基于石墨烯/铂纳米粒子复合材料的电化学传感器测定对氨基苯酚

张彩云， 范丽芳， 张国娟， 王贵珍， 郭玉晶， 董 川

(1.山西大学环境科学研究所，山西太原 030006； 2.山西大学化学与化工学院，山西太原 030006)

对氨基苯酚(p-Aminophenol，PAP)是一种重要的化工原料，它是合成农药、染料、医药的重要中间体[1]。研究表明PAP具有苯胺和苯酚的双重毒性，而由于它的广泛使用，会出现在水和土壤等不同环境中，不仅对水生生物有极高毒性，并且可能对水体产生长期不良影响，从而导致不可逆后果。因此，建立一种简便、快速、高灵敏的PAP检测方法，对于保护人类健康和环境具有非常重要的意义。目前对于PAP检测常用的方法有紫外-可见分光光度法[2]、毛细管电泳法[3]、高效液相色谱法[4]等。这些分析方法灵敏可靠，但不利于推广。与上述方法相比，电化学方法具有操作简便，检测快速，设备易小型化等优势。采用电化学传感方法对PAP实现检测，符合现代分析方法的要求。

石墨烯(GNs)是一种新型的二维碳材料，由于它具高的比表面积、强的机械强度及优异的导电性和稳定性，被认为是理想的电极基体材料之一[5 - 6]，并广泛地应用于电化学传感器领域[7]。但是，由于石墨烯结构中范德华力的存在，决定了其在水溶液中极易发生团聚，从而影响其性能。据文献报道[8 - 9]，聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)是一种带正电的聚合物，它可以减弱石墨烯片层之间的范德华力的作用，提高其稳定性和分散性，因此可被用作保护剂。近年来，贵金属纳米粒子由于其特殊的物理、化学性质引起了研究者们浓厚的兴趣。如金[10]、铂[11 - 12]、银[13]和钯[14]，这些贵金属纳米粒子已经被广泛用作电化学反应中的催化剂。

本工作通过简单的湿化学方法合成了PDDA功能化的石墨烯/铂纳米粒子复合材料(PtNPs/PDDA-GNs)，将该复合材料修饰于玻碳电极表面成功构建了一种电化学传感器用于PAP的检测，考察了不同实验参数对传感器分析性能的影响，在最优的实验条件下，实现了对PAP的快速、准确、灵敏检测。此外，将构建的电化学传感器用于对实际样品中PAP含量的分析获得较好的结果。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

JEOL-2100场发射透射电子显微镜(TEM)(日本,电子株式会社)；CHI600C电化学工作站(上海辰华仪器公司)；三电极体系：饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，玻碳电极(直径为3.0 mm)及所有修饰电极为工作电极。所测电位均相对于饱和甘汞电极而言。

氧化石墨粉(Alfa Aesar)；氨水(25%～28%)、水合肼(80wt%)购于天津第三化学试剂厂；NaNO3、KMnO4、PDDA、H2O2、对氨基苯酚、H2PtCl6·H2O购自上海阿拉丁试剂有限公司；K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、HCl均购自北京国药集团化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

湖水取自山西大学校园内令德湖，自来水取自实验室水管。

1.2 电极修饰材料的制备

氧化石墨烯(GO)按照已报道的Hummers法合成[15]。PtNPs/PDDA-GNs复合材料通过简单的湿化学方法制得。具体制备方法如下：将5.0 mL 1.0 mg/mL GO悬浮液加入反应瓶中，在剧烈搅拌下加入100.0 μL PDDA充分混匀；然后，加入200.0 μL氨水、400.0 μL 20.0 mmol/L H2PtCl6和100.0 μL水合肼；最后，剧烈搅拌反应后，将反应瓶在60 ℃下加热3.5 h，得到稳定的黑色悬浮液体。用超纯水洗涤两次，然后加超纯水定容至一定体积，得到一定浓度的PtNPs/PDDA-GNs。

PDDA功能化的GNs纳米复合材料的合成方法除了不加入H2PtCl6，其它步骤与上述相同。

1.3 电化学传感器的构建

在电极修饰前，玻碳电极(GCE)依次用1.00 μm、0.30 μm和0.05 μm Al2O3粉末打磨成光滑的镜面，然后分别在乙醇和超纯水中超声1 min，氮气吹干，然后，将10 μL，0.5 mg/L修饰材料滴涂于GCE电极表面，红外灯下烤干，备用。传感器的构筑过程如图1所示。

