伊雯雯，李忠平＊，王園琴，2，李俊芬，董 川

（1．山西大學環(huán)境科學研究所，化學化工學院，山西太原030006；2．鴻富晉精密工業(yè)有限公司，山西太原030006）

Cu（Ⅱ）易被人體吸收，在體內(nèi)聚集，不易被降解，很容易引發(fā)各種疾病，如神經(jīng)失調(diào)（阿爾茨海默?。?－2］，慢性病（糖尿病、心血管疾病和動脈硬化等）［3－4］、溶血性貧血疾病和肝炎，甚至癌癥［5－6］等。我國對各類水體中Cu（Ⅱ）的排放量有著明確的規(guī)定［7］，生活飲用水中的含Cu（Ⅱ）量不得超過1mg·L!1；地面水中最高排放量為0．1mg·L－1。因此，研究水質(zhì)中重金屬Cu（Ⅱ）的檢測方法具有重要現(xiàn)實意義。目前，水環(huán)境中重金屬Cu（Ⅱ）的常規(guī)檢測方法，包括分光光度法［8］、熒光光譜法［9］、原子光譜法［10］、色譜法以及電化學法［11］、電感耦合等離子體質(zhì)譜分析法［12］等。近些年，一些新的檢測技術(shù)，如免疫分析法［13］、生物傳感器法［14］、酶抑制法［15］等也得到了發(fā)展。

石墨烯（GN）是一種由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的新型碳材料，具有較大的比表面積、優(yōu)良的電子傳輸性能［16］、良好的化學穩(wěn)定性以及和其他納米材料或生物材料兼容性好等優(yōu)異的物理性能［17］。這些優(yōu)異的性能使它成為電化學、電催化和生物傳感器等領域的研究熱點。本文構(gòu)建了一種基于EDTA功能化石墨烯的Cu（Ⅱ）電化學傳感器。采用乙二胺還原氧化石墨烯（GO）的方法，構(gòu)建EDTA功能化石墨烯納米材料修飾玻碳電極（EDTA／rGO／GCE），并研究Cu（Ⅱ）在EDTA／rGO／GCE修飾電極上的電化學行為，采用差分脈沖法（DPV）建立測定水質(zhì)中Cu（Ⅱ）濃度的方法。在已有的報道里尚未見到EDTA／rGO／GCE修飾電極測定Cu（Ⅱ），本文提出的電化學傳感器具有方法簡單、快速、環(huán)保等優(yōu)點，所制備的EDTA／rGO／GCE具有較好的抗干擾性能及穩(wěn)定性，具有一定的應用價值。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

CHI660C型電化學工作站（上海辰華儀器公司）；三電極系統(tǒng)：玻碳電極（GCE，3mm）或修飾電極為工作電極，Ag／AgCl電極為參比電極，鉑絲為輔助電極；pHS－3D型pH計（上海雷磁分析儀器廠）。

Cu（Ⅱ）標準儲備溶液：0．01mol·L－1，用CuSO4·5H2O配制而成，用時再稀釋至所需濃度。EDTA（北京化工廠），乙二胺（天津市北辰方正試劑廠），（1－（3－二甲氨基丙基）－3－乙基碳二亞胺鹽酸鹽）（EDC）、KMnO4、NaNO3、30%H2O2（上海Aladdin試劑有限公司），石墨粉（天津市蘇莊化學試劑廠），所用試劑均為分析純。實驗用水為超純水。

