聚多巴胺-还原氧化石墨烯修饰电极同时测定邻苯二酚和对苯二酚

常凤霞*， 谭 炯， 张熠佳

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川成都 610041)

邻苯二酚(Catechol,CC)是重要的化工中间体，它在橡胶、电镀、显影剂等工业中被广泛应用[1]。对苯二酚(Hydroquinone，HQ)是CC的同分异构体，也是一种重要的化工原料，它在显影剂、燃料、阻聚剂、涂料等的生产中被广泛应用[2]。CC和HQ结构和性质相近，常共存于工业污水中，并且具有毒性及低降解性，是重要的环境污染物[3]。因此，对CC和HQ的高选择性、高灵敏度同时检测在环境监测和治理领域具有重要的现实意义。目前已发展的CC和HQ的检测方法包括高效液相色谱法[4]、分光光度法[5]、毛细管电泳法[6]、化学发光法[7]等。电化学方法具有仪器简单、检测快速、便于现场测试、选择性高和灵敏度高等特点[8 - 9]。但电化学方法同时检测CC和HQ的难点在于二者的峰电位接近，信号峰易发生重叠[10]，并且二者在电极表面的竞争过程可能引起峰电流与浓度的关系偏离线性[11]。因此对电极进行化学修饰以获得足够高的峰电位差，以及良好的峰电流和浓度的线性关系，在同时检测CC和HQ的研究中具有重要意义。

石墨烯(GR)独特的二维平面结构赋予其独特的光电化学性质[12]。氧化石墨烯(GO)一定程度上破坏了GR的高度共轭结构，但是仍保留了特殊的层状结构与表面性能。含氧基团的引入不仅可提高材料的溶解性，有效抑制GR团聚过程，而且可提供表面修饰活性位点，赋予材料更多的功能和性质[13]。还原氧化石墨烯(rGO)是GO的还原产物，其结构稳定，可避免产物因发生化学反应而变质[14]。rGO具有高比表面积、高化学稳定性以及独特的电子和机械性能，在电化学传感领域备受关注[15 - 18]。由GO制备rGO的方法主要有热还原法和化学还原法。热还原法的缺点是耗能高和操作复杂。化学还原法是目前应用前景较好的方法，已有多种还原试剂被用于GO的还原，其中水合肼的应用最广泛。虽然水会肼的还原效率高，但是其高毒性驱动了其他GO还原剂的研究[19]。维生素C、葡萄糖、褪黑素等都曾被用作GO的还原剂。另外，水热还原、溶剂热还原、催化还原、光致还原等方法也已被用于rGO的制备[20]。因此发展经济、环境友好的GO还原方法具有重要意义。

多巴胺(DA)具有还原性，在弱碱性条件下氧化的过程中易聚合，生成聚多巴胺(PDA)[21]。PDA是一种具有强吸附性、易制备、易功能化、具有良好生物相容性的多功能材料，在电化学分析领域，PDA主要被用于纳米材料的制备或提高修饰材料在电极表面的固定效果[22 - 24]。本文以DA作为还原剂，在还原GO的同时，在rGO表面形成的PDA薄层，可以增加rGO在电极表面的稳定性。将制得的PDA-rGO修饰到玻碳电极(GCE)表面，实现了CC和HQ的同时检测。以此建立了温和、简便的可同时检测CC和HQ的电化学分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

CHI 760e型电化学工作站(上海辰华仪器公司)；三电极体系：GCE、GO或PDA-rGO修饰的GCE为工作电极，参比和对电极分别为Ag/AgCl电极和铂丝电极。

GO(纯度>99%)、盐酸多巴胺(分析纯)(上海阿拉丁生化科技公司)，CC、HQ、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O、KCl、无水乙醇(分析纯，成都科隆化学品公司)；所有试剂未经纯化直接使用。实验用水均为超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1 PDA-rGO的制备将10 mg GO分散于20 mL磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=8.0)中，在持续通入高纯N2的条件下，加入5 mg DA，在冰水浴中超声10 min，然后在70 ℃、600 r/min条件下搅拌24 h，冷却后离心，弃去上清液后加水再次离心，重复三次，最后加水至5 mL，得到PDA-rGO悬浮液。

