基于银纳米粒子/氧化石墨烯复合薄膜制备TNP 电化学传感器

李俊华 邝代治 冯泳兰 刘梦琴 唐斯萍 邓培红

(1 衡阳师范学院化学与材料科学系，衡阳 421008)

(2 衡阳师范学院功能金属有机材料湖南省普通高等学校重点实验室，衡阳 421008)

0 引 言

2，4，6-三硝基苯酚(TNP)，又名苦味酸，无臭、苦味；在室温下为淡黄色结晶固体。TNP 常被用于制造红光硫化黑、酸性染料、照相药品、炸药和农药等；医药上还用作外科收敛剂。但TNP 有剧毒和强烈刺激性；长期接触会引起头痛、头晕、恶心呕吐、食欲减退、腹泻等症状，并损伤红细胞，引起出血性肾炎、黄疸等。此外，TNP 为强氧化剂，经摩擦、震动易发生剧烈爆炸；其还能腐蚀金属，而且生成的金属盐对震动或热极为敏感。因此，研究TNP 的定性和定量分析在国家安全、环境保护、食品监测以及生物医学等领域具有重要意义。目前测定TNP 的主要方法有分光光度法[1]、荧光淬灭法[2]和高效液相色谱法[3]等；这些方法虽然很重要，但都有一定的局限性。比如光度法容易受到干扰物影响；荧光法需要荧光标记物或者被测物本身具有荧光性；色谱法不仅需昂贵的仪器设备，还需较大花费购买色谱柱和大量有机溶剂。而电化学测定方法具有适用范围广、灵敏度高、操作简单并且花费较少等优点，且能用于现场快速检测。由于TNP 属于芳香族硝基化合物，分子结构上有羟基、硝基等电化学活性基团，这使得采用电化学方法测定TNP 成为可能。但关于TNP 的电化学测定少见报道，国内仅有普鲁士蓝修饰电极的电催化还原法测定TNP[4]；以石墨烯及其衍生物为修饰材料制备TNP 电化学传感器还未见报道。

石墨烯是2004 年被Geim 等[5]发现而成为碳材料家族中的新成员, 它是由单层碳原子组成的二维蜂窝状结构，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是二维纳米材料的典型代表。石墨烯的特殊结构使其具有突出的导热导电性能、力学性能以及电催化性能，故在超级电容器[6-7]、光学传感器[8-9]和电学传感[10-11]等多个领域受到强烈关注。但是石墨烯片层之间存在的“π-π”作用使其在溶液中的分散性受到严重影响，很容易发生聚沉；因此有必要对石墨烯进行功能化修饰和改性。氧化石墨烯(graphene oxide，GO) 是石墨烯一种重要的衍生物，主要通过化学方法剥离石墨得到。与石墨烯相比，GO 不但具有平面结构，而且含有较多的含氧功能基团(环氧基，羟基，羧基)[12]；这使得GO 能够容易分散到各种溶剂中，极大扩展了GO 在材料、化学及传感器等领域中的应用范围。本文以GO 为载体，利用绿色还原剂葡萄糖将纳米银颗粒(AgNPs)直接沉积在GO 表面形成纳米复合薄膜； 基于AgNPs/GO 纳米复合薄膜修饰玻碳电极(GCE)制备了一种新型的TNP 电化学生物传感器；采用透射电镜、扫描电镜和紫外光谱对制备的AgNPs/GO 膜进行了详细的表征，并利用多种电化学方法考察了所制备传感器的电化学性能和动力学性质，优化了TNP 的检测条件； 并对实际水样中TNP 含量进行了加标测定，结果令人满意。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660D 型电化学工作站(上海辰华仪器公司)；Picoplus 型原子力显微镜(AFM，美国Molecular Image 公司)；JEM-2100 型透射电子显微镜(TEM，日本JEOL 公司； 含能谱仪EDS)；S-4800 型场发射扫描电子显微镜(SEM，日本Hitachi 公司)；UV-2550 紫外可见分光光度计(日本Shimadzu 公司)；超声波清洗机(宁波海曙科生超声设备公司)；pHS-3C 型精密pH 计(上海雷磁仪器厂)；DF-101Z 型磁力搅拌器(郑州长城科工贸公司)。

