艾永青, 胡芹芹, 肖虎勇, 连盼盼, 吕鉴泉

(湖北师范学院 化学与环境工程学院,湖北 黄石 435002)

石墨烯(Graphene)是由碳原子组成的单层二维六角晶格结构的碳质新材料，具有极高的机械强度、极大的比表面积、优异的导电性、很高的载流子迁移率(达15000 cm2·V-1·s-1)；良好的热导率[1～3]、优良的生物亲和性、完美的量子隧道效应、室温铁磁性[4～7]等一系列特殊性质。自从英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯方面的卓越研究而被授予2010年诺贝尔奖，石墨烯的优异性能引起了科学工作者的广泛关注，被应用到纳米微器件、纳米复合材料、超级电容器、能源储存、超灵敏生物传感器等领域[8～9]。

石墨烯比表面积大、导电性强、生物亲和性强等特点，将其应用于化学修饰电极可望得到性能更加优异的新型纳米电极。Sun[10]等人制备了石墨烯-Nafion修饰的玻碳电极并应用于咖啡因的测定。Li[11]等人利用石墨烯的强导电性和良好的生物亲和性，研制了Nafion-辣根过氧化物酶-石墨烯修饰玻碳电极，建立测定过氧化氢的新方法。然而，玻碳电极基体由非晶型碳构成，导电性明显不如石墨烯，这一缺陷阻碍了石墨烯优良性能的充分发挥。

本文拟充分利用石墨烯和金的导电能力和生物亲和性等优良特性，研制新型石墨烯修饰金电极(Gr/AuE)并探讨其电化学性能与应用。目前，该方面工作尚未见有报道。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

CHI842b电化学分析仪(上海辰华仪器公司)，三电极系统(铂丝为对电极、银-氯化银电极为参比电极)，Cyber scan510台式pH计(广州东南专业仪器公司)，KQ-100DB型超声波清洗器(昆山超声仪器厂)，电子天平(瑞士梅特勒-托利多公司)。

多巴胺(DA, Sigma公司)，尿酸(UA, Sigma公司)，抗坏血酸(AA, 天津科密欧试剂有限公司)，硝酸(武汉洪山中南化工试剂有限公司)，无水乙醇(天津天力化学试剂有限公司)，铁氰化钾(天津凯通化学试剂有限公司)，氯化钾(天津科密欧化学试剂有限公司)。其他试剂均为国产分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2 石墨烯的制备

参照Kovtyukhova[12]等报道的方法将石墨进行预氧化：将3 g石墨粉加入12.0 mL浓硫酸中，加入3.6 g K2S2O8和3.6 g P2O5，80 ℃条件下搅拌6 h，用200 mL二次蒸馏水将混合物稀释，过滤，洗涤后烘干。

采用Hummers法[13]将上述预氧化石墨氧化为氧化石墨：称取0.5 g预氧化石墨加入23 mL浓硫酸中，0 ℃条件下将3.5 g KMnO4分六次缓慢加入反应体系中，搅拌2 h，水浴升温至35 ℃继续反应4 h，加入46 mL去离子水后进一步升温至98 ℃反应40 min，冷却后加入150 mL水稀释并逐滴加入适量30% H2O2，用0.45 μm微滤膜抽滤并用二次水反复洗涤至滤液pH为5～6，60℃真空干燥24 h.

石墨烯的制备[14～16]：取0.1 g氧化石墨于100 mL二次水中，超声剥离2 h，加入0.5 mL80%水合肼溶液，80 ℃水浴回流24 h，冷却后用0.45 μm微滤膜抽滤，洗涤，50 ℃真空干燥24 h.

1.3 修饰电极的制备

将裸金电极依次在滴加有0.5 μm、0.03 μm Al2O3悬糊的麂皮上抛光，二次水淋洗后依次在1∶1HNO3、无水乙醇、二次水中分别超声清洗3 min，在1 mol/L硫酸溶液中用循环伏安法活化，用二次水淋洗后室温下自然晾干待用。

取6 mg新制备石墨烯于10 ml N-N二甲基甲酰胺中，超声分散2 h得到均一的石墨烯悬浮液。取6 μL上述石墨烯悬浮液分3次滴涂于处理过的金电极表面，用红外干燥箱烘干，待用。

1.4 实验方法

电化学检测采用三电极体系，以石墨烯修饰金电极(Gr/Au E)为工作电极，Ag/AgC1(CKCl=3 mol/L)电极为参比电极，铂丝电极为对电极。每次测量前用氮气除去溶液体系中的溶解氧，实验在室温下0.1 mol/L PBS(pH=7.4)中进行。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯的表征