图1 电化学传感器的构筑示意图Fig.1 Illustration of the electrochemical sensor construction

1.4 PAP的电化学检测

在优化的实验条件下，将PtNPs/PDDA-GNs/GCE浸入到含有不同浓度的PAP的0.1 mol/L的磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=7.0)中，富集3 min，利用循环伏安法(CV)对PAP进行测定。

2 结果与讨论

2.1 PDDA-GNs和PtNPs/PDDA-GNs的透射电镜(TEM)表征

图2分别为PDDA-GNs和PtNPs/PDDA-GNs的TEM表征(插图为PtNPs高分辨TEM图)。由图2A可以观察到PDDA-GNs纳米片层的卷曲与折叠结构，当负载PtNPs后，由图2B可以观察到大量PtNPs 均匀分散在石墨烯卷曲的结构表面，粒径约为2～5 nm。

图2 PDDA-GNs(A)PtNPs/PDDA-GNs(B)的透射电镜(TEM)图Fig.2 TEM images of PDDA-GNs(A) and PtNPs/PDDA-GNs(B)

2.2 不同修饰电极的电化学行为

图3分别为不同修饰电极的循环伏安曲线(CV)和交流阻抗(EIS)图。图3A所示，裸GCE氧化还原峰电流Ipa为121.2 μA，Ipc为125.3 μA。氧化还原峰间距(ΔEp)为0.132 V(曲线a)。PDDA-GNs/GCE的Ipa、Ipc分别为134.2 μA和137.8 μA，ΔEp为0.117 V(曲线b)。表明PDDA-GNs具有良好的导电性，可以加快电子传递速率。当PtNPs负载于PDDA-GNs上时Ipa、Ipc分别为184.7 μA和182.0 μA，更进一步增大，ΔEp(0.09 V)进一步减小。表明PtNPs可以进一步增强PDDA-GNs/GCE的导电性，并且具有良好催化性能。图3B所示裸GCE的阻抗为170 Ω(曲线a)，在GCE表面滴涂上PDDA-GNs，交流阻抗的半圆几乎消失，表明PDDA-GNs具有良好导电性(曲线b)。PtNPs/PDDA-GNs/GCE的交流阻抗曲线半圆全部消失，几乎为直线，表明在PDDA-GNs负载PtNPs更进一步提高了材料的导电性(曲线c)。可见，EIS与CV的表征结果完全一致。

图3 GCE(a)、PDDA-GNs/GCE(b)和PtNPs/PDDA-GNs/GCE(c)在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-中的循环伏安(CV)图(A)和交流阻抗(EIS)(B)图Fig.3 CVs(A) and EIS (B) at bare GCE(a),PDDA-GNs/GCE(b) and PtNPs/PDDA-GNs/GCE(c) in 5 mmol/L[Fe(CN)6] 3-/4-

2.3 PAP的电化学行为

2.3.1PAP在不同修饰电极上的电化学行为图4为在含有100 μmol/L PAP的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中不同修饰电极的CV图。如图所示PAP在GCE表面发生了可逆的氧化还原反应，但氧化还原峰间距较宽(ΔEp为0.25 V)，氧化还原峰电流较弱Ipa为6.45 μA，Ipc为5.90 μA(曲线a)，当在裸GCE表面修饰上PDDA-GNs/GCE后，由于PDDA-GNs具有高的比表面，优良的电子传导能力，PAP迅速发生氧化还原反应，氧化还原峰的可逆性变好(ΔEp为0.1 V)，氧化还原峰电流增加Ipa为13.60 μA，Ipc为12.81 μA(曲线b)。当在裸GCE表面修饰上PtNPs/PDDA-GNs后，氧化还原峰电流显著增加Ipa为25.56 μA，Ipc为24.81 μA(曲线c)，表明PtNPs的负载对PAP具有良好的催化氧化能力。

