宋艳艳, 黄华宇, 郭 睿, 白万乔, 张振文

(1.陕西科技大学化学与化工学院，陕西西安 710021；2.陕西省环境科学研究院，陕西西安 710061)

图1 福莫特罗酒石酸盐的结构式

石墨烯是一个由单层碳原子紧密排列呈蜂窝状的二维平面结构，它具有优异的导热性能、力学性能[1]以及优良的导电性[2]，并已经在传感器[3]、超级电容器[4]、超导体[5]、纳米电子器件[6]以及纳米复合物材料[7，8]上表现出了潜在的应用价值。目前制备石墨烯的主要方法包括微机械分离法、化学合成法、碳纳米管轴向切割法、化学气相沉积法、外延生长法和氧化石墨还原法等[9，10]。其中，氧化石墨还原法由于工艺简单成为目前制备石墨烯及其衍生物的主要方法。石墨烯具有极大的比表面积，在水溶液中容易发生不可逆团聚，从而影响石墨烯的进一步应用。Liu等[11]以聚电解质聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)为稳定剂，以水合肼作为还原剂，还原氧化石墨烯(GO)得到了水分散性良好的PDDA功能化的石墨烯。但是具有高毒性的水合肼作为还原剂会对环境产生危害。Zhu等[12]以葡萄糖来还原GO。Fu等[13]使用牛血清白蛋白(BSA)还原GO，成功制得水分散性良好的石墨烯水溶液。本研究在碱性条件下，用NaBH4还原GO制备了水分散性良好的石墨烯，未经其他修饰，直接将其涂覆在玻碳电极表面，制备了石墨烯修饰电极。

福莫特罗酒石酸盐(图1)是一种长效β2受体激动剂，具有促进肌肉生长，减少脂肪沉积等作用，因此该药物被应用于家畜养殖中。但是，福莫特罗酒石酸盐对神经系统和心血管系统具有刺激作用，可引起失眠、紧张、恶心、呕吐、肌肉颤抖等临床症状[14]。目前已报道的检测福莫特罗酒石酸盐的方法有色谱法、光谱法及酶联免疫法等[15]，但未见用电化学方法检测福莫特罗酒石酸盐的报道。本文制备了石墨烯修饰电极，考察了福莫特罗酒石酸盐在该电极上的电化学行为，构建了一个灵敏的福莫特罗酒石酸盐电化学传感器。该方法检测福莫特罗酒石酸盐具有快速、灵敏、价廉等优点。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI600B电化学分析仪，CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；AquaMate Plus UV8.01紫外-可见分光光度计(美国，Thermofisher公司)；JEM100CXⅡ透射电镜(日本，JEOL公司)。

天然鳞片石墨(质量分数≥99%，Sigma有限公司)；福莫特罗酒石酸盐标准品(BESTOWN)；不同pH值的0.2 mol/L磷酸盐缓冲液(PBS)。实验所用其他试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。 实验用水为去离子水。

1.2 水分散性石墨烯的制备

采用改进的Hummers方法[16]制备GO：0 ℃时，在圆底烧瓶中加入50 mL浓H2SO4，搅拌条件下加入2 g石墨粉和1 g KNO3，再缓慢加入6 g KMnO4，在室温下搅拌反应2 h。将样品用5%的H2SO4进行稀释，搅拌0.5 h后加入6 mL H2O2，溶液变成亮黄色，搅拌2 h后离心。沉淀用 HCl 反复洗涤、最后用水洗涤到中性，在真空干燥箱中充分干燥得到氧化石墨。将获得的氧化石墨加入水中，超声约3 h，使其完全分散于水中，溶液呈黄棕色。取上层清液离心清洗后放入烘箱内40 ℃干燥，即得片层较薄的GO。

在GO分散液中加入适量NaOH溶液调节pH至10，超声处理1 h，使其完全分散水中，溶液呈黄棕色。再加入400 mg NaBH4，充分搅拌30 min，然后将混合物加热到135 ℃，维持6 h，得黑色的分散均匀的石墨烯分散液。

1.3 修饰电极的制备

将玻碳电极(GCE)在0.3 μm抛光粉(Al2O3)的麂皮上打磨抛光成镜面，用去离子水冲洗电极表面，依次用乙醇、HNO3和水超声清洗。清洗后的电极在1 mol·L-1H2SO4中用循环伏安法活化，扫描范围-1.0～1.0 V，反复扫描直至达到稳定的循环伏安图为止。用微量进样器取8 μL石墨烯分散液滴加在玻碳电极表面，红外灯下烘干即制得石墨烯修饰的玻碳电极。