TNP(分析纯，广州化学试剂厂)；石墨粉(光谱纯，上海国药集团化学试剂有限公司)；AgNO3、H2SO4、KMnO4、K2S2O8、P2O5、FeCl3、H2O2和葡萄糖(分析纯，天津大茂化学试剂厂)；Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液(PBS)；其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2 修饰电极的制备及活化

先采用改进的Hummers 法制备GO[10,13]，具体制备过程在前期工作中[10]已详细描述；随后在GO 表面直接沉积AgNPs。贵金属纳米颗粒的获得通常采用硼氢化钠或肼为还原剂[14]；这两种物质还原性太强，会破坏GO 表面结构，从而会影响所制备复合材料的分散性能；故本实验选用较为绿色环保、性能温和的葡萄糖为还原剂。AgNPs/GO 复合纳米材料的合成路线如下：首先，将制备好的GO(15 mg)与H2O(15 mL)混合超声1 h，然后于搅拌条件下加0.75 g 葡萄糖。其次，将0.55 mol·L-1的氨水缓慢加入AgNO3(10 mL，0.06 mol·L-1)直到沉淀消失形成银氨溶液。最后，将银氨溶液与GO 和葡萄糖的混合液搅拌1 h 后静置，随后多次离心过滤(用水洗涤至滤液pH 为中性)，产品于真空中干燥待用。将裸玻碳电极(GCE，d=3 mm)用0.3 和0.05 μm 的Al2O3粉抛光成镜面，然后依次用1∶1 硝酸、无水乙醇和蒸馏水超声清洗待用。将制备好的AgNPs/GO 加入到5 mL DMF 中，超声分散30 min，取此悬浊液5 μL 均匀滴加在处理好的GCE 表面上，用红外灯烘干即得AgNPs/GO/GCE。为了进行比较，将GO 单独分散于DMF 后按上述方法制成GO/GCE 待用。修饰电极每次测量后在空白PBS 底液于-0.7～1.0 V 之间进行伏安扫描，至曲线无明显氧化还原峰以除去沉积在复合薄膜中的TNP，然后再进行下一次测量。

1.3 电化学实验方法

以裸电极和不同修饰电极为工作电极，铂片电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极组成三电极体系；进行交流阻抗(EIS)、循环伏安(CV)和计时电量(CC)测定，记录相应的实验曲线。实验前溶液通N215 min 除氧，测量过程中保持N2在溶液上方；实验在室温(25 ℃)下进行。

2 结果与讨论

2.1 AgNPs/GO 薄膜形貌和光学性质表征

图1 GO (a、c、e)和AgNPs/GO (b、d、f)薄膜的AFM(a、b)、SEM (c、d)和TEM (e、f)图Fig.1 AFM (a, b), SEM (c, d) and TEM (e, f) images of GO (a, c, e) and AgNPs/GO (b, d, f) films

为了直接观察所制备纳米复合膜的形貌特征，将经超声处理过的GO 和AgNPs/GO 的DMF 分散液分别滴于铜网上，干燥后用AFM、SEM 和TEM 观察其微观形态，所得结果如图1 所示。从图1 中a、c和e 中可见，GO 表面存在明显弯曲褶皱；且在透射电镜下呈一定透明度的薄片状，这些都是石墨烯材料的固有物性。由于GO 在结构上含有大量的缺陷和功能基团，Ag 离子能在其表面上迅速沉积(AgNPs粒径20～100 nm)，使得到的复合膜在整体上呈现出网点状结构(图1b、d 和f)，这种结构非常利于增加膜的表面积，从而增加膜的活性位点及其吸附能力。对AgNPs/GO 膜进行EDS 表征，发现其主要含有C、O、S、Ag 和Cu 5 种元素；其中S 是在制备GO膜过程中使用了H2SO4引入的；Cu 是做EDS 测试时薄膜涂滴在铜网上形成的。测试结果发现AgNPs在复合膜层面中含量为60%(质量分数)，这是因Ag本身的原子量较大引起的。图2 还给出了GO(a)和AgNPs/GO (b) 的UV-Vis 光谱图。曲线a 和b 均在240 nm 出现强烈的吸收峰，该峰对应于石墨烯结构中六元环上C-C 键的π-π* 跃迁。而曲线b 上于420 nm 处出现一个新的宽峰，这是Ag 的表面等离子体共振峰；进一步证实了AgNPs 在GO 表面的形成。GO 和AgNPs/GO 在DMF 中超声30 min 后静止放置3 个月以上也未出现团聚和沉淀现象，这是说明了GO 巨大的比表面积提高了复合膜的分散性；同时由于GO 表面存在含氧基团，降低了分子之间的范德华力，从而使得分散体系更加稳定。这种高分散性使得制备的纳米复合膜能与电极表面紧密结合，提高电子传递速率，从而大大提高了复合薄膜修饰电极的催化性能。