2.3.2扫速的影响将PtNPs/PDDA-GNs/GCE置于含有100 μmol/L PAP的0.1 mol/L的PBS(pH=7.0)中，考察了扫速对PAP电化学行为的影响，如图5所示。从图中可见，随着扫速从0.04到0.12 V/s不断增加，氧化还原峰电流逐渐增加，并且氧化还原峰电流与扫速的平方根呈良好线性关系，其线性回归方程为：Ipa=6.64856+143.73v1/2，线性相关系数(R2)为0.9882；Ipc=-19.33174-72.42v1/2，R2=0.9916。以上结果表明PAP在PtNPs/PDDA-GNs/GCE表面的电化学氧化还原为扩散控制过程。

此外，考察了扫速对PAP峰电位的影响，结果表明随着扫速增加，氧化峰向正电位方向移动，还原峰向负电位方向移动，并且峰电位与扫速的对数值成良好的线性关系，即Epa=0.13265+0.05465lgv，Epc=0.0291-0.04448lgv(v:V/s)。对于可逆反应，根据Laviron[16]公式，可计算得出PAP氧化还原反应过程中转移的电子数。通过计算电子转移系数α的值为0.55，则电子转移数n为2.4，接近2.0。

图4 GCE(a)、PDDA-GNs/GCE(b)和PtNPs/PDDA-GNs(c)在含100 μmol/L PAP的0.1 mol/L的PBS(pH=7.0)中的CV图Fig.4 CVs of bare GCE(a),PDDA-GNs/GCE(b) and PtNPs/PDDA-GNs/GCE(c) in 0.1 mol/L PBS (pH=7.0) containing 100 μmol/L PAP

图5 在含有100 μmol/L PAP的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中PtNPs/PDDA-GNs/GCE在不同扫速下的CV图Fig.5 CVs of PtNPs/PDDA-GNs/GCE at different scan rates(0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.10,0.12 V/s,respectively) in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) containing 100 μmol/L PAP

2.3.3pH的影响图6(A)为不同的pH值时，PtNPs/PDDA-GNs/GCE在含有100 μmol/L PAP的0.1 mol/L PBS中的CV图。从图中可见，随pH值从4到9变化，PAP在PtNPs/PDDA-GNs/GCE上的氧化还原峰电位不断向负电位移动，说明PAP在电极上的电化学氧化还原为质子参与过程。图6(B)显示PAP的氧化还原峰电位与pH值呈良好的线性关系，其线性方程为：Epa(V)=-0.054pH+0.54(R2=0.9588)和Epc(V)=-0.053pH+0.44(R2=0.9371)，线性方程的斜率分别为-0.054 V/pH和-0.053V/pH，与理论值-0.059 V/pH接近，因此可以认为PAP在电极表面的氧化还原是一个等电子等质子转移过程。根据2.3.2项下讨论的所得峰电位与扫速对数值关系，可知PAP的电化学氧化还原过程为两电子、两质子参与过程。此外，由图6(C)可知当pH值为7.0时，PAP在PtNPs/PDDA-GNs/GCE上的电化学氧化还原峰电流最大，因此，选取pH为7.0的0.1 mol/L PBS作为支持电解质溶液进行后续实验。

图6 (A)PtNPs/PDDA-GNs/GCE在含有100 μmol/L PAP的不同pH(a-f:4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0)的0.1 mol/L PBS中的CV图；(B)PAP的氧化峰电位与pH的线性关系；(C)PAP的峰电流与pH的关系Fig.6 (A)CVs of PtNPs/PDDA-GNs/GCE in 0.1 mol/L PBS with different pH values (a-f:4.0,5.0,6.0,7.0,8.0 and 9.0) containing 100 μmol/L PAP ;(B)The linear relationship of Ep against pH;(C)The relationship between Ip and pH

