基于電化學還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物的對羥基苯甲酸甲酯傳感器的研究

孫心悅，文 穎，楊海峰

（上海師范大學化學與材料科學學院，上海200234）

0 引言

對羥基苯甲酸酯是對羥基苯甲酸的酯，通常作為食品、醫藥和化妝品的防腐劑［1］.由于它們廣泛的抗菌活性和良好的穩定性，也可以用作一些產品中的抗菌藥物［2］.然而，最近有報道稱：大量苯甲酸酯可能會破壞內分泌系統［3］.此外，還發現對羥基苯甲酸甲酯（MP）在紫外線下會損害皮膚［4］.因此，為了減少這些可能的危害，在化妝品中使用MP類作為防腐劑受到包括歐洲經濟共同體（EEC）在內的多個國家/地區法規的限制，對于單一對羥基苯甲酸酯最高允許質量分數為0.4%，總對羥基苯甲酸酯類最高質量分數為0.8%［5］.最近的研究表明：MP會誘導過敏性接觸性皮炎，破壞人類生殖系統和對線粒體的呼吸能力產生抑制作用，從而影響人類健康，并導致人類乳腺腫瘤.因此，定量分析樣本中苯甲酸酯的量對于監測其對人類、動物和環境的危害具有重要意義.

國內外已經報道了一些用于檢測和定量分析苯甲酸酯類化合物的方法，包括液相色譜法［6］、毛細管電泳［7］、吸附萃取-高效液相色譜法［8］和微萃取法［9］.盡管這些技術精度高、檢出限低，但昂貴、耗時.而且由于環境基質的復雜性，在分析前必須先對樣品進行預濃縮.與傳統的分析方法相比，電化學傳感器［1，10］具有簡單、快速、原位分析的可能性，因此具有開發為苯甲酸酯檢測傳感器的潛力.

目前已報道了多種對羥基苯甲酸酯的電化學傳感器，例如用于檢測對羥基苯甲酸丙酯（PP）［11］和總MP量［12］的分子印跡聚合物（MIP），用于檢測對羥基苯甲酸乙酯（EP）的富勒烯納米棒［13］，用于檢測對羥基苯甲酸丁酯（BP）的氧化銦（In2O3）納米塊［14］.也有以碳納米纖維和貴金屬［3，15］為催化劑，對MP進行檢測的.

氧化石墨烯（GO）具有高表面體積比、出色的電性能、快速的電子轉移、低的制造成本和強大的機械性能，它被認為是具有電子和電化學應用潛力的理想襯底，已有一些文獻報道使用GO來測定羥苯甲酸酯.例如MENDON?A等［16］發現過渡金屬納米顆粒附著在GO表面或還原氧化石墨烯（rGO）表面可提高電導率，促進電荷轉移的特性，并用納米釕修飾GO的納米復合材料定量檢測MP.PIOVESAN等［17］使用rGO金納米顆粒（Au NP）納米復合材料（rGO-Au NP）檢測MP，由于rGO與Au NP的協同作用，為MP的檢測提供了更靈敏的方法.最近的研究表明：利用纖維素納米晶（CNC）-rGO納米復合材料［18］，CNCs可以減少或避免MP在rGO表面的吸附，并且該傳感器可以檢測較高濃度的MP，不需要在測試前進行樣品稀釋，但不能測相對低濃度的樣品.以上已經報道的研究有著操作復雜、電極制作成本高、線性范圍小、存在其他物質的干擾等缺點.

為克服以上缺點，采用綠色、便捷、成本低、效率高的電化學沉積還原氧化石墨烯（ERG）的方法［19］，電還原150 s即可成功制備修飾電極.對于酚類化合物，碳材料有強吸附作用［1］，在高濃度酚類化合物中會鈍化電極，在電極表面形成不導電的化合物，影響電極的重復使用性，所以摻入金屬氧化物，不僅可以改善電極的穩定性，還提高了催化性能和靈敏度.最終成功制備了具有較好抗干擾能力的電還原石墨烯/鎳-鎳氧化物電極，可在實際樣品中檢測MP.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

GO粉末（質量分數大于99%，aladdin）；MP（質量分數大于99%，adamas），NiSO4·6H2O（分析純，aladdin）；NaCl，NaNO3，Na2SO4，Na2HPO4·12H2O，NaH2PO4·2H2O，FeCl3·6H2O，葡萄糖、酒石酸、無水檸檬酸和草酸均為分析純，購買于國藥化學試劑有限公司.K3［Fe（CN）6］（98%）和乙醇均為分析純，購買于銳捷公司（上海，中國）.所有實驗用水均為超純水（電阻率大于18 MΩ·cm）.所使用的全部化學品未經進一步純化即按原樣使用.實際樣品為化妝水和隱形眼鏡護理液，都購買于相應專賣店.

