納米鉑-石墨烯修飾電極電化學檢測1-羥基芘

楊 成，封肖穎，孫嵇成，龐月紅

(江南大學 食品學院 江蘇 無錫 214122)

多環芳烴(PAHs)是一類有機污染物，對人體具有潛在的致癌性和致畸性，持久性地廣泛存在于水、食物和土壤中，可以經過呼吸道、消化道、皮膚等多種途徑進入體內，易在生物體內蓄積[1-3]。1-羥基芘(1-OHP)是多環芳烴的主要代謝產物之一，因該物質在人體尿液中能較好地反映PAHs的暴露情況，一直被作為研究PAHs暴露的生物標記物[4-5]，其含量的測定具有十分重要的意義。有研究發現隨著宮頸病變程度的加重，人體尿中1-羥基芘濃度及高暴露率升高[6]。

1-羥基芘的檢測方法有高效液相色譜法[7]、液相色譜/氣相色譜與質譜聯用法[8-10]、電噴霧萃取電離質譜法[11]、光譜法等[12]，這些方法檢測靈敏，但所需的設備價格昂貴，對操作人員的要求嚴格。而電化學方法由于靈敏度高、成本低、速度快、操作方便等優點，在分析檢測中得到了廣泛關注[13-14]。

石墨烯是一種sp2軌道雜化的二維碳納米結構，具有良好的導電性能和力學性能[15]。石墨烯的電子遷移率大，電阻率小，導電性能良好，將其作為修飾電極應用于小分子的檢測受到越來越多的關注[16]。馬玲等[17]通過滴涂法將石墨烯溶液滴至玻碳電極表面，室溫下自然晾干，利用循環伏安法(CV)建立了維生素B12的檢測方法。Wang等[18-19]通過電還原氧化石墨烯修飾電極，在抗壞血酸(AA)存在下實現了多巴胺的檢測。Sharma等[20]在石墨烯上負載Pt納米粒子，增加了對有機小分子的電催化氧化能力。筆者課題組[21]采用蒽和喹啉單元中的Suzuki偶聯反應合成了一種共軛聚合物聚-8-甲氧基-7-甲基-5-(10-蒽-9-基)喹諾酮(PMMAYQ)，并基于均相可控的{PMMAYQ-石墨烯}n多層膜研制了一種靈敏的1-羥基芘電化學傳感器。本文以氧化石墨烯和氯鉑酸混合液為前軀體，采用一步電沉積法制備了納米鉑/還原氧化石墨烯修飾電極(Pt/E-rGO/GCE)，并采用CV法研究了1-羥基芘在該修飾電極上的電化學行為，并利用差分脈沖伏安法(DPV)實現了對1-羥基芘的定量檢測(如圖1)。

圖1 Pt/E-rGO/GCE 制備過程及其原位富集傳感1-羥基芘示意圖Fig.1 Schematic diagram of Pt/E-rGO/GCE preparation and in situ enrichment sensing for 1-hydroxypyrene

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660C電化學工作站(上海辰華儀器公司)；FE20K精密pH計(梅勒-托萊登斯特有限公司)；Centrifuge 5810R型臺式離心機(德國艾本德公司)；Milli-Q Integral Cabinet 3超純水系統(美國密里博公司)；超聲波清洗器(昆山超聲儀器有限公司)。氧化石墨烯(南京先豐納米材料科技有限公司)；氯鉑酸(H2PtCl6，純度≥99.9%)，1-羥基芘(純度≥98%)，高氯酸鈉、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸、氯化鉀、甲醇、乙醇、醋酸、醋酸鈉(分析純)，上述試劑均購于上海百靈威化學技術有限公司；實驗用水均為超純水。

1.2 納米鉑-石墨烯修飾電極的制備

用0.05 μm的氧化鋁在麂皮上將玻碳電極拋光至鏡面，用水沖洗后，再依次用硝酸-水(1∶3)溶液、乙醇溶液和水超聲清洗各1 min，氮氣吹干，處理好的電極備用。稱取10 mg氧化石墨烯(GO)溶解于10 mL水中，超聲分散1 h，加入一定質量H2PtCl6和H2SO4，配成1 mg/mL氧化石墨烯、1 mmol/L H2PtCl6和0.5 mol/L H2SO4的混合液，繼續超聲分散1 h，作為電沉積液。將處理好的玻碳電極插入上述電沉積液中，采用CV法掃描，掃描范圍為-1.4～0.6 V，掃描速率為50 mV/s，一步電沉積法制備得到納米鉑/還原氧化石墨烯(Pt/E-rGO)修飾電極。

