王穗萍，王 旭，蘇運祥，彭任富，李亞飛，韓 正，翟紹嵐，林爭鳴

（1.湘潭大學化工學院，重金屬污染控制湖南省高校重點實驗室，湖南湘潭411105）

（2.湖南文理學院生命與環(huán)境科學學院，水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南常德415000）

石墨烯修飾電極差分脈沖伏安法測定微量Cu2+

王穗萍1,2*，王 旭1，蘇運祥1，彭任富1，李亞飛1，韓 正1，翟紹嵐1，林爭鳴1

（1.湘潭大學化工學院，重金屬污染控制湖南省高校重點實驗室，湖南湘潭411105）

（2.湖南文理學院生命與環(huán)境科學學院，水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南常德415000）

采用改進的Hummer方法合成氧化石墨烯，以石墨烯修飾玻碳電極(GCE)為工作電極，于-0.5 V吸附富集后差分脈沖伏安法測定微量Cu2+。對石墨烯修飾電極進行了電化學表征，優(yōu)化了石墨烯還原電位、還原時間、支持電解質(zhì)、pH值、Cu2+富集時間。 實驗結(jié)果表明，石墨烯修飾電極明顯增強了銅溶出信號，溶出峰電流與Cu2+的濃度在0.0005～1μg/mL范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程為y=25.9208x-0.0255（r= 0.9994），檢測下限為0.0005μg/mL，所制備的修飾電極重現(xiàn)性和重復性較好，6次測定的相對標準偏差（RSD）分別為3.98%和3.51%，所提出的檢測方法簡單、靈敏、快速，無需復雜的樣品前處理，修飾電極可反復使用，能應用于實際水樣中銅離子的快速測定。

石墨烯；銅離子；差分脈沖伏安法；電化學

0 前言

重金屬離子是不可生物降解的，會一直存在于生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈中，食物鏈頂端的生物會富集含量很高的重金屬[1]。銅離子（Cu2+）是一種有毒物質(zhì)，過量的銅在人體內(nèi)富集會直接損傷腎臟和肝臟[2]，而且還會導致嚴重的神經(jīng)性疾病[3-4]。因此，監(jiān)控和測量銅離子的濃度是非常重要的。

大量的檢測手段被用于檢測Cu2+，比如原子吸收分光光度法（AAS）[5-7]，原子發(fā)射光譜[8]和電感耦合等離子體質(zhì)譜[9]。然而這些檢測方法具有一些局限，譬如這些測試只能由專業(yè)的測試機構(gòu)完成，儀器往往價格昂貴，操作繁瑣，需要經(jīng)過培訓才能操作，測試價格較貴。開發(fā)電化學方法檢測重金屬離子可以克服這些局限。電化學分析經(jīng)過長期的發(fā)展，測試手段較多，測試過程簡單，測試結(jié)果精確，測試價格便宜容易普及[10-12]。在不同的電化學分析方法中，陽極溶出伏安法是一種簡單高效的檢測重金屬離子的方法，用該檢測方法可以獲得較高的靈敏度，這主要歸功于陽極溶出法具有良好的信噪比[13]。

石墨烯是一種由sp2雜化的碳原子精確組裝形成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。sp2雜化結(jié)構(gòu)的石墨烯使得其具有高的機械性能、高的電子傳遞性能、大的比表面積、易彎曲和良好的生物相容性[14-19]。由于其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，石墨烯在目前的科學研究中受到廣泛關(guān)注[20]。石墨烯表現(xiàn)出強的吸附性能，構(gòu)成石墨烯的每個原子都是表面原子，通過石墨烯和吸附分子的電子傳遞非常快速[21-22]。Khomyakov等[23]證實石墨烯和金屬離子的相互作用和電子傳遞會使修飾的電極非常靈敏。目前，合成石墨烯的主要方法有機械剝離法[24]和外延生長法[25]。機械剝離法的再現(xiàn)性是非常低的。外延生長法合成的石墨烯厚度不均勻，應用受到一定的限制[26]。因此一種快速、簡單、穩(wěn)定合成石墨烯的方法被迫切的需要。

使用改進的Hummer法合成石墨烯，利用石墨烯大的比表面積、良好的導電性以及良好的電催化性能，結(jié)合電化學陽極溶出伏安法操作簡單、線性范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點，建立石墨烯修飾電極測定微量銅離子的方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

