第 2 章 基于石墨烯的镉离子电化学传感器
2.1 引言
镉是对生物体有毒害的环境污染物，对人体的组织和器官可产生毒害，威胁人类的生命健康[65],因此镉的快速、准确检测方法的研究具有重要意义[66],镉的常见检测方法有双硫腙分光光度法、原子吸收光谱法、化学发光法、电化学方法等。石墨烯是由 sp2杂化的碳原子构成的片状碳纳米材料[67],具有蜂窝状晶格结构[68,69]、大的比表面积[70,71]、良好的导热[39]和导电性能[72]、高的机械强度[73]等优点，在许多领域引起了广泛关注，如催化剂[74,75]、能量存储[76]、传感器[77-79]等。
采用电化学传感器检测重金属离子已经取得了许多研究成果，Tesarova 等[80]采用方波伏安法研究了锑膜修饰碳糊电极同时对 Pb2+和 Cd2+进行分析检测，其检出限分别为0.2 μg/L 和 0.8 μg/L.Sheela 等[81]使用磷酸氢钡修饰碳糊电极采用差分脉冲伏安法同时检测 Pb2+和 Cd2+.Li 等[82]制备了 Nafion/石墨烯纳米复合膜修饰玻碳电极差分脉冲伏安法测定微量 Cd2+.Prakash 等[83]构建了纳米银/壳聚糖修饰玻碳电极差分脉冲伏安法检测As3+.Arantes 等[84]采用硼掺杂金刚石纳米晶体修饰玻碳电极，并使用方波伏安法对 Pb2+进行测定。Liu 等[85]基于 DNA 垂直排列传导性制备碳杂化二氧化钛纳米管阵列差分脉冲伏安法测定微量 Pb2+,得到了较宽的线性范围（0.01 nM 到 160 nM），检出限为 3.3 pM,制备的传感器选择性好，灵敏度高。Berchmans 等[86]制备聚酰胺-胺聚物（PAMAM）负载铜纳米颗粒，并用其修饰电极检测 Cu2+,该方法响应信号强，灵敏度高。Gong 等[87]采用 Au-Pt 二金属纳米颗粒负载在有机纳米纤维基质，构建有机-无机混合纳米复合膜（Au-PtNPs/NF）修饰玻碳电极，该方法对 Hg2+具有较高的灵敏度和良好的选择性。
本文采用改进的 Hummers 法制备氧化石墨烯（GO），并应用电化学还原氧化石墨烯法制备石墨烯，构建石墨烯修饰玻碳电极（GCE），采用方波伏安法测定水中镉离子。该方法具有操作简单、灵敏度高、重现性好、能够应用于实际水样的测定等优点。
2.2 实验部分
2.2.1 仪器与试剂
扫描电子显微镜（SEM,日本JEOL 公司JSM-6610LV型）；CHI660D 电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；玻碳电极（GCE,天津艾达恒晟科技发展有限公司）；铂电极（上海仪电科学仪器股份有限公司）；饱和甘汞电极（SCE,上海仪电科学仪器股份有限公司）。
石墨粉、硝酸钠（NaNO3）、高锰酸钾（KMnO4）、氯化钾（KCl）、过氧化氢（H2O2,30%,V/V）均购自国药集团化学试剂有限公司；浓硫酸、盐酸、硝酸均购自株洲市星空化玻有限责任公司；Cu2+、Pb2+、Cd2+、As3+标准溶液购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；0.1 mol/L 氯化钾溶液（pH=3.0）为支持电解质溶液。实验室所用化学试剂均为分析纯，实验所用水为超纯水（电阻率为18.25 MΩ·cm）。
2.2.2 氧化石墨烯的制备