1.2.2 GO/GCE和PDA-rGO/GCE的制备将GO置于水中，超声分散20 min，得到浓度为2 mg/mL的悬浮液，每次使用前超声处理5 min。用直径0.05 μm的Al2O3抛光粉在麂皮上将GCE抛光至镜面，然后依次在无水乙醇和水中各超声清洗1 min，之后在红外灯下烘干。用微量移液器移取5 μL GO或PDA-rGO悬浮液滴涂于干燥洁净的GCE表面，用红外灯烘干，即制得修饰电极GO/GCE或修饰电极PDA-rGO/GCE。

图1 PDA-rGO及PDA-rGO/GCE的制备过程示意图 Fig.1 Schematic diagram for the preparation of PDA-rGO and PDA-rGO/GCE

1.2.3 电化学测定首先，于含有CC和HQ的0.1 mol/L的PBS(pH=7.44)中，持续通入高纯N210 min，然后采用三电极系统，以GO/GCE或PDA-rGO/GCE为工作电极，进行循环伏安扫描。扫描电位范围为-0.1～0.6 V，扫速为50 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 CC和HQ在不同电极上的电化学行为

采用循环伏安法研究了CC和HQ共存时，他们在GCE、GO/GCE、PDA-rGO/GCE上的电化学行为，结果如图2所示。可以看出，在未修饰的GCE上，浓度均为0.50 mmol/L CC和HQ的氧化峰重叠。在GO/GCE上，CC和HQ的氧化还原峰未发生重叠，还原峰峰形相对氧化峰更清晰，与裸GCE相比，氧化峰电位均降低，还原峰电位均增大。而在PDA-rGO/GCE上，CC和HQ的氧化峰电位差为114 mV，还原峰电位差为115 mV，与GO/GCE相比，氧化峰和还原峰均未发生重叠，同时峰形更加尖锐，峰电流显著增加。说明PDA-rGO对CC和HQ比GO有更强的电催化效果，并且CC和HQ氧化还原峰电位差异显著，可用于对CC和HQ的同时检测。

2.2 底液pH的选择

CC和HQ的氧化还原反应都有H+参与，因此研究了pH对PDA-rGO/GCE上CC和HQ电化学行为的影响，结果如图3所示。在pH=3.06～8.73范围内，随pH升高，CC和HQ的氧化还原峰负移。说明随pH升高，PDA-rGO对CC和HQ的催化能力增强，所需活化能降低，所以两种酚能够在更低的电位被氧化。CC和HQ峰电流随pH变化无明显规律，pH=7.44和pH=8.73的结果相比，峰电流更高，峰形更尖锐，并且更接近实际水样的pH，因此选择pH为7.44的PBS作为测定CC和HQ的支持电解质溶液。

图2 CC和HQ在GCE、GO/GCE和PDA-rGO/GCE上的循环伏安图Fig.2 The cyclic voltammograms of CC and HQ at GCE,GO/GCE and PDA-rGO/GCE

图3 不同pH的PBS底液中CC和HQ在PDA-rGO/ GCE上的循环伏安图Fig.3 The cyclic voltammograms of CC and HQ at PDA-rGO/GCE in different pH PBS

2.3 PDA-rGO修饰量的选择

图4 不同体积PDA-rGO修饰GCE上的循环伏安图Fig.4 The cyclic voltammograms at of CC and HQ at GCE modified by different volumes of PDA-rGO a-d:3 μL,5 μL,7 μL,9 μL,respectively.

研究了GCE表面PDA-rGO的修饰量对CC和HQ循环伏安扫描结果的影响(图4)。分别用3、5、7、9 μL PDA-rGO悬浮液修饰GCE，观察到CC和HQ峰电流随PDA-rGO修饰量的增大而增大，灵敏度提高。继续增大修饰体积存在修饰液易溢出GCE表面和修饰层过厚易脱落的问题，所以选择9 μL PDA-rGO悬浮液修饰的GCE进行CC和HQ的同时测定。

