萬其進(jìn)，廖華玲，劉 義，魏 薇，舒 好，楊年俊

（武漢工程大學(xué)綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引 言

石墨烯（Graphene），又稱單層石墨，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料［1］．石墨烯是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料［2］，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300 W／（m·K）［3］，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15 000 cm2／（V·s），又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10－6Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料，其敏銳的導(dǎo)電性能用于電材料時有利于促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移，提供了一種新型的方式于電化學(xué)傳感器和生物傳感器［4－11］．因為它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此提供了一種新的方式來研究電化學(xué)和生物傳感器．已有報道石墨烯成功的應(yīng)用于研究和檢測一些生物和有機(jī)分 子，包 括 DNA［4－5］，葡 萄 糖［6－7］，NADH［5］，過氧 化 氫［5］，多 巴 胺［5，8－11］，抗 壞 血 酸［5，8－11］，尿酸［5，8－11］，血清素［9］等．

鄰苯二酚和對苯二酚是酚的兩種同分異構(gòu)體，是醫(yī)藥、食品和環(huán)境中的重要污染物．因此，建立一種快速、靈敏、簡單、準(zhǔn)確的測定鄰苯二酚和對苯二酚的方法非常有意義．已經(jīng)報道的鄰苯二酚和對苯二酚的檢測方法有氣相色譜（GC）分析方法、熒光光度法、吸光度比值導(dǎo)數(shù)法、紫外分光光度法及雙波長比值法等［12－16］，但這些方法大都儀器昂貴，靈敏度低，且前處理復(fù)雜．相比于上述方法，電化學(xué)方法［17］具有儀器簡單、選擇性好、靈敏度高等優(yōu)點．用石墨烯修飾電極檢測塑料和水樣中的鄰苯二酚和對苯二酚已有報道［17－18］．

本實驗將3 mg石墨烯分散于1 m L DMF中超聲分散30 min，取適量分散液滴涂于已經(jīng)處理好的玻碳電極表面，紅外烘干，即制得石墨烯修飾電極（GR／GCE），用循環(huán)伏安法［19］研究了 CC和HQ在磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖溶液中的電化學(xué)行為［20］，并對一系列濃度的CC和HQ進(jìn)行了電化學(xué)測定，得到了較好的實驗結(jié)果．該石墨烯修飾電極有望用于實際污水中鄰苯二酚和對苯二酚含量的測定．

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

CHI760B電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），KQ－250型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），三電極系統(tǒng)：玻碳電極或修飾電極為工作電極；飽和甘汞電極為參比電極；鉑絲電極為對電極．

石墨烯（Graphene Nanopowder 8 nm flakes）；鄰苯二酚和對苯二酚（上海三浦化工有限公司）；磷酸氫二鈉－檸檬酸溶液作為支持電解質(zhì)；K3Fe（CN）6溶液：0．02 mol／L；避光保存．其它試劑均為分析純，實驗用水均為超純水；實驗均是在室溫下進(jìn)行．

1．2 石墨烯修飾電極的制備

將3 mg石墨烯超聲分散于1 m L DMF中，得到石墨烯懸濁液，然后用微量進(jìn)樣器取適量石墨烯分散液滴涂在預(yù)處理好的玻碳電極表面，紅外烘干，即得到石墨烯修飾電極．

2 結(jié)果與討論

2．1 GR／GCE循環(huán)伏安特性

根據(jù) Hrapovic和 Yang 的 觀 點［21－22］，納 米 材料電活性表面積越大，電催化性能越好，靈敏度越高．因此，選擇循環(huán)伏安法來計算修飾電極電活性表面積．圖1為裸電極（a）和 GR／GCE（b）分別在5×10－3mol／L［Fe（CN）6］3－／4溶液中的循環(huán)伏安圖，可以看出與裸電極相比，GR／GCE的峰電流明顯增加，這表明石墨烯修飾電極擁有較大的電活性表面積．

圖1 裸電極（a）和石墨烯修飾電極（b）在5×10－3 mol／L［Fe（CN）6］3－／4溶液中的循環(huán)伏安圖Fig．1 CV of bare glassy carbon electrode（a）and GR／GCE（b）in 5×10－3 mol／L［Fe（CN）6■3－／4 at scan rate of 100 mv／s

活性表面積可通過Randles－Sevcik方程Ip＝2．69×105AD1／2n3／2v1／2c來計算．其中n代表參加氧化還原反應(yīng)反應(yīng)電子數(shù)，A表示電極的活性表面積（cm2），D表示分子在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2／s），c為溶液濃度（mol／cm3），v表示電位掃描速度（v／s）．［Fe（CN）6］3－／4氧化還原體系是電化學(xué)研究最廣泛的氧化還原對之一，屬于單電子轉(zhuǎn)移（n＝1）．當(dāng)溶度為5×10－3mol／L時，擴(kuò)散系數(shù)（D）約為（6．79±0．02）×10－6cm2／s．根據(jù)上述方程，可以計算出GR／GCE和裸電極的活性表面積的平均值分別為0．17 cm2和0．11 cm2，GR／GCE的活性表面積增加了54．5%．活性表面積的增加表明GR／GCE具有更好的電催化活性，適合作為電化學(xué)傳感器和生物傳感器．

