石墨烯修饰电极差分脉冲伏安法测定微量Cu2+

王穗萍，王 旭，苏运祥，彭任富，李亚飞，韩 正，翟绍岚，林争鸣

（1.湘潭大学化工学院，重金属污染控制湖南省高校重点实验室，湖南湘潭411105）

（2.湖南文理学院生命与环境科学学院，水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南常德415000）

石墨烯修饰电极差分脉冲伏安法测定微量Cu2+

王穗萍1,2*，王 旭1，苏运祥1，彭任富1，李亚飞1，韩 正1，翟绍岚1，林争鸣1

（1.湘潭大学化工学院，重金属污染控制湖南省高校重点实验室，湖南湘潭411105）

（2.湖南文理学院生命与环境科学学院，水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南常德415000）

采用改进的Hummer方法合成氧化石墨烯，以石墨烯修饰玻碳电极(GCE)为工作电极，于-0.5 V吸附富集后差分脉冲伏安法测定微量Cu2+。对石墨烯修饰电极进行了电化学表征，优化了石墨烯还原电位、还原时间、支持电解质、pH值、Cu2+富集时间。 实验结果表明，石墨烯修饰电极明显增强了铜溶出信号，溶出峰电流与Cu2+的浓度在0.0005～1μg/mL范围内呈现良好的线性关系，线性方程为y=25.9208x-0.0255（r= 0.9994），检测下限为0.0005μg/mL，所制备的修饰电极重现性和重复性较好，6次测定的相对标准偏差（RSD）分别为3.98%和3.51%，所提出的检测方法简单、灵敏、快速，无需复杂的样品前处理，修饰电极可反复使用，能应用于实际水样中铜离子的快速测定。

石墨烯；铜离子；差分脉冲伏安法；电化学

0 前言

重金属离子是不可生物降解的，会一直存在于生态系统和食物链中，食物链顶端的生物会富集含量很高的重金属[1]。铜离子（Cu2+）是一种有毒物质，过量的铜在人体内富集会直接损伤肾脏和肝脏[2]，而且还会导致严重的神经性疾病[3-4]。因此，监控和测量铜离子的浓度是非常重要的。

大量的检测手段被用于检测Cu2+，比如原子吸收分光光度法（AAS）[5-7]，原子发射光谱[8]和电感耦合等离子体质谱[9]。然而这些检测方法具有一些局限，譬如这些测试只能由专业的测试机构完成，仪器往往价格昂贵，操作繁琐，需要经过培训才能操作，测试价格较贵。开发电化学方法检测重金属离子可以克服这些局限。电化学分析经过长期的发展，测试手段较多，测试过程简单，测试结果精确，测试价格便宜容易普及[10-12]。在不同的电化学分析方法中，阳极溶出伏安法是一种简单高效的检测重金属离子的方法，用该检测方法可以获得较高的灵敏度，这主要归功于阳极溶出法具有良好的信噪比[13]。

石墨烯是一种由sp2杂化的碳原子精确组装形成的蜂窝状晶格结构。sp2杂化结构的石墨烯使得其具有高的机械性能、高的电子传递性能、大的比表面积、易弯曲和良好的生物相容性[14-19]。由于其独特的结构和性质，石墨烯在目前的科学研究中受到广泛关注[20]。石墨烯表现出强的吸附性能，构成石墨烯的每个原子都是表面原子，通过石墨烯和吸附分子的电子传递非常快速[21-22]。Khomyakov等[23]证实石墨烯和金属离子的相互作用和电子传递会使修饰的电极非常灵敏。目前，合成石墨烯的主要方法有机械剥离法[24]和外延生长法[25]。机械剥离法的再现性是非常低的。外延生长法合成的石墨烯厚度不均匀，应用受到一定的限制[26]。因此一种快速、简单、稳定合成石墨烯的方法被迫切的需要。

使用改进的Hummer法合成石墨烯，利用石墨烯大的比表面积、良好的导电性以及良好的电催化性能，结合电化学阳极溶出伏安法操作简单、线性范围宽、灵敏度高等优点，建立石墨烯修饰电极测定微量铜离子的方法。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

扫描电子显微镜 （日本JEOL公司，JSM-6610LV型）；玻碳电极为天津艾达恒晟科技发展有限公司生产；铂电极和饱和甘汞电极(SCE)为上海仪电科学仪器股份有限公司生产。