掃描電子顯微鏡 （日本JEOL公司，JSM-6610LV型）；玻碳電極為天津艾達恒晟科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；鉑電極和飽和甘汞電極(SCE)為上海儀電科學儀器股份有限公司生產(chǎn)。

石墨粉(SP)、氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl）、硫酸鈉（Na2SO4）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）、硝酸鈉（NaNO3）均購自國藥集團化學試劑有限公司；硫酸（H2SO4）、鹽酸（HCl）均購自株洲市星空化玻有限責任公司；無水乙醇購自天津恒興化學試劑制造有限公司；高錳酸鉀購自廣東臺山粵橋試劑塑料有限公司；硝酸鈉購自西隴化工股份有限公司。0.1mol/L氯化鉀（KCl，pH=3.0）為支持電解質(zhì)。實驗室所用化學試劑除石墨粉（SP）外均為分析純，水均為超純水(電阻率等于18.25MΩ)。

1.2 氧化石墨烯合成

氧化石墨烯根據(jù)文獻中改進的Hummer法合成[27]。稱取0.5 g石墨粉和0.5 g NaNO3加入到裝有23mL濃硫酸的三頸燒瓶中，在冰水浴中攪拌混合5min，緩慢加入3 g KMnO4后，劇烈攪拌10min，然后在35℃的水浴中加熱1 h，形成稠密的糊狀物。加入40mL水，將水浴溫度升高至90℃，30min后再加入100mL水并緩慢加入3mL 20%的H2O2，然后將溫度降至50℃，溶液的顏色從深棕色變成黃色。將所得的溶液在1000 r/min下離心2min，重復上述離心步驟直至沉淀中所有可見異物去除，留上清液。然后以8000 r/min高速離心15min去除小的氧化石墨烯片和水溶性副產(chǎn)物。最后所得沉淀用超純水洗至中性，將沉淀進行真空干燥即得到氧化石墨烯。

1.3 石墨烯修飾電極制備

玻碳電極（GCE，直徑2mm）在6＃砂紙上打磨，然后在麂皮上用氧化鋁粉漿液拋光，分別在超純水、無水乙醇和超純水中超聲清洗3min。在玻碳電極表面滴加5μL 1mg/mL的氧化石墨烯分散液，室溫下自然干燥后將電極置于5mL 0.5 mol/LNaCl(pH=7)中，在-1.3 V電位下還原300 s，制得石墨烯修飾電極。

1.4 電化學測量

采用傳統(tǒng)的三電極體系，以飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑電極為對電極，修飾的GCE為工作電極。首先對Cu2+進行富集，富集電位-0.5 V，富集時間300 s。然后進行差分脈沖伏安檢測，支持電解質(zhì)為0.1mol/LNa2SO4（pH=2），記錄-0.05 V處的峰電流。操作參數(shù)：振幅0.05 V，脈沖周期0.2 s，掃描電壓范圍-0.5～0.5 V，脈沖寬度0.05 s，靜置時間2 s。

1.5 實際樣品測定

將新取的湘潭大學自來水和畫眉潭水樣靜置0.5 h，取上清液進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯修飾電極的形態(tài)表征

圖1為電化學還原氧化石墨烯的掃描電鏡圖，從圖中可以看出明顯的層狀結(jié)構(gòu)，表面呈現(xiàn)許多褶皺，與文獻報道一致[28]，表明石墨烯的成功合成。

圖1 電化學還原氧化石墨烯修飾電極的掃描電鏡圖Fig.1 SEM imageof theelectrochemical reduction of graphene oxide（ERGO）

2.2 石墨烯修飾電極的電化學表征

圖2 裸玻電極（a）、石墨烯修飾電極（c）在含1μg/mL Cu2+的0.1mol/LNa2SO4（pH=2）中的差分脈沖伏安圖；裸玻電極（b）、石墨烯修飾電極（d）在0.1mol/LNa2SO4（pH=2）中的空白對照實驗Fig.2 Differentialpulse voltammetry responsesofbare GCE(a),ERGO/GCE(c)in 0.1mol/LNa2SO4(pH=2.0) containing 1μg/mLCu2+,and blank experimentsofbare GCE(b)and ERGO/GCE(d)in 0.1moL/LNa2SO4(pH=2.0)