2．2 GR／GCE的交流阻抗特性

用交流阻抗法分別對裸電極和GR／GCE進(jìn)行了表征．如圖2所示，在選定的頻率范圍內(nèi)，裸玻碳電極（曲線a）上探針［Fe（CN）6］3－／4－的阻抗譜圖在高頻部分出現(xiàn)半圓，在低頻部分得到近似直線，這說明裸玻碳電極表面對電子的傳遞存在一定的阻抗，而在GR／GCE（曲線b）上，探針［Fe（CN）6］3－／4－的阻抗譜圖基本上是一條直線，表明此時電極上不存在阻礙電子傳遞的物質(zhì)，［Fe（CN）6］3－／4－非常容易達(dá)到表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)．說明石墨烯修飾層起到了增強(qiáng)電子傳輸?shù)淖饔?，與裸電極相比，GR／GCE的電導(dǎo)性明顯增強(qiáng)．

圖2 裸電極（a）和石墨烯修飾電極（b）的交流阻抗圖Fig．2 Impedance plots of bare glassy carbon electrode（a）and GR／GCE（b）

2．3 鄰苯二酚和對苯二酚分別在不同電極上的電化學(xué)行為

圖3為5×10－4mol／L的鄰苯二酚（CC）分別在裸電極（a）和 GR／GCE（b）上的循環(huán)伏安圖．由此可見，鄰苯二酚在裸電極上的電化學(xué)行為是不可逆的且響應(yīng)相對較弱，其氧化峰電位是486 mV，而在GR／GCE上的電化學(xué)行為是準(zhǔn)可逆的且響應(yīng)相對較強(qiáng)，其氧化峰電位是270 mV，氧化峰電位負(fù)移了216 mV，峰電流顯著增大達(dá)到276 mA．由此可見，GR／GCE對鄰苯二酚產(chǎn)生了明顯的電催化作用．

圖4為5×10－4mol／L的對苯二酚（HQ）分別在裸電極（a）和GR／GCE（b）上的循環(huán)伏安圖．由此可見，對苯二酚在裸電極上氧化過電位較高（大于600 m V），而在GR／GCE上的電化學(xué)行為是準(zhǔn)可逆的且響應(yīng)相對較強(qiáng)，其氧化峰電位是145 m V，氧化峰電流顯著增大達(dá)到257 mA．由此可見，GR／GCE對對苯二酚產(chǎn)生了明顯的電催化作用．

圖3 為5×10－4 mol／L CC在裸電極（a）和GR／GCE修飾電極（b）上的循環(huán)伏安圖Fig．3 Cyclic voltammograms of bare electrode（a）and GR／GCE（b）in 5×10－4 mol／L CC

圖4 為5×10－4 mol／L HQ在裸電極（a）和GR／GCE修飾電極（b）上的循環(huán)伏安圖Fig．4 Cyclic voltammograms of bare electrode（a）and GR／GCE（b）in 5×10－4 mol／L HQ

2．4 最佳條件的選擇

2．4．1 支持電解質(zhì)及p H的選擇 實驗比較了鄰苯二酚和對苯二酚在相同p H值的不同緩沖溶液如醋酸緩沖溶液、磷酸緩沖溶液、硫酸緩沖溶液、KH2PO4－NaOH 緩沖溶液、Na2HPO4－檸檬酸緩沖溶液中的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)鄰苯二酚和對苯二酚都在Na2HPO4－檸檬酸緩沖溶液中表現(xiàn)出良好的電化學(xué)行為，二者的氧化還原峰較好，峰電流較高．

配制p H5．4～6．0范圍的 Na2HPO4－檸檬酸緩沖溶液，研究了鄰苯二酚和對苯二酚在GR／GCE上的電化學(xué)行為隨p H值的變化情況．由圖5可知，鄰苯二酚在Na2HPO4－檸檬酸緩沖溶液中峰電位和峰電流隨pH的變化并不明顯，隨pH的增大峰電位稍有負(fù)移且峰電流略有下降，因此本實驗對鄰苯二酚的測定底液pH值選擇為5．6，由圖6可知，對苯二酚在Na2HPO4－檸檬酸緩沖溶液中峰電位和峰電流隨pH的變化明顯，隨pH的增大峰電流先增大后減小，在pH＝5．8時峰電流達(dá)到最大，故本實驗對對苯二酚的測定底液pH值為選擇5．8．

