巯基β -环糊精/还原氧化石墨烯/金纳米粒子复合膜修饰电极间接检测3,3′,4,4′-四氯联苯

王清华， 陈 文*， 蒋宇婷， 钱 蕾， 潘白凤

(成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都 610059)

多氯联苯(PCBs)属卤代芳烃，是含有上百种同系物及异构体的油状混合物，其物理化学化学性质十分稳定。PCBs曾广泛用于绝缘油、热载体以及农药和油漆等各类产品的添加剂等[1]。后因毒性大[2]、脂溶性强而被停止使用。PCBs属于持久性有机污染物，给人类健康和生态环境造成巨大威胁，因此，开发和建立PCBs的检测方法具有重要的现实意义。

目前对PCBs的检测主要有气相色谱法[3]、气相色谱-质谱法[4，5]，光谱法[6]及生物分析技术[7，8]等。近年来，检测PCBs的新型电化学方法不断出现[9 - 12]。如Wei等[9]利用单壁碳纳米管/芘环糊精(WCNTs/PyCD)复合膜传感器检测3,3′-4,5′-四氯联苯(PCB77)；韩璐[10]提出以中性红为电化学探针的环糊精聚合物电化学传感器检测PCBs；郑香丽等[11]以二茂铁为探针，基于聚β-环糊精-还原氧化石墨烯-聚吡咯复合材料的电化学传感器检测PCBs。

环糊精分子具有“外亲水，内疏水”的特殊结构，能够成主客体包合物[13]，被用于开发不同传感器[14，15]。石墨烯具有一系列的特殊性质，在环境污染物的电化学传感检测方面应用广泛[16，17]；纳米金是优良的电极修饰材料，被广泛用于提高电化学传感器性能[18]。本研究构建了β-CD-SH-rGO/AuNPs/GCE电化学传感器，以K3[Fe(CN)6]为电化学探针间接检测PCB77。优化条件下，PCB77的浓度在0.5～10.0 μmol/L范围与峰电流的变化值ΔIp呈良好线性关系。建立的方法可用于检测环境水样中PCB77。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

autolab PGSTAT 302N电化学工作站(瑞士，万通)。以铂电极(Φ=3 mm)(天津艾达恒晟科技有限公司)为对电极，饱和甘汞电极为参比电极(上海雷磁科技有限公司)，玻碳电极(GCE)及修饰GCE为工作电极组成的三电极系统用于电化学测量。由D/MAX-IIIC X-射线衍射仪(日本，理学)、TENSOR 27红外光谱仪(德国，BRUKER)、Quanta250扫描电镜(中国FEI)进行修饰材料的表征。

PCB77(纯度99.8%)、PCB126(纯度98.5%)、PCB129(纯度99.0%)(Dr.Ehrenstorfer GmbH)；巯基-β-环糊精(纯度99%，山东滨州智源生物科技)、HAuCl4·4H2O(分析纯，科龙化工)、K3[F3(CN)6](分析纯，中国上海试剂)，其他所用试剂为分析纯。氧化石墨烯(GO)采用改进的Hummers法制备[19]。实验用水均为二次蒸馏水。

1.2 电极制备

1.2.1 玻碳电极的预处理将玻碳电极(GCE)用0.05 μm的α-Al2O3抛光粉在麂皮上打磨、抛光至镜面，再依次使用二次蒸馏水和无水乙醇各超声清洗2～3 min，并用N2吹干；采用三电极体系，通过-0.2～1.0 V之间的循环电位，在0.5 mol/L的H2SO4中处理电极，最后将GCE置于含0.1 mol/L的KCl的5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中，在-0.2～0.8 V电位之间，于100 mV/s的扫速下进行循环伏安(CV)扫描，直至获得稳定的CV曲线。

1.2.2 AuNPs/GCE的制备以饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，将预处理后的GCE浸入6.0 mmol/L HAuCl4溶液(含0.1 mol/L KCl)中，在-0.8 V恒电位条件下沉积120 s，将沉积好的电极用蒸馏水冲净并用N2吹干，得AuNPs/GCE。

1.2.3β-CD-SH-rGO/AuNPs/GCE的制备将制备的AuNPs/GCE置于β-CD -SH∶GO=1∶4的混合液中(电势为-1.4～0.6 V，扫速100 mV/s，还原圈数为8圈)，通过CV扫描将β-CD-SH-GO还原至电极表面后，将修饰的电极用二次蒸馏水冲净并用N2吹干，得β-CD-SH-rGO/AuNPs/GCE。

