石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极测定铅离子

吴 芳，史晓霞，王 荣，张 艮，吴霞琴

（上海师范大学生命与环境科学学院，上海200234）

石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极测定铅离子

吴 芳，史晓霞，王 荣*，张 艮，吴霞琴

（上海师范大学生命与环境科学学院，上海200234）

通过聚赖氨酸修饰电极静电吸附氧化石墨烯，并结合电化学还原制备石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极。应用Raman光谱确认了通过电化学还原过程可将电极表面所吸附的氧化石墨烯部分地还原成石墨烯。在阳极溶出法测定Pb2+的应用中，所得到的石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极较裸玻碳电极表现出较高的响应灵敏度。在1.0～5.0×10-6mol/L浓度范围，响应峰电流与Pb2+浓度呈良好的线性关系。

石墨烯；聚赖氨酸；修饰电极；阳极溶出伏安法；铅离子

0 引言

阳极溶出伏安法用于溶液中重金属离子的测定具有灵敏度高、操作简单、成本低等优点。早期的阳极溶出法常用各种汞或汞齐电极，但汞的引入将造成环境的再次污染并对人体有害。近年来用化学修饰电极测定重金属离子的研究仍十分活跃，如用双硫腙修饰电极测定痕量镉和铅[1~2]、MWNT-石墨糊电极阳极溶出伏安法测定铅[3]、聚苏木精氧化石墨烯修饰玻碳电极测定水样中痕量铅和镉[4]、将羧基化石墨烯滴涂修饰于玻碳电极表面，用于水样中痕量铅和镉的测定[5]以及植酸钠修饰玻碳电极测定铅[6]等。

作为新型功能材料，石墨烯由于其特殊的sp2杂化平面结构使其具有高导电性和高比表面而引起了广泛的关注[7~8]。许春萱等先后报道了聚苏木精氧化石墨烯修饰玻碳电极和羧基化石墨烯修饰玻碳电极用于铅离子的测定[3~4]。但滴涂修饰的石墨烯容易脱落，从而可能影响电极的稳定性和使用寿命。最近该文研究小组华亮等报道了通过聚赖氨酸修饰电极静电吸附氧化石墨烯，并结合电化学还原制备了石墨烯修饰电极用于葡萄糖氧化酶的直接电子传递研究，该电极表现出了良好的稳定性[9]。该文对该石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极的电化学还原过程进行了表征，并将其应用于Pb2+浓度的测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

L-赖氨酸(L-Lysine)为生化试剂纯（国药集团化学试剂有限公司），其余试剂均为分析纯。Pb(NO3)2溶于二次蒸馏水制成1.0×10-3mol/L铅离子储备液，所需其它浓度溶液均由此储备液逐步稀释而成。实验用水取自MILLQ超纯水机。

电化学实验在CHI 650A电化学工作站(上海辰华仪器公司)上进行，采用三电极系统：石墨烯修饰玻碳电极(直径3 mm)作为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝电极作为对电极。

Raman光谱分析使用法国 Dilor公司的Super Labram II型共焦显微激光拉曼系统，采用50倍的长焦物镜测试，激发光源为He-Ne激光器(激发线波长为632.8 nm)，聚焦到电极表面的光斑直径约为3 μm。到达电极表面的激光功率约为5 mW。光谱积分时间是8 s，累计次数是3。

1.2 氧化石墨烯的制备

实验采用改进的Hummers方法[10~11]制备氧化石墨烯。取石墨粉3 g和NaNO3粉末3 g置于500 mL圆底烧瓶中，加入120 mL浓H2SO4。将圆底烧瓶放入冰浴中，慢慢加入15 g KMnO4，历时3 h。接着在冰浴条件中搅拌2 h，后升高温度至35℃，搅拌2 d。把圆底烧瓶放入冰浴中，将1L去离子水慢慢滴加入所获产物中，再慢慢加入30% H2O2，搅拌2 h。最后依次用5%HCl及去离子水多次离心洗涤。取沉淀干燥，所得产物即为氧化石墨烯。

1.3 石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极的制备

玻碳电极依次用金相砂纸及0.3 μm和0.05 μm氧化铝粉末与水混合进行抛光,再依次经1∶1 HNO3和1∶1乙醇和纯水超声清洗。以玻碳电极为工作电极,在L-赖氨酸浓度为7.4×10-4mol/L的PBS(pH=9.0)中,以0.1 V/s的扫描速度在-1.0～2.5 V电位范围内循环扫描8圈后取出。用超纯水冲洗电极表面，室温干燥后即制得聚-L-赖氨酸修饰电极(缩写PLL/GC)[9,12]。将干燥后的PLL/ GC电极浸泡在2 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，4 h后取出并室温干燥得到氧化石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极（GO-PLL/GC）。将该电极置于0.1 mol/L KNO3溶液中，在氮气保护的条件下，以0.01 V/s的扫描速度在0～-1.0 V的电位范围内进行电化学还原，制得石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极（ERGO-PLL/GC）。为了避免基底玻碳电极对测定的干扰，用于Raman光谱研究的修饰电极使用金盘电极为基底电极，其修饰过程同上。