石墨粉(SP)、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、硫酸钠（Na2SO4）、磷酸二氢钾（KH2PO4）、硝酸钠（NaNO3）均购自国药集团化学试剂有限公司；硫酸（H2SO4）、盐酸（HCl）均购自株洲市星空化玻有限责任公司；无水乙醇购自天津恒兴化学试剂制造有限公司；高锰酸钾购自广东台山粤桥试剂塑料有限公司；硝酸钠购自西陇化工股份有限公司。0.1mol/L氯化钾（KCl，pH=3.0）为支持电解质。实验室所用化学试剂除石墨粉（SP）外均为分析纯，水均为超纯水(电阻率等于18.25MΩ)。

1.2 氧化石墨烯合成

氧化石墨烯根据文献中改进的Hummer法合成[27]。称取0.5 g石墨粉和0.5 g NaNO3加入到装有23mL浓硫酸的三颈烧瓶中，在冰水浴中搅拌混合5min，缓慢加入3 g KMnO4后，剧烈搅拌10min，然后在35℃的水浴中加热1 h，形成稠密的糊状物。加入40mL水，将水浴温度升高至90℃，30min后再加入100mL水并缓慢加入3mL 20%的H2O2，然后将温度降至50℃，溶液的颜色从深棕色变成黄色。将所得的溶液在1000 r/min下离心2min，重复上述离心步骤直至沉淀中所有可见异物去除，留上清液。然后以8000 r/min高速离心15min去除小的氧化石墨烯片和水溶性副产物。最后所得沉淀用超纯水洗至中性，将沉淀进行真空干燥即得到氧化石墨烯。

1.3 石墨烯修饰电极制备

玻碳电极（GCE，直径2mm）在6＃砂纸上打磨，然后在麂皮上用氧化铝粉浆液抛光，分别在超纯水、无水乙醇和超纯水中超声清洗3min。在玻碳电极表面滴加5μL 1mg/mL的氧化石墨烯分散液，室温下自然干燥后将电极置于5mL 0.5 mol/LNaCl(pH=7)中，在-1.3 V电位下还原300 s，制得石墨烯修饰电极。

1.4 电化学测量

采用传统的三电极体系，以饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂电极为对电极，修饰的GCE为工作电极。首先对Cu2+进行富集，富集电位-0.5 V，富集时间300 s。然后进行差分脉冲伏安检测，支持电解质为0.1mol/LNa2SO4（pH=2），记录-0.05 V处的峰电流。操作参数：振幅0.05 V，脉冲周期0.2 s，扫描电压范围-0.5～0.5 V，脉冲宽度0.05 s，静置时间2 s。

1.5 实际样品测定

将新取的湘潭大学自来水和画眉潭水样静置0.5 h，取上清液进行测定。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯修饰电极的形态表征

图1为电化学还原氧化石墨烯的扫描电镜图，从图中可以看出明显的层状结构，表面呈现许多褶皱，与文献报道一致[28]，表明石墨烯的成功合成。

图1 电化学还原氧化石墨烯修饰电极的扫描电镜图Fig.1 SEM imageof theelectrochemical reduction of graphene oxide（ERGO）

2.2 石墨烯修饰电极的电化学表征

图2 裸玻电极（a）、石墨烯修饰电极（c）在含1μg/mL Cu2+的0.1mol/LNa2SO4（pH=2）中的差分脉冲伏安图；裸玻电极（b）、石墨烯修饰电极（d）在0.1mol/LNa2SO4（pH=2）中的空白对照实验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)

图2为裸玻电极（a）、石墨烯修饰电极（c）在含1μg/mLCu2+的0.1mol/lNa2SO4中的差分脉冲伏安图。如图2所示，裸玻电极（a）、石墨烯修饰电极（c）均在-0.05 V出现明显的Cu溶出峰，裸玻电极（b）、石墨烯修饰电极（d）空白对照实验没有出现Cu的溶出峰。石墨烯修饰电极在含1μg/mLCu2+的0.1mol/LNa2SO4中的峰电流 （i= 26.02曲线c）是裸玻电极峰电流（i=5.016曲线a）的5.1倍，这归因于石墨烯较大的比表面积，良好的导电性和电催化性能。

2.3 实验条件优化

2.3.1 还原电位对石墨烯修饰电极电化学信号的影响

图3为氧化石墨烯修饰电极于0.5 mol/L NaCl中用不同还原电位还原后在5mmol/LHCl中的差分脉冲伏安图。还原电位分别为（a）0 V，（b）-0.8 V，（c）-1.0 V，（d）-1.2 V，（e）-1.3 V，（f）-1.4 V。由图3可知，随着还原电位增加，响应电流信号逐渐加大，当还原电位为-1.3 V时，响应电流信号达到最大值，继续增加还原电位，响应电流信号反而有所减小，因此还原电位优化为-1.3 V。

图3 不同还原电位对石墨烯修饰电极电化学信号的影响：(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 还原时间对石墨烯修饰电极电化学信号的影响