1.3 实验方法

将制备的β-CD-SH-rGO/AuNPs/GCE在含有7.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]，pH=6.34的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中平衡4 min，在扫描电位为-0.2～0.4 V范围，以扫速60 mV/s进行差分脉冲伏安法(DPV)分析，记录初始还原峰电流后，然后冲洗电极，放入4.5 μmol/L的PCB77中孵育20 min后，重新置于K3[Fe(CN)6] 溶液进行DPV扫描，记录二次还原峰电流。测定完毕后，将电极重新置于7.0 mmol/L的K3[Fe(CN)6]，pH=6.34的PBS中平衡4 min，以去除被包合的PCB77，使电极重新恢复活性。

电化学阻抗谱(EIS)在含有5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]的饱和KCl溶液中进行测量，起始电位为0.25 V，频率范围为10-2～105Hz。

2 结果与讨论

2.1 GO红外(IR)光谱及X射线衍射(XRD)表征

对制备的GO样品进行IR光谱和XRD表征。从图1(A)可以看到，1 629 cm-1处有一个很强的吸收峰，此峰是由C=O伸缩振动产生的，由于GO中含有大量C=O键，因此证明已经将石墨成功制备成GO。图1(B)显示，产物的衍射峰在2θ=10.5° 处出现，此峰是GO的特征峰。因为GO的结构层间含有大量的含氧基团，由于这些基团的存在使得晶体结构层状发生了褶皱弯曲变化，因此当一束单色X射线入射到GO晶体表面时，则使其衍射的方向与石墨不同，也进一步证明GO被成功制备。

图1 GO的红外(IR)光谱(A)和GO与graphite的X射线衍射(XRD)(B)图Fig.1 IR spectra of GO(A) and XRD of graphite and GO(B)

2.2 β -CD-SH/rGO/AuNPs/GCE制备条件的优化

2.2.1 AuNPs/GCE制备条件选择本研究用AuNPs对GCE进行修饰，以增强电极的导电性，根据文献报道[19]选择HAuCl4为溶剂(含0.1 mol/L的KCl)，按照1.2.2对HAuCl4浓度(2.0～10.0 mmol/L)、沉积时间(60～300 s)、沉积电位(-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0 V)采用单因素变量法进行了选择。结果显示，在0.1 mol/L的KCl中HAuCl4浓度为6.0 mmol/L，沉积时间为120 s，沉积电位为-0.8 V为最佳的制备条件。

2.2.2 GO与β-CD-SH用量比及还原圈数对修饰电极性能影响GO对β-CD-SH的携带量由其配比决定，因为β-CD-SH与GO的结合方式是氢键，通过GO在电极表面被还原为还原氧化石墨烯(rGO)而被携带到电极表面；而GO的还原圈数会影响rGO的厚度，从而影响探针峰电流的大小。固定β-CD-SH质量浓度为2.0 mg/mL(质量浓度比为1∶1、1∶2、2∶1、4∶1、8∶1、10∶1)及其还原圈数(4、6、8、10、12、14、16圈)进行研究。实验结果显示β-CD-SH与GO的用量比1∶4(即GO为8.0 mg/mL)时，还原圈数为8圈时K3[Fe(CN)6]探针的峰电流最大。

2.3 β -CD-SH/rGO/AuNPs/GCE形貌表征及电化学行为

2.3.1β-CD-SH-rGO/AuNPs/GCE形貌表征图2A为AuNPs/GCE的扫描电镜图，AuNPs均匀地沉积在电极表面，直径大约为10～50 nm，呈现出明显的金属光泽；而AuNPs上复合修饰rGO后(图2B)，金属光泽因rGO的覆盖而降低，用红色虚线圆圈标出的部分可看出rGO呈现出典型的褶皱形态，由此可以证明rGO被成功的还原到AuNPs/GCE电极表面；当在AuNPs/GCE表面修饰β-CD -SH-rGO后，电极表面AuNPs多处被覆盖，金属光泽进一步减弱，并出现多处明显的阴影部分(图2C)，由此可证明β-CD-SH借助GO(二者以氢键连接)还原于电极表面时的携带作用及-SH与AuNPs之间的Au-S键结合于电极表面。