在实验之前，所有玻璃仪器用王水（HCl:HNO3,3:1,V/V）浸泡 12 个小时，用超纯水清洗干净。采用改进的 Hummers 法[88]来制备氧化石墨烯：取 0.5 g 石墨粉和0.5 g 硝酸钠加入到三颈烧瓶中，置于冰水浴中，接着加入23 mL 浓 H2SO4,剧烈搅拌 5 min;缓慢加入3 g KMnO4,立即将烧瓶转移到35 ℃的水浴中，搅拌并加热1 h;缓慢加入 40mL 超纯水，把温度升高到 95 ℃，继续搅拌 30 min;加入 100 mL 超纯水，随后缓慢加入 3 mLH2O2（30%,V/V），待溶液的颜色由深棕色变成金黄色，把所得溶液先进行低速离心（1000 rpm,2 min），重复3 次，去除离心后的固体沉淀，留取上层清液；然后对上层清液高速离心（8000 rpm,15 min），重复 2 次，留取离心后所得沉淀物；将沉淀物先用 100 mL 10%盐酸进行清洗，然后再用超纯水清洗至中性；最后真空干燥，即得氧化石墨烯（GO）。用电子天平秤取10 mg GO,加入到10 mL 超纯水中，超声 2 h,使得 GO全部剥落成单片，所得溶液为1 mg/mLGO 溶液。
2.2.3 传感器的制备
将玻碳电极用0.05 μmAl2O3粉浆抛光至镜面，分别用超纯水、无水乙醇、超纯水，超声清洗3 min,然后在处理好的玻碳电极上滴加5 μL 的 1 mg/mLGO 溶液，自然干燥，即可得到 GO 修饰的玻碳电极 GO/GCE.将 GO/GCE 置于0.5 mol/L NaCl （pH=7.0）中，在-1.3 V电位下还原300 s,得到石墨烯修饰的玻碳电极[89,90].
2.2.4 电化学测量
采用传统的三电极系统，参比电极为 SCE,辅助电极为铂电极，工作电极为石墨烯修饰的玻碳电极。首先将 Cd2+富集在电极表面，富集电位-1.0 V,富集时间 300 s;然后采用方波伏安法进行溶出，记录出现在-0.83 V 处的溶出峰电流值。支持电解质溶液为0.1 mol/L KCl （pH=3.0）。操作参数为：振幅 0.05 V,脉冲周期 0.2 s,扫描电压范围-1.2~0 V,脉冲宽度 0.05 s,静置时间 2 s.
2.3 结果与讨论
2.3.1 石墨烯修饰电极形貌表征
图 2.1 所示为石墨烯修饰玻碳电极扫描电镜图，从图中可以看到石墨烯呈薄片层状结构，表面有很多不平的皱褶，与文献[91]报道类似。
2.3.2 石墨烯修饰电极的电化学特性图 2.2 为裸玻碳电极和石墨烯修饰电极在0.1 M KCl（pH=3.0）中的方波伏安图。由图2.2 可知，裸玻碳电极（a）、石墨烯修饰电极（c）均在-830 mV 处出现明显的镉溶出峰，石墨烯修饰电极响应电流值（27.57 μA）是裸玻碳电极（12.92 μA）的 2.13 倍；（b）为石墨烯修饰电极的空白对照实验信号（未加入 Cd2+）。实验结果表明石墨烯修饰电极对镉产生较大的响应电流值，这都归因于石墨烯具有良好的导电性及电催化性能。
2.3.3 实验条件优化
2.3.3.1 石墨烯用量对镉离子响应信号的影响
图 2.3 为不同用量石墨烯修饰电极对镉离子响应电流信号的影响。从图中可知，随着石墨烯用量的增加，镉离子的响应电流值先增大后减小，当石墨烯的用量为5 μL 时，响应电流值达到最大，继续增加石墨烯用量，峰电流值减小，这可能是电极表面形成的石墨烯薄膜厚度过大阻碍了电子传递。因此，选用5 μL 为最优石墨烯用量。
2.3.3.2 富集电位对镉离子响应信号的影响
图 2.4 为富集电位对镉离子响应电流值的影响。由图 2.4 可知，随着电化学富集电位朝着负向增大，镉离子溶出峰电流值先增大后减小，在富集电位为-1000 mV 时达到最大。富集电位越低，溶液中 Cd2+越易于扩散至电极表面并能够得到充分还原，溶出时峰电流值相应增加；当电位低于-1000 mV时，由于出现析氢现象[2],从而干扰 Cd2+测定，溶出峰电流值就会相应减小。因此富集电位选用-1000 mV.