图4为石墨烯修饰电极置于0.5mol/LNaCl采用-1.3V还原不同时间后在含5mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1mol/LKCl溶液中循环伏安图。如图4所示，随着还原时间的增加，循环伏安图的峰电流逐渐增强，当还原时间为300 s时，峰电流达到最大，此后随着还原时间增加，峰电流趋于稳定。因此实验以300 s为氧化石墨烯的还原时间。

图4 还原时间对石墨烯修饰电极电化学信号的影响（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对铜溶出信号的影响

采用BR溶液做支持电解质，考察pH值在2～6范围内对铜的溶出信号的影响.如图5所示，随着pH值的减小，铜的溶出电流信号逐渐增加，当pH值为2时，铜的溶出信号达到最大。因此，pH优化为2。

图5 pH对Cu溶出信号的影响Fig.5 Effectof the pH ofsupporting eletrolyte on the stripping peak current

2.3.4 支持电解质对铜溶出信号的影响

分别测定含1μg/mL Cu2+的0.1 mol/L的HCl、KCl、NaCl、H2SO4、Na2SO4、BR、KH2PO4、PBS、NaNO3溶液的铜溶出信号，pH值保持为2。如图6所示，以Na2SO4作为支持电解质的溶出峰电流最大。因此为了获得较大的峰电流，选用0.1 mol/LNa2SO4作为支持电解质。

图6 不同支持电解质对铜的溶出信号的影响Fig.6 Effectofsupporting electrolyteson the stripping peak current

2.3.5 富集时间对铜溶出信号的影响

富集时间能明显地影响铜溶出信号，以0.1 mol/LNa2SO4（pH=2）作为支持电解质，考察了60～300 s范围内不同富集时间对铜溶出信号的影响。由图7可知，在60～180 s范围内，铜的溶出峰电流信号随着富集时间的增加相应的增大，富集时间超过180 s后，溶出峰电流几乎保持不变。因此，将180 s作为最佳的富集时间。

图7 富集时间对铜溶出电流信号的影响Fig.7 Effectofdeposition timeon the stripping peak current

2.4 传感器的分析性能

2.4.1 线性实验

图8为石墨烯修饰电极在最优条件下的Cu2+标准曲线。如图8所示，铜的溶出峰电流与Cu2+的浓度在0.0005～1μg/mL范围内呈良好的线性关系。线性方程为y=25.9208x-0.0255，相关系数0.9994，Cu2+检测下限为0.0005μg/mL。

图8 石墨烯修饰电极在最优实验条件下的Cu2+标准曲线Fig.8 The calibration curveofstripping peak currentversus the concentration ofCu2+

2.4.2 干扰实验

选择Cd2+、Pb2+、As3+进行干扰实验。在含1 μg/mLCu2+的0.1mol/LNa2SO4（pH=2）溶液中分别添加相同浓度的干扰离子。结果表明同等浓度的Cd2+、Pb2+、As3+对Cu2+的测定产生的干扰较小。

2.4.3 重复性实验

采用6根石墨烯修饰电极测定1μg/mL浓度水平的Cu2+，考察传感器的重现性，其相对标准偏差（RSD）为3.98%（n=6），表明传感器重现性良好。

采用同一根石墨烯修饰电极测定1μg/mL浓度水平的Cu2+，连续测定6次，相对标准偏差（RSD）为3.51%（n=6），表明传感器可以重复使用。2.4.4实际样品测定

将新鲜取得的湘潭大学自来水和画眉潭水样静置0.5 h，取上清液进行测定，结果均未检测出铜，为进一步证实方法的可靠性，采用实际样品加标回收实验，以确定样品基质不干扰铜的测定，结果如表1所示。

表1 实际样品加标回收实验Tab.1 The recovery experimentsof spiked sam ples

3 结论

建立了石墨烯修饰电极差分脉冲伏安法快速测定微量铜离子的方法。石墨烯大的比表面积、良好的导电性以及电催化性能明显增强了铜溶出信号，改善了修饰电极的分析性能。电极修饰方法简便，无复杂的样品前处理，线性范围较宽(0.0005～1μg/mL)，检测下限较低(0.0005 μg/mL)，重复性好。所制备的电化学传感器具有良好的稳定性和重复性，对环境、生物和医药样品中重金属离子检测具有潜在的应用前景。

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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

国家自然科学基金资助项目(No.31401577);湖南省自然科学基金(No.13JJ9004);湖南省教育厅资助科研项目(No.12C0407)；“环境友好与资源高效利用化工新技术”湖南省高校2011协同创新中心资助

*通信联系人,Tel：18873233125，E-mail：suiping66@126.com