1.3 樣品處理

收集匿名志愿者尿樣于棕色瓶中，在-20 ℃下避光保存。測試前，在室溫下解凍，搖勻，取10 mL樣品于50 mL錐形瓶中，加入20 μLβ-葡萄糖醛酸酶和5 mL pH 5.0醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，充分混合均勻后，37 ℃下恒溫酶解2 h，離心，吸取上清液，加入5 mL正己烷萃取2次，棄去上清液，合并下清液。氮氣吹干后，重新溶解于2 mL PBS緩沖液中，備用。

2 結果與討論

2.1 Pt/E-rGO材料的表征

圖3 不同電極在0.5 mol/L H2SO4中的循環伏安曲線Fig.3 CV curves of different electrodes in 0.5 mol/L H2SO4a：GCE；b：E-rGO/GCE；c：Pt/GCE；d：Pt/E-rGO/GCE

2.2 Pt/E-rGO/GCE的電化學行為

Pt/E-rGO/GCE在0.5 mol/L H2SO4溶液中的CV曲線如圖3所示，與裸GCE和E-rGO/GCE相比，Pt/E-rGO/GCE的CV曲線可觀察到明顯的峰，且峰形與Pt/GCE的相似，均分別在0.5 V和0.9～1.2 V處出現明顯的Pt的氧化還原特征峰，表明Pt已修飾至電極表面。

分別將裸GCE電極、E-rGO/GCE、Pt/E-rGO/GCE與Pt/GCE置于1 mmol/L 鐵氰化鉀/亞鐵氰化[Fe(CN)6]3-/4-(含0.2 mol/L KCl)溶液中，使用阻抗法及CV法對修飾電極的電化學性能進行表征。

如圖4A所示，裸GCE、Pt/GCE、E-rGO/GCE與Pt/E-rGO/GCE的阻抗逐漸變大，表明在電極上修飾了納米鉑、石墨烯材料后，其電阻增大。而從[Fe(CN)6]3-/4-在電極表面的氧化還原反應(圖4B)可以看出，裸GCE、Pt/GCE、E-rGO/GCE與Pt/E-rGO/GCE的峰電流值依次增大，表明Pt/E-rGO/GCE的氧化還原電流增強可能是由于電極比表面積增大所致。

2.3 1-羥基芘在Pt/E-rGO/GCE上的電化學性質

采用CV法，在含200 nmol/L 1-羥基芘的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(PBS)中，對裸GCE、E-rGO/GCE與Pt/E-rGO/GCE進行掃描，結果如圖5(a、b、c)所示，利用GCE對1-羥基芘進行檢測時，無明顯的氧化還原峰出現；利用E-rGO/GCE對1-羥基芘進行檢測時，氧化還原峰電流顯著增加，峰電位差縮小至35 mV；利用Pt/E-rGO/GCE對1-羥基芘進行檢測時，由于納米鉑和石墨烯的協同作用使得電極具有良好的催化活性與極大的電子傳導率，使1-羥基芘的氧化還原峰電流達到最大值，峰電位差縮小至64 mV。

圖5 3種不同電極在200 nmol/L 1-羥基芘中的CV曲線(a～c)及 Pt/E-rGO/GCE在PBS溶液中的CV曲線(d)Fig.5 CV curves of three different electrodes in 200 nmol/L 1-hydroxypyrene(a-c) and Pt/E-rGO/GCE in PBS solution(d)a：GCE；b：E-rGO/GCE；c：Pt/E-rGO/GCE

利用Pt/E-rGO/GCE進一步考察了空白PBS的CV曲線。結果顯示，在空白PBS溶液中無氧化還原峰(圖5d)，而在200 nmol/L 1-羥基芘溶液中有明顯的氧化還原峰(圖5c)。此現象表明，將Pt/E-rGO/GCE用于1-羥基芘的檢測，可極大地提高檢測靈敏度。