图2 GO (a)和AgNPs/GO (b)的UV-Vis 光谱图Fig.2 UV-Vis spectrograms of GO (a) and AgNPs/GO (b)

2.2 AgNPs/GO/GCE 的电化学性能表征

图3 裸GCE (a)、GO/GCE (b)和AgNPs/GO/GCE (c)在5.0 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-(1∶1, V/V)+0.1 mol·L-1 KCl 底液中的交流阻抗图Fig.3 EIS of GCE (a), GO/GCE (b) and AgNPs/GO/GCE(c) in 0.1 mol·L-1 KCl containing 5.0 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-(1∶1, V/V)

电化学中常采用EIS 阻抗谱的变化来表征电极表面的修饰过程，EIS 的半圆直径代表电极表面电子转移阻抗(Ret)的相对大小。图3 表示以5.0 mmol·L-1的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-(1∶1，V/V)为探针，不同电极在0.1 mol·L-1KCl 底液中的EIS 图谱。从图中可见，探针离子在裸GCE(a)上未出现明显半圆形电子阻抗谱，而是以直线为主； 说明此时Ret很小，电极过程主要受到扩散步骤控制。探针离子在GO/GCE(b)和AgNPs/GO/GCE(c)上于高频区出现代表电化学极化的半圆型Ret阻抗，在低频区出现代表浓差极化的直线型Warburg 阻抗。其中，GO 膜上的Ret较大，说明电子在GO 膜上的转移阻抗相对较大； 这是因为GO 膜上带有较多显负电性的含氧基团，它们与本身带负电的探针离子之间存在斥力，导致电化学阻抗增加； 该现象与文献报道一致[15]。而Ret在AgNPs/GO 膜上明显减小，这是由于导电的金属Ag 颗粒减小了电化学阻抗； 同时阻抗的变化正好说明纳米复合膜成功地修饰在电极表面；也表明了纳米复合膜中随AgNPs 的加入能提高电子在复合薄膜修饰电极上的转移速率。

