原位氮掺杂石墨烯修饰电极同时检测苯二酚3种异构体

周海逢，郑凤英1,，吴艺津，郭艺娟，叶妙娟，李顺兴*1,

(1.福建省现代分离分析重点实验室，福建漳州 363000；2.闽南师范大学化学与环境学院，福建漳州 363000)

邻苯二酚(CC)、对苯二酚(HQ)和间苯二酚(RC)是苯二酚的3种同分异构体，它们通常共存于制药、染料、化妆品、农药等产业废水中，但具有高毒性，能抑制中枢神经系统和损害肝、肾功能等[1,2]，被美国环境保护署(EPA)、欧盟(EU)和我国列为优先污染物。苯二酚的3种同分异构体因结构和性质相似，检测时互有干扰，因此，急需建立有效的同时检测方法。目前，检测苯二酚同分异构体的方法主要有高效液相色谱法[3]、同步荧光法[4]、分光光度法[5]和电化学法[6,7]。电化学法因其响应快速，成本低，灵敏度高和选择性好，引起广泛关注，但苯二酚同分异构体氧化电位相近，传统电极的电化学信号无法将它们分开。

石墨烯(Graphene)比表面积大、导电性优异、热稳定性和化学稳定性高，广泛用于能源储存、传感器和电化学检测[8 - 10]。氮掺杂能影响碳基材料的酸碱特性，诱导更多的正电荷到相邻碳原子上[11]，提高阴离子交换性能和电催化活性，稳定性更优异[12,13]。聚多巴胺(PDA)表面官能团几乎能附着在任何材料表面[14,15]，其特异性的还原能力可使氧化石墨烯(GO)被还原成还原氧化石墨烯(rGO)[16,17]。此外，多巴胺含有丰富的氮，可在碳基材料表面原位掺入高电活性的氮原子。Zheng等[17]制备PDA-rGO电极材料，应用电化学法同时检测苯二酚2种同分异构物(HQ和CC)，检测限为0.74 μmol/L和0.62 μmol/L，线性范围为1～230 μmol/L和1～250 μmol/L。

本实验以多巴胺为无毒氮源，将PDA-rGO在温度800 ℃氮气保护下高温碳化，制备出氮原位掺杂石墨烯(C/N-Graphene)，由于氮与碳原子的电负性不同，从而影响氮周围碳原子的电子云分布及极性，进而影响苯二酚3种同分异构体的电化学氧化动力学过程[17]。该方法提高了电极的导电性、电催化活性和灵敏度，具有良好的选择性。采用循环伏安法和差分脉冲伏安法研究苯二酚同分异构体的电化学反应，相比于其他碳基材料修饰电极，优势突出，可同时检测苯二酚3种同分异构体，线性范围更宽和检测限更低。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

JEM-2010型透射电子显微镜(TEM)(日本，电子珠式会社)；S-4800型扫描电子显微镜(SEM)(日本，日立公司)；Nicolet 5700型红外光谱仪(美国，Thermo Nicolet 公司)；CT14D 型台式高速离心机(上海天美生化仪器厂)；HJ-6型多头磁力搅拌器(金坛市江南仪器厂)；BS124S电子天平(北京赛多利斯有限公司)；CHI660E型电化学工作站(上海辰华仪器公司)。以氮掺杂还原氧化石墨烯修饰玻碳电极(d=3 mm)为工作电极，Ag/AgCl(饱和KCl)为参比电极、铂丝为对电极。

石墨粉、多巴胺(DA)(98%)、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液(PBS,0.1 mol/L,pH=7.0)，均购自阿拉丁试剂公司；5% Nafion 溶液购自美国Sigma公司；其它试剂均购自国药集团上海化学试剂有限公司(分析纯)。实验用水均为去离子水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 实验方法

