纳米NiO/石墨烯修饰电极电化学同时检测对苯二酚和邻苯二酚

封科军，邹秀婷，黄焕丰,欧敏敏，刘丽园

（惠州学院化学与材料工程学院，广东惠州516007）

0 引言

石墨烯自2004年问世以来[1]，因其化学稳定性高、导电性好、生物相容性好，常被用作制备化学修饰电极的理想材料[2]。传统的石墨烯修饰电极，通常采用水合肼、硼氢化钠等化学物质将氧化石墨烯还原为石墨烯后滴涂在电极表面。该法中采用的试剂具有较强的腐蚀性或潜在毒性，会对环境造成污染。近年来，电化学还原方法制备石墨烯引起研究者们的广泛关注。该方法通过施加一定的负电位去除氧化石墨烯的边缘或表面的含氧基团，从而实现氧化石墨烯的还原，是一种在导电基底上快速制备稳定性好、导电性高的石墨烯的绿色方法，已成功用于各类生物小分子[3-4]及有机污染物[5-7]等的测定。

苯二酚是一种重要的化工原料和合成中间体，被广泛用于化工、皮革、染料、化妆品等众多领域[8]。由于其具有毒性且难以降解，在环境检测中被列为优先检测对象。邻苯二酚、对苯二酚和间苯二酚是苯二酚的三种同分异构体，由于性质、结构类似，工业生产中常混合在一起，检测中测定的多是总量，单独的定量分析较为困难。因此，建立简单快速、灵敏、低成本的多种苯二酚类物质的同时检测方法非常有意义[9]。

目前，测定苯二酚的方法主要有色谱法、分光光度法和电化学方法等。色谱法仪器昂贵，操作复杂，对操作人员要求高。分光光度法虽然操作简单、成本低，但受基体效应影响，精确性不高。比较而言，电化学方法简单快速、灵敏度高、操作简便，易于实现自动化。化学修饰电极可以通过对不同异构体氧化峰位置的区分实现同时检测。目前，纳米材料修饰电极已广泛用于单一酚和多种酚类物质的同时检测[10-14]。但很多方法尚存在制备复杂、成本较高、线性范围较窄等问题。纳米氧化镍具有较高的电催化活性和比表面积，电化学方法制备简单、成本低，纳米氧化镍/石墨烯复合材料修饰电极同时测定两种苯二酚尚未见报道。

该研究工作采用简单的电化学一步共还原法制备纳米氧化镍/石墨烯修饰玻碳电极，并将其用于对苯二酚和邻苯二酚的同时电化学检测。方法简单灵敏、成本低廉，能实现两种苯二酚同分异构体的选择性区分，修饰电极具有较好的稳定性和重现性，结果令人满意。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

石墨购自青岛富润达石墨有限公司，硝酸镍、对苯二酚和邻苯二酚购自天津大茂化学试剂厂，壳聚糖购自上海国药集团化学试剂有限公司。循环伏安法（CV）和交流阻抗法（IMP）测定支持电解液为铁氰化钾-氯化钾溶液 （5.0mmol/L K3[Fe(CN)6]-5.0mmol/L K4[Fe(CN)6]-0.2mol/L KCl），柠檬酸-磷酸氢二钠（pH=7.0）为检测体系采用的缓冲液，其它试剂均为分析纯，实验用水为超纯水，实验在室温下进行。

采用CHI660D型电化学工作站（北京华科普天公司），三电极系统，直径为2mm的玻碳电极和修饰电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极；KQ5200V超声清洗仪 （昆山市超声仪器有限公司）。

1.2 氧化石墨烯的制备

根据Hummers法[15]合成氧化石墨。即先将石墨粉在适量的浓H2SO4、KMnO4和NaNO3存在下，在一定温度和搅拌条件下氧化，再加入H2O2反应一段时间后,经多次离心洗涤获得沉淀物，将其用超纯水分散，透析除去其中的离子，至溶液呈中性后，将其放入干燥箱中干燥，即得到氧化石墨。称取氧化石墨加入适量水，超声分散2 h以上，则可得到氧化石墨烯。

