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标题 还原氧化石墨烯—多壁碳纳米管复合膜负载金纳米粒子修饰玻碳电极检测双酚A
范文 于浩+冯晓+陈小霞+乔金丽+高小玲+徐娜+高楼军



摘 要 以水合肼为还原剂，采用均相还原法制备还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合材料（rGOMWCNTs），通过滴涂法将其修饰到玻碳电极（GCE）表面。以此复合材料为载体，采用电化学方法制备了金纳米粒子还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合膜修饰电极（AuNPsrGOMWCNTs/GCE）。通过扫描电镜（SEM）、EDS能谱技术和电化学方法对此电极进行了表征。研究了双酚A在修饰电极上的电化学行为。结果表明，此电极对双酚A的电极过程具有良好的电化学活性，在0.10 mol/L PBS溶液（pH 7.0）中，微分脉冲伏安法测定双酚A的线性范围为5.0 × 19～1.0 × 17 mol/L和1.0 × 107～2.0 × 105 mol/L，检出限为1.0 ×109 mol/L（S/N=3）。 将此电极用于模拟水样和超市购物小票样品中双酚A含量的测定，加标回收率分别为97%～110%和98%～104%。
关键词 金纳米粒子； 石墨烯/碳纳米管复合材料； 电化学传感器； 双酚A
1 引 言
双酚A（Bisphenol A， BPA）是一种重要的工业原料，被广泛用于合成聚碳酸酯（PC）和环氧树脂等材料。含有BPA的塑料制品曾被广泛用于食品包装材料和医用材料。但BPA是一种环境激素，可干扰人体内分泌系统，降低免疫功能和繁殖能力，增加癌症发病率。一些国家已将其列为有毒有害化学物质而禁止使用[1]。目前，检测BPA的方法包括高效液相色谱法[2]、气相色谱法[3]，质谱法[4]、荧光法[5]、化学发光法[6]、酶联免疫吸附法[7]及电化学方法[8～10]。 其中，电化学方法以灵敏度高、仪器简单等特点受到了高度关注， 尤其是近年来各种纳米材料化学修饰电极已被用于不同样品中BPA的高灵度检测。金纳米粒子（AuNPs）因为制备方法简单，稳定性好，催化活性强及生物相容性好等特点在电化学传感领域得到了广泛的应用[11]，基于金纳米粒子的电化学传感器也已用于BPA的检测[12，13]。但金属纳米粒子的电催化活性与其形貌、粒径大小及分散性密切相关。为了提高电催化活性，各种载体如碳纳米管（Carbon nano tubes，CNTs）、石墨烯（Graphene，GR）及金属氧化物等被用来负载金属纳米粒子。尤其是石墨烯和碳纳米管，具有比表面积大、导电性好和化学稳定性高等特点， 被用作金纳米粒子的载体以提高电化学检测BPA的分析性能[14～17]。
近年来，为了改善石墨烯和碳纳米管的分析性能，其碳基纳米材料的复合物引起广泛关注[18～20]。 Woo等[20]以水合肼为还原剂，从含有氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）和多壁碳纳米管（Multiwalled carbon nanotubes， MWCNTs）的混合溶液中一步制备了还原氧化石墨烯多壁碳纳米管（rGOMWCNTs）复合材料，研究了过氧化氢在该复合物修饰电极上的电化学行为。结果表明，MWCNTs的引入改善了rGO的分散性，有利于得到更薄的rGO片层；另一方面，rGO弥补了MWCNT膜连续性的不足，增大了复合材料的有效面积，在二者的协同作用下，rGOMWCNTs复合材料表現出比单一组分更高的电催化活性。同时，由于rGOMWCNTs复合材料在结构上易于形成三维分级结构，可作为一种良好的载体进一步负载金属纳米粒子，提高其电化学活性[21～25]。 Zheng等[25]制备了PtNPs/grapheneMWCNTs复合材料，用于修饰电极并进行BPA的电化学检测。