1.4 石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极对Pb2+的电化学测定方法

实验选定的富集电位为-0.8 V，富集时间为200 s。然后以脉冲幅值为50 mV、脉冲宽度0.04 s、扫描速度为20 mV/s，在-0.8～-0.2 V电位范围内测定样品溶液的微分脉冲伏安曲线（DPV）。测试底液为pH=3的NaAc-HAc-KCl，实验前先通30 min高纯N2以除去溶液中的溶解氧，并在N2气氛保护条件下进行测定。所有电化学测定均在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极的制备及Raman光谱表征

当赖氨酸电聚合实验完成后，在电极表面可观察到一层致密的蓝棕色薄膜。表明赖氨酸可通过电化学聚合修饰于电极的表面。从赖氨酸电聚合过程的循环伏安图（图未给出）中可知赖氨酸的氧化起始电位约为1.8 V左右，且氧化电流随着扫描圈数的增加而略有增加，说明该聚赖氨酸膜具有一定的导电性。此外，实验发现赖氨酸在酸性条件下不易被聚合成膜，而在弱碱性条件下易成膜，所以该试验选择在pH=9.0的PBS缓冲溶液中进行电聚合。图1为将制得的GO-PLL/GC修饰电极置于0.1 mol/L KNO3溶液中在氮气保护的气氛下，在0～-1.0 V的电位范围进行电化学还原过程中所记录的循环伏安曲线（CV）。由图中可以看出，在第一圈CV曲线的-0.3 V左右处可观察到一个明显的还原峰（曲线a），而此峰在随后的CV扫描中消失（曲线b），这可归结于GO进行了电化学还原，并且此过程为一个不可逆的过程。

图1 GO-PLL/GC修饰电极在0.1 mol/L KNO3中的CV曲线，扫速为0.01 V/s。（a）第1圈，（b）第2圈Fig.1 Cyclic vlotammograms of GO-PLL/GC electrode in 0.1 mol/L KNO3with a scan rate of 0.01 V/s.(a)First cycle, (b)Second cycle

图2 GO-PLL/Au修饰电极（A）和ERGO-PLL/Au修饰电极（B）的Raman谱图Fig.2 Raman spectra of(A)GO-PLL/Au electrode,(B)ERGO-PLL/Au electrode

图2为GO-PLL/Au电极和经电化学还原的ERGO-PLL/Au电极的Raman光谱图。图中1 343 cm-1处为石墨烯D峰，由碳环中sp2原子呼吸振动的模式产生，1 600 cm-1处的G峰由碳环和长链中的所有sp2原子对的拉伸运动产生[13]。 图2A中GO-PLL/Au电极上观测到了这对石墨烯特征峰，说明氧化石墨烯已被吸附于聚赖氨酸修饰电极的表面。此外，G峰和D峰都是由sp2化学键振动引起，D峰与石墨烯尺寸和缺陷有关。D峰与G峰的积分强度比ID/IG可反映sp2键碳材料晶体结构的有序度。由图2可以看出ERGOPLL/Au电极的ID/IG明显小于GO-PLL/Au电极，说明通过电化学还原可部分地将氧化石墨烯还原为石墨烯。同时，石墨烯经还原后在水中的溶解性明显减小[14~15]，从而将有效提高石墨烯修饰玻碳电极的稳定性。

2.2 石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极用于对Pb2+浓度的测定

图 3为裸玻碳电极、PLL/GC修饰电极和ERGO-PLL/GC修饰电极对2×10-6mol/L Pb2+的阳极溶出DPV响应曲线。由图中可以看出，PLL/ GC修饰电极的响应峰电流最小，这可能是由于聚赖氨酸膜具有荷正电性，因而抑制了Pb2+在电极表面的富集。而ERGO-PLL/GC修饰电极较裸玻碳电极的响应峰电流提高了近一倍，从而有效地提高了检测的灵敏度，这可能得益于石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极的高比表面积和残留活性基团对Pb2+的吸附和配位作用。此外，修饰膜的荷电荷性及配位能力的差异，可能是造成不同修饰电极响应峰电位偏移的原因[2~3,5]。

图3 不同修饰电极在含有2×10-6mol/L Pb2+溶液中的DPV响应曲线。（1）ERGO-PLL/GC,（2）GC,（3）PLL/GCFig.3 Differential pulse voltammograms of different electrodes in 2×10-6mol/L Pb2+solution.(1)ERGO-PLL/ GC electrode,(2)GC electrode,(3)PLL/GC electrode