2.3.2 K3[Fe(CN)6]探针在修饰电极上的电化学行为通过CV法和EIS法研究了K3[Fe(CN)6]在裸GCE、AuNPs/GCE、AuNPs/rGO/GCE及β-CD-SH/rGO/AuNPs/GCE上的电化学行为。如图3所示，K3[Fe(CN)6] 在上述4种电极上均有一良好氧化还原可逆特征峰呈现，且相对于裸GCE，在AuNPs/GCE、AuNPs/rGO/GCE上，K3[Fe(CN)6]的响应峰电流均有很大提高，这是AuNPs与rGO优异的导电性及电催化性，加快了电子的传递速率。β-CD -SH/rGO/AuNPs/GCE与AuNPs/rGO/GCE相比，K3[Fe(CN)6] 的峰电流明显下降，由于β-CD-SH不具有导电性，且当β-CD-SH修饰在电极表面时，部分β-CD-SH 会覆盖AuNPs及rGO，使电子转移速率下降，也证明了β-CD-SH被修饰到了电极表面。

电化学阻抗谱(EIS)图4清楚地显示裸GCE的奈奎斯特图的半圆形和线性特征。裸GCE的电阻最大，AuNPs/GCE、β-SH-CD/rGO/AuNPs/GCE和AuNPs/rGO/GCE的电阻均减小，说明rGO和AuNPs均有优异的导电性，加快了电子的转移速率。rGO/AuNPs/GCE的电子转移阻抗最小，说明rGO与AuNPs协同作用下，进一步促进电极表面的电子转移速率，β-CD-SH/rGO/AuNPs/GCE的电子转移阻抗最大，因β-CD-SH不导电所致。这与CV表征结果一致。

2.4 K3[Fe(CN)6]探针最佳响应条件的研究

5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液的pH值为6.34左右，故直接选择pH=6.34的柠檬酸-柠檬酸钠、Na2HPO4-柠檬酸、克拉克-鲁布斯、B-R，PBS等不同缓冲体系进行底液种类的选择研究，结果表明在PBS底液中K3[Fe(CN)6]的ΔIp(孵育PCB77前、后K3[Fe(CN)6]在复合电极表面的还原峰电流差)值最大；继续考察PBS在pH为5.94～7.04酸度条件下的ΔIp值的变化，结果显示pH=6.34时ΔIp最大。故选择以pH=6.34的PBS作为检测的最佳缓冲溶液及酸度条件。

图3 不同修饰电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的循环伏安图Fig.3 The cyclic voltammograms of diffirent modified electrodes in K3[Fe(CN)6] solution c(K3[Fe(CN)6]:5.0 mmol/L;c(KCl):0.1 mol/L;potential:-0.2 - 0.8 V;scanning rate:100 mV/s.

图4 不同电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的电化学阻抗谱图(内插图为交流阻抗等效电路拟合图)Fig.4 Electrochemical impedance spectra of diffirent modified electrode (Inset an equivalent circuit of the electrochemical impedance measurement)c(K3[Fe(CN)6]:5.0 mmol/L;initial potential:0.2 V;frequency:10-2 - 105 Hz.

在此条件下，当K3[Fe(CN)6]的浓度从0.5～9.0 mmol/L 变化时，ΔIp随浓度增大而升高，在7.0 mmol/L处出现较缓平台，说明其进入环糊精空腔接近饱和；而若浓度太低，检测信号太弱，失去其作为探针的意义；若浓度太高，又不利于PCB77的竞争，因此，选择7.0 mmol/L作为K3[Fe(CN)6]的最佳浓度；在1～10 min的平衡时间研究发现，平衡4 min时K3[Fe(CN)6]的电流值较大而平稳；扫速对峰电流的影响结果显示：在扫速20～100 mV/s的范围进行CV扫描，K3[Fe(CN)6] 的氧化还原峰电流随扫速的升高不断增大，其中氧化峰电流Ip与扫速成正比，其线性方程为：Ip(10-5A)=0.06967v(mV/s)+3.8756(R=0.9959)，说明K3[Fe(CN)6]在电极上的氧化过程是一个受吸附控制的过程。

CV图显示还原峰与氧化峰电流均随着扫速的增加而增大，因DPV法较CV法检测更为灵敏，本研究选择采用DPV法检测，但在测试中氧化峰电流比还原峰电流更大更稳定，故选择氧化峰作为定量检测的峰。研究显示，在扫速从20 mV/s增至100 mV/s时，扫速为60 mV/s，扫描数据点足够检测应用，氧化峰电位在0.176 V未发生偏移，且较为灵敏，故选择在-0.2～0.4 V的电位范围内以扫速60 mV/s进行所有的DPV测试。

2.5 PCB77最佳孵育条件的研究

2.5.1 PCB77孵育底液及pH的选择实验发现，对比B-R、柠檬酸-柠檬酸钠和克拉克-鲁布斯缓冲液，修饰电极在PBS中竞争包合PCB77，使得K3[Fe(CN)6]的还原峰电流改变值最大。随着PBS底液pH值的增加，峰电流改变值呈现先增后减的趋势，pH在7.0时峰电流达到最大值。故最终选择pH=7.0的PBS作为PCB77的孵育底液。