圖2為裸玻電極（a）、石墨烯修飾電極（c）在含1μg/mLCu2+的0.1mol/lNa2SO4中的差分脈沖伏安圖。如圖2所示，裸玻電極（a）、石墨烯修飾電極（c）均在-0.05 V出現(xiàn)明顯的Cu溶出峰，裸玻電極（b）、石墨烯修飾電極（d）空白對照實驗沒有出現(xiàn)Cu的溶出峰。石墨烯修飾電極在含1μg/mLCu2+的0.1mol/LNa2SO4中的峰電流 （i= 26.02曲線c）是裸玻電極峰電流（i=5.016曲線a）的5.1倍，這歸因于石墨烯較大的比表面積，良好的導電性和電催化性能。

2.3 實驗條件優(yōu)化

2.3.1 還原電位對石墨烯修飾電極電化學信號的影響

圖3為氧化石墨烯修飾電極于0.5 mol/L NaCl中用不同還原電位還原后在5mmol/LHCl中的差分脈沖伏安圖。還原電位分別為（a）0 V，（b）-0.8 V，（c）-1.0 V，（d）-1.2 V，（e）-1.3 V，（f）-1.4 V。由圖3可知，隨著還原電位增加，響應電流信號逐漸加大，當還原電位為-1.3 V時，響應電流信號達到最大值，繼續(xù)增加還原電位，響應電流信號反而有所減小，因此還原電位優(yōu)化為-1.3 V。

圖3 不同還原電位對石墨烯修飾電極電化學信號的影響：(a)0V，(b)-0.8V，(c)-1.0V，(d)-1.2V，(e)-1.3V，(f)-1.4VFig.3 Effectof the reduction potentialon the stripping peak current response：(a)0V，(b)-0.8V，(c)-1.0V，(d)-1.2 V，(e)-1.3 V，(f)-1.4 V

2.3.2 還原時間對石墨烯修飾電極電化學信號的影響

圖4為石墨烯修飾電極置于0.5mol/LNaCl采用-1.3V還原不同時間后在含5mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1mol/LKCl溶液中循環(huán)伏安圖。如圖4所示，隨著還原時間的增加，循環(huán)伏安圖的峰電流逐漸增強，當還原時間為300 s時，峰電流達到最大，此后隨著還原時間增加，峰電流趨于穩(wěn)定。因此實驗以300 s為氧化石墨烯的還原時間。

圖4 還原時間對石墨烯修飾電極電化學信號的影響（60 s,180 s,300 s,420 s,540 s）Fig.4 Effectofdifferent reduction time（60 s,180 s,300 s, 420 s,540 s）on the electrochemical responses

2.3.3 pH對銅溶出信號的影響

采用BR溶液做支持電解質(zhì)，考察pH值在2～6范圍內(nèi)對銅的溶出信號的影響.如圖5所示，隨著pH值的減小，銅的溶出電流信號逐漸增加，當pH值為2時，銅的溶出信號達到最大。因此，pH優(yōu)化為2。

圖5 pH對Cu溶出信號的影響Fig.5 Effectof the pH ofsupporting eletrolyte on the stripping peak current

2.3.4 支持電解質(zhì)對銅溶出信號的影響

分別測定含1μg/mL Cu2+的0.1 mol/L的HCl、KCl、NaCl、H2SO4、Na2SO4、BR、KH2PO4、PBS、NaNO3溶液的銅溶出信號，pH值保持為2。如圖6所示，以Na2SO4作為支持電解質(zhì)的溶出峰電流最大。因此為了獲得較大的峰電流，選用0.1 mol/LNa2SO4作為支持電解質(zhì)。

圖6 不同支持電解質(zhì)對銅的溶出信號的影響Fig.6 Effectofsupporting electrolyteson the stripping peak current

2.3.5 富集時間對銅溶出信號的影響

富集時間能明顯地影響銅溶出信號，以0.1 mol/LNa2SO4（pH=2）作為支持電解質(zhì)，考察了60～300 s范圍內(nèi)不同富集時間對銅溶出信號的影響。由圖7可知，在60～180 s范圍內(nèi)，銅的溶出峰電流信號隨著富集時間的增加相應的增大，富集時間超過180 s后，溶出峰電流幾乎保持不變。因此，將180 s作為最佳的富集時間。