1.4 实验方法

实验采用三电极系统：以GCE或修饰电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极。循环伏安(CV)：以pH为6.5的PBS配制浓度为3.64×10-5mol·L-1的福莫特罗酒石酸溶液，扫描范围为-0.1～0.8 V；差分脉冲伏安法(DPV)：初始电位-0.1 V，终止电位0.7 V，电位增量为0.004 V，脉冲宽度0.2 s，检测不同浓度的福莫特罗酒石酸溶液。每次扫描结束后，将修饰电极置于空白底液中循环扫描至无峰，用水淋洗后晾干，可重复使用。

2 结果与讨论

2.1 材料的表征

图2 氧化石墨烯(GO)和石墨烯的紫外-可见(UV-Vis)光谱；内插图是石墨烯的透射电镜(TEM)图

图3 水分散性不同的石墨烯

石墨烯的制备包括GO先与NaOH反应，NaOH与层状GO上的含氧活性基团反应，使得GO带上大量的负电荷[17]，从而使GO稳定的分散在水中，再经NaBH4进一步还原得到水分散性良好的石墨烯。图2为GO和石墨烯的紫外-可见光谱(UV-Vis)及石墨烯的透射电镜(TEM)图，GO在233 nm处出现特征峰，石墨烯在267 nm出现特征峰与之前的文献相符[18]，证明石墨烯成功制备。TEM图中石墨烯表面几乎透明并呈褶皱状态，石墨烯表面残留的含氧基团导致褶皱不仅增加了石墨烯的比表面积并且稳定了石墨烯片层之间结构[19]。但在实验中我们发现，碱性过大或者太小都使生成的石墨烯发生不可逆的聚沉(图3a)，最终发现在pH= 10时可获得分散性良好的石墨烯(图3b)。

2.2 福莫特罗酒石酸盐的电化学行为

通过CV法对福莫特罗酒石酸盐在不同修饰电极上的电化学行为进行研究。如图4所示，pH=6.5时，空白溶液在裸GCE(a)和石墨烯修饰电极(c)上没有氧化还原峰；福莫特罗酒石酸盐在裸GCE(b)上氧化还原峰不明显，在石墨烯修饰GCE(d)上可看到明显的氧化还原峰，由此可见石墨烯修饰电极对福莫特罗酒石酸盐有明显的催化作用。福莫特罗酒石酸盐在石墨烯修饰电极上的电子传递速率更快，一方面是因为石墨烯具有大的比表面积能够增加福莫特罗酒石酸盐在电极表面的负载量；另一方面，石墨烯具有高的导电性，因此石墨烯能加速电极表面的电子传递速率从而对电化学信号进行放大。

2.3 实验条件的优化

通过DPV法研究pH对同一浓度福莫特罗酒石酸盐的电化学行为的影响。图5为 pH 值在4.0～6.5范围内福莫特罗酒石酸的 DPV 图。从图5可知，随着缓冲溶液 pH 值的增加，福莫特罗酒石酸盐的氧化还原峰逐渐向负电位偏移，这表明福莫特罗酒石酸盐的氧化还原反应有质子参与。随着 pH 值的增加，福莫特罗酒石酸盐的电化学响应电流逐渐增加直到 pH 值为5.8时达到最大值，然后又逐渐下降。当 pH 值大于6.5时，福莫特罗酒石酸盐的电化学响应电流变的很小。这是因为在高 pH 值下，福莫特罗酒石酸盐带负电荷，它会与修饰电极上带负电的石墨烯发生静电排斥作用，从而导致福莫特罗酒石酸盐在电极表面的吸附量降低，进而造成电化学响应的降低。

图4 福莫特罗酒石酸盐及空白溶液在裸玻碳电极和修饰电极上的循环伏安图

图5 pH 值对福莫特罗酒石酸在修饰电极上响应的影响

当温度为20 ℃，富集时间为6 min，底液pH为5.8时，研究了扫速对福莫特罗酒石酸盐电化学响应的影响。图6为不同扫速(20～200 mV·s-1)下福莫特罗酒石酸盐在石墨烯修饰电极上的循环伏安图，随着扫速增加，福莫特罗酒石酸盐的氧化峰电流显著增加，插图所示福莫特罗酒石酸盐的氧化峰电流与扫速呈很好的线性关系，其线性方程为：Ip(A)=1.3594×10-6+9.51121×10-8v(mV·s-1)，相关系数r=0.9968,表明福莫特罗酒石酸盐在石墨烯修饰电极上的电化学反应是受吸附控制的[20]。为了减小背景电流，提高信噪比，本实验选择80 mV·s-1为最佳扫速。