1．2 GO、rGO、EDTA／rGO材料的制備

氧化石墨烯（GO）采用改進的 Hummers法［18－19］制備。冰浴條件下，將3g石墨和1．5g NaNO3加入到70mL的濃H2SO4中，在攪拌條件下緩慢地加入9g KMnO4，混合物在4℃冰水浴中反應90min。將冰水浴換成溫水浴，中溫反應，在攪拌下將溫度控制在35℃，讓其反應30min，溶液呈紫綠色。緩慢加入140mL水，加熱保持溫度95℃左右，高溫反應，保持15min，再緩慢加入500mL水，隨后加入一定量的30%H2O2，此時反應液變成金黃色，停止反應。將混合物離心，并用HCl（1＋10）洗滌，最后用水洗滌，材料在60℃的條件下干燥6h，即得GO［20］。將合成的材料分散在水中，超聲3h得到0．5mg·mL－1的GO溶液。還原氧化石墨烯（rGO）采用乙二胺還原GO。在5mL 0．5mg·mL－1GO溶液中加入25μmol·L－1的乙二胺，90℃下回流3h，洗滌干燥得到rGO。稱取上述制備的0．1g rGO，分散在10mL水中，然后加入EDTA溶液（其包括0．1mol·L－1EDC和0．01mol·L－1EDTA，在pH＝7．2磷酸緩沖溶液中配制），然后在室溫下攪拌反應24h。得到EDTA／rGO復合材料。

1．3 修飾電極的制備

用0．02～0．05μm的Al2O3粉末懸濁液將GCE分別在白色尼龍拋光布和棕色絨料拋光布上拋光成鏡面，之后依次在水、乙醇、水中各超聲清洗1～2min，最后在氮氣氛中進行干燥。取10μL的EDTA／rGO懸浮液小心滴涂在GCE表面，在紅外燈下烘干，得到EDTA／rGO／GCE修飾電極。

1．4 電化學測定方法

將EDTA／rGO／GCE修飾電極浸入加有一定量Cu（Ⅱ）標準溶液的，0．2mol·L－1HAc－NaAc緩沖溶液（pH＝4．5）中，選用循環(huán)伏安法（CV）、差分脈沖伏安法（DPV）考察Cu（Ⅱ）在EDTA／rGO／GCE表面的電化學行為。設定掃描電位范圍為－0．2～0．6V，掃描速度為100mV·s－1。

2 結(jié)果與討論

2．1 rGO和EDTA／rGO的掃描電鏡（SEM）表征

利用SEM對制備的rGO和EDTA／rGO的形貌進行表征。由圖1可以看得出，rGO的褶皺程度較大，堆積也較為嚴重，而EDTA／rGO的分散性更好，具有明顯的單層結(jié)構(gòu)。

圖1 rGO（a）和EDTA／rGO（b）掃描電鏡（SEM）圖Fig．1 SEM images of rGO（a）and EDTA／rGO（b）

2．2 rGO及EDTA／rGO的紅外光譜表征

圖2 為 GO（a）、rGO（b）及 EDTA／rGO（c）的紅外光譜圖，可看到 GO在3 394．88cm－1處形成較寬峰，應該屬于－OH的伸縮振動；1 724．41cm－1應該歸屬于C＝O的彎曲振動；1 628．37cm－1歸屬于C＝C的伸縮振動；1 399．32cm－1應歸屬于C－OH的伸縮振動；1 058．43cm－1歸屬于C－O－C的伸縮振動。rGO在3 445．30cm－1處出峰，此峰應歸屬于 N－H 的峰，與 GO相比，在1 724．41、1 628．37、1 399．32cm－1處的吸收峰明顯減弱甚至消失，這說明本實驗已成功地制備了乙二胺還原的氧化石墨烯［21－22］。EDTA／rGO在3 469．79、1 635．81、1 084．55cm－1處出峰，表明EDTA／rGO含有大量氮和氧官能團。