1.2.1GO、PDA-rGO及C/N-Graphene的制备参考文献方法[17]合成GO，具体步骤为：于1.0 g石墨粉中加入23 mL 98%H2SO4，冰浴搅拌30 min，充分混匀，缓慢加入4 g KMnO4，搅拌1 h，移入40 ℃温水中，继续搅拌30 min，用去离子水稀释至800～1 000 mL，控制反应液温度在95 ℃，加入6 mL 5%H2O2，趁热过滤，用5%HCl和水充分洗涤至中性，离心得黄褐色沉淀，冷冻干燥，待用。

利用多巴胺的聚合及还原性能制备PDA-rGO：将0.1 g GO超声均匀分散在80 mL 10 mmol/L Tris-HCl的缓冲液(pH=8.5)中，加0.1 g DA，磁力搅拌15 h，高速离心，水洗三次，冷冻干燥，待用。

氮气保护下煅烧制备C/N-Graphene，方法如图1(A)所示：将PDA-rGO充分研磨粉碎，取0.1 g放入坩埚中，通入氮气保护，以1 ℃/min的速率升温至700 ℃、800 ℃、900 ℃，高温煅烧2 h,制得不同煅烧温度对应的电极材料C/N-Graphene -700,C/N-Graphene -800,C/N-Graphene -900。

苯二酚同分异构体氧化机理如图1(B)所示。

1.2.2修饰电极的制备将裸玻碳电极(GCE)依次用 1.0、0.3和0.05 μm 的 Al2O3粉末在麂皮上打磨、抛光至镜面。用水、无水乙醇、水超声清洗3次。移取5、10、15 μL C/N-Graphene -800 DMF溶液(含2 μL 5% Nafion )分别滴涂于GCE表面制得不同负载量的对应电极C/N-Graphene -800-5、C/N-Graphene -800-10、C/N-Graphene -800-15。

1.2.3修饰电极的表征应用SEM和TEM表征C/N-Graphene形貌：将样品均匀分散在水中，取适量滴于硅片和铜网上，于干燥箱中烘干后测定。复合材料的结构由红外(IR)光谱表征，采用KBr压片法，待测物与 KBr 按质量比1∶100 混合，充分研磨均匀后压片，在400～4 000 cm-1范围内扫描。在含适量苯二酚同分异构体的PBS中，以C/N-Graphene/GCE 为工作电极，在-0.2～1.0 V范围内，以100 mV/s 的扫速，绘制循环伏安图。差分脉冲伏安法(DPV)起始电位和终止电位分别为-0.2 V和1.0 V。

2 结果与讨论

2.1 C/N-Graphene材料的表征

对比图2a与2b，可得褶皱的GO被PDA完全包覆。由图2c可见，GO结构很薄且表面及边缘褶皱透明。C/N-Graphene(图2d～f)结构变厚且多层，厚度约50 nm。从图3C可见GO含有大量的官能团(-COOH及-OH)，包覆PDA后上述官能团减少，被还原为PDA-rGO，表面的-NH2基团为高温煅烧制备C/N-Graphene提供丰富氮源。最佳碳化温度可据元素分析图(图3A)选择，随煅烧温度增加，C/N-Graphene碳化程度提高，C元素含量增加，然而N元素含量下降，而N元素掺杂在电化学催化过程中起重要作用，因此，最优碳化温度为800 ℃，C/N-Graphene碳化充分又保留充足的电活性元素N。

2.2 苯二酚同分异构体的电化学行为

在含0.1 mmol/L HQ、CC和RC的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，电极材料负载量对苯二酚同分异构体的氧化电流影响明显，结果如图3(B)所示。C/N-Graphene -800-10与C/N-Graphene -800-5和C/N-Graphene -800-15相比，电流值最大，因为电极材料负载量低会导致氧化反应不充分，负载量太多又会阻碍电极与材料表面氧化反应的电子传导，因此最佳负载量10 μL。