图1 石墨(a)和石墨烯(b)的X射线粉末衍射图 图2 石墨(a)、氧化石墨(b)和石墨烯(c)的红外光谱图

图1为石墨(a)和石墨烯(b)的X射线粉末衍射图。从图中可以看出，石墨在26.5°处有一个尖锐的特征峰，说明石墨的结构是结晶有序的。而经过氧化和还原处理之后其特征衍射峰消失，表明石墨有序的层状结构已经被破坏，得到了单层结构的石墨烯。

图2为石墨(a)、氧化石墨(b)、石墨烯(c)的红外光谱图。如图所示，3436 cm-1处为石墨样品因潮湿而带有的H2O的羟基振动峰，1065 cm-1处为C-H的振动峰，1400 cm-1处为C-C的振动峰。对比原料石墨，氧化石墨烯的红外光谱发生了明显的变化：3436 cm-1处的峰变宽并一直延伸到低波数，为典型的-COOH中羟基的振动峰，1727 cm-1处出现一新的吸收峰，应为羰基中C=O的振动峰；1623 cm-1处为石墨的本征吸收带C=C的振动峰。1265 cm-1处出现一新的峰，应为环氧中C-O-C的伸缩振动。以上表明氧化石墨中含有大量的含氧官能团，如：羧基、羟基、环氧基和羰基等，说明石墨得到了充分的氧化。石墨烯的红外谱图和石墨很相似，3436 cm-1处同样为H2O中羟基的振动峰，1623 cm-1处为石墨烯的本征吸收带C=C的振动峰。在石墨烯中看不到明显的C=O伸缩振动峰(1727 cm-1)，据此可以认为，水合肼已经将氧化石墨烯彻底地还原成石墨烯。

2.2 Gr/AuE的修饰与电化学特性

图3 K3[Fe(CN)6]在AuE (a)和Gr/AuE (b)表面的循环伏安图PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4); 扫描速度v: 50mV/s 图4 不同扫速下K3[Fe(CN)6]在Gr/AuE表面的循环伏安图插入图为峰电流Ipa与扫速v1/2的关系图, a-i:扫速分别为10, 20, 30, 50, 70, 80, 100, 120, 150 mV/s；K3[Fe(CN)6]: 15 mmol/L; PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4)

图3中a和b分别是铁氰化钾在AuE和Gr/AuE上的循环伏安曲线。如图3所示，铁氰化钾在Gr/AuE表面的氧化还原峰电流比在AuE表面的氧化还原电流有明显增大。实验证明峰电流随修饰剂用量的增加而升高，当修饰剂用量为6μL时电极修饰效果最佳，修饰剂用量过大时峰形反而变差，故选择修饰剂用量为6μL.对于由扩散控制的可逆过程，由Randles-Sevcik公式(1)计算[18]：

Ip=2.69×105×n3/2AD01/2cv1/2

(1)

式中n=1是参与反应的电子数，A为电极有效表面积，D0=0.76×10-5cm2·s-1为电解质溶液的传导系数，c为电解质的浓度，v是扫速。图4为不同扫速条件下K3[Fe(CN)6]在Gr/AuE表面的循环伏安图，根据峰电流Ip对扫速v1/2作图所得斜率(图4插入图)求得Gr/AuE的有效面积为0.995 cm2，远远大于AuE的有效面积(0.496 cm2)。这是因为石墨烯具有大的比表面积和良好的导电性，涂覆到电极表面之后大大增加了电极的有效表面积，进一步增强了电极的导电能力，促进了电极表面的电子传递，从而使峰电流增大。在连续扫描20次之后峰电流未见明显减小，说明本修饰电极具有良好的稳定性。

用循环伏安法考察了溶液体系中离子强度对峰电流的影响。采用连续滴加的方法，向含有10 μmol/L DA、0.1 mmol/L UA的0.1 mol/L pH=7.4的PBS中滴加1 mol/L的KCl溶液，使底液中支持电解质的浓度从0 mmol/L逐渐增加到140 mmol/L.

如图5所示，随着支持电解质离子强度的增大，峰电流也随之增大，当浓度达到100 mmol/L后，峰电流不再随离子强度的增加而明显增加。因此，选择KCl的浓度为100 mmol/L.