1.2 實驗儀器

差分脈沖伏安法（DPV）使用CHI660C電化學工作站（中國上海晨華儀器有限公司）.電化學測量是通過使用三電極體系完成的，其中裸玻碳電極或修飾電極作為工作電極，鉑（Pt）絲作為對電極，飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，0.1 mol·L-1PBS溶液作為電解質溶液.在0.4～1.2 V的電位范圍內記錄DPV響應，振幅為50 mV，階躍電位為4 mV，脈沖寬度為0.2 s，脈沖周期為0.5 s.使用CHI 660D在5.0 mmol·L-1K3［Fe（CN）6］/K4［Fe（CN）6］（2種溶液的物質的量之比為1∶1）包含0.1 mol·L-1KCl溶液中，記錄改性電極的電化學阻抗（EIS）譜，電化學工作站頻率范圍設置為0.1 Hz～100 kHz，幅度為50 mV.通過場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM，JEOL，JSM-6700F）表征不同修飾電極的表面形態.利用拉曼光譜儀（Raman，Thermo公司DXR2系統）進行拉曼光譜表征.用X射線光電子能譜（XPS，日本島津公司）表征了最終修飾電極.

1.3 還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物修飾電極的制備

將40 mg氧化石墨分散在10 mL的去離子水中，用超聲波將其分散，形成均勻的4 mg·mL-1GO懸浮液.在電化學沉積之前，將玻碳電極（GCE）用直徑為0.3μm的α-Al2O3粉末在麂皮上將電極拋成鏡面，分別用超純水、乙醇、超純水超聲清洗，持續超聲處理1 min后，用氮氣（N2）吹干，獲得干凈的電極表面.將GCE浸入4.0 mg·mL-1GO，40.0 mmol·L-1硫酸鎳（NiSO4）和0.1 mol·L-1硫酸鈉（Na2SO4）的懸濁液中，然后施加-1.5 V（vs.SCE）的恒電位150 s.利用電化學還原的方法在GCE表面沉積鎳-鎳氧化物粒子和ERG，在室溫下干燥，制備出還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物修飾電極（ERG/Ni-NiO/GCE）.另外，形貌與拉曼表征是在氧化錫銦（ITO）電極上進行沉積，其他條件保持一致.

2 結果和討論

2.1 不同修飾電極表面形貌表征

圖1給出了不同活性物質修飾電極的FE-SEM圖.圖1（a）顯示的是ERG的FE-SEM圖，可以看到ERG顯示出明顯的片狀平面褶皺結構，并且沒有發生團聚，這些片狀褶皺可以增加電極的比表面積，作為載體負載金屬氧化物顆粒從而增加修飾電極的催化性能.圖1（b）是只有鎳-鎳氧化物沉積在電極表面的形貌圖，可以看出在裸電極上直接沉積鎳-鎳氧化物會導致許多小的鎳-鎳氧化物納米顆粒發生團聚，聚集成超過1μm的大顆粒且大小不均一，這可能是由于基底不同導致的.含有4.0 mg·mL-1GO，40.0 mmol·L-1Ni SO4和0.1 mol·L-1Na2SO4的溶液中電沉積150 s所制得的ERG/Ni-NiO，如圖1（c）所示，可以觀察到電極表面出現分層的現象，從內到外依次是大小約為500 nm的鎳-鎳氧化物納米顆粒、ERG和尺寸較大的鎳-鎳氧化物納米顆粒.通過FE-SEM圖可以證實大量的鎳-鎳氧化物顆粒分散在電化學還原的GO的上層和下層，初步確定電極表面的成功修飾.