1.3 修饰电极的制备

1.3.1 裸电极的预处理

用细砂纸轻轻打磨玻碳电极，接着分别用0.3μm和0.05μm的α-氧化铝粉抛光至镜面，然后用无水乙醇和超纯水超声3min。晾干备用。

1.3.2 氧化石墨烯修饰玻碳电极 （GO/GCE）及石墨烯修饰玻碳电极（RGO/GCE）的制备

在裸电极上滴加10μL的2.0mg/mL氧化石墨烯溶液（含0.05%壳聚糖），自然干燥后，得GO/GCE。用蒸馏水洗净吹干，将其置于pH=7.0的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液中。采用循环伏安法，电位为0～-1.5 V，以0.1 V/s的扫描速度扫描50段，即可得RGO/GCE。

1.3.3 纳米氧化镍修饰玻碳电极（NiO/GCE）的制备

将处理好的裸电极置于8×10-3mol/L的硝酸镍溶液中，采用循环伏安法，电位为0～-1.5 V，以0.1 V/s的扫描速度扫描50段，洗净吹干，即得NiO/GCE。

1.3.4 纳米氧化镍/石墨烯修饰玻碳电极（N iORGO/GCE）的制备

将干燥好的GO/GCE置于浓度为8×10-3mol/L的硝酸镍溶液 （pH=7.0柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液）中，电位为0～-1.5 V，以0.1 V/s的扫描速度扫描50段，洗净吹干，即得所需的NiO-RGO/GCE。

1.4 电化学检测

样品的测定采用差分脉冲伏安法（DPV），测试条件设置为：电位-0.2～0.4 V，振幅 0.05 V，静置时间20 s。

2 结果与讨论

2.1 电化学表征

2.1.1 交流阻抗图谱

在铁氰化钾-氯化钾支持电解液中，不同修饰电极的交流阻抗图（IMP）见图1。曲线a为纳米NiO/石墨烯修饰电极（NiO-RGO/GCE），曲线b为石墨烯修饰电极（RGO/GCE），曲线c为裸电极（GCE）， 曲 线 d为纳米 NiO 修 饰电极(（NiO/GCE）。曲线半圆直径的大小可以表示修饰电极阻抗的大小。由图可以看出，裸电极在高频部分出现半圆，说明对电子传递存在阻碍；纳米氧化镍修饰电极（NiO/GCE）半圆直径变大，说明阻抗变大，主要是因为氧化镍的导电性较差，进一步降低了电极表面的电子传递性能；而石墨烯修饰电极（RGO/GCE）和纳米NiO/石墨烯修饰电极（NiO-RGO/GCE）的阻抗均明显减小，主要是由于石墨烯优异的导电性能，有效促进了电子的传递。

图1 不同修饰电极在5.0mmol/LK3[Fe(CN)6]-5.0 mmol/LK4[Fe(CN)6]-0.2mol/LKCl电解质溶液中的交流阻抗图：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-GCE，d-NiO/GCEFig.1 IMP curves of different electrodes in 5.0mmol/LK3[Fe(CN)6]-5.0mmol/LK4[Fe(CN)6]-0.2mol/LKCl electrolyte solution：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-GCE，d-NiO/GCE

2.1.2 对苯二酚和邻苯二酚在不同修饰电极上的电化学行为

图2的循环伏安(CV)曲线图是浓度为1×10-4mol/L的对苯二酚和邻苯二酚在不同修饰电极上的电化学行为。由图可知，裸电极（曲线d）和纳米氧化镍修饰电极（曲线c）的氧化还原峰电流小，不能实现两种酚的有效区分，石墨烯修饰电极（曲线b）增大了峰电流，且能很好的区分邻苯二酚和对苯二酚，纳米NiO/石墨烯修饰电极（曲线a）与其他三个电极相比，峰电流最大，说明由于两种纳米材料的协同作用，纳米NiO进一步增大了电极的比表面积，使其具有更强的电催化活性。