本研究以还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合材料（rGOMWCNTs）为载体，采用电化学方法制备金纳米粒子还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合膜修饰电极。利用还原氧化石墨烯改善了碳纳米管膜的连续性，利用碳纳米管改善了还原氧化石墨烯的分散性。以此复合材料为载体，得到了粒径小、分散均匀的金纳米粒子，提高了电极对双酚A的电化学活性。此电极检测双酚A时具有检出限低、线性范围宽和选择性好等特点，用于模拟水样和超市购物小票中双酚A含量的测定，结果令人满意。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
CHI660D电化学工作站（上海辰华仪器公司），三电极系统：以修饰玻碳电极（GCE）为工作电极， 铂丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。所用电位值均是相对于饱和甘汞电极的电位。Quanta 600型扫描电子显微镜 （FEI，Philips公司）。TEM 3000 型扫描电子显微镜（Bruker公司）。
双酚A（Bisphenol A， BPA，分析纯， 特种化学试剂开发中心）；单层氧化石墨烯（GO，苏州恒球科技有限公司）；多壁碳纳米管（MWCNTs，深圳纳米港有限公司）；水合肼（35%，Hydrazine hydrate，N2H2·H2O）和HAuCl4（国药集团陕西化学试剂有限公司）。 所用试剂均为分析纯， 实验用水为二次蒸馏水。
2.2 修饰电极的制备
按文献[20]的方法对MWCNTs进行酸化处理，再采用均相还原法制备还原氧化石墨烯多壁碳纳米管（rGOMWCNTs）复合材料， 将制得的复合材料分散在水中制成0.5 mg/mL分散液，备用。采用两步法制备rGOMWCNTs复合膜负载金纳米粒子（AuNPs）修饰电极。先移取5 μL rGOMWCNTs分散液，滴涂于处理好的玻碳电极表面，自然晾干。再将上述制得的rGOMWCNTs/GCE电极置于含有5.0 × 104 mol/L HAuCl4、0.01 mol/L Na2SO4 和0.01 mol/L H2SO4的混合液中，控制电位范围在0.5～1.5 V内，以20 mV/s的扫速沉积2圈，得到AuNPsrGOMWCNTs/GCE修饰电极。采用相似方法制备了MWCNTs和rGO修饰玻碳电极，分别记为MWCNTs/GCE和rGO/GCE。将裸玻碳电极置于上述沉积液中制得金纳米粒子修饰电极，记为AuNPs/GCE。
2.3 实验方法
2.3.1 双酚A标准溶液和样品溶液的制备 标准溶液：准确称取双酚A标准品0.0571 g于小烧杯中，用甲醇溶解并定容至25 mL，配成0.01 mol/L标准储备液，置于4 ℃保存。根据需要，临用前稀释成一定浓度的标准溶液。水样的制备及测定：将原始延河水过滤，准确移取1.00 mL水样于10 mL比色管中，以PBS溶液定容。再向此水样中加入不同浓度的BPA标准溶液，测定回收率。
超市购物小票样品溶液的制备及测定：取适量某超市购物小票剪碎，混匀后准确称取2.000 g于50 mL圆底烧瓶中， 加入20.00 mL甲醇，超声提取48 h， 过滤，准确移取滤液10.00 mL于100 mL容量瓶中，以甲醇定容。移取稀释液1.00 mL于50 mL容量瓶中，以水定容，制成分析测试溶液。准确移取该分析测试溶液1.00 mL于10 mL比色管中，加入适量PBS，定容，将此溶液转入电解池内，采用标准加入法测定并计算加标回收率。