2.4 实验条件的优化

2.4.1纳米复合材料浓度的选择考察了不同浓度的PtNPs/PDDA-GNs纳米复合材料修饰在GCE表面对PAP氧化峰电流的影响，随着PtNPs/PDDA-GNs复合材料的浓度从0.2 mg/L增加至0.5 mg/L，PAP的氧化峰电流逐渐增加，可见随着复合材料的浓度增大，电极表面PDDA-GNs和PtNPs的修饰量增大，对PAP的吸附和催化氧化能力增加，致使其氧化峰电流增大。然而当PtNPs/PDDA-GNs的浓度超过0.5 mg/L时，随着浓度的进一步增大，PAP的氧化峰电流却逐渐降低。这可能是由于随着PtNPs/PDDA-GNs浓度的增大，电极表面复合材料的厚度不断增加，阻碍了电极表面电子的传递，致使PAP的氧化峰电流又减小。因此，在实验中选用0.5 mg/L PtNPs/PDDA-GNs作为最佳修饰浓度。

2.4.2电极孵育时间的选择将PtNPs/PDDA-GNs电极置于含有100 μmol/L PAP的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，考察了PAP在传感平台表面的吸附时间对其氧化峰电流的影响。实验结果表明，随着吸附时间的不断增加，PAP在修饰电极表面的氧化峰电流不断增大，当吸附时间为3 min时，峰电流达到最大，之后继续增加吸附时间，PAP的氧化峰电流几乎不变。因此，选取吸附时间为3 min。

2.5 PtNPs/PDDA-GNs/GCE对PAP的电化学检测

在最佳的实验条件下，将PtNPs/PDDA-GNs/GCE用于对不同浓度的PAP进行CV检测。随着PAP浓度从10 μmol/L到1 000 μmol/L不断增大，其氧化还原峰电流逐渐增高。且在浓度为10.0～1 000 μmol/L范围内，PAP氧化峰电流与其浓度呈良好线性关系，线性回归方程为：Ipa(μA)=0.064c+15.56(c:μmol/L)，相关系数为0.9922，其检出限(S/N=3)可达3.0 μmol/L。如表1所示，与已报道的其它电化学方法相比，该方法对PAP的检测具有更宽的线性范围以及更高的灵敏度。

表1 与其他一些对PAP电化学分析方法的比较

2.6 PtNPs/PDDA-GNs/GCE选择性的考察

图7 PtNPs/PDDA-GNs/GCE对PAP检测选择性试验Fig.7 The selectivity test of the sensor for PAP detection

为考察PtNPs/PDDA-GNs/GCE对PAP测定的选择性，以及在实际应用过程中的抗干扰能力，选取了对硝基氯化苯(PPS)、双酚A(BPA)、2，4-D、阿特拉津(ATR)和2，2-联萘酚(BINOL)等一些与PAP结构类似的化合物，及Ca2+、Mg2+、苯(PH)、二氯乙烷(EDC)等一些与PAP在环境共存的物质作为干扰物，然后将100 μmol/L PAP分别与100倍浓度的其中一种干扰物两两混合，在相同条件下对两组分溶液进行CV测定。之后，对含有100倍浓度的所有干扰物和100 μmol/L PAP的混合溶液进行CV测定。测定结果如图7所示，所加入的干扰物对目标物的检测几乎没有影响(氧化峰电流的变化在1.23%～10%之间)，表明PtNPs/PDDA-GNs/GCE对PAP具有良好的选择性。

2.7 传感平台重现性和稳定性的考察

为了考察PtNPs/PDDA-GNs/GCE对PAP检测的稳定性，连续对100 μmol/L PAP溶液进行5次测定，其相对标准偏差(RSD)为3.96%。电极在4 ℃冰箱中放置30 d后，用于测定100 μmol/L的PAP，测定结果仍能保持原来响应的97.8%，证明该传感器具有较好的重现性和稳定性。

2.8 实际样品分析

选取山西大学校园令德湖湖水、实验室自来水作为实际样品，采用标准加入法进行PAP检测。平行测定5次的结果如表2所示，回收率在98.0%～106.0%之间，RSD为3.4%～5.0%。表明该电化学传感平台可用于实际样品的检测。

表2 PAP回收率的测定(n=5)

3 结论

通过简单的湿化学方法合成了PtNPs/PDDA-GNs纳米复合材料，并利用该材料修饰于玻碳电极表面构建了电化学传感平台。石墨烯良好的导电性、高的比表面，以及PtNPs具有良好的催化性能，使传感平台实现了对PAP的快速、灵敏检测。该电化学传感平台呈现出良好的选择性、稳定性以及重现性，可以成功应用于实际样品中PAP的检测。