2．3 Cu（Ⅱ）在EDTA／rGO／GCE上的電化學行為

為了研究修飾電極的電化學性能，將裸GCE、rGO／GCE和EDTA／rGO／GCE作為工作電極，分別在含有40μmol·L－1Cu（Ⅱ）的電解質(zhì)溶液中，在－0．2～0．6V電位范圍，掃描速率為100mV·s－1條件下進行電化學測試。從圖3（A）中可以看出，EDTA／rGO／GCE在0．05V左右出現(xiàn)了明顯Cu（Ⅱ）的溶出峰電流，歸因于rGO增加了電極的電催化活性和有效面積。修飾EDTA的納米復合材料結(jié)構(gòu)中EDTA有6個配位原子，具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，有助于選擇性的與來自水性介質(zhì)的特定金屬離子結(jié)合。由圖3（B）可以看出，在EDTA／rGO／GCE檢測過程中，隨著Cu（Ⅱ）濃度從40μmol·L－1到100μmol·L－1的不斷增加，Cu（Ⅱ）的溶出峰電流也在不斷增加，表明EDTA／rGO／GCE對Cu（Ⅱ）有很好的電化學響應。

2．4 檢測Cu（Ⅱ）實驗條件優(yōu)化

2．4．1 支持電解質(zhì)和pH的影響 根據(jù)文獻報道［23］，選擇0．2mol·L－1HAC－NaAc作為支持電解質(zhì)?？疾炝撕?0μmol·L－1Cu（Ⅱ）的0．2mol·L－1HAc－NaAc溶液在不同pH值時的峰電流響應。從圖4（a）中可知，在pH＝4．5時，峰電流最高。實驗選取0．2mol·L－1HAc－NaAc緩沖溶液（pH＝4．5）為支持電解質(zhì)溶液。

圖2 GO（a）、rGO（b）及EDTA／rGO（c）的紅外光譜圖Fig．2 The infrared spectra of GO（a），rGO（b）and EDTA／rGO（c）

圖3 （A）GCE（a）、rGO／GCE（b）和EDTA／rGO／GCE（c）在含40μmol·L－1Cu（Ⅱ）的電解質(zhì)溶液中的循環(huán)伏安（CV）圖；（B）不同濃度Cu（Ⅱ）在EDTA／rGO／GCE上的CV圖Fig．3 （A）CVs of GCE（a），rGO／GCE（b）and EDTA／rGO／GCE（c）in electrolyte with 40μmol·L－1 Cu（Ⅱ）；（B）CVs of Cu（Ⅱ）with different concentration at EDTA／rGO／GCE

2．4．2 沉積電位和沉積時間 在－0．2～－1．2V電位范圍內(nèi)考察了不同的沉積電位對Cu（Ⅱ）的溶出峰電流的影響（圖4（b））。隨著沉積電位的負移，Cu（Ⅱ）被還原趨于完全，溶出峰電流隨之增大，但沉積電位若太負，背景電流也開始增加，溶出峰電流降低，峰形變差。相較而言，沉積電位為－1．1V時，Cu（Ⅱ）溶出峰信號最優(yōu)，實驗選擇沉積電位為－1．1V。在選定的沉積電位下，沉積時間從50s增至400s時溶出峰電流逐漸增加，但到300s后增加幅度變小。綜合考慮電極穩(wěn)定性、時效性及靈敏度等因素。沉積時間選為300s。

圖4 支持電解質(zhì)pH（a）和沉積電位對峰電流的影響（b）Fig．4 The effect of supporting electrolyte pH（a）and deposition potential（b）on peak current

2．4．3 掃描速度 考察了EDTA／rGO／GCE在含有80μmol·L－1Cu（Ⅱ）的0．2mol·L－1HAc－NaAc緩沖溶液（pH＝4．5）中，于不同掃速下的循環(huán)伏安（CV）行為。如圖5所示，隨著掃速的不斷增加，峰電流也不斷增加，并伴隨著峰電位的正移。實驗選擇掃速為100mV·s－1，在此掃速下峰電流穩(wěn)定，峰形較好。

2．4．4 修飾劑用量的選擇 分別滴涂EDTA／rGO懸浮液3、5、7、10、12μL到GCE上，將修飾電極在電解質(zhì)溶液中對40μmol·L－1的Cu（Ⅱ）溶液做CV測試。結(jié)果表明：EDTA／rGO用量在小于10μL時溶出峰電流隨著修飾量的增加而增大，當用量繼續(xù)增加時峰電流有所降低，電極修飾量增加反而阻礙了電子之間的交換與傳遞，材料脫落顯現(xiàn)也較明顯，峰電流值有所降低。故選用修飾劑用量10μL。

