朱效華， 陳 超， 吳萃艷， 鄧文芳， 劉美玲

(湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，410081，湖南省長沙市)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要手段，加強(qiáng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[1].根據(jù)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重的原則[2]，結(jié)合以往的科研工作，設(shè)計(jì)氧化石墨烯修飾電極的制備及應(yīng)用的綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋無機(jī)/材料化學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析及物理化學(xué)，以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解各種分析儀器的基本原理，掌握分析儀器的操作方法，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.同時(shí)，拓展學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、探索精神和科學(xué)素養(yǎng)，提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力.本實(shí)驗(yàn)分為三部分：氧化石墨烯的表征,氧化石墨烯修飾電極的制備與表征,氧化石墨烯修飾電極用于鹽酸去氧腎上腺素的分析.

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)通過調(diào)研文獻(xiàn)，了解石墨烯的基本概念及研究進(jìn)展.

(2)掌握化學(xué)修飾電極的制備及表征方法，并理解修飾電極的工作原理.

(3)了解一些大型分析儀器的工作原理，學(xué)習(xí)其使用方法，結(jié)合實(shí)際選擇材料表征手段，并能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論.

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)與電催化原理

自英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家Geim和Novoselov于2004年成功地分離出單層石墨烯，并在2010年獲得諾貝爾獎以來[3]，石墨烯及其衍生物的研究已在科研及工業(yè)領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注.由于石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，使其在材料、能源及生物醫(yī)藥領(lǐng)域得到了廣泛的研究.因此，在高校開展石墨烯相關(guān)的綜合實(shí)驗(yàn)，既可以加強(qiáng)學(xué)生對當(dāng)前科研熱點(diǎn)的關(guān)注，又能激發(fā)學(xué)生對科研的興趣，對其日后繼續(xù)深造或從事科學(xué)研發(fā)具有重要意義.

石墨烯是碳原子以sp2雜化連接形成的單原子二維晶體，碳原子規(guī)整地排列于蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元之中，每個(gè)碳原子除了以σ鍵與其他3個(gè)碳原子相連之外，剩余的π電子與其他碳原子的π電子形成離域大π鍵，電子可在此區(qū)域內(nèi)自由移動，使得石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性[4].氧化石墨烯結(jié)構(gòu)接近平面并呈現(xiàn)二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，碳原子組成的六方片層表面有很多羥基、環(huán)氧基等含氧基團(tuán)，羧基集中在片層邊緣.氧化石墨烯表面的這些含氧基團(tuán)使其在水中的穩(wěn)定性高于石墨烯.采用滴涂法