2.4 掃描速率的影響

采用CV法，考察了掃描速率(10～100 mV/s)對1-羥基芘氧化還原峰電流的影響。結果顯示，隨著掃描速率的增加，1-羥基芘的氧化還原峰電流強度逐漸增強，且與掃描速率在10～100 mV/s范圍內呈現良好的線性關系，線性方程分別為：Ipc(μA)=0.270 0v+3.800(mV/s)(r2=0.980)，Ipa(μA)=-0.308 0v+2.881(mV/s)(r2=0.973)，表明1-羥基芘在Pt/E-rGO/GCE表面是一個吸附控制過程。

2.5 電解液pH值的影響

2.6 電沉積圈數的影響

在1-羥基芘的檢測過程中，1-羥基芘的還原峰電流與電極上電沉積Pt/E-rGO的圈數有關。利用Pt/E-rGO/GCE，通過差分脈沖伏安法對200 nmol/L的1-羥基芘進行測試。結果顯示，在3～5圈內，隨著電沉積圈數的增大，1-羥基芘的還原峰電流逐漸增大，當電沉積圈數大于5圈后，由于制得的Pt/E-rGO膜過厚，降低了電子傳導率，1-羥基芘的還原峰電流開始下降。所以，選取5圈作為最佳電沉積圈數。

2.7 1-羥基芘的定量檢測

在上述優化條件下，采用Pt/E-rGO/GCE修飾電極通過DPV法對不同濃度的1-羥基芘進行測試，結果如圖7所示。隨著1-羥基芘濃度的增加，其在0.3 V電位下獲得的還原電流值逐漸增強，且在50～700 nmol/L范圍內，1-羥基芘的濃度(c1-OHP,nmol/L)與其還原峰電流(ΔI,μA)呈現良好的線性關系，線性方程為ΔI(μA)= 0.185c1-OHP+19.821(nmol/L)，相關系數(r)為0.976，檢出限(S/N=3)為12.1 nmol/L。

圖6 pH值對1-羥基芘氧化還原峰電流的影響Fig.6 Influence of pH value on peak current of 1-hydroxypyrene raluepH value(a-g):2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0;insert:relationship between apparent

圖7 不同濃度1-羥基芘在Pt/E-rGO/GCE上的DPV圖Fig.7 DPV curves of different concentrations of 1-hydroxypyrene on Pt/E-rGO/GCEconcentration of 1-hydroxypyrene(a-k):0，50，100，150，200，250，300，400，500，600，700 nmol/L；insert:relationship between DPV response current and 1-OHP concentration

圖8 Pt/E-rGO/GCE在1-羥基芘(a)和UA+1-羥基芘(b)中的循環伏安曲線Fig.8 CV curves of Pt/E-rGO/GCE in 1-hydroxypyrene(a) and UA+1-hydroxypyrene (b)

2.8 Pt/E-rGO/GCE的穩定性、重現性與選擇性

采用5支Pt/E-rGO/GCE在含500 nmol/L 1-羥基芘的PBS溶液中連續測定，測得5支電極還原峰電流響應值的相對標準偏差(RSD)為4.4%。將修飾電極于室溫下放置10 d后在相同條件下測試，其響應值為初始值的90.6%。表明該修飾電極對1-羥基芘的檢測具有良好的穩定性和重現性。

2.9 尿液樣品中1-羥基芘的測定

將健康志愿者尿樣按照“1.3”方法進行預處理后，用本文制備的電化學傳感器進行測定，尿液中未檢出1-羥基芘，判定為陰性。在此尿液樣品中加入3個濃度水平(75、300、500 nmol/L)的1-羥基芘，進行加標回收實驗，每個加標水平平行測定5次。結果表明，尿樣中1-羥基芘在低、中、高3個加標水平下的平均加標回收率分別為99.7%、104%、108%，RSD分別為3.4%、4.3%、3.2%。表明本文構建的電化學傳感器可用于實際樣品的檢測。

3 結 論

本文采用一步電沉積法制備了納米鉑還原氧化石墨烯修飾電極。由于納米鉑和還原氧化石墨烯的協同作用增強了電極的導電性，極大地提高了電極的靈敏度，因而較普通玻碳電極和還原氧化石墨烯修飾電極的性能更為優越。結合差分脈沖伏安法原位富集1-羥基芘，建立了電化學檢測1-羥基芘的分析方法，檢出限為12.1 nmol/L。該方法還具有良好的穩定性、重現性以及抗干擾性，已成功應用于人體尿液中1-羥基芘的檢測。