图2 1×10-4 mol/L对苯二酚和邻苯二酚在不同修饰电极上的循环伏安图：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-NiO/GCE，d-GCEFig.2 CV curves of different electrodes in 1×10-4 mol/L hydroquinone and catechol solution：a-NiO-RGO/GCE,b-RGO/GCE，c-NiO/GCE，d-GCE

2.2 实验条件的优化

2.2.1 氧化石墨烯(GO)的浓度

在其他条件相同的情况下，实验考察了分别滴加 0.5mg/mL、1.0mg/mL、 1.5mg/mL、 2.0mg/mL、2.5mg/mL、3.0mg/mL不同浓度的氧化石墨烯在玻碳电极上，对对苯二酚测定结果的影响。图3可以看出，当氧化石墨烯浓度为2.0mg/mL时，对苯二酚的峰电流最大，所以2.0mg/mL氧化石墨烯是该实验的最佳选择。

2.2.2 氧化石墨烯的滴涂量

图3 氧化石墨烯浓度对对苯二酚峰电流响应的影响Fig.3 The effect of GO concentration on the peak current ofHQ

为研究氧化石墨烯滴涂量对检测的影响，在其他条件相同的情况下，分别滴加6μL、8μL、10 μL、12μL、14μL的氧化石墨烯在玻碳电极上，测定对苯二酚的响应。图4可以看出，对苯二酚的峰电流开始随着氧化石墨烯滴涂量的增加而变大，当滴涂量超过10μL后，峰电流逐渐变小。这可能是由于石墨烯厚度增加，反而阻碍了电子的传递，所以氧化石墨烯滴涂量为10μL是最佳选择。

图4 氧化石墨烯滴涂量对对苯二酚峰电流响应的影响Fig.4 The effect of GO addition on the peak current of HQ

2.2.3 硝酸镍的扫描段数

在其他条件相同的情况下，实验考察了硝酸镍的扫描段数 （即沉积氧化镍和还原石墨烯时间）对对苯二酚测定结果的影响。图5可以看出，对苯二酚的峰电流随扫描段数的增加而变大，当扫描段数为50时，峰电流最大，接着再变小。这可能由于随着沉积时间增长，纳米NiO粒径增大，降低了其电催化活性。因此，实验选择最佳扫描段数为50。

图5 扫描段数对对苯二酚峰电流响应的影响Fig.5 The effect of scanning number on the peak current of HQ

2.2.4 富集时间和电位

富集时间和富集电位对测定结果的峰电流值也有重要影响。从图6中可以看出，对苯二酚富集时间逐渐增加时，峰电流先变大后变小，富集时间为40 s是最佳选择；从图7中可以看出，对苯二酚富集电位逐渐增加时，峰电流先变大后变小，富集电位为-1.2V是最佳选择。

图6 对苯二酚峰电流随富集时间的影响Fig.6 The effect of deposition time on the peak current of HQ

图7 对苯二酚峰电流随富集电位的影响Fig.7 The effect of deposition potential on the peak current ofHQ

2.3 对苯二酚和邻苯二酚的同时检测

在优化的最佳条件下，保持检测体系中邻苯二酚浓度不变 （80μmol/L），改变对苯二酚的浓度，对苯二酚在纳米NiO/石墨烯修饰电极上的响应如图8A所示。图8B可以看出，在5.0×10-6～8.0×10-4mol/L的浓度范围，对苯二酚浓度与其峰电流表现出较好的线性关系，对应的线性方程为：I=-0.06016 c+0.78208，相关系数r=0.9947（其中I表示峰电流，c表示对苯二酚浓度，单位分别为 μA、μmol/L）。

