还原氧化石墨烯―多壁碳纳米管复合膜负载金纳米粒子修饰玻碳电极检测双酚A

摘 要 以水合肼为还原剂，采用均相还原法制备还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合材料（rGOMWCNTs），通过滴涂法将其修饰到玻碳电极（GCE）表面。以此复合材料为载体，采用电化学方法制备了金纳米粒子还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合膜修饰电极（AuNPsrGOMWCNTs/GCE）。通过扫描电镜（SEM）、EDS能谱技术和电化学方法对此£电极进行了表征。研究了双酚A在修饰电极上的电化学行为。结果表明，此电极对双酚A的电极过程具有良好的电化学活性，在0.10 mol/L PBS溶液（pH 7.0）中，微分脉冲伏安法测定双酚A的线性范围为5.0 × 19～1.0 × 17 mol/L和1.0 × 107～2.0 × 105 mol/L，检出限为1.0 ×109 mol/L（S/N=3）。 将此电极用于模拟水样和超市购物小票样品中双酚A含量的测定，加标回收率分别为97%～110%和98%～104%。

关键词 金纳米粒子； 石墨烯/碳纳米管复合材料； 电化学传感器； 双酚A

1 引 言

双酚A（Bisphenol A， BPA）是一种重要的工业原料，被广泛用于合成聚碳酸酯（PC）和环氧树脂等材料。含有BPA的塑料制品曾被广泛用于食品包装材料和医用材料。但BPA是一种环境激素，可干扰人体内分泌系统，降低免疫功能和繁殖能力，增加癌症发病率。一些国家已将其列为有毒有害化学物质而禁止使用[1]。目前，检测BPA的方法包括高效液相色谱法[2]、气相色谱法[3]，质谱法[4]、荧光法[5]、化学发光法[6]、酶联免疫吸附法[7]及电化学方法[8～10]。 其中，电化学方法以灵敏度高、仪器简单等特点受到了高度关注， 尤其是近年来各种纳米材料化学修饰电极已被用于不同样品中BPA的高灵度检测。金纳米粒子（AuNPs）因为制备方法简单，稳定性好，催化活性强及生物相容性好等特点在电化学传感领域得到了广泛的应用[11]，基于金纳米粒子的电化学传感器也已用于BPA的检测[12，13]。但金属纳米粒子的电催化活性与其形貌、粒径大小及分散性密切相关。为了提高电催化活性，各种载体如碳纳米管（Carbon nano tubes，CNTs）、石墨烯（Graphene，GR）及金属氧化物等被用来负载金属纳米粒子。尤其是石墨烯和碳纳米管，具有比表面积大、导电性好和化学稳定性高等特点， 被用作金纳米粒子的载体以提高电化学检测BPA的分析性能[14～17]。

近年来，为了改善石墨烯和碳纳米管的分析性能，其碳基纳米材料的复合物引起广泛关注[18～20]。 Woo等[20]以水合肼为还原剂♡，从含有氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）和多壁碳纳米管（Multiwalled carbon nanotubes， MWCNTs）的混合溶液中一步制备了还原氧化石墨烯多壁碳纳米管（rGOMWCNTs）复合材料，研究了过氧化氢在该复合物修饰电极上的电化学行为。结果表明，MWCNTs的引入改善了rGO的分散性，有利于得到更薄的rGO片层；另一方面，rGO弥补了MWCNT膜连续性的不足，增大了复合材料的有效面积，在二者的协同作用下，rGOMWCNTs复合材料表F出比单一组分更高的电催化活性。同时，由于rGOMWCNTs复合材料在结构上易于形成三维分级结构，可作为一种良好的载体进一步负载金属纳米粒子，提高其电化学活性[21～25]。 Zhenฝg等[25]制备了PtNPs/grapheneMWCNTs复合材料，用于修饰电极并进行BPA的电化学检测。