圖1 不同修飾電極表面的FE-SEM圖.（a）ERG/ITO；（b）Ni-NiO/ITO；（c）ERG/Ni-NiO/ITO

2.2 修飾電極的表征

利用拉曼光譜對納米復合材料進行了表征，如圖2（a）所示.GO和ERG都顯示了在1 325 cm-1處較強的D峰［20］和1 600 cm-1處強的G峰.但是，與GO相比，ERG顯示了一個稍強的2D峰［21］，并且ERG的D峰強度與G峰強度的比值（D/G）為1.9，大于GO的（D/G的強度約為1.5）.由此表明，GO電還原后，面內sp2結構域的尺寸減小，這可以解釋為大量新的石墨烯結構域的產生，這些石墨烯結構域的尺寸比GO中所呈現的小［22］.這些均說明GO已經成功被還原為石墨烯.并且在ERG/Ni-NiO的Raman光譜中，在549 cm-1可以觀察到微弱的峰，并且這個峰在Ni-NiO中的549 cm-1處也可以觀察到，可以歸因于NiO的一階聲子散射［23］，與報道的文獻相符合［24］.通過拉曼表征可以確定該修飾電極的成功制備.

另外，從圖2（b）可以看出，在873.6 eV附近的Ni 2p3/2峰和在856.3 eV附近的Ni 2p1/2峰屬于NiO［19］.在852.6 eV附近的Ni 2p3/2峰和869.8 eV Ni 2p1/2表明存在金屬Ni［25-26］.因此，再一次證明了該修飾電極的成功制備.

圖2 不同修飾電極的表征.（a）GO，ERG，Ni-NiO以及ERG/Ni-NiO的拉曼光譜圖；（b）Ni 2p的XPS

2.3 MP的電化學表征

在K3［Fe（CN）6］/K4［Fe（CN）6］和KCl混合溶液中，運用EIS表征各電極的電荷轉移值，如圖3（a）所示，不同電極的奈奎斯特圖包括一個較高頻率的半圓形部分，對應于電子轉移控制過程.從擬合電路可以計算出：裸GCE的阻抗半徑較大，電荷轉移電阻為1 108Ω，ERG/GCE的電荷轉移電阻減小為519Ω，而Ni-NiO/GCE的電荷轉移電阻（Rct）值增加為980Ω，這是由于單獨的鎳-鎳氧化物沉積會導致顆粒聚集和導電性差.ERG/Ni-NiO/GCE電荷轉移電阻最小為416Ω，與裸GCE相比，基于ERG/Ni-NiO/GCE的Rct明顯下降可歸因于存在具有大表面積和良好電導率的電還原氧化石墨烯與鎳-鎳氧化物的協同作用.此外，Ni-Ni O可能在電子傳遞過程中充當電子媒介的作用.綜上所述，該材料大大改善了修飾電極的傳感性能［27］.

圖3（b）顯示了在0.1 mol·L-1PBS（pH=7.0）包含50.0μmol·L-1MP的溶液中不同修飾電極的差分脈沖伏安圖.從圖3（b）中可以看出：在+0.78 V電位下出現MP催化氧化的特征峰，這與文獻報道一致［28］.與裸GCE相比，電極沉積rGO后，峰電流信號有些許增加，約為0.25μA，可能是由于rGO只是微弱地增加了電極的電活性面積；只單獨沉積鎳-鎳氧化物后，峰電流信號沒有增加，可能是由于鎳-鎳氧化物的團聚，這與電鏡圖的分析結果一致.在導電性較高的ERG/Ni-NiO/GCE上可以觀察到MP氧化的最高峰值電流，峰電流為1.48μA，約為裸GCE的7.5倍，與此同時，氧化電位稍微向負值偏移.說明電化學還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物修飾電極對MP的氧化具有出色的電催化能力，這可能歸因于電極電活性面積的增加，以及rGO和鎳-鎳氧化物的性質所提供的協同效應［19］，從而改善MP的氧化.這種獨特的響應有望可以實現高靈敏檢測MP.

圖3 不同修飾電極的電化學表征圖.（a）在K3［Fe（CN）6］/K4［Fe（CN）6］和KCl的溶液中，各電極的EIS譜，內插圖為擬合電路；（b）不同電極在0.1 mol·L-1 PBS（pH=7.0）包含50μmol·L-1 MP的差分脈沖伏安圖，內插圖為ERG/Ni-NiO/GCE在0.1 mol·L-1 PBS（pH=7.0）的差分脈沖伏安圖

2.4 掃速的影響

為了考察電極反應的動力學過程，通過在0.1 mol·L-1PBS（pH=7.0）包含50.0μmol·L-1MP的溶液中，對基于ERG/Ni-NiO/GCE的傳感器進行線性伏安測定，研究它對MP氧化的電流隨掃描速率的變化，如圖4所示.氧化峰值電流隨掃描速率增加（35～125 mV·s-1）呈線性增加，如圖4（b）所示，線性方程如下：其中，Ipa表示陽極峰電流，單位μA；v表示掃速，單位mV·s-1；相關系數R2=0.998.可以表明在該修飾電極的催化下此反應是由吸附過程控制的，因為ERG的高比表面積使其容易被溶液分子和反應中間體吸附［1］，另外有報道稱酚類化合物對碳材料有強吸附作用［29］.但是摻雜鎳-鎳氧化物有利于改善電極的吸附鈍化問題，相關結果在評價電極穩定性部分有所呈現.