图8 A 不同浓度对苯二酚和80μmol/L邻苯二酚在NiO-RGO/GCE上的DPV图（a→h浓度分别为5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L）Fig.8 ADPV curves of different concentration HQ and 80 μmol/LCCat the NiO-RGO/GCE(a→h:the concentration was5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L,respectively)

图8 B 对苯二酚浓度与峰电流的线性关系图Fig.8B The linear relation curve ofHQ concentration and peak current

同等条件下，当保持对苯二酚的浓度不变（80μmol/L），用纳米NiO/石墨烯修饰电极上测得的邻苯二酚的响应结果如图9A所示。由图9B可以看出，邻苯二酚浓度在 5.0×10-6～8.0×10-4mol/L的范围内，其浓度与峰电流值也表现出较好的线性关系，对应的线性方程为：I=-0.06043 c+0.82564，相关系数r=0.9946（其中I表示峰电流，c表示邻苯二酚浓度，单位分别为μA、μmol/L）。

图9 A 不同浓度邻苯二酚和80μmol/L对苯二酚在NiO-RGO/GCE上的DPV（从a→h浓度分别为5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L）Fig.9A DPV curves of different concentration CC and 80 μmol/LHQ at the NiO-RGO/GCE(a→h:the concentration was5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L,respectively)

图9 B 邻苯二酚浓度与峰电流的线性关系图Fig.9B The linear relation curve of CC concentration and peak current

图10 A 不同浓度对苯二酚和邻苯二酚在NiO-RGO/GCE 上的 DPV（从 a→h 浓度分别为 5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L）Fig.10A DPV curves of different concentration CC and HQ at the NiO-RGO/GCE(a→h:the concentration was 5、10、40、80、200、400、600、800 μmol/L,respectively)

图10 (B-C) 不同浓度对苯二酚（B）和邻苯二酚（C）与峰电流的线性关系图Fig.10(B-C)The linear relation curves of HQ(B)and CC(C)concentration and peak current

如图10A所示为同等条件下，同时改变对苯二酚和邻苯二酚浓度，修饰电极的响应图。图10B和图10C分别为不同浓度的对苯二酚和邻苯二酚与峰电流的线性关系图，从图中可以看出，在 5.0×10-6～8.0×10-4mol/L 的范围内，两种酚的峰电流分别与其浓度表现出良好的线性关系。对苯二酚对应的线性方程为：I=-0.05838 c-0.45128，相关系数r=0.9978，检出限为1.0×10-7mol/L；而邻苯二酚对应的线性方程为：I=-.05352 c-0.19648，相关系数 r=0.9990，检出限为5.0×10-7mol/L（其中I表示峰电流，c表示邻苯二酚浓度，单位分别为 μA、μmol/L）。

2.4 干扰实验

在最佳实验条件下，往1×10-4mol/L的对苯二酚和邻苯二酚溶液加入多种常见的离子和常见酚类物质，用修饰电极进行测定，结果显示，100 倍的 SO42-、Cl-、Br-、Mg2+、Na+、Fe3+、Ca2+以及半胱氨酸、赖氨酸、葡萄糖、对硝基苯酚都不会对测定造成干扰，表明修饰电极具有很好的选择性。

2.5 重现性、重复性及稳定性

使用同一支纳米NiO/RGO修饰电极，连续5次测定浓度为1×10-4mol/L的对苯二酚和邻苯二酚混合溶液，两者峰电流的相对标准偏差（RSD）分别为3.1%、3.9%，表明该修饰电极有较好的重现性。

使用5支不同的纳米NiO/RGO修饰电极进行测定，对苯二酚和邻苯二酚的RSD分别为3.9%、4.4%，表明该修饰电极有较好的重复性。

将纳米NiO/RGO修饰电极置于4℃的条件下，放置5 d后，对苯二酚和邻苯二酚的峰电位没有发生太大的变化，峰电流为初始电流的92.4%、91.7%，表明该修饰电极有较好的稳定性。