本研究以还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合材料（rGOMWCNTs）为载体，采用电化学方法制备金纳米粒子还原氧化石墨烯多壁碳纳米管复合膜修饰电极。利用还原氧化石墨烯改善了碳纳米管膜的连续性，利用碳纳米管改善了还原氧化石墨烯的分散性。以此复合材料为载体，得到了粒径小、分散均匀的金纳米粒子，提高了电极对双酚A的电化学活性。此电极检测双酚A时具有检出限低、线性范围宽和选择性好等特点，用于模拟水样和超市购物小票中双酚A含量的测定，结果令人满意。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660D电化学工作站（上海辰华仪器公司），三电极系统：以修饰玻碳电极（GCE）为工作电极， 铂丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。所用电位值均是相对于饱和甘汞电极的电位。Quanta 600型扫描电子显微镜 （FEI，Philips公司）。TEM 3000 型扫描电子显微镜（Bruker公司）。

双酚A（Bisphenol A， BPA，分析纯， 特种化学试剂开发中心）；单层氧化石墨烯（GO，苏州恒球科技有限公司）；多壁碳纳米管（MWCNTs，深圳纳米港有限公司）；水合肼（35%，Hydrazine hydrate，N2H2・H2O）和HAuCl4（国药集团陕西化学试剂有限公司）。 所用试剂均为分析纯， 实验用水为二次蒸馏水。

2.2 修饰电极的制备

按文献[20]的方法对MWCNTs进行酸化处理，再采用均相还原法制备还原氧化石墨烯多壁碳纳米管（rGOMWCNTs）复合材料， 将制得的复合材料分散在水中制成0.5 mg/mL分散液，备用。采用两步法制备rGOMWCNTs复合膜负载金纳米粒子（AuNPs）修饰电极。先移取5 μL rGOMWCNTs分散液，滴涂于处理好的玻碳电极表面，自然晾干。再将上述制得的rGOMWCNTs/GCE电极置于含有5.0 × 104 mol/L HAuCl4、0.01 mol/L Na2SO4 和0.01 mol/L H2SO4的混合液中，控制电位范围在0.5～1.5 V内，以20 mV/s的扫速沉积2圈，得到AuNPsrGOMWCNTs/GCE修饰电极。采用相似方法制备了MWCNTs和rGO修饰玻碳电极，分别记为MWCNTs/GCE和rGO/GCE。将裸玻碳电极置于上述沉积液中制得金纳米粒子修饰电极，记为AuNPs/GCE。 2.3 实验方法

2.3.1 双酚A标准溶液和样品溶液的制备 标准溶液：准确称取双酚A标准品0.0571 g于小烧杯中，用甲醇溶解并定容至25 mL，配成0.01 mol/L标准储备液，置于4 ℃保存。根据需要，临用前稀释成一定浓度的标准溶液。水样的制备及测定：将原始延河水过滤，准确移取1.00 mL水样于10 mL比色管中，以PBS溶液定容。✯再向此水样中加入不同浓度的BPA标准溶液，测定回收率。

超市购物小票样品溶液的制备及测定：取适量某超市购物小票剪碎，混匀后准确称取2.000 g于50 mL圆底烧瓶中， 加入20.00 mL甲醇，超声提取48 h， 过滤，准确移取滤液10.00 mL于100 mL容量瓶中，以甲醇定容。移取稀释液1.00 mL于50 mL容量瓶中，以水定容，制成分析测试溶液。准确移取该分析测试溶液1.00 mL于10 mL比色管中，加入适量PBS，定容，将此溶液转入电解池内，采用标准加入法测定并计算加标回收率。

2.3.2 修饰电极的表征及电化学测试 采用扫描电镜实验（SEM）和EDS对制备好的修饰电极进行表征。电化学阻抗实验（EIS）：将不同电极浸入含有5.0 × 103 mol/L K3Fe（CN）6K4Fe（CN）6 （1∶1， V/V）的0.10 mol/L KCl溶液中，在0.1～100 kHz频率范围内，以10 mV交流振幅记录Nyquist图。微分脉冲伏安法（DPV）：将活化好的修饰电极浸入含有不同浓度BPA的支持电解质溶液中，记录0.1～0.8 V电位范围内的DPV图， 测量峰电流，电极每次测试完后置于空白溶液中，于研究电位范围内采用循环伏安法活化至稳定后，再进行下一次测试。