圖4 不同掃速對電流強度的影響.（a）ERG/Ni-NiO/GCE在0.1 mol·L-1 PBS（pH=7.0）包含有50.0μmol·L-1 MP溶液中，不同掃描速率（10，35，60，75，100和125 mV·s-1）下獲得的線性掃描伏安圖；（b）陽極峰值電流與掃描速率（35，60，75，100和125 mV·s-1）的線性圖（誤差棒是平行3次實驗的相對標準偏差）

2.5 實驗條件的優化

為了獲得更高的檢測靈敏度和選擇性，需要對實驗中所需沉積液中GO溶液與硫酸鎳溶液體積比，以及電沉積的時間進行優化.

2.5.1 氧化石墨溶液與硫酸鎳溶液體積比的優化

在電極制備過程中，把4.0 mg·mL-1的GO膠體溶液與40.0 mmol·L-1的Ni SO4·6H2O包含1.0 mol·L-1Na2SO4的溶液配制了不同的體積比（1∶3，1.5∶1，3∶1，5∶1和9∶1），制備了不同的修飾電極用于MP的催化氧化.并以氧化峰電流的大小為標準進行了選擇.從圖5（a）可以發現，隨著GO含量的增加，氧化峰電流增大，在3∶1時達到了最大，之后反而減小了，推測是因為鎳-鎳氧化物含量過多，其較差的導電性阻礙了電子的傳導.為達到最佳的催化效果，所以選擇體積比為3∶1作為電解液的最佳體積比.

圖5 對不同條件的優化.（a）不同GO膠體溶液與NiSO4·6H2O溶液的體積比條件下制備的電極對50.0μmol·L-1 MP的氧化峰電流的影響；（b）在0.1 mol·L-1 PBS（pH=7.0）的NiSO4·6H2O和GO混合溶液中，電沉積時間對50.0μmol·L-1 MP催化氧化電流的影響（誤差棒是平行3次實驗的相對標準偏差）

2.5.2 電沉積時間的影響

為了確定合適的沉積時間，在0.1 mol·L-1PBS（pH=7.0）中，使用DPV研究50.0μmol·L-1MP在不同沉積時間制備的電極上的氧化行為，結果如圖5（b）所示.當沉積時間小于150 s時，MP的氧化峰電流顯著增加.猜測GCE表面沉積的ERG和鎳-鎳氧化物的總量將增加，導致表面反應性的增強效應，MP的陽極峰值電流大大增加.隨著沉積時間的進一步增加，MP的氧化峰電流逐漸減小，這可能是由于ERG與金屬氧化物的團聚導致過度沉積，阻礙了對MP的電子轉移，所以在后續的實驗中選擇150 s為最佳沉積時間.

2.6 溶液pH的影響

用相同的電化學方法研究了不同pH條件下ERG/Ni-Ni O/GCE對MP的電化學響應.如圖6（a）和圖6（b）所示，隨著電解液pH值從5.0增加到9.0，MP的陽極峰電位呈負向移動.陽極峰電位和pH值之間的線性方程式如下：

圖6 溶液pH的影響.（a）ERG/Ni-NiO/GCE在不同pH（5.0，6.0，7.0，8.0，9.0）下對50μmol·L-1MP催化的差分脈沖伏安曲線；（b）陽極峰電位與不同pH的線性關系圖（誤差棒是平行3次實驗的相對標準偏差）

其中，Epa表示陽極峰電位，Y表示pH值，相關系數R2=0.990.根據公式dEpa/dY=0.005 9X/αn，X是反應的質子轉移數，n是電子轉移數，α是電子傳遞系數，表明該電化學反應實質是等電子等質子數轉移.MP檢測的氧化還原過程描述如圖7所示.

圖7 MP的氧化還原機制

當pH為5.0～7.0時，氧化峰電流逐漸增大.然而，當pH值為8.0時，峰電流減小，這是由于酚解離，隨后產生了陰離子［30］，導致反應物的減少.當pH=7.0時，氧化峰電流最大，說明在此條件下還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物電極具有最好的催化性能.因此，后續實驗采用pH值為7.0.