圖5 pH對鄰苯二酚在GR／GCE上的循環(huán)伏安圖影響Fig．5 Cyclic voltammograms of GR／GCE in CC solution with different p H

圖6 pH對對苯二酚在GR／GCE上的循環(huán)伏安圖影響Fig．6 Cyclic voltammograms of GR／GCE in HQ solution with different pH

2．4．2 滴涂量的選擇 a．石墨烯濃度的選擇在同一條件下分別滴涂1 mg／m L、3 mg／m L和5 mg／m L的石墨烯溶液在GCE電極上，測對苯二酚和鄰苯二酚的響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用3 mg／mL的石墨烯效果明顯好一些．

b．石墨烯滴涂次數(shù)的選擇 在其它實驗條件不變的情況下，在裸電極表面分別滴涂不同量的石墨烯懸濁液，當(dāng)懸濁液的滴涂量由4～18μL（3 mg／m L）變化時，氧化峰電流先增大后幾乎不變最后略有減小，這可能是由于石墨烯厚度增加到一定程度而阻礙了電子的傳遞，故導(dǎo)致導(dǎo)電性變差．為了得到最佳峰電流和峰電位，鄰苯二酚（圖7）選擇滴涂16μL，對苯二酚 （圖8）選擇滴涂12μL．

圖7 鄰苯二酚的峰電流與石墨烯滴涂量的關(guān)系Fig．7 The relationship between the peak current of CC and dispensing the quantity of graphene

圖8 對苯二酚的峰電流與石墨烯滴涂量的關(guān)系Fig．8 The relationship between the peak current of HQ and dispensing the quantity of graphene

2．4．3 掃速的影響 在其它條件不變的情況下，以不同的掃描速度分別對含鄰苯二酚和對苯二酚的溶液進(jìn)行CV掃描，如圖9和10所示．從圖中可知，隨掃描速度的增加，二者的氧化還原峰電流明顯增大．鄰苯二酚（圖9）在20～160 m V／s掃速范圍內(nèi)氧化還原峰電流與掃速的平方根呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為IPa＝－0．209 03＋2．135E－4c，線性相關(guān)系數(shù)R＝0．998 6表明石墨烯修飾電極／溶液界面上的電極反應(yīng)為受擴(kuò)散控制的電極過程，同樣對苯二酚（圖10）在20～160 m V／s掃速范圍內(nèi)氧化還原峰電流與掃速呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為IPa＝0．637 78＋1．222E－5c，相關(guān)系數(shù)R＝0．996 2，表明石墨烯修飾電極／溶液界面上的電極反應(yīng)為受吸附控制的表面電極過程．

圖9 GR／GCE在5．0×10－4 mol／L鄰苯二酚溶液中不同掃描速度的循環(huán)伏安圖（A）和峰電流與掃描速度的關(guān)系（B）Fig．9 Cyclic voltammograms of the GR／GCE in 5．0×10－4 mol／L CC（A）and the relation between the peak currentsand different speed（B）

圖10 GR／GCE在5．0×10－4 mol／L對苯二酚溶液中不同掃描速度的循環(huán)伏安圖（A）和峰電流與掃描速度的關(guān)系（B）Fig．10 Cyclic voltammograms of the GR／GCE in 5．0×10－4 mol／L HQ（A）and the relation between the peak currentsand different speed（B）

2．4．4 富集時間和富集電位的影響 由于對苯二酚在電極上的反應(yīng)主要受吸附過程控制，所以每次測定前需要在選定電位條件下富集一段時間以達(dá)到良好的測定效果．研究不同富集時間對峰電流的影響（圖11），隨著富集時間的增大，峰電流先增大后減小，最佳富集時間為20 s．研究不同富集電位對電流的影響（圖12），隨著富集電位的減小，峰電流先增大后減小，最佳富集電位為－1．0 V．

圖11 對苯二酚富集時間與峰電流的關(guān)系Fig．11 The relationship between the peak current of HQ and deposit time

圖12 對苯二酚富集電位與峰電流的關(guān)系Fig．12 The relationship between the peak current of HQ and deposit electrodes

2．4．5 線性范圍和檢出限 圖13為在p H＝5．6的磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖溶液為底夜的條件下，石墨烯修飾電極在不同濃度的鄰苯二酚溶液中的示差脈沖伏安（DPV）圖．圖14為在p H＝5．8的磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖溶液為底夜的條件下，石墨烯修飾電極在不同溶度的對苯二酚溶液中的示差脈沖吸附溶出伏安（DPADV）圖．在5．0×10－6～1．0×10－4mol／L溶度范圍內(nèi)，鄰苯二酚和對苯二酚的氧化峰與其濃度有良好的線性關(guān)系．對應(yīng)的線性回歸方程：鄰苯二酚是Ipa＝1．163 21E－6＋0．029 44c；相關(guān)系數(shù)R＝0．998 2；檢測限可達(dá)5．0×10－7mol／L；對苯二酚是Ipa＝2．264 17E－6＋0．335 82c；相關(guān)系數(shù)R＝0．997 7；檢測限可達(dá)1．0×10－7mol／L．