3 结果与讨论

3.1 修饰电极的制备及表征

图1分别为MWCNTs/GCE（A）、rGOMWCNTs/GCE（B）和AuNPsrGOMWCNTs/GCE（C）的 SEM照片。由图1可见，碳纳米管进行预处理后分散性得到了改善，且相互缠绕形成了许多微小的孔洞（图1A）。在rGOMWCNTs 复合材料中，MWCNTs插进rGO片层之间，起到了类似骨架的作用，得到了薄的rGO片樱rGO覆盖在MWCNTs表面，提高了MWCNTs膜的连续性（图1B）。当向其表面沉积金纳米粒子后，电极表面均匀分布着平均粒径约40 nm的金纳米粒子，且金纳米粒子不仅生长在MWCNTs表面，在碳纳米管之间的rGO片层上也均匀分布着金纳米粒子。图2是rGOMWCNTs/GCE（曲线a）和AuNPsrGOMWCNTs/GCE（曲线b）表面的EDS能谱图， AuNPsrGOMWCNTs/GCE在2.127 keV处有金的特征能谱峰，说明采用电化学方法已将金沉积于电极表面。图3是不同电极的电化学阻抗图（EIS），裸电极的界面电子传递阻抗（Rct，阻抗谱高频部分半圆直径，曲线a）较大。当电极表面分别修饰rGO（曲线b）和MWCNTs（曲线c）后，Rct均减小，表明rGO和MWCNTs加快了界面电荷传递速率，但rGO/GCE的Rct比MWCNTs/GCE大，这是由于化学还原法制备的rGO团聚严重，分散性不及MWCNTs所致。而rGOMWCNTs/GCE（曲线e）的Rct比rGO/GCE和MWCNTs/GCE的都小，说明rGOMWCNTs复合材料的导电性比单独的rGO和MWCNTs都好，这是由于复合材料中MWCNTs改善了rGO的分散性、rGO增强了MWCNTs的连续性，在二者的协同作用下，rGOMWCNTs复合材料具有更好的分散性和大的比表面积。当继续向rGOMWCNTs电极表面沉积AuNPs后，电极的Rct明显减小（曲线f），这是由于AuNPs具有良好的导电性，能进一步加快界面电荷传递速率。同时，AuNPsrGOMWCNTs/GCE比AuNPs/GCE（曲线e）的Rct小，表明以rGOMWCNTs复合材料为载体更有利于得到粒径小、分散均匀的金纳米粒子。以上结果说明，采用本方法成功制备了AuNPsrGOMWCNTs/GCE修饰电极。

3.2 双酚A在AuNPsrGOMWCNTs/GCE上的电化学行为

图4为5.0 × 106 mol/L BPA分别在裸GCE（a）、AuNPs/GCE（b）、rGO/GCE（c）、MWCNTs/GCE（d）、rGOMWCNTs/GCE（e）和AuNPsrGOMWCNTs/GCE（f）上的循环伏安图。由图4可见，BPA在裸GCE电极上的电化学响应很小（曲线a）。当向GCE表面沉积金纳米粒子后（曲线b），BPA在0.513 V呈现一个不可逆氧化峰，峰电流为1.091 μA，说明金纳米粒子对BPA的电极过程有催化活性。在rGO/GCE（曲线c）上，BPA的氧化峰电位为0.597 V，峰电流2.69 μA。而在MWCNTs/GCE（曲线d）上，BPA在0.505 V处出现一个尖锐的不可逆氧化峰，峰电流为3.136 μツA，说明rGO和MWCNTs对BPA的电极反应也具有催化活性。但MWCNTs的活性好于rGO，这是由于MWCNT分散性较好所致。而在rGOMWCNTs/GCE上（曲线e），BPA的峰电位为0.506 V，峰电流为4.123 μA。rGOMWCNTs复合材料比单独的MWCNTs和rGO对BPA具有更大的电流响应，这是由于rGO提高了MWCNTs膜的连续性，MWCNTs改善了rGO的分散性，增大了电极有效面积，在二者的协同作用下，提高了电极的电化学活性。当继续在rGOMWCNTs复合膜上沉积金纳米粒子，BPA的峰电位为0.502 V，峰电流增大至9.406 μA， 表明AuNPsrGOMWCNTs/GCE电极对BPA的电氧化过程具有更高的电化学活性（曲线f）。这是由于AuNPs和rGOMWCNTs复合材料对BPA均有高的电化学活性，将两种材料同时引入到电极表面后，起到了协同作用；同时，rGOMWCNTs复合材料具有更好的连续性、更大的有效面积和多的活性位点，有利于得到粒径小、分散均匀的金纳米粒子，因而电化学活性更高。