2.7 ERG/Ni-NiO/GCE對不同濃度MP的響應

采用DPV研究了最佳實驗條件下ERG/Ni-Ni O/GC電極對MP檢測的分析性能，DPV具有更高的電流靈敏度和更好的峰分離度，可實現對MP的定量檢測.如圖8（a）所示，在0.1 mol·L-1PBS緩沖溶液中隨著MP濃度的增加，電流響應逐漸增大.從圖8（b）中可以得到以下的線性方程：

圖8 ERG/Ni-Ni O/GC電極的線性響應.（a）ERG/Ni-NiO/GC電極在不同物質的量濃度MP溶液中（0.5，1.0，5.0，10.0，20.0，40.0，60.0和80.0μmol·L-1）的差分脈沖伏安圖；（b）陽極峰值電流（I pa）與MP物質的量濃度的關系圖（誤差棒是平行3次實驗的相對標準偏差）

其中，R2=0.998，C表示MP的物質的量濃度.

基于ERG/Ni-NiO的傳感器在MP物質的量濃度為5.0～60.0μmol·L-1范圍內具有線性響應.計算得出該傳感器對MP檢測的最低檢測限（LOD）為4.7×10-7mol·L-1，與各文獻報道的相應值相比，LOD可能比貴金屬材料的高，但還是具有合適且較寬的線性范圍和較低的檢出限的.說明基于ERG/Ni-NiO的傳感器對MP氧化過程的電化學測定具有優異的性能.

2.8 重復性、重現性和穩定性研究

在MP的物質的量濃度為50.0μmol·L-1的條件下，研究了ERG和電還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物修飾電極連續多次掃描的重現性，結果如圖9（a）和圖9（b）所示.ERG/GCE和ERG/Ni-NiO/GCE的相對標準偏差（RSD）值分別為25.6%和3.7%.ERG/Ni-NiO修飾的電極具有可接受的重復性，RSD值小于5%，對于ERG修飾電極，RSD值較高，這可能是由于MP在ERG表面的吸附和MP在ERG表面的直接氧化相互競爭導致其制備重現性較低［18］.研究結果表明：鎳-鎳氧化物的加入對提高電極的穩定性起到了重要的作用.

圖9 同一根電極（a）ERG-GCE；（b）ERG/Ni-NiO/GCE連續掃描多次的陽極峰響應；（c）ERG/Ni-NiO/GCE電極存放37 d檢測50.0μmol·L-1MP的峰值電流響應圖（誤差棒是平行3次實驗的相對標準偏差）

此外，還研究了不同批次制備的傳感器之間的重現性.用制備的5根相同的電極，均檢測50.0μmol·L-1的MP，相對標準偏差是7.2%，結果小于10%，在可接受的范圍內.上述結果說明了該電極具有很好的制備重現性.7根電極在常溫下保存37 d，每隔7 d對50.0μmol·L-1的MP進行測量，37 d后發現它的峰電流是原來80%，如圖9（c）所示，由此說明了該電極具有較好的時間穩定性.

2.9 選擇性研究和實際樣品分析

為了評估所制備的修飾電極的選擇性，向50.0μmol·L-1MP溶液中分別加入100倍濃度的葡萄糖、草酸、檸檬酸、酒石酸，SO42-，Cl-，Na+和NO3-等化妝品和個人護理產品中常見的潛在干擾物，所得結果表明：電流降低值低于MP氧化電流的10%，說明以上物質對MP產生的干擾在可接受范圍內，該傳感器具有較高的選擇性.

將電化學傳感器用于實際樣品的MP檢測中，采用加標回收法檢驗了方法的可靠性，并計算其回收率.在實際樣品溶液中加入3種不同濃度的MP，標準偏差低于10%，回收率在97%～109%范圍內，具有較高的可信度，具體數據如表1所示.由表1可知，該MP傳感器在實際樣品分析中具有應用潛力.

表1 使用加標回收法（n=3）測定實際化妝水中的MP

3 總結

采用簡單的電化學還原方法制備了修飾電極，構建了電還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物的化學傳感器.由于電還原氧化石墨烯/鎳-鎳氧化物的協同作用，該傳感器對MP的氧化具有較好的催化作用，能夠進行定量的分析檢測，具有較低的檢出限和較寬的線性范圍，制備的傳感器具有較好的選擇性、重現性和穩定性，并可用于實際樣品中MP的檢測.該傳感器有望發展成為快速檢測環境干擾物的傳感平臺.