2.3 DA的电化学行为

如图6，DA在AuE上的氧化还原峰峰电流较小，而在Gr/AuE上有一对明显的氧化还原峰，峰电流明显增大且DA在修饰电极上的氧化还原峰电位更为接近，这说明Gr/AuE对DA的氧化还原具有明显的电催化作用。

以Gr/AuE为工作电极，在扫速分别为10, 20, 30, 50, 60, 80, 100, 120, 150 mV/s条件下对DA进行循环伏安测试。如图7，实验发现扫描速度越大，峰电流越大，并且在Gr/AuE表面DA的氧化峰电流与扫速的平方根呈良好的线性关系Ipa=-0.0116v(1/2)+ 0.1663 (R=0.997)，还原峰电流也与扫速的平方根成线性关系Ipc=0.0095v(1/2)+ 0.1782(R=0.994)，表明DA在修饰电极上的氧化和还原过程均受扩散控制。

图5 不同离子强度下DA和AA在Gr/AuE表面的循环伏安曲线a-e: 含有0, 40, 80, 100, 140 mmol/L KCl的PBS(pH=7.4)溶液, DA: 10 μmol/L, UA: 0.1 mmol/L. 图6 DA在AuE(a)和Gr/AuE(b)表面的循环伏安图DA: 30 μmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L

对于表面过程，电子转移数和电子转移系数可以通过Laviron公式[17]计算。由图7实验数据代入公式计算得DA在Gr/AuE表面反应n=2，α=0.55，说明该反应是2电子反应。

图7 不同扫速下DA的循环伏安图a-i: 扫速分别为10, 20, 30, 50, 60, 80, 100, 120, 150 mV/s, 插入图为峰电流Ip与扫速v1/2的关系图, DA: 50 μmol/L, PBS: 0.1 mol/L (pH=7.4),KCl: 100 mmol/L 图8 pH与DA还原峰电位Epc的关系

图8为DA的还原峰电位随pH值的变化情况。从图中可以看出，DA的还原峰电位随pH值的增大而负移，两者呈线性关系，其线性方程为Epc=-0.0616pH+0.6969，其斜率接近理论值59 mV.数据表明，DA的还原过程中参加反应的质子数与电子数相等，即参与反应的质子数为2.多巴胺在修饰电极上的电化学反应可能为多巴胺由邻苯二酚式结构被氧化为醌式结构。

2.4 UA的电化学行为

图9 UA在AuE(a)和Gr/AuE(b)表面的循环伏安图UA: 0.5 mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L, 扫速v: 50 mV/s 图10 不同扫速下UA在Gr/AuE表面的循环伏安图插入图为峰电流Ipa与扫速v1/2的关系图, a-g扫速分别为10, 20, 30, 50, 60, 80, 100, 150 mV/s, UA: 0.3 mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L

2.5 分析应用

图11为高浓度AA存在下DA、UA混合溶液分别在AuE、Gr/AuE表面的循环伏安图(插入图为DA、UA、AA混合溶液分别在AuE、Gr/AuE表面的差分脉冲伏安图)。在AuE表面三者的氧化峰相互重叠，相互干扰且峰高较低，而在Gr/AuE表面DA、UA、AA三者出现三个独立的氧化峰，峰电流明显增加。从差分脉冲伏安图可进一步看出三者峰电位相差较大，已完全分离且互不干扰，可以满足同时测定的要求。

图11 DA、UA、AA混合溶液分别在AuE(a)、Gr/AuE(b)表面的循环伏安图插入图为DA, UA, AA混合溶液分别在AuE(a), Gr/AuE(b)上的差分脉冲伏安图, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L, DA: 10μmol/L, UA: 0.2 mmol/L; AA: 1 mmol/L

图12 在UA、AA存在下不同浓度DA在Gr/AuE表面的差分脉冲伏安曲线插入图为Ipa与DA浓度的线性关系图UA: 0.05 mmol/L, AA: 1mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L, DA(a→g): 0.001, 0.02, 0.05, 0.25, 0.5, 0.75, 1 mmol/L 图13 DA、AA存在下不同浓度UA在Gr/AuE表面的差分脉冲伏安曲线插入图为Ipa与UA浓度的线性关系图DA: 10 μmol/L, AA: 1 mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4),KCl: 100 mmol/L, UA(a→f): 0.03, 0.09, 0.25, 0.5, 0.75, 1 mmol/L

图12为0.05 mmol/L UA、1 mmol/L AA存在下不同浓度的DA溶液的差分脉冲伏安图。实验结果表明DA在0.176 V处有一个明显的氧化峰，氧化峰电流与DA浓度在1.0～1000μmol/L之间呈现良好的线性关系，线性方程为Ip=1.171+0.0599c(R=0.991)(Ip: μA,c: μmol/L)，检出限为0.67μmol/L.

图13为10 μmol/L DA、1 mmol/L AA存在不同浓度的UA溶液的差分脉冲伏安图。实验结果表明UA在0.256V处有一个明显的氧化峰，氧化峰电流与UA的浓度在30～1000μmol/L之间呈现良好的线性关系，线性方程为Ip=0.5709+0.0034c(R=0.98)(Ip: μA,c: μmol/L)，检出限为6.0μmol/L.

