解质；K3Fe(CN)6溶液：0.02 mol/L；避光保存.其它试剂均为分析纯，实验用水均为超纯水；实验均是在室温下进行.1.2石墨烯修饰电极的制备将3 mg石墨烯超声分散于1 mL DMF中，得到石墨烯悬浊液，然后用微量进样器取适量石墨烯分散液滴涂在预处理好的玻碳电极表面，红外烘干，即得到石墨烯修饰电极.第2期万其进，等：石墨烯修饰电极同时测定邻苯二酚和对苯二酚武汉工程大学学报第35卷2结果与讨论2.1GR/GCE循环伏安特性根据Hrapovic和Yang的观点\[2122\]，纳米材料电活性表面积越大，电催化性能越好，灵敏度越高.因此，选择循环伏安法来计算修饰电极电活性表面积.图1为裸电极(a)和GR/GCE(b)分别在5×10-3 mol/L［Fe(CN)6］3-/4溶液中的循环伏安图，可以看出与裸电极相比，GR/GCE的峰电流明显增加，这表明石墨烯修饰电极拥有较大的电活性表面积.图1裸电极(a)和石墨烯修饰电极(b)在5×10-3 mol/L\[Fe(CN)6\]3-/4溶液中的循环伏安图Fig.1CV of bare glassy carbon electrode(a) andGR/GCE(b)in 5×10-3mol/L［Fe(CN)6]3-/4at scan rate of 100 mv/s活性表面积可通过 RandlesSevcik 方程Ip=2.69×105AD1/2n3/2v1/2c来计算.其中n代表参加氧化还原反应反应电子数，A表示电极的活性表面积(cm2)，D表示分子在溶液中的扩散系数(cm2/s)，c为溶液浓度(mol/cm3)，v表示电位扫描速度(v/s).［Fe(CN)6］3-/4氧化还原体系是电化学研究最广泛的氧化还原对之一，属于单电子转移(n=1).当溶度为5×10-3 mol/L时，扩散系数(D)约为(6.79±0.02)×10-6 cm2/s.根据上述方程，可以计算出GR/GCE和裸电极的活性表面积的平均值分别为0.17 cm2和0.11 cm2，GR/GCE的活性表面积增加了54.5%.活性表面积的增加表明GR/GCE具有更好的电催化活性，适合作为电化学传感器和生物传感器.2.2GR/GCE的交流阻抗特性用交流阻抗法分别对裸电极和GR/GCE进行了表征.如图2所示，在选定的频率范围内，裸玻碳电极(曲线a)上探针\[Fe(CN)6\]3-/4-的阻抗谱图在高频部分出现半圆，在低频部分得到近似直线，这说明裸玻碳电极表面对电子的传递存在一定的阻抗，而在GR/GCE(曲线b)上，探针\[Fe(CN)6\]3-/4-的阻抗谱图基本上是一条直线，表明此时电极上不存在阻碍电子传递的物质，\[Fe(CN)6\]3-/4-非常容易达到表面发生氧化还原反应.说明石墨烯修饰层起到了增强电子传输的作用，与裸电极相比，GR/GCE的电导性明显增强.图2裸电极(a)和石墨烯修饰电极(b)的交流阻抗图邻苯二酚和对苯二酚分别在不同电极上的电化学行为图3为5×10-4 mol/L的邻苯二酚（CC）分别在裸电极(a)和GR/GCE(b)上的循环伏安图.由此可见，邻苯二酚在裸电极上的电化学行为是不可逆的且响应相对较弱，其氧化峰电位是486 mV，而在GR/GCE上的电化学行为是准可逆的且响应相对较强，其氧化峰电位是270 mV，氧化峰电位负移了216 mV，峰电流显著增大达到276 mA.由此可见，GR/GCE对邻苯二酚产生了明显的电催化作用.图4为5×10-4 mol/L的对苯二酚（HQ）分别在裸电极(a)和GR/GCE(b)上的循环伏安图.由此可见，对苯二酚在裸电极上氧化过电位较高（大于600 mV），而在GR/GCE上的电化学行为是准可逆的且响应相对较强，其氧化峰电位是145 mV，氧化峰电流显著增大达到257 mA.由此可见，GR/GCE对对苯二酚产生了明显的电催化作用.图3为5×10-4 mol/L CC在裸电极(a)和2.4.1支持电解质及pH的选择实验比较了邻苯二酚和对苯二酚在相同pH值的不同缓冲溶液如醋酸缓冲溶液、磷酸缓冲溶液、硫酸缓冲溶液、KH2PO4NaOH缓冲溶液、Na2HPO4柠檬酸缓冲溶液中的电化学行为，发现邻苯二酚和对苯二酚都在Na2HPO4柠檬酸缓冲溶液中表现出良好的电化学行为，二者的氧化还原峰较好，峰电流较高.配制pH5.4～6.0范围的Na2HPO4柠檬酸缓冲溶液，研究了邻苯二酚和对苯二酚在GR/GCE上的电化学行为随pH值的变化情况.