2.3.2 修饰电极的表征及电化学测试 采用扫描电镜实验（SEM）和EDS对制备好的修饰电极进行表征。电化学阻抗实验（EIS）：将不同电极浸入含有5.0 × 103 mol/L K3Fe（CN）6K4Fe（CN）6 （1∶1， V/V）的0.10 mol/L KCl溶液中，在0.1～100 kHz频率范围内，以10 mV交流振幅记录Nyquist图。微分脉冲伏安法（DPV）：将活化好的修饰电极浸入含有不同浓度BPA的支持电解质溶液中，记录0.1～0.8 V电位范围内的DPV图， 测量峰电流，电极每次测试完后置于空白溶液中，于研究电位范围内采用循环伏安法活化至稳定后，再进行下一次测试。
3 结果与讨论
3.1 修饰电极的制备及表征
图1分别为MWCNTs/GCE（A）、rGOMWCNTs/GCE（B）和AuNPsrGOMWCNTs/GCE（C）的 SEM照片。由图1可见，碳纳米管进行预处理后分散性得到了改善，且相互缠绕形成了许多微小的孔洞（图1A）。在rGOMWCNTs 复合材料中，MWCNTs插进rGO片层之间，起到了类似骨架的作用，得到了薄的rGO片層，rGO覆盖在MWCNTs表面，提高了MWCNTs膜的连续性（图1B）。当向其表面沉积金纳米粒子后，电极表面均匀分布着平均粒径约40 nm的金纳米粒子，且金纳米粒子不仅生长在MWCNTs表面，在碳纳米管之间的rGO片层上也均匀分布着金纳米粒子。图2是rGOMWCNTs/GCE（曲线a）和AuNPsrGOMWCNTs/GCE（曲线b）表面的EDS能谱图， AuNPsrGOMWCNTs/GCE在2.127 keV处有金的特征能谱峰，说明采用电化学方法已将金沉积于电极表面。图3是不同电极的电化学阻抗图（EIS），裸电极的界面电子传递阻抗（Rct，阻抗谱高频部分半圆直径，曲线a）较大。当电极表面分别修饰rGO（曲线b）和MWCNTs（曲线c）后，Rct均减小，表明rGO和MWCNTs加快了界面电荷传递速率，但rGO/GCE的Rct比MWCNTs/GCE大，这是由于化学还原法制备的rGO团聚严重，分散性不及MWCNTs所致。而rGOMWCNTs/GCE（曲线e）的Rct比rGO/GCE和MWCNTs/GCE的都小，说明rGOMWCNTs复合材料的导电性比单独的rGO和MWCNTs都好，这是由于复合材料中MWCNTs改善了rGO的分散性、rGO增强了MWCNTs的连续性，在二者的协同作用下，rGOMWCNTs复合材料具有更好的分散性和大的比表面积。当继续向rGOMWCNTs电极表面沉积AuNPs后，电极的Rct明显减小（曲线f），这是由于AuNPs具有良好的导电性，能进一步加快界面电荷传递速率。同时，AuNPsrGOMWCNTs/GCE比AuNPs/GCE（曲线e）的Rct小，表明以rGOMWCNTs复合材料为载体更有利于得到粒径小、分散均匀的金纳米粒子。以上结果说明，采用本方法成功制备了AuNPsrGOMWCNTs/GCE修饰电极。
3.2 双酚A在AuNPsrGOMWCNTs/GCE上的电化学行为
图4为5.0 × 106 mol/L BPA分别在裸GCE（a）、AuNPs/GCE（b）、rGO/GCE（c）、MWCNTs/GCE（d）、rGOMWCNTs/GCE（e）和AuNPsrGOMWCNTs/GCE（f）上的循环伏安图。由图4可见，BPA在裸GCE电极上的电化学响应很小（曲线a）。当向GCE表面沉积金纳米粒子后（曲线b），BPA在0.513 V呈现一个不可逆氧化峰，峰电流为1.091 μA，说明金纳米粒子对BPA的电极过程有催化活性。在rGO/GCE（曲线c）上，BPA的氧化峰电位为0.597 V，峰电流2.69 μA。而在MWCNTs/GCE（曲线d）上，BPA在0.505 V处出现一个尖锐的不可逆氧化峰，峰电流为3.136 μA，说明rGO和MWCNTs对BPA的电极反应也具有催化活性。