2.5.2 PCB77竞争包合时间对修饰电极响应的影响分别考察了PCB77在pH=7.0的PBS底液中孵育5、10、15、20、25、30、35、40 min，探针K3[Fe(CN)6]的ΔIp的变化。结果显示ΔIp随着时间增加而变大，当孵育时间为20～25 min时出现较高且稳定的平台，因此选择20 min为PCB77最佳孵育时间。

2.6 稳定性、重现性与选择性

在优化条件下，通过DPV法测定SH-β-CD/rGO/AuNPs/GCE的稳定性和重现性，同一根修饰电极，平行测定5次，K3[Fe(CN)6]峰电流改变值ΔIp的相对标准偏差(RSD)为2.55%；同时，用相同方法修饰的5根电极测定同一浓度的PCBs后，ΔIp的RSD约为1.97%。表明SH-β-CD/rGO/AuNPs/GCE具有优良的重现性和稳定性。将修饰电极密封，低温保存一周、两周及四周后，进行DPV法分析，ΔIp分别是初始值的96.1%、91.9%、87.4%，且峰电位基本不变。此外，还对修饰电极进行连续测定，分别测定5、10、15、20次后，ΔIp依次为初始值的94.7%、90.3%、85.6%、81.9%，峰电位基本无偏移。

2.7 线性范围和检出限

复合膜修饰电极在浓度逐渐增大的一系列PCB77标准溶液中竞争包合后，在0.5～10.0 μmol/L的PCB77浓度范围内，K3[Fe(CN)6]的还原峰电流ΔIp与PCB77的浓度呈良好的线性关系，线性回归方程为：ΔIp=0.0873c(μmol/L)+0.1775(R=0.9954)，检出限(S/N=3)为0.081 μmol/L。如表1所示，与文献中报道的其他修饰电极相比，本方法具有较宽的线性范围和较低的检出限。

表1 SH-β -CD/rGO/AuNPs/GCE与其他电化学传感器测定PCBs的比较

Note:SWCNTs/PyCD,Poly-β-CD,Tyr-ZnO QDS are the abbreviations of single-walled carbon nanotube/pyrenecyclodextrin,Polyβ-CD,tyrosinase and zinc oxide quantum dots.

本研究重点考察了与PCB77类似结构的共平面PCB126、PCB169对检测PCB77的干扰，结果显示PCB126、PCB169对PCB77有很大的干扰。采用该探针体系对PCB126、PCB169进行了检测，结果显示：当浓度为1.0～10.0 μmol/L范围内，探针峰电流与浓度呈良好的线性关系，检出限分别为0.0895 μmol/L、0.0959 μmol/L，线性相关系数R为0.9904、0.9908；在1.5～9.0μmol/L的浓度范围内，对等摩尔浓度共平面PCBs混和标准溶液(PCB77、126、169)检测发现，探针峰电流与浓度呈线性关系，检出限为0.0858 μmol/L，线性相关系数R为0.9967。

由此推断该修饰电极对非共平面PCBs识别性能不佳，其电化学响应程度与PCBs的分子大小，取代氯空间位置等有关，当PCBs分子体积大小与β-CD -SH的空腔相当时，则有可能形成的较稳定包合物，修饰电极响应较显著；当PCBs的分子体积比β-CD -SH的空腔大或小时，则可能无法与之形成稳定的包合物，因此修饰电极响应较低或不发生响应。因此本方法可用于共平面结构多PCBs总量的检测。

2.8 实际样品的检测

于成都理工大学砚湖以及校园的东风渠，在同一深部不同位置的渠水及砚湖中采取水样，然后将不同位置采集的水样混合均匀。采得的水样6 000 r/min离心10 min，准确移取10.00 mL上清液于25 mL比色管中，然后用pH=7.0的0.1 mol/L的PBS定容至25 mL后，采用β-CD -SH/rGO/AuNPs/GCE分析样品中PCB77，并进行加标回收实验，平行测定3次，结果如表2所示。

表2 修饰电极对环境水样中PCB77加标回收测定(n=3)

ND:not detected.

3 结论

本实验研究了基于K3[Fe(CN)6]为电活性分析探针，以新构建的β-CD -SH/rGO/AuNPs/GCE传感器间接测定PCB77的分析方法。结果显示，复合膜较大地改善了基底电极的电荷传导率，提高了电极对PCBs的吸附能力及选择性。表明修饰电极在环境样品分析中具有更多潜在的用途。