由图5可知，邻苯二酚在Na2HPO4柠檬酸缓冲溶液中峰电位和峰电流随pH的变化并不明显，随pH的增大峰电位稍有负移且峰电流略有下降，因此本实验对邻苯二酚的测定底液pH值选择为5.6，由图6可知，对苯二酚在Na2HPO4柠檬酸缓冲溶液中峰电位和峰电流随pH的变化明显，随pH的增大峰电流先增大后减小，在pH=5.8时峰电流达到最大，故本实验对对苯二酚的测定底液pH值为选择5.8.图5pH对邻苯二酚在GR/GCE上的循环伏安图影响Fig.5Cyclic voltammograms of GR/GCE inCC solution with different pH注： a pH=5.4，b pH=5.6，c pH=5.8，d pH=6.0，扫描速度：100 mV/s.图6pH对对苯二酚在GR/GCE上的循环伏安图影响扫描速度：100 mV/s.2.4.2滴涂量的选择a. 石墨烯浓度的选择 在同一条件下分别滴涂1 mg/mL、3 mg/mL和5 mg/mL的石墨烯溶液在GCE电极上，测对苯二酚和邻苯二酚的响应，结果发现用3 mg/mL的石墨烯效果明显好一些.b. 石墨烯滴涂次数的选择 在其它实验条件不变的情况下，在裸电极表面分别滴涂不同量的石墨烯悬浊液，当悬浊液的滴涂量由4～18 μL(3 mg/mL)变化时，氧化峰电流先增大后几乎不变最后略有减小，这可能是由于石墨烯厚度增加到一定程度而阻碍了电子的传递，故导致导电性变差.为了得到最佳峰电流和峰电位，邻苯二酚(图7)选择滴涂16 μL，对苯二酚 (图8)选择滴涂12 μL.注： 石墨烯滴涂量分别为4，6， 8，10，12，14，16，18 μL.图8对苯二酚的峰电流与石墨烯滴涂量的关系16，18 μL.2.4.3扫速的影响在其它条件不变的情况下，以不同的扫描速度分别对含邻苯二酚和对苯二酚的溶液进行CV扫描，如图9和10所示.从图中可知，随扫描速度的增加，二者的氧化还原峰电流明显增大.邻苯二酚(图9)在20～160 mV/s扫速范围内氧化还原峰电流与扫速的平方根呈良好的线性关系，线性回归方程为IPa=-0.209 03+2.135E-4c，线性相关系数 R=0.998 6表明石墨烯修饰电极/溶液界面上的电极反应为受扩散控制的电极过程，同样对苯二酚(图10)在20～160 mV/s扫速范围内氧化还原峰电流与扫速呈良好的线性关系，线性回归方程为IPa=0.637 78+1.222E-5c，相关系数 R=0.996 2，表明石墨烯修饰电极/溶液界面上的电极反应为受吸附控制的表面电极过程.图9GR/GCE在5.0×10-4 mol/L 邻苯二酚溶液中不同扫描速度的循环伏安图（A）和峰电流与扫描速度的关系（B?2.4.4富集时间和富集电位的影响由于对苯二酚在电极上的反应主要受吸附过程控制，所以每次测定前需要在选定电位条件下富集一段时间以达到良好的测定效果.研究不同富集时间对峰电流的影响(图11)，随着富集时间的增大，峰电流先增大后减小，最佳富集时间为20 s.研究不同富集电位对电流的影响(图12)，随着富集电位的减小，峰电流先增大后减小，最佳富集电位为-1.0 V.图12对苯二酚富集电位与峰电流的关系Fig.12The relationship between the peakcurrent of HQ and deposit electrodes2.4.5线性范围和检出限图13为在pH=5.6的磷酸氢二钠柠檬酸缓冲溶液为底夜的条件下，石墨烯修饰电极在不同浓度的邻苯二酚溶液中的示差脉冲伏安(DPV)图.图14为在pH=5.8的磷酸氢二钠柠檬酸缓冲溶液为底夜的条件下，石墨烯修饰电极在不同溶度的对苯二酚溶液中的示差脉冲吸附溶出伏安(DPADV)图.在5.0×10-6～1.0×10-4 mol/L溶度范围内，邻苯二酚和对苯二酚的氧化峰与其浓度有良好的线性关系.对应的线性回归方程：邻苯二酚是Ipa=1.163 21E-6+0.029 44c；相关系数R=0.998 2；检测限可达 5.0×10-7 mol/L；对苯二酚是 Ipa=2.264 17E-6+0.335 82c；相关系数R=0.997 7；检测限可达1.0×10-7 mol/L.