Nafion/石墨烯量子点修饰电极对重金属和氯霉素的电化学检测

许 贺， 潘哲伦， 谢 昱， 顾鑫锋， 柳建设

(东华大学环境科学与工程学院,上海 201620)

重金属是饮用水中常见的污染物，尤其是Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)。Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)污染具有高稳定性、不可降解性、可积累性等特点。通过饮用水途径暴露一定剂量的Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)可导致多种负面健康效应，对人体健康产生严重危害。2006年我国颁布实施了新的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)，标准中规定了Pb(Ⅱ)限值浓度为0.01 mg/L，Cd(Ⅱ)限值浓度为0.005 mg/L[1]。氯霉素(Chloramphenicol,CAP)是一种具有较强杀菌力的广谱抗生素，被广泛应用于动物各种细菌性传染疾病的治疗，主要有片剂胶囊、滴眼液和滴耳剂等。CAP药物残留会对人体的造血系统、消化系统产生严重的毒性反应，很多国家已明令禁止在食源性动物中使用CAP，因此，在食品和药品领域，CAP的定量分析对于质量监控和保障消费者的健康具有重要的现实意义。

目前，测定Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的分析方法主要有原子光谱法[2]和电化学分析法[3]。CAP的测定方法主要有高效液相色谱法[4]、拉曼光谱法[5]、荧光光谱法[6]和电化学方法[7]等。电化学方法具有操作简单、快速灵敏、成本低廉、环境友好，以及可实现现场分析而受到了越来越多的重视。但是现有的重金属和CAP电化学检测方法还存在如检测灵敏度较差、抗干扰性不足、稳定性欠缺等问题。因此，开发灵敏度高、选择性好和操作便捷的电化学检测新方法具有重要的研究意义。

石墨烯量子点(GQDs)通常指的是粒径小于10 nm的零维碳纳米材料。作为一种新兴的碳纳米材料，GQDs不仅具有石墨烯的高导电性、大比表面积等良好特性，而且结合了量子点的尺寸效应、限域效应和边缘效应等优点，使其在生物医药、传感器、光学及电学器件等方面得到广泛研究[8]。但GQDs应用于Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和CAP的灵敏检测却未见报道。

本文采用简单的原位电解石墨棒的方法制备GQDs，构建Nafion/GQDs修饰玻碳电极(Nafion/GQDs/GCE)。将Nafion/GQDs/GCE应用于水体中痕量Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和药品中CAP的检测，并研究Nafion/GQDs/GCE的电化学行为和电催化机理。结果表明，Nafion/GQDs/GCE对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和CAP的检测具有优异的电化学性能，方法具有灵敏度高、抗干扰性能好、可重复性等优点，应用于实际样品的检测取得满意结果。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

CHI660D电化学分析仪(上海辰华仪器有限公司)。三电极体系：工作电极(GCE作为基底)，参比电极Ag/AgCl(饱和NaCl)和辅助电极铂丝。JEM-2100透射电子显微镜(TEM)(日本,JEOL公司)。QM/TM 荧光光谱仪(美国,Protein Technologies)。

1 000 mg/L Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)标准溶液(中国国家标准物质研究所)；5%Nafion(美国Sigma-Adlrich)；EDTA、K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、Na2HPO4、KH2PO4、NaHCO3、KCl、NaOH、HNO3、HAc、NaAc、85%水合肼和氯霉素(国药集团化学试剂有限公司)；盐酸四环素、氯四环素、卡那霉素、布洛芬、土霉素(北京百灵威科技有限公司)；TE缓冲溶液(pH=7.0，生工生物(上海)有限公司)；石墨棒(上海三麝实业有限公司)；透析袋(3 500 Da，EXP2019/06，美国)。所有的化学药品都是优级纯。实验用水为去离子水。