但MWCNTs的活性好于rGO，这是由于MWCNT分散性较好所致。而在rGOMWCNTs/GCE上（曲线e），BPA的峰电位为0.506 V，峰电流为4.123 μA。rGOMWCNTs复合材料比单独的MWCNTs和rGO对BPA具有更大的电流响应，这是由于rGO提高了MWCNTs膜的连续性，MWCNTs改善了rGO的分散性，增大了电极有效面积，在二者的协同作用下，提高了电极的电化学活性。当继续在rGOMWCNTs复合膜上沉积金纳米粒子，BPA的峰电位为0.502 V，峰电流增大至9.406 μA， 表明AuNPsrGOMWCNTs/GCE电极对BPA的电氧化过程具有更高的电化学活性（曲线f）。这是由于AuNPs和rGOMWCNTs复合材料对BPA均有高的电化学活性，将两种材料同时引入到电极表面后，起到了协同作用；同时，rGOMWCNTs复合材料具有更好的连续性、更大的有效面积和多的活性位点，有利于得到粒径小、分散均匀的金纳米粒子，因而电化学活性更高。
采用循环伏安法研究了电位扫描速率（v）对BPA电化学行为的影响（图5）。结果表明，扫描速率（v）在10～100 mV/s范围内，BPA的氧化峰电流（Ip，a）与v1/2呈线性关系，线性方程为： Ip，a （μA） =3.28 + 70.6v1/2 （V/s）1/2， r=0.9980（图5B），表明BPA在此修饰电极上的电极反应为扩散控制过程，这与文献[14]报道结果一致。同时，随扫描速率的增加，峰电位（Ep，a）逐渐正移，且與扫速的对数呈线性关系，线性方程为Ep，a （V）=0.559 + 0.032lgv（V/s）， r=0.9971（图5C）。根据Tafel方程，对扩散控制的不可逆阳极过程，峰电位与扫速的关系可表示为：
式中， Ep，a为氧化峰电位（V）， α为电子传递系数， nα为电极速控步骤电子转移数，R， T和F分别为气体常数、温度和法拉第常数，其值分别为8.314 J/K·mol， 298 K和96487 C/mol）， v为扫描速率（V/s）， K为常数。假定α=0.5，根据上述Ep，a-lgv线性关系的斜率可求得nα=3.7，表明双酚A在此修饰电极上是一个4电子过程，这与文献[14]报道结果一致。
采用循环伏安法在PBS缓冲溶液中研究了溶液pH值对BPA电化学行为的影响（图6）。结果表明，在pH 5.7～8.0范围内，BPA的氧化峰电位（Ep，a）随pH的增加而逐渐负移，且与pH值呈线性关系，线性方程为Ep，a （V）=0.932-0.0606 pH， r=0.9959（图6A），说明BPA的电极过程中有质子参与，且线性关系的斜率0.0606 V/pH与理论值0.059 V/pH接近，表明BPA的电极反应为等电子等质子过程[14]，结合扫描速率的影响，BPA在此修饰电极上的电极反应是一个4电子、4质子不可逆过程[14]。另一方面，BPA的氧化峰电流（Ip，a）随pH值的增大而呈先增大后减小，在pH 6.5～7.0时达到最大（图6B）。从pH值对峰电位的影响可见，pH值越高，BPA的氧化电位越低，有利于减少易氧化物质的干扰； 但pH过高时，在研究电位范围内电极表面的金纳米粒子易被氧化，影响电极的稳定性。综合考虑溶液pH值对BPA的峰电流和峰电位的影响，最终选择pH 7.0的PBS溶液作为定量测定时的支持电解质溶液。
3.3 微分脉冲伏安法测定BPA
3.3.1 实验条件的优化 研究了电极表面rGOMWCNTs滴涂量和电化学沉积AuNPs时沉积圈数的影响。结果表明，对0.5 mg/mL的rGOMWCNTs分散液，当滴涂量太少时，电极表面不能占满；但滴涂量过多时，膜太厚，电极的稳定性和电流响应降低，最终选择的滴涂量为5 μL。控制沉积圈数分别为1～5圈制备修饰电极， 并记录对0.10 μmol/L BPA的DPV响应。结果表明，当沉积圈数为2圈时，峰电流最大，故选择在rGOMWCNTs表面电化学沉积AuNPs的扫描圈数为2圈。