福莫特罗酒石酸盐的峰电流随着时间的变化，在6 min后达到了最大值并保持不变。这表明在6 min时，福莫特罗酒石酸盐就已经在石墨烯修饰玻碳电极上达到了饱和吸附。因此，选择6 min为最佳福莫特罗酒石酸盐富集时间。

2.4 福莫特罗酒石酸的检测性能

在温度20 ℃，富集时间6 min，对不同浓度福莫特罗酒石酸盐在扫速为80 mV·s-1和底液 pH为5.8时的电化学响应进行了研究。图7为在PBS(pH=5.8)中扫描电位为-0.1～0.7 V，静置时间为2 s，不同浓度福莫特罗酒石酸盐的DPV图。从图中可以看出，随着福莫特罗酒石酸盐浓度增大，氧化峰电流增大，且福莫特罗酒石酸盐的氧化峰电流与浓度在3.64×10-7～1.64×10-4mol·L-1范围内呈良好的线性关系，线性方程为：-I(A)=3.2×10-7+0.083c(mol·L-1)，r= 0.9978。按照信噪比(S/N)=3计算，得到检出限为7.89×10-8mol·L-1。

图6 不同扫速(20～200 mV·s-1)下3.64×10-5 mol·L-1福莫特罗酒石酸盐在石墨烯修饰电极上的循环伏安图

图7 不同浓度的福莫特罗酒石酸盐的DPV图

当相对误差在±5%范围内，在3.64×10-5mol·L-1的福莫特罗酒石酸盐溶液中，分别加入200倍的K+、Mg2+、Na+、Cl-等无机离子和100倍的柠檬酸钠、葡萄糖、抗坏血酸、多巴胺、尿酸时，对福莫特罗酒石酸盐的测定产生的干扰在误差范围内，说明此电极具有良好的抗干扰性能。

石墨烯修饰电极具有制备简单、操作方便、响应时间快及重现性好的优点，用同一支修饰电极对3.64×10-5mol·L-1的福莫特罗酒石酸盐溶液连续测定9次，相对标准偏差(RSD)为3.37 %；对同一支修饰电极分别修饰5次，测定同一浓度的福莫特罗酒石酸盐溶液，RSD为4.25%。将该修饰电极在冰箱(4 ℃) 放置一个月后，测定同一浓度的福莫特罗酒石酸盐溶液，峰电流仅下降3.78 %。这表明石墨烯修饰电极具有良好的重现性和稳定性。

2.5 样品分析

为了检测石墨烯修饰电极的实用性，考察了猪尿液样品中福莫特罗酒石酸盐的回收率(表1)。取A、B、C三个不同养猪场的猪尿液，加入适量0.2 mol·L-1PBS(pH=5.8)溶液，使用石墨烯修饰电极检测样品，未检出福莫特罗酒石酸盐。采用标准加入法，分别加入5 μmol·L-1福莫特罗酒石酸盐，重复测定3次，测定结果如表1所示，其回收率和相对偏差均在可接受范围内。结果表明，石墨烯修饰电极对福莫特罗酒石酸盐的氧化还原反应展示出了较高的电催化活性，石墨烯修饰玻碳电极对福莫特罗酒石酸盐检测线性范围宽、灵敏度高、检出限低，可用于实际样品中的福莫特罗酒石酸盐检测。

表1 实际样品中福莫特罗酒石酸盐含量的测定结果

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3 结论

成功制备了水分散性良好的石墨烯，并用其修饰玻碳电极实现了对福莫特罗酒石酸盐的电化学检测。结果表明，该修饰电极对福莫特罗酒石酸盐电化学氧化具有明显的催化作用。在温度为20 ℃，富集时间为6 min，扫速为80 mV·s-1，底液 pH为5.8时，可实现对福莫特罗酒石酸盐的灵敏、简便和快速的检测，并拥有较宽的线性范围及较低的检出限。此外，该传感器重现性好、稳定性高、抗干扰性强，对检测福莫特罗酒石酸盐具有重要的意义。