1.2 GQDs的制备

采用阳极电解石墨棒的方法[9]制备GQDs，并进行改进和完善。石墨棒作为工作电极(阳极)，铂片作为辅助电极，置于7 mL 0.1 mol/L NaOH溶液中。采用计时安培法，起始电位-5 V、高电位+5 V、低电位-5 V，控制电极电流密度为30～50 mA/cm2。通电后石墨棒电极表面立刻有大量气泡产生，不久即可见石墨棒电极附近有极细黑色物质飘落，15 min左右电解溶液由无色转变为浅棕色，30 min左右电解溶液由棕色逐渐转变为黑色，随着电解时间增长，溶液颜色也越来越深，瓶底有明显黑色沉淀。连续电解6 h后，移取1 mL 85%的水合肼于电解溶液体系中，搅拌数小时。将搅拌后的溶液转移至已纯化的透析袋中，用透析夹两端封住后，投入适量去离子水中透析24 h，得到中性GQDs水溶液，在40 ℃下恒温干燥得到固体GQDs。

1.3 Nafion/GQDs/GCE的制备

将GCE在W7金相砂纸上磨平后，用0.05 μm Al2O3悬浊液在麂皮上打磨抛光成镜面，并依次在的HNO3(1+1)、乙醇和水中各超声5 min，晾干待用。称取10 mg GQDs，置于5 mL 0.5%Nafion乙醇溶液中，超声分散30 min以上，形成均匀的黑色悬浊液。滴加10 μL 2 mg/mL Nafion/GQDs的乙醇溶液于GCE表面，制得Nafion/GQDs/GCE。Nafion/GCE的制备按照上述方法，只是不加入GQDs。

1.4 Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的阳极溶出伏安检测

取10 mL HAc-NaAc缓冲溶液(pH=4.5)，加入适量Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)标准溶液，置于电解池中，采用阳极溶出伏安法进行检测，沉积电位-1.0 V，沉积时间240 s。富集结束，静止10 s后，在电位-1.0～0 V之间由负向正方向扫描，金属离子溶出。每次溶出后，设置电位E=+0.1 V，清洗电极表面，清洗时间30 s。在沉积和清洗过程中，溶液搅拌，溶出过程中溶液不搅拌。

1.5 CAP的电化学检测

以TE缓冲溶液(pH=7.0)作为电解质，循环伏安法表征Nafion/GQDs/GCE对CAP检测的电化学性能和行为。扫描电位范围-0.3～-1.2 V，扫速50 mV/s。采用示差脉冲伏安法对CAP进行电化学检测。扫描电位-0.3～-1.2 V，脉冲增量0.004 V，脉冲振幅0.05 V，脉冲宽度0.2 s。

2 结果与讨论

2.1 GQDs的透射电镜和荧光光谱表征

图1是GQDs的透射电镜(TEM)(A和B)和荧光光谱图(C)。从图1A和1B可看出，电解石墨棒制备的GQDs粒径均匀，分散良好，无团簇和堆积现象，平均直径10 nm以下。图1C展示了GQDs在乙醇中于不同激发波长下的荧光光谱图，可以看出GQDs乙醇溶液分别在310、320、330、340 nm波长激发下，其测到荧光峰位置都约为430 nm，即峰强度受激发波长的影响不大，证明GQDs的颗粒大小相对均匀，分散良好[10]。不同激发波长下的发光强度随着波长的增加先增强后减弱，320 nm激发波长下GQDs荧光强度最大。根据文献报道[10]，最大荧光强度出现的位置可推测GQDs发出蓝色荧光，具有碳量子点的性质。

图1 GQDs低倍(A)和高倍(B)放大的透射电镜(TEM)图；GQDs的荧光光谱图(C)Fig.1 TEM images of low(A) and high(B) magnification of GQDs;Fluorescence spectra of GQDs(C)(the excitation wavelength:(a) 320 nm,(b) 310 nm,(c) 330 nm and(d) 340 nm)

2.2 Nafion/GQDs/GCE应用于Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的电化学检测

图2 2.40×10-7 mol/L Pb(Ⅱ)和9.80×10-7 mol/L Cd(Ⅱ)在裸GCE(a)，Nafion/GCE(b)和Nafion/GQDs/GCE(c)上的阳极溶出伏安图Fig.2 Anode stripping voltammograms of 2.40×10-7 mol/L Pb(Ⅱ) and 9.80×10-7 mol/L Cd(Ⅱ) at the bare GCE(a),Nafion/GCE(b) and Nafion/GQDs/GCE(c)