图13不同浓度的邻苯二酚在GR/GCE上的DPV图（A）和峰电流和邻苯二酚浓度的关系（B）Fig.13DPV for different concentrations of CC atthe GR/GCE（A） and the relationship betweenthe peak currents and concentrations （B）注： 浓度分别为(a)4.0×10-6,(b)8.0×10-6,(c)2.0×10-5,(d)4.0×10-5,(e)6.0×10-5,(f)8.0×10-5,(g)1.0×10-4mol/L.图14不同浓度的对苯二酚在GR/GCE上的DPV图（A）与峰电流和对苯二酚浓度的关系（B）2.4.6邻苯二酚和对苯二酚的同时测定图15为在pH=5.8的磷酸氢二钠柠檬酸缓冲溶液为底夜的条件下，裸电极和石墨烯修饰电极分别同时测定2×10-4 mol/L同浓度的邻苯二酚和对苯二酚溶液的DPV图，可知裸电极上出现一个小峰且完全不能将邻苯二酚和对苯二酚分开，而GR/GCE的峰电流明显增加而且能够很好的将邻苯二酚和对苯二酚的峰分开，这表明石墨烯修饰电极对邻苯二酚和对苯二酚的分离效果很好.图15裸电极（a）和石墨烯修饰电极（b）注： 浓度为2×10-4 mol/L.图16不同浓度的HQ和CC同时在GR/GCE上的DPV图（A）以及峰电流与CC (图C)和Q（图B）的线性关系图16为在pH=5.8的磷酸氢二钠柠檬酸缓冲溶液为底夜的条件下，石墨烯修饰电极对不同溶度的CC和HQ同时测定的DPV图.在4.0×10-5～1.0×10-3mol/L浓度范围内，CC和HQ的氧化峰均与浓度成良好的线性关系.对应的线性回归方程：对苯二酚是 Ipa=1.139 29E-6+0.016 77c；相关系数R=0.999 6；邻苯二酚是Ipa=8.810 1E-7+0.017 15c；相关系数R=0.998 4.2.4.7稳定性和重现性使用石墨烯修饰电极分别平行测定20次1×10-4 mol/L的邻苯二酚和对苯二酚，峰电流基本稳定，邻苯二酚的相对标准偏差为2.5%，对苯二酚的相对标准偏差为2.6%，由此可以说明体系重现性良好，对比新制备的石墨烯修饰电极，分别使用放置一周后，15 d后以及一个月后的电极测定同一浓度的邻苯二酚和对苯二酚溶液，其峰电流无明显变化，表明石墨烯修饰电极具有较长的使用寿命和良好的稳定性，可以用于实际样品的分析测定.2.4.8干扰实验本实验在已选定的最佳条件下考察了一些废水中常见的离子对2×10-5 mol/L邻苯二酚和对苯二酚溶液进行测定的影响，误差控制在±5%以内，100倍的Ca2+、Al3+、Zn2+、Fe3+、Fe2+、K+、Ag2+、Cl-、NO3-、SO2-4等离子以及VB1、VC、半胱氨酸、赖氨酸、葡萄糖、对硝基苯酚、尿酸等常见酚类物质对邻苯二酚和对苯二酚的测定不造成干扰.2.4.9模拟水样的测定取叠翠湖中的水样配制不同溶度邻苯二酚和对苯二酚的模拟废水，用GR/GCE在-0.2～0.8 V电位范围内，100 mV/s扫数下测定峰电流，用加标回收法获得模拟废水中邻苯二酚和对苯二酚含量，平行三次，结果见表1和表2.由此可见，测定邻苯二酚的回收率在98.3%～114.3%之间，相对标准偏差在0.2～3.0范围内，对苯二酚的回收率在92.5%～108.6%之间，相对标准偏差在0.6～3.5范围内. 表1不同浓度的邻苯二酚混合液的回收率Table 1Recoveries of CC with different concentrations样号原始量/(1×10-5 mol/L)加入量/(1×10-5 mol/L)测得量/(1×10-5 mol/L)回收率/%相对标准偏差/%12.01.03.01100.93.02.04.28114.31.23.05.17105.71.124.01.04.9898.30.22.06.21110.51.53.07.18105.90.3表2不同浓度的对苯二酚混合液的回收率Table 2Recoveries of HQ with different concentration号原始量/(1×10-5 mol/L)加入量/(1×10-5 mol/L)测得量/1×10-5 mol/L)回收率/%相对标准偏差/%12.01.02.9292.52.82.04.02108.61.13.05.07102.10.724.01.05.05104.63.52.06.03101.31.03.06.8996.50.6致谢感谢国家自然科学基金委的资助(国家自然科学基金21075096，21275113) .