实验也考察了富集时间对ERGO-PLL/GC修饰电极响应信号的影响。正如预期的那样，随着富集时间的延长，响应峰电位没有明显的改变，而响应峰电流却有了明显的提高。为确保响应信号具有较高的信噪比，实验在富集时间为200 s条件下测定了不同浓度Pb2+下的DPV响应曲线，如图4所示。图中在-0.55 V左右处有一个明显的Pb2+阳极溶出电流峰。以该处峰电流与Pb2+关系绘制了工作曲线，如图5所示。在1.0～5.0×10-6mol/L浓度范围内，峰电流与Pb2+浓度具有良好的线性关系（r=0.995），响应灵敏度为1.12 μA/（μmol/L）。修饰电极 5次对 2.0×10-6mol/L Pb2+溶液测定的结果如图6所示，其相对标准偏差为2.0%，说明该修饰电极具有良好的稳定性。

图4 ERGO-PLL/GC修饰电极对不同浓度Pb2+的DPV响应曲线。Pb2+浓度：（1）1×10-6mol/L,（2）2×10-6mol/L,（3）3×10-6mol/L,（4）4×10-6mol/L,（5）5×10-6mol/LFig.4 Differential pulse voltammograms of EEGO-PLL/ GC electrode in the solutions with different concentration of Pb2+.Pb2+concentration:（1）1×10-6mol/L,（2）2×10-6mol/L,（3）3×10-6mol/L,（4）4×10-6mol/L,（5）5×10-6mol/L

图5 ERGO-PLL/GC修饰电极测定铅离子的工作曲线。（数据读取自图4）Fig.5 Working curve of ERGO-PLL/GC electrode for Pb2+detection.(Data obtained from Fig.4)

此外，图4所示的阳极溶出伏安曲线中，同时能观察到在-0.45 V左右处还存在一个微小的氧化电流峰，该峰电流也随着Pb2+浓度的增加而增加。这可能是由于ERGO-PLL/GC修饰电极表面存在对Pb2+具有不同结合能力的结合位点，从而造成Pb氧化溶出时，出现2个氧化电流峰。该推测还有待进一步的实验加以验证。

图6 ERGO-PLL/GC修饰电极对2×10-6mol/L Pb2+溶液的DPV响应曲线Fig.6 Differential pulse voltammograms of ERGO-PLL/ GC electrode in 2×10-6mol/L Pb2+solution

2.3 石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极用于在Pb2+的浓度测定的干扰实验及回收率

在含2×10-6mol/L Pb2+的pH=3 NaAc-HAc-KCl的溶液中，分别加入2×10-6mol/L Cd2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+。当电位范围为-0.8 V~-0.2 V时，在溶出伏安曲线上均未观察到新的氧化峰，且其他离子的加入对-0.55V处Pb2+阳极溶出峰电流没有明显的影响，说明这些离子均不会对Pb2+离子的测定产生干扰。此外，对于含Pb2+和Cd2+离子的混合溶液，当电位为-0.9 V~-0.2 V时，Pb2+和Cd2+的阳极溶出电流峰分别出现在-0.55 V和-0.77 V。虽然Cd2+的阳极溶出电流峰的出现，并未对Pb2+的阳极溶出电流峰的峰电位和峰电流产生明显的影响，为进一步抑制Cd2+的干扰，实验选取-0.8 V~-0.2 V作为Pb2+离子检测的工作电位。

回收率的实验，采用在含有一定浓度的Pb2+溶液中，加入标准含量的Pb2+，测定加入前后Pb2+阳极溶出电流峰电流的差值，并根据上文给出的灵敏度，计算确定其回收率在96.5%~103.5%之间，结果列入表1。

表1 回收率测定Tab.1 The determination of recovery

3 小结

实验成功制备了石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极，且电极表面的氧化石墨烯可通过电化学方法部分还原成石墨烯。经电化学还原的石墨烯／聚赖氨酸修饰玻碳电极用于Pb2+的测定时，表现出了较好的稳定性和响应灵敏度。在1.0～5.0×10-6mol/L浓度范围内，响应峰电流与Pb2+浓度具有良好的线性关系。

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Determination of lead ions with graphene-poly-L-lysine modified glassy carbon electrode

Wu Fang,Shi Xiao-xia,Wang Rong*,Zhang Geng,Wu Xia-qin
（Life and Environmental College,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China）

A graphene-poly-L-lysine modified glassy carbon electrode was fabricated by a three-step process,i.e. electropolymerization of L-lysine,adsorption of graphene oxide and then electrochemical reduction of graphene oxide.Raman spectra suggested that the graphene oxide on the electrode surface could be partially reduced to graphene during the electrochemical reduction process.The modified electrode showed a good sensitivity and selectivity for Pb2+detection in the concentration range of 1.0～5.0×10-6mol/L.

graphene;poly-L-lysine;modified electrode;anodic stripping voltammetry;lead ions

上海师范大学校科研基金(SK201237)资助;上海师范大学重点学科基金资助

*通讯联系人,E-mail:wangrong@shnu.edu.cn