圖7 富集時間對銅溶出電流信號的影響Fig.7 Effectofdeposition timeon the stripping peak current

2.4 傳感器的分析性能

2.4.1 線性實驗

圖8為石墨烯修飾電極在最優(yōu)條件下的Cu2+標準曲線。如圖8所示，銅的溶出峰電流與Cu2+的濃度在0.0005～1μg/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。線性方程為y=25.9208x-0.0255，相關(guān)系數(shù)0.9994，Cu2+檢測下限為0.0005μg/mL。

圖8 石墨烯修飾電極在最優(yōu)實驗條件下的Cu2+標準曲線Fig.8 The calibration curveofstripping peak currentversus the concentration ofCu2+

2.4.2 干擾實驗

選擇Cd2+、Pb2+、As3+進行干擾實驗。在含1 μg/mLCu2+的0.1mol/LNa2SO4（pH=2）溶液中分別添加相同濃度的干擾離子。結(jié)果表明同等濃度的Cd2+、Pb2+、As3+對Cu2+的測定產(chǎn)生的干擾較小。

2.4.3 重復性實驗

采用6根石墨烯修飾電極測定1μg/mL濃度水平的Cu2+，考察傳感器的重現(xiàn)性，其相對標準偏差（RSD）為3.98%（n=6），表明傳感器重現(xiàn)性良好。

采用同一根石墨烯修飾電極測定1μg/mL濃度水平的Cu2+，連續(xù)測定6次，相對標準偏差（RSD）為3.51%（n=6），表明傳感器可以重復使用。2.4.4實際樣品測定

將新鮮取得的湘潭大學自來水和畫眉潭水樣靜置0.5 h，取上清液進行測定，結(jié)果均未檢測出銅，為進一步證實方法的可靠性，采用實際樣品加標回收實驗，以確定樣品基質(zhì)不干擾銅的測定，結(jié)果如表1所示。

表1 實際樣品加標回收實驗Tab.1 The recovery experimentsof spiked sam ples

3 結(jié)論

建立了石墨烯修飾電極差分脈沖伏安法快速測定微量銅離子的方法。石墨烯大的比表面積、良好的導電性以及電催化性能明顯增強了銅溶出信號，改善了修飾電極的分析性能。電極修飾方法簡便，無復雜的樣品前處理，線性范圍較寬(0.0005～1μg/mL)，檢測下限較低(0.0005 μg/mL)，重復性好。所制備的電化學傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重復性，對環(huán)境、生物和醫(yī)藥樣品中重金屬離子檢測具有潛在的應用前景。

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Determ ination of trace Cu2+by differentialpulse voltammetry w ith graphenemodified electrode

Wang Sui-ping1.2*,Wang Xu1,Su Yun-xiang1,Peng Ren-fu1,LiYa-fei1,Han Zheng1, ZhaiShao-lan1,Lin Zheng-ming1
(1.Hunan College Key Laboratory ofHeavy MetalPollution Control,College ofChemicalEngineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)
(2.Collaborative Innovation Center for Efficientand Health Production of Fisheries in Hunan Province,College of Life and Environmental Sciences,Hunan University of Artsand Science,Changde 415000,China)

The graphene oxide was synthesized by the improved Hummermethod.The graphenemodified glassy carbon electrode(GCE)wasused aswork electrode to determine trace Cu2+by differentialpulse voltammetry after the Cu2+ion was deposited at-0.5 V.The graphenemodified GCE was characterized by electrochemicalmethod.The reduction potentialand time for graphene oxide,the supporting electrolyte,pH and deposition timewere optimized. In comparisonwith thebareGCE,the response signalof the graphenemodified GCEwasobviously increased.Under the optimalconditions,the linear calibration curve ranged from 0.0005 to1μg/mLwasobtained.The linearequation was y=25.9208x-0.0255(r=0.9994).The determination limit was 0.0005μg/mL.The reproducibility and repeatability were also investigated with RSD of3.98%(n=6)and 3.51%(n=6),respectively.Owing to its simple fabrication,high sensitivity,fast response,good stability and repeatability,the developed sensor is promising for detecting Cu2+in realsamples.

graphene;copper ion;differentialpulse voltammetry;electrochemistry

國家自然科學基金資助項目(No.31401577);湖南省自然科學基金(No.13JJ9004);湖南省教育廳資助科研項目(No.12C0407)；“環(huán)境友好與資源高效利用化工新技術(shù)”湖南省高校2011協(xié)同創(chuàng)新中心資助

*通信聯(lián)系人,Tel：18873233125，E-mail：suiping66@126.com