2.2.1 不同电极对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的阳极溶出伏安检测图2为不同电极对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)检测的阳极溶出伏安图。从图中可见，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在裸GCE(a)上溶出峰非常小，尤其对Cd(Ⅱ)很不灵敏；Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在Nafion/GCE(b)上产生较灵敏的溶出峰，溶出电位分别为-0.52 V和-0.75 V。由此可见，Nafion作为一种阳离子交换剂，Nafion膜表面的-SO3H有利于试液中的金属离子靠近电极表面，通过离子交换作用，达到更有效富集金属离子的目的，从而增大溶出电流[11]。但是当引入GQDs后，Pb(Ⅱ) 和Cd(Ⅱ)在Nafion/GQDs/GCE(c)出现最灵敏、最尖锐的溶出峰，峰电流极大增大，峰电位稍微正移，分别为-0.50 V和-0.73 V。由此证明，GQDs有效增大了电极的活性面积和电子转移速率，从而显著增大了氧化溶出电流。综上所述，Nafion膜的离子交换作用促进金属离子的富集，但Nafion膜不导电，GODs的强导电性有利于Nafion/GQDs电极的电子/离子转移速率，从而促进富集效率；另外，Nafion膜很好地分散了GQDs，使其在电极表面分布均匀，避免团簇和流失，有利于提高电极的稳定性，同时GQDs增大了Nafion/GQDs电极的电活性面积和电化学性能。两者的协同作用，极大提高了电极的分析灵敏度。

2.2.2 富集电位和富集时间的影响本文考察了富集电位对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)溶出电流的影响。-0.8～-1.0 V范围内随着富集电位的增加，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的溶出电流也随之增大，-1.0 V达到最大值。然而电位超过-1.0 V，富集电流反而下降。可能的原因是富集电位太正，金属离子还原不彻底；电位太负，电极表面出现气泡，不利于还原反应，影响溶出电流的大小。本实验优化富集电位为-1.0 V。

考察了富集时间对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)溶出电流的影响。在60～360 s范围内，溶出峰电流随着富集时间的增加而增大，并且呈现良好的线性关系。但是，超过400 s后，峰电流和富集时间偏离线性，溶出电流增加缓慢。可能的原因是富集时间太长，电极表面达到饱和，长时间富集会导致Nafion/GQDS/GCE表面发生“钝化”作用，影响灵敏度。但富集时间太短，溶液体系中待测离子富集不完全，影响方法的准确度和再现性。本实验优化富集时间为240 s。

2.2.3 Nafion/GQDs/GCE对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的定量检测图3为Nafion/GQDs/GCE对不同浓度的Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)连续测定的示差脉冲伏安图。按照优化实验条件，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的溶出电流随着Pb(Ⅱ) 和Cd(Ⅱ)浓度的增加而增大。Pb(Ⅱ)在4.82×10-8～9.65×10-7mol/L浓度范围内峰电流与其浓度呈现良好的线性关系，线性方程为：y=42.39x-0.319(R2=0.9923)，检出限为1.61×10-8mol/L；Cd(Ⅱ)在1.07×10-7～1.96×10-6mol/L浓度范围内峰电流与其浓度呈良好的线性关系，线性方程为：y=2.813x-0.283(R2=0.9912)，检出限为3.57×10-8mol/L。该方法的检出限低于《生活饮用水卫生标准》对于Pb(Ⅱ)(0.01 mg/L)和Cd(Ⅱ)(0.005 mg/L)的限量标准。也优于石墨烯修饰铂电极[12]，以及氧化石墨烯/聚二甲基硅氧烷[13]、银纳米粒子/还原石墨烯氧化物[14]、石墨烯氧化物/锑膜[15]等修饰电极对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的电化学检测。