2.3 修饰电极的电催化性能

为考察修饰电极对TNP 的电催化活性，分别将裸GCE、GO/GCE 和AgNPs/GO/GCE 置于含有0.10 μmol·L-1TNP 的PBS 底液(pH=6.8)中，于-0.70 V 电位下富集60 s 后以100 mV·s-1的扫速作循环伏安扫描，扫描范围为-0.7～0.1 V。从图5 比较可知，TNP在GCE(a)上未有氧化还原峰出现，说明裸电极对TNP 基本无电催化活性。而其在GO/GCE (b)和AgNPs/GO/GCE(c)上分别出现一明显氧化峰和3 个还原峰，说明这两种电极都能催化TNP 的电化学响应。由于TNP 和GO 都含有苯环和类似苯环结构，所以他们之间存在“π-π”效应；使得吸附作用增强，氧化还原峰电流增加。而复合薄膜上不仅含有类似苯环结构，其含有的金属Ag 颗粒本身具有较强的催化作用； 同时TNP 上带的硝基和羟基都显电负性，易与金属Ag 粒子之间产生静电引力，增强吸附作用；使得TNP 在AgNPs/GO 上的氧化还原峰电流得到了更多的增加。另外，GO/GCE 和AgNPs/GO/GCE 在空白PBS 底液中进行CV 扫描时发现GO无太明显氧化还原峰，AgNPs 在0.70 V 出现明显氧化峰，在0.20 V 出现明显还原峰；这两峰都不在上述所选择电位范围内，说明在-0.7～0.1 V 间的氧化还原峰来自于TNP 的电化学反应过程。TNP 在GO膜上的还原电位为-0.25、-0.36 和-0.47 V，分别对应着3 个硝基的还原； 而其在AgNPs/GO 膜上的还原峰电位分别为-0.22，-0.34 和-0.45 V，还原电势的正移说明其超电势在减小。减小的还原超电势和增加的峰电流说明AgNPs 掺入GO 膜后伏安响应能得到较大增强；证实了银颗粒能起协同催化的作用。同时，氧化峰电位在AgNPs/GO/GCE 上为-0.16 V，该峰对应于对应于酚羟基的氧化；相比GO/GCE上的氧化峰-0.18 V 发生了正移，说明了纳米复合膜对TNP 有着较好的吸附作用[19]；较大的吸附作用能进一步促进峰电流的提高。根据电化学与热力学间的关系式ΔG=-nFE=-RTlnK 得ln(K2/K1)=[nF/(RT)]ΔE；若氧化电子数n 取1，ΔE 取20 mV 进行计算可知TNP 与复合膜间的吸附(缔合)常数K2比其与GO 膜的吸附(缔合)常数K1大1.18 倍；这与上述分析结果一致。据此可知，利用AgNPs/GO 修饰电极能制备出高灵敏度的TNP 电化学传感器。

图5 TNP 在裸GCE (a)、GO/GCE (b) 和AgNPs/GO/GCE (c)上的循环伏安曲线Fig.5 CVs of TNP at the bare GCE (a), GO/GCE (b) and AgNPs/GO/GCE (c)

2.4 TNP 测定的优化条件

2.4.1 富集电位和富集时间的影响

由CV 实验得知，当富集电位从-1.0 V 至0.2 V变化时，TNP 在复合膜修饰电极上的还原峰电流无明显变化，为便于操作，本实验选择电位扫描起始点电位(-0.70 V)为富集电位。在富集电位为-0.70 V条件下考察富集时间和峰电流的关系，结果表明峰电流刚开始随富集时间的增加而增大，但富集时间超过60 s 后，峰电流增加不明显，为节约分析时长选用60 s 的富集时间。

2.4.2 支持电解质以及pH 的影响

以AgNPs/GO/GCE 为工作电极，分别选用含有0.10 μmol·L-1TNP 的NH3-NH4Cl,NH3·H2O,KCl,NaCl,HCl,H2SO4,NaH2PO4,KHC8H4O4-HCl,NaAC-HAC 和PBS缓冲液作为支持电解质进行CV 测量。结果表明，在PBS 缓冲液中TNP 的氧化还原峰灵敏度较高，峰型较好，峰电流最大且电极的稳定性较好。同时，改变PBS 底液的pH 值进一步考察了TNP 在修饰电极上还原峰电流和峰电位的变化情况。实验表明在pH=5.0～8.0 的PBS 缓冲溶液中，TNP 在修饰电极上都有电化学响应，峰电流在pH=6.8 时出现最大值；故本实验选择pH 值为6.8 的PBS 缓冲液作为支持电解质。

2.5 电极过程动力学参数计算

2.5.1 电极表面覆盖度的计算

图6 TNP 在不同扫速下的循环伏安曲线Fig.6 CVs of TNP at different scan rates

2.5.2 电子转移数的计算

2.5.3 速率常数的计算

速率常数是一个与界面电荷传递相关的参数，需利用一个完全或者部分受界面电荷传递动力学支配的计时电量响应进行计算。为达此目的，在整个实验中采用一个不足以实现扩散控制电解的阶跃电位E2，即阶跃后的电势处在CV 图的上升部分。在完全或者部分受界面电荷传递动力学控制的条件下计时电量响应满足下面的方程(当方程中Ht1/2＞5 时)[22]：