3.3.2 线性范围、检出限 图7A为在优化条件下不同浓度BPA在修饰电极上记录的DPV曲线。结果表明，BPA的峰电流与其浓度在5.0×19～1.0×107 mol/L和1.0×107～2.0 × 105 mol/L范围内分段呈线性关系（图7B，C），线性方程分别为I （μA ）=0.007+1.484C （μmol/L）， r=0.9867； I（μA ）=0.131 + 0.429C （μmol/L）， r=0.9984，检出限为1.0 × 109 mol/L （S/N=3）。与文献报道的基于金纳米粒子的传感器相比（表1），此修饰电极检测BPA时具有检出限低，线性范围较宽等特点[12～15，17]，与rGOFcNH2/AuNPs/GCE[16]电极性能相当，但制备方法简单。这得益于rGOMWCNT复合材料良好的载体作用，有利于得到粒径小、分散均匀的金纳米粒子。
3.3.3 干扰实验 采用DPV法考察了3种苯二酚异构体、苯酚，易氧化物质亚硫酸根和亚硝酸根，及常见无机离子对测定的影响。结果表明，在AuNPsrGOMWCNTs/GCE上，对苯二酚、邻苯二酚和N2的氧化峰电位分别位于0.050， 0.15和0.80 V处，与BPA可完全分离，但对苯二酚和邻苯二酚在电极表面吸附性较强，会影响电极对BPA的响应，故不能大量存在。SO23、间苯二酚和苯酚与BPA的氧化峰电位接近，对BPA的测定会产生影响，但电极对BPA的响应更灵敏， 故低浓度上述物质产生的影响可以忽略。对2.0 × 107 mol/L BPA，当峰电流测量的相对误差为±5%时，5倍的间苯二酚、10倍的苯酚和SO23、100倍的对苯二酚、邻苯二酚和NO2不干扰测定。常见无机离子Ca2+， Mg2+， Na+及SO2 4， CO2 3， NO 3和Cl 均不干扰BPA的测定，说明此电极具有较好的选择性。
3.3.4 修饰电极的稳定性与重现性 在优化条件下，对2.0 × 10 7 mol/L BPA溶液连续测定5次，测定结果的相对标准偏差（RSD）为3.9%。同样方法制备5支修饰电极，测定 2.0 × 10 7 mol/L BPA的RSD为4.5%。将电极置于室温下保存30 d后对2.0 × 10 7 mol/L BPA溶液重新测定，电流为初始电流的98%，表明此修饰电极具有良好的稳定性和重现性。
3.4 实际样品分析
按实验方法采用标准加入法测定了当地水样及当地某超市购物小票样品中BPA的含量，结果见表2。其中当地水样中未检出BPA，加标回收率在97.0%～110.0%范围内。超市购物小票样品的测定结果换算为每克样品中BPA的质量表示，5次平行测定结果的平均值为13.5 mg/g，加标回收率在98.0%～104.0%范围内。采用高效液相色谱法对购物小票样品5次平行测定结果的平均值为12.8 mg/g[2]。经对照实验，本方法测定结果与高效液相色谱法测定结果无显著性差异。
4 結 论
采用均相化学还原法制备了还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合材料。在还原氧化石墨烯和多壁碳纳米管的协同作用下，该复合材料具有更好的分散性、大的比表面积和更多的活性位点，可作为一种良好的载体高活性负载金纳米粒子，提高其电化学传感性能。金纳米粒子还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合膜修饰电极检测双酚A时具有检出限低、线性范围宽和选择性好等特点，可用于水样和超市购物小票中双酚A含量的测定。
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