2.4 峰电流与扫速的关系

研究了CC和HQ的氧化、还原峰电流大小与扫速的关系。在扫速10～300 mV/s范围内，随扫速增加，峰电流增大(图5A)。CC和HQ的氧化峰电流和还原峰电流都与扫速的平方根成正比(图5B)，相关系数依次为0.9997、0.9976、0.9998和0.9998，说明CC和HQ在PDA-rGO/GCE上的电化学过程由扩散过程控制。

2.5 线性范围和检出限

图5 (A)CC和HQ不同扫速下在PDA-rGO/GCE上的循环伏安图(a-k:10、20、30、40、50、60、75、100、150、200、300 mV/s)；(B)峰电流与扫速平方根的线性关系曲线Fig.5 (A)The cyclic voltammograms of CC and HQ at PDA-rGO/GCE in different scan rates(a-k：10,20,30,40,50,60,75,100,150,200,300 mV/s);(B) The relationship curves of peak currents vs.square root of scan rates

在选定的PDA-rGO修饰量和底液pH条件下，用PDA-rGO/GCE对含有不同浓度的CC和HQ进行了微分脉冲伏安法(DPV)检测。结果显示，在1.0×10-6～4.0×10-3mol/L浓度范围内，CC和HQ的峰电流ip与浓度呈线性关系(图6)。CC和HQ的线性回归方程分别为：ip(CC)=0.0340+0.0310c；ip(HQ)=0.00881+0.0268c，相关系数分别为0.996和0.997，检出限(S/N=3)分别为2.0×10-7mol/L和3.6×10-7mol/L。与文献报道的同时测定CC和HQ的方法相比，PDA-rGO/GCE修饰电极具有检出限较低，线性范围宽的特点，见表1。

图6 不同浓度CC和HQ在PDA-rGO/GCE上的微分脉冲伏安图(插图为峰电流与浓度的线性关系曲线)Fig.6 The differential pulse voltammograms of CC and HQ with different concentrations at PDA-rGO/GCE(Inset is the linear relationship curves between peak currents and concentrations)a-i:0.00100,0.00500,0.0500,0.100,0.250,0.500,1.00,2.00,4.00 mmol/L.

2.6 稳定性和重现性

考察了PDA-rGO/GCE检测CC和HQ的稳定性和重现性。对0.50 mmol/L的CC和HQ的混合溶液连续测定10次，峰电流的相对标准偏差(RSD)依次为3.0%和3.4%。说明电极具有较好的稳定性。用同样方法制备了6根PDA-rGO/GCE，测定0.50 mmol/L的CC和HQ溶液，RSD分别为3.5%和3.9%。这表明该修饰电极制备方法具有较好的重现性。

2.7 干扰实验

在选定的实验条件下，混合溶液中CC和HQ的浓度均为5.0 μmol/L，考察了其它可能的干扰物对CC和HQ测定的影响。实验结果表明，使用PDA-rGO/GCE检测，20倍于CC和HQ浓度的苯酚、间苯二酚和硝基苯酚几乎不干扰CC和HQ的测定(氧化峰电流改变<5%)。

2.8 实际样品测定

为验证PDA-rGO/GCE在实际样品检测中的应用潜力，采用该修饰电极，在优化的实验条件下，对自来水水样和西南民族大学映月潭水样进行了加标回收检测，结果如表2所示。CC和HQ的加标回收率在97.6%～100.6%范围内。

表1 不同修饰电极同时测定邻苯二酚和对苯二酚的比较

表2 水样中CC和HQ加标回收实验结果

3 结论

本研究用DA还原GO，构建了PDA-rGO/GCE修饰电极。研究了CC和HQ在该修饰电极上的电化学行为，实验结果显示，性质相近的同分异构体CC和HQ在该电极上的氧化峰电位差和还原峰电位差均超过110 mV，足以区分两者信号，因此采用PDA-rGO/GCE修饰电极可对CC和HQ进行同时检测。优化条件下，用微分脉冲伏安法对CC和HQ进行测定，CC和HQ的峰电流与浓度都在1.0×10-6～4.0×10-3mol/L范围内呈良好的线性关系，检出限(S/N=3)分别为2.0×10-7、3.6×10-7mol/L。本文中GO的还原以及PDA-rGO/GCE的构建过程具有成本低、条件温和、操作简便的特点，该修饰电极可应用于水样中CC和HQ的同时检测。