图3 (A)Nafion/GQDs/GCE对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)连续测定的示差脉冲伏安图；(B) Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)溶出电流与浓度的线性关系图Fig.3 (A)Different pulse voltammograms of Pb(Ⅱ) and Cd(Ⅱ) at the Nafion/GQDs/GCE;(B) Linear plots of Pb(Ⅱ) and Cd(Ⅱ) striping currents vs.concentrations

2.3 Nafion/GQDs/GCE应用于CAP的电化学检测

图4 裸GCE(b)，Nafion/GCE(c)，Nafion/GQDs/GCE(a,d)在0 mol/L(a)和1.0×10-4 mol/L CAP的TE缓冲溶液(pH=7.0)中的循环伏安图Fig.4 Cyclic voltammograms of 0 mol/L(a) and 1.0×10-4 mol/L CAP in TE buffer solution(pH=7.0) at the bare GCE(b),Nafion/GCE(c) and Nafion/GQDs/GCE(a,d)

2.3.1 不同电极对CAP的电化学检测图4是不同电极对1.0×10-4mol/L CAP检测的循环伏安图。从图中可以看出，Nafion/GQDs/GCE(a)在空白缓冲溶液中无任何氧化还原峰出现。裸GCE(b)在向负电位扫描过程中对1.0×10-4mol/L CAP的检测具有较弱的电催化还原作用，峰电位约为-0.75 V。正电位扫描未出现氧化峰，表明CAP在裸GCE的电催化作用是不可逆反应。而Nafion/GCE(c)对CAP的电催化还原信号更差，峰电位负移至-0.88 V。原因是Nafion膜不导电，阻碍了CAP在该电极表面的电子传递，导致电极的电催化性能更弱。但是当GQDs引入Nafion/GCE后，CAP在该电极上的电催化性能明显提高，峰电位正移至-0.72 V，表明GQDs具有更大的比表面积和更好的电活性位点，促进CAP在Nafion/GQDs/GCE表面更易催化还原，显示了最强的还原峰电流。

2.3.2 Nafion/GQDs/GCE对CAP检测的电化学行为图5(A)为Nafion/GQDs/GCE对CAP在不同扫速下的循环伏安图。随着扫描速率的增加，CAP在Nafion/GQDs/GCE上的催化电流逐渐增大，且在10～200 mV/s范围内，还原峰电流与扫速呈良好的线性关系，证明该电极反应过程受吸附控制。随着扫描速率的增加，峰电位逐渐负移，Ep与logv之间的关系为：Epc=-0.037logv-0.725(R2=0.9946)。根据Laviron理论，当体系为峰电流受吸附控制的不可逆体系时，Epc与扫速v的关系式如下：

(1)

其中，R为气体常数；F为法拉第常数；n为电子转移数；T为温度，一般为298 K。不可逆反应，0<α<1，所以求得n=6，即电子转移数为6。由Epc-v曲线，外推法可求得E0=-0.766 V，则求得表面吸附态的CAP电化学反应的电子转移速率常数ks=105.4 s-1。根据上述讨论，CAP的电催化还原机理推测如下[17]：

图5 (A)Nafion/GQDs/GCE对1.0×10-4 mol/L氯霉素在不同扫速下的循环伏安图(a→i：10,40,60,80,100,120,140,160,200 mV/s)；(B)还原峰电位与logv的线性关系图Fig.5 (A)Cyclic voltammograms of 1.0×10-4 mol/L CAP at the Nafion/GQDs/GCE(scan rates(a→i):10,40,60,80,100,120,140,160,200 mV/s);(B)Linear plot of reduction potential vs.logv

图6 Nafion/GQDs/GCE对5.0×10-7～2.5×10-3 mol/L CAP检测的示差脉冲伏安图Fig.6 Differential pulse voltammogram for the detection of CAP from 5.0×10-7 mol/L to 2.5×10-3 mol/L at the Nafion/GQDs/GCE