2.3.3.3 富集时间对镉离子响应信号的影响
图 2.5 为富集时间对镉离子响应电流的影响。以0.1 M KCl （pH=3.0）作为支持电解质，考察了富集时间在 60~420 s 范围内对镉响应信号的影响。由图 2.5 可知富集时间明显影响镉离子的响应信号，在 60~300 s 范围内，镉离子的响应电流信号随着富集时间的增加而增大，这是因为随着富集时间增加，富集在电极表面的 Cd2+越多，还原越完全，溶出峰电流值也越大。当富集时间为300 s时达到最大，继续增加富集时间，响应电流变化基本趋于平衡。因此，选用300 s作为富集时间。
2.3.3.4 pH 值对镉离子响应信号的影响
图 2.6 为采用 Britton-Robison （BR）缓冲溶液作为支持电解质，考察 pH 值在 2.0~6.0范围内对镉离子的溶出峰电流的影响。如图 2.6 所示，随着 pH 值的增大，镉离子的响应电流信号先增大后减小，当 pH 值为 3.0 时，镉离子的响应信号达到最大。因此，最优的 pH 值为 3.0.
2.3.3.5 支持电解质对镉离子响应信号的影响
图 2.7 为支持电解质对镉离子响应电流的影响。比较 Cd2+在 0.1 M HCl、PBS、KH2PO4、NaCl、KCl、Na2SO4、BR、H2SO4溶液（pH=3.0）中的溶出峰，以 KCl 作为支持电解质的响应电流值最大，且峰形最好。因此，我们选用 0.1 M KCl （pH=3.0）作为支持电解质。
2.3.4 传感器的分析性能
2.3.4.1 线性实验
图 2.8 为石墨烯修饰电极在优化条件下测得的响应电流值与 Cd2+浓度之间的线性曲线。如图 8 所示，响应电流值与 Cd2+的浓度在 0.001~1 μg/mL 范围内呈良好的线性关系。线性方程为 y=27.8592x+0.3445,相关系数 R=0.998,检出限为 0.001 μg/mL.
2.3.4.2 干扰实验
选取 Na+、K+、Cl-、NO3-、PO43-等地表水中常见的阴阳离子，重金属离子 As3+、Cu2+、Pb2+进行干扰实验；实验结果表明：Na+、K+、Cl-、NO3-、PO43-、As3+对测试结果不产生干扰。加入等量的 Cu2+在-0.18 V 处产生新的溶出伏安峰，对镉离子测定产生负干扰；等量的 Pb2+在-0.56 V 处出现新的溶出伏安峰，对镉离子的测定同样产生负干扰。
2.3.4.3 重复性实验
采用 6 根石墨烯修饰电极测定1 μg/mLCd2+,相对标准偏差（RSD）为 2.56%,表明传感器具有良好的重现性。采用同一根石墨烯修饰电极测定1 μg/mLCd2+,连续测定 6 次，相对标准偏差（RSD）为 2.51%,表明传感器可以重复使用。
2.3.4.4 实际样品的测定
首先将刚取来的湘潭大学自来水和画眉潭水样静置0.5 h,然后过滤除杂，进行测定，结果未检测出镉离子，为了进一步证实所提出方法的可靠性，采用实际样品加标回收实验，以确定在实际应用中样品基质对镉离子的测定不产生干扰，结果如表 2.1 所示。
2.4 小结
本文提出了以电化学法还原氧化石墨烯，构建石墨烯修饰玻碳电极，选用方波伏安法测定水中微量镉离子。电化学法还原氧化石墨烯，不需要加入强还原剂（如肼），是一种绿色制备石墨烯的方法。石墨烯大的比表面积、良好的导电性以及电催化性能明显提高了镉离子的响应电流信号，改善了电极的分析性能。该传感器制备方法简单快速，线性范围较宽（0.001~1 μg/mL），检出限较低（0.001 μg/mL），重现性及重复性好，能应用于实际水样中镉的快速测定。