式中H=(kf/DO1/2)+(kb/DR1/2)，其中DO和DR分别是一个氧化还原偶中氧化物质和还原物质的扩散系数，kf和kb分别为正反应速率常数和逆反应速率常数。通过电量和时间的平方根曲线渐近线的斜率和截距可求得正反应速率常数kf。我们以CV 曲线中电流上升部分的-0.15 V 为阶跃后电位E2, 阶跃前电位E1为0.1 V； 求得该电位下的正反应速率常数kf为9.745×10-5cm·s-1。

2.6 线性关系和检出限

在pH 6.8 的PBS 底液中，当富集电位为-0.70 V，富集时间为60 s，扫速为100 mV·s-1时，TNP 在AgNPs/GO/GCE 上的氧化峰电流与其浓度在5.0×10-9～1.0×10-7mol·L-1的 范 围 内 成 良 好 线 性 关 系(图7)，线性方程为：ip(μA)=0.034 93C(μmol·L-1)+121.3，相关系数为0.995 8。根据DL=KSb/r 可得检出限为1.0×10-9mol·L-1(DL：检出限；Sb：空白液测定20 次所得信号标准偏差；K： 根据一定置信水平确定的系数，本法K 取3；r：方法的灵敏度即标准曲线的斜率)。

2.7 AgNPs/GO/GCE 电极的稳定性和抗干扰能力

在同一实验条件下对0.10 μmol·L-1的TNP 进行测定，用相同条件下制备的20 支修饰电极分别测量，所得结果的相对标准偏差(RSD)为4.55%；用同一修饰电极在上述底液中连续扫描50 次，其RSD 为1.53%； 该电极在20 个不同时间段对TNP进行测定，RSD 为4.12%。实验结果表明AgNPs/GO/GCE 具有较好的稳定性和重现性，能用于实际样品中TNP 含量的检测。

图7 (A) TNP 在不同浓度下的循环伏安曲线; (B) 不同浓度的TNP 与其氧化峰电流的线性关系Fig.7 (A) CVs of TNP at different concentrations; (B) Linear relationship between TNP and its oxidation peak current

表1 实际水样中TNP 含量的测定结果Table 1 Determination results of TNP in real water samples

在最佳优化条件下，当TNP 为0.10 μmol·L-1时还考察了多种无机离子和有机物对其还原峰电流的影响。结果表明，测量误差控制在±5%以内，500倍的K+、Na+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO3-、SO42-，和100倍的Zn2+、Cd2+、F-、Br-、等无机离子和10 倍的苯酚、甲萘酚、酒石酸、柠檬酸、冰乙酸、葡萄糖等有机物均不干扰TNP 测定。其它常见硝基的化合物，如硝基苯、二硝基苯、三硝基苯、三硝基甲苯只有还原峰而无氧化峰，故可以快速进行区别；同时由于这些硝基化合物出现还原峰峰的电位(-0.40 V 左右)均小于TNP 出现还原峰时的电位(-0.22 V)；采用DPV法测定时可以忽略这些硝基化合物的影响。

2.8 实际水样中TNP 含量的测定

实验发现本文选用的实际水样中TNP 的含量低于方法的检出限，故用加标回收率实验检验本法的可靠性。在已过滤除去不溶物的实际水样中加入适量TNP 标准液； 移取一定量此溶液于pH 6.8 的PBS 底液中；在本文确定的优化实验条件下，测定水样中TNP 的电化学响应值；并用标准曲线法求出TNP 的含量(每个样品测定5 次取平均值)，所得结果回收率在97.6%～103.9%之间(见表1)。

3 结 论

本文首先制备了AgNPs/GO 纳米复合材料，对其进行了电镜、紫外和电化学等性能表征；然后将其成功应用于电化学传感器的制备中，并详细研究了所制备传感器的优化使用条件和动力学特征。文中采用葡萄糖为还原剂制备贵金属纳米材料，不仅绿色环保、 价格低廉，还能保留GO 的表面活性位点，提高纳米材料的分散性能；同时增强了所制备传感器的灵敏度、使用寿命和抗干扰性；另外其制作过程简单，成本较低，可重复使用，具有潜在的实用价值。

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