圖13 不同濃度的鄰苯二酚在GR／GCE上的DPV圖（A）和峰電流和鄰苯二酚濃度的關(guān)系（B）Fig．13 DPV for different concentrations of CC at the GR／GCE（A）and the relationship between the peak currents and concentrations（B）

圖14 不同濃度的對苯二酚在GR／GCE上的DPV圖（A）與峰電流和對苯二酚濃度的關(guān)系（B）Fig．14 DPV for different concentrations of HQ at the GR／GCE（A）and the relationship between the peak currents and concentrations（B）

2．4．6 鄰苯二酚和對苯二酚的同時測定 圖15為在p H＝5．8的磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖溶液為底夜的條件下，裸電極和石墨烯修飾電極分別同時測定2×10－4mol／L同濃度的鄰苯二酚和對苯二酚溶液的DPV圖，可知裸電極上出現(xiàn)一個小峰且完全不能將鄰苯二酚和對苯二酚分開，而GR／GCE的峰電流明顯增加而且能夠很好的將鄰苯二酚和對苯二酚的峰分開，這表明石墨烯修飾電極對鄰苯二酚和對苯二酚的分離效果很好．

圖15 裸電極（a）和石墨烯修飾電極（b）同時測定鄰苯二酚和對苯二酚的DPV圖Fig．15 DPV for simultaneous determinnation of HQ and CC with the bare electrode and the GR／GCE in phosphate solution

圖16 不同濃度的HQ和CC同時在GR／GCE上的DPV圖（A）以及峰電流與CC（圖C）和HQ（圖B）的線性關(guān)系Fig．16 DPV for different concentrations of HQ and CC at the GR／GCE（A）and the relationship between the peak currents and concentrations of CC（B）and HQ（C）

圖16為在p H＝5．8的磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖溶液為底夜的條件下，石墨烯修飾電極對不同溶度的CC和HQ同時測定的DPV圖．在4．0×10－5～1．0×10－3mol／L濃度范圍內(nèi)，CC和 H Q的氧化峰均與濃度成良好的線性關(guān)系．對應(yīng)的線性回歸方程：對苯二酚是Ipa＝1．139 29E－6＋0．016 77c；相關(guān)系數(shù)R＝0．999 6；鄰苯二酚是Ipa＝8．810 1E－7＋0．017 15c；相關(guān)系數(shù)R＝0．998 4．

2．4．7 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性 使用石墨烯修飾電極分別平行測定20次1×10－4mol／L的鄰苯二酚和對苯二酚，峰電流基本穩(wěn)定，鄰苯二酚的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2．5%，對苯二酚的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2．6%，由此可以說明體系重現(xiàn)性良好，對比新制備的石墨烯修飾電極，分別使用放置一周后，15 d后以及一個月后的電極測定同一濃度的鄰苯二酚和對苯二酚溶液，其峰電流無明顯變化，表明石墨烯修飾電極具有較長的使用壽命和良好的穩(wěn)定性，可以用于實際樣品的分析測定．

2．4．8 干擾實驗 本實驗在已選定的最佳條件下考察了一些廢水中常見的離子對2×10－5mol／L鄰苯二酚和對苯二酚溶液進(jìn)行測定的影響，誤差控制在±5%以內(nèi)，100倍的Ca2＋、Al3＋、Zn2＋、Fe3＋、Fe2＋、K＋、Ag2＋、Cl－、NO3－、SO24－等離子以及VB1、VC、半胱氨酸、賴氨酸、葡萄糖、對硝基苯酚、尿酸等常見酚類物質(zhì)對鄰苯二酚和對苯二酚的測定不造成干擾．

2．4．9 模擬水樣的測定 取疊翠湖中的水樣配制不同溶度鄰苯二酚和對苯二酚的模擬廢水，用 G R／GCE 在 －0．2～0．8 V 電 位 范 圍 內(nèi)，100 m V／s掃數(shù)下測定峰電流，用加標(biāo)回收法獲得模擬廢水中鄰苯二酚和對苯二酚含量，平行三次，結(jié)果見表1和表2．由此可見，測定鄰苯二酚的回收率在98．3%～114．3%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0．2～3．0范圍內(nèi)，對苯二酚的回收率在92．5%～108．6%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0．6～3．5范圍內(nèi)．

表1 不同濃度的鄰苯二酚混合液的回收率Table 1 Recoveries of CC with different concentrations

表2 不同濃度的對苯二酚混合液的回收率Table 2 Recoveries of HQ with different concentration

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金委的資助（國家自然科學(xué)基金21075096，21275113）．

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