2.6 模拟样品分析

在最佳实验条件下，以加入不同浓度的对苯二酚和邻苯二酚的自来水为模拟水样，然后用缓冲溶液对其进行稀释，检测结果如表1所示，样品回收率在91.0%～105.5%，表明该实验方法有较好的可靠性，有望用于实际污染水样的分析测定。

表1 模拟样品中对苯二酚和邻苯二酚的回收率Tab.1 Recoveries of different HQ and CC concentrations in simulated samples

3 结论

该实验采用Hummers方法制备氧化石墨烯，然后滴涂在电极表面，通过电化学一步共还原制备出具有优异电催化性能的纳米NiO/石墨烯修饰电极，用于邻苯二酚和对苯二酚的同时电化学检测。实验表明，该修饰电极具有较好的重现性、选择性和稳定性，而且制作简单、成本低及灵敏度较高，有望实现环境污染实际水样中对苯二酚和邻苯二酚的同时测定。

[1]Novoselov K S,Geim A K,Morozov SV.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science,2004,306(5696):666-669.

[2]Shao Y,Wang J,Wu H,et al.Grahpene Based Electrochemical Sensors and Biosensors:a Review[J].Electroanalysis，2010,22(10):1027-1036.

[3]刘素芹,欧阳高伟,戴高鹏,等.纳米NiO-还原石墨烯复合修饰玻碳电极的制备及电催化检测多巴胺[J].分析科学学报,2014,30(6):853-857.

[4]杨君,刘志敏,展海军，等.石墨烯-纳米金复合物修饰电极用于异烟肼和抗坏血酸的同时测定[J].分析测试学报，2014，33(4):403-408.

[5]万其进,廖华玲,刘义，等.石墨烯修饰电极同时测定邻苯二酚和对苯二酚[J].武汉工程大学学报，2013,35(2):16-23.

[6]邓克勤，令玉林，邱喜阳，等.电化学还原石墨烯-金纳米棒修饰电极对酒石黄的测定[J].分析科学学报，2017,33(3):383-386.

[7]方燕，马琳琳，陕多亮，等.石墨烯-金纳米粒子复合膜修饰电极的制备及对双酚A的测定[J].高等学校化学学报，2015，36(8)：1491-1497.

[8]Khodaei M M,Alizadeh A,Pakravan N.Polyfunctional Tetrazolic Thioethers through Electrooxidative/Michaeltype Sequential Reactions of 1,2-and 1,4-dihydroxybenzenes with 1-phenyl-5-mercaptotetrazole[J].J.Org.Chem.,2008,73(7):2527-2532.

[9]王勇，张闪，董莹，等.水体中邻苯二酚和对苯二酚检测方法的研究进展[J].化学研究，2015，26(1)：100-104.

[10]郭宇恒，王鸿达，徐润学，等．聚L－白氨酸－碳纳米管修饰电极同时检测对苯二酚和邻苯二酚[J]．分析测试学报，2014,33(3):318-323.

[11]孙雪,康天放.纳米金/nafion/石墨烯修饰玻碳电极检测对苯二酚的研究[J].分析测试学报，2013,32(6):693-698.

[12]王春燕,由天艳,田坚.聚谷氨酸修饰电极同时检测对苯二酚和邻苯二酚[J].分析化学研究报告,2011,39(4):528-533.

[13]翟江丽，郝俊兴.聚苯胺-石墨烯修饰电极同时测定邻苯二酚和对苯二酚[J].分析科学学报,2015,31(3):384-388.

[14]Yin H,Zhang Q,Zhou Y,etal.Electrochemical Behavior of Catechol,Resorcinol and Hydroquinone at Graphenechitosan Composite Film Modifed Glassy Carbon Electrode and their Simultaneous Determination in Water Samples[J]．Electrochim Acta，2011，56(6)：2748-2753．

[15]Hummers W S,Offeman R E.Preparation of Graphitic Oxide[J].Journal of the American Chemical Society,1958,80(6)：1339-1339.