2.3.3 Nafion/GQDs/GCE对CAP的示差脉冲伏安检测图6是Nafion/GQDs/GCE对CAP连续检测的示差脉冲伏安图。从图中可看出，CAP的还原峰电流随其浓度的增加而增大，且在5.0×10-7～2.5×10-3mol/L范围内呈现良好的线性关系，检出限为1.67×10-7mol/L。证明该Nafion/GQDs/GCE修饰电极对CAP的检测具有较宽的线性范围和可接受的灵敏度，优于氧化石墨烯/聚苯胺[18]、过氧化聚多巴胺[19]、多孔碳/聚多巴胺[20]、纳米钴[21]修饰电极等检测氯霉素的性能，可望用于实际样品中CAP的定量检测。

2.4 Nafion/GQDs/GCE的抗干扰性能

为了考察Nafion/GQDs/GCE对CAP检测的选择性，研究了不同干扰化合物如盐酸四环素、氯四环素、卡那霉素、布洛芬、土霉素在5.0×10-4mol/L氯霉素下的电流响应。研究表明，20倍浓度的盐酸四环素、氯四环素、卡那霉素和布洛芬在-0.7～-0.8 V区间有极微弱的还原峰电流，与CAP的峰电流相比，干扰物的峰电流很小，电流变化在5%之内。20倍浓度的土霉素在0.58 V出现明显的还原峰电流，在-0.7～0.8 V区间无还原峰出现，此实验条件下不干扰CAP的检测，说明该Nafion/GQDs修饰电极具有较好的抗干扰性和选择性。

2.5 Nafion/GQDs/GCE的重复性和重现性

将同一支Nafion/GQDs/GCE在5.0×10-7mol/L Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)溶液中连续测定15次，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)峰电流的相对标准偏差(RSD)分别为2.32%和3.84%。对不同电极间的重现性也进行了考察，把10支不同的Nafion/GQDs/GCE应用于5.0×10-7mol/L Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)溶液中进行检测，所得Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)电流值的RSD为3.53%和4.87%。

将同一支Nafion/GQDs/GCE在5.0×10-4mol/L CAP溶液中连续测定15次，其还原峰电流的RSD为4.30%。电极每次测量CAP后，采用安培法(i-t)，施加-0.75 V左右的电压，在搅拌状态下清洗电极数秒，至电极表面反应完全，以处理吸附在修饰电极上的CAP，实现电极的再生。将10支不同Nafion/GQDs/GCE应用于5.0×10-4mol/L CAP溶液中检测，所得峰电流RSD为4.96%，证明该Nafion/GQDs/GCE具有良好的重现性和稳定性，有望应用于实际样品的检测分析。

2.6 实际样品的检测

取上海市松江区某小区的饮用水水样，利用滤膜(直径0.45 μm)过滤后，取3 mL放入电化学检测池中，用0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲液稀释至10 mL，调节pH为4.5，用标准加入法进行定量分析。加标浓度Pb(Ⅱ)为0.06、0.12、0.18 μmol/L；Cd(Ⅱ)加标浓度为0.10、0.15、0.20 μmol/L。Pb(Ⅱ)回收率范围为97.3%～108.5%，Cd(Ⅱ)回收率范围为95.2%～110.8%，方法具有良好的准确性。

取CAP滴眼液2 mL加入8 mL TE缓冲溶液，将pH值调节至7.0后，随后加入不同浓度的CAP标准溶液，浓度分别为0.1、0.2、0.3、0.45 mmol/L。经过计算，稀释前CAP含量约为0.75 mmol/L(n=3,约2.42 mg/mL)，这与氯霉素滴眼液说明书上CAP含量2.5 mg/mL很接近。样品的加标回收率为92.8%～109.5%，表明该修饰电极可以用来检测实际样品中CAP的含量。

3 结论

本文采用原位电解石墨棒方法制备性能良好的GQDs，并发展了一种Nafion/GQDs/GCE检测Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ) 和CAP的新方法。结果表明，Nafion/GQDs/GCE具有优异的电化学性能，对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和CAP的电化学检测具有良好的结果，呈现线性范围宽、灵敏度高、抗干扰性能好等优势，为实际样品中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和氯霉素快速检测提供新的方法参考。