不同材料修饰电极的电化学行为如图4(A)所示，HQ、CC、RC在rGO/GCE上的响应电流增加很小，只出现两个氧化峰，HQ与CC的氧化峰重叠；当电极表面修饰 PDA-rGO后，峰电流稍有增大，但仍只出现两个氧化峰，HQ与CC无法分开；当使用C/N-Graphene修饰电极，峰电流明显增加，出现三个氧化峰，HQ与CC、CC与RC的峰位差分别为105 mV和528 mV，这说明HQ、CC、RC可被同时检测。由阻抗图谱(图4(B))可得，C/N-Graphene的电阻值为28 Ω，与GO、PDA-rGO相比，导电性和电子传导能力优越，这归因于石墨烯良好的导电性能，电活性氮的掺杂又进一步增强其导电性能，且提升电子转移速率。

2.3 pH值和扫速对苯二酚同分异构体电化学行为的影响

在含0.1 mmol/L的HQ、CC、RC的PBS中，在-0.2～1.0 V范围内进行循环伏安(CV)研究，探讨扫描速率的影响，结果见图5(A)。随扫速的增加，氧化峰及还原峰电位分别向正电位和负电位偏移。HQ、CC和RC的氧化还原峰电流Ipc和Ipa的增加与扫速的平方根成正比，这表明电化学过程是一个典型的扩散控制过程。

pH值对HQ、CC、RC在C/N-Graphene电极上的电化学行为的影响见图5(B)。在pH=4.0～9.0范围内，峰电位随pH值增大向负电位转移，表明质子参与电极反应。由插图可见，在pH=4.0～7.0范围内，HQ、CC和RC的氧化峰电流随pH值增大而增大，当pH=7.0～9.0，氧化峰电流随pH增大而减小，因此选择支持电解质的pH=7.0。由HQ、CC和RC的线性回归方程斜率可知这个反应是一个等质子等电子的过程。

2.4 检测苯二酚同分异构体的线性范围和检测限

应用C/N-Graphene修饰电极在优化条件下通过DPV法同时检测HQ、CC和RC，结果如图6所示。在保持另外两种同分异构体浓度10 mmol/L不变的条件下，逐渐增加待测异构体浓度，待测异构体的氧化峰电流和其浓度间存在线性关系，结果见表1。该方法相比其他碳基材料修饰电极，优势突出，可同时检测苯二酚的3种同分异构体，见表2。

表1 苯二酚同分异构体测定的线性方程、线性范围及检测限

表2 碳基材料修饰电极检测苯二酚同分异构体

aN-CNT:Nitrogen-doped CNT；bOMC:Ordered mesoporous carbon.

2.5 电极的重现性、稳定性和干扰研究

2.6 实际水样分析

将C/N-Graphene/GCE应用于实际水样中苯二酚同分异构体的测定。从漳州市片仔癀药厂废水排放处取样，取10 mL废水，通过0.45 μm微孔滤膜过滤检测，废水中出现其他物质的氧化峰，但苯二酚异构体含量均低于检测限，加标后可有效检出，即废水成分不干扰测定(图7)。另取1 mL江水，同时适量添加苯二酚同分异构体，配成10、20 μmol/L人工废水，检测结果见表3。方法的加标回收率为 97.0%～103.0%，RSD小于 5%(n=5)，表明C/N-Graphene/GCE可用于实际样品中苯二酚同分异构体的检测。

表3 江水及其加标液中苯二酚同分异构体的检测

3 结论

本文通过绿色的合成方法制备PDA-rGO，在氮气保护下，高温煅烧制备C/N-Graphene复合材料，采用循环伏安法和差分脉冲伏安法对苯二酚3种同分异构体在该修饰电极上的电化学行为进行研究。与PDA-rGO修饰电极比较，高温碳化提高了电极材料的导电性；氮掺杂又显著提高电极表面的电子传递速率；氮碳原子电负性不同,影响氮周围碳原子的电子云分布及极性,进而影响电化学氧化动力学过程,从而对苯二酚同分异构体的氧化反应表现出高的电催化活性,提高了检测的灵敏度和选择性,检测线性范围宽、灵敏度高,可用于污染水样的检测。