2．5 電化學測定Cu（Ⅱ）

在優(yōu)化條件下，采用DPV法對Cu（Ⅱ）溶液進行電化學檢測。從圖6可見，隨著Cu（Ⅱ）的濃度不斷增加，Cu（Ⅱ）的溶出峰電流逐漸增加。Cu（Ⅱ）在4．0×10－5～2．0×1．0－4mol·L－1范圍與對應峰電流值之間呈線性關(guān)系，線性回歸方程為：Ipc（μA）＝0．11707c（μmol·L－1）－4．26702，相關(guān)系數(shù)R2＝0．9655，檢出限為1．3×10－5mol·L－1。說明EDTA／rGO／GCE修飾電極可以實現(xiàn)對較低濃度Cu（Ⅱ）的快速定量分析。

圖5 不同掃速下Cu（Ⅱ）在EDTA／rGO／GCE上的循環(huán)伏安（CVs）圖Fig．5 CVs of Cu（Ⅱ）at different sweep speeds at EDTA／rGO／GCEa→e：20，50，80，100，120mV·s－1，respectively．buffer solution：0．2mol·L－1 HAc－NaAc（pH＝4．6）．

圖6 不同濃度Cu（Ⅱ）在EDTA／rGO／GCE上的差分脈沖伏安（DPV）曲線Fig．6 DPV curves of Cu（Ⅱ）with different concentrations at EDTA／rGO／GCEa→h：40，50，80，120，140，160，180，200μmol·L－1，respectively．buffer solution：0．2mol·L－1 HAc－NaAc（pH＝4．6）．

2．6 修飾電極抗干擾能力和穩(wěn)定性

抗干擾能力是決定傳感器實用性的重要指標。在循環(huán)伏安法檢測過程中，加入與Cu（Ⅱ）相同濃度的其它金屬離子并進行檢測，以評估修飾電極的抗干擾能力。圖7是 EDTA／rGO／GCE 在0．2mol·L－1HAc－NaAc緩沖溶液（pH＝4．5）中，對濃度均為80μmol·L－1的 Mn2＋、Cr3＋、Ni2＋、Fe3＋、K＋、Pb2＋、Mg2＋、Ca2＋、Co2＋、Cu2＋的電化學響應情況。結(jié)果表明，EDTA／rGO復合材料修飾電極對Cu（Ⅱ）表現(xiàn)出強的峰電流響應，對同濃度的其它金屬離子檢測的電化學信號較弱，表明基于DPV法的EDTA／rGO／GCE對溶液中Cu（Ⅱ）的檢測具有較好的選擇性。

穩(wěn)定性亦是電化學傳感器實際應用的一個重要的考察指標。為了考察制得的傳感器對Cu（Ⅱ）檢測的穩(wěn)定性，通過使用同一根電極對0．2mol·L－1HAc－NaAc緩沖溶液中Cu（Ⅱ）（80μmol·L－1）連續(xù)測量了8次，8次連續(xù)測量的峰電流值變化很小，相對標準偏差（RSD）為2．29%。說明EDTA／rGO／GCE有較好的穩(wěn)定性。

圖7 EDTA／rGO／GCE對80μmol·L－1金屬離子的電化學響應Fig．7 The electrochemical responses of EDTA／rGO／GCE for 80μmol·L－1 different metal ions

3 結(jié)論

本文構(gòu)建的電化學傳感器具有方法簡單、快速、環(huán)保等優(yōu)點，能夠應用于水質(zhì)中重金屬Cu（Ⅱ）的快速檢測，所制備的EDTA／rGO／GCE具有較好的抗干擾性能及穩(wěn)定性，具有一定的應用價值。