用本修饰电极对某志愿者的尿样进行了测定，测得尿样中多巴胺和尿酸的含量分别为0.0151mmol/L和0.4224mmol/L.在尿样中加入标准DA和UA溶液，DA和UA的回收率在94.65%和103.2%之间。实验结果表明，本修饰电极稳定性良好，可以应用于实际样品的分析。

表1 不同修饰电极文献中的修饰剂、线性范围、检出限的对比

3 结论

合成了石墨烯并以石墨烯为修饰剂制备了石墨烯修饰金电极。在修饰后金电极的表面积有明显增大。本修饰电极对多巴胺及尿酸都有明显的电催化氧化作用且能在抗坏血酸存在条件下同时测定多巴胺和尿酸。差分脉冲伏安法(DPV)氧化峰电流与多巴胺和尿酸浓度分别在1.0～1000 μmol/L 和30～1000 μmol/L范围内呈现良好的线性关系，检出限分别为0.67μmol/L和6.0 μmol/L.用该修饰电极能在高浓度抗坏血酸存在下同时测定多巴胺和尿酸。

参考文献:

[1]Geim A K, Novoselov K S.The rise of grapheme[J].Nat Mater, 2007, 6(3): 183～191.

[2]Service R F.Carbon sheets an atom thick give rise to graphene dreams[J].Science, 2009, 324(5929): 875～877.

[3]Kim K S, Zhao Y, Jang H,et al.Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes[J].Nature, 2009, 457(7230): 706～710.

[4]Lee C G, Wei X D, Kysar J W, et al.Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene[J].Science, 2008, 321(5887): 385～388.

[5]Chen J H, Jang C, Xiao S D, et al.Intrinsic and extrinsic performance limits of graph-ene devices on SiO2[J].Nat Nanotechnol, 2008, 3(4): 206～209.

[6]Balandin A A, Ghosh S, Bao W Z, et al.Superior Thermal Conduc- tivity of Single-Layer Graphene[J].Nano Lett, 2008, 8(3): 902～907.

[7]Wang Y, Huang Y, Song Y, et al.Room-Temperature Ferromagnetism of Graphene[J].Nano Lett, 2009, 9(1): 220～224.

[8]Kuila T, Bose S, Khanra P, et al.Recent advances in graphene-based biosensors[J].Biosens Bioelectron, 2011, 26(12): 4637～4648.

[9]Singh V, Joung D, Zhai L, et al.Graphene based materials: Past, present and fur- ture[J].Prog Mater Sci, 2011, 56(8): 1178～1271.

[10]Sun J Y, Huang K J, Wei S Y, et al.A graphene-based electrochemical sensor for sensitive determina- tion of caffeine[J].Colloids and Surfaces B, 2011, 84: 421～426.

[11]Li M G, Xu S D, Tang M, et al.Direct electrochemistry of horseradish peroxidase on graphene-modified electrode for electrocatalytic reduction towards H2O2[J].Electrochim Acta, 2011, 56(1): 1144～1149.

[12]Kovtyukhova N I, Ollivier P J, Martin B R, et al.Layer-by-layer assembly of ultrathin composite films from micron-sized graphite oxide sheets and polyca- tions[J].Chem Mater, 1999, 11(3): 771～778.

[13]Hummers W S, Offeman R E.Preparation of graphitic oxide[J].J Am Chem Soc, 1958, 80(6): 1339～1339.

[14]Stankovich S, Dikin D A, Piner R D, et al.Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide[J].Carbon, 2007, 45(7): 1558～1565.

[15] Lomeda J R, Doyle C D, Kosynkin D V, et al.Diazonium functionalization of surfac- tant-wrapped chemically converted graphene sheets[J].J Am Chem Soc, 2008, 130(48): 16201～16206.

[16]Tung V C, Allen M J, Yang Y, et al.High-throughput solution processing of large-scale graph- ene[J].Nature Nanotech, 2008, 4(1): 25～29.

[17]董绍俊, 车广礼, 谢远武.化学修饰电极[M].北京:科学出版社, 1995.

[18]杨秋霞, 李国宝, 张 颖.维生素B1自组装膜修饰金电极对多巴胺、尿酸的电催化作用[J].分析化学, 2009, 37(7): 1004～1008.

[19]牛凌梅, 康维钧, 马 莉, 等.2, 3-二巯基乙二酸自组装膜电极对多巴胺和尿酸的同时测定及其应用[J].河北大学学报(自然科学版), 2008, 28(6): 616～619.

[20]张 雷, 林祥钦.单分子层γ-氨基丁酸共价修饰玻碳电极同时测定多巴胺、尿酸和抗坏血酸[J].高等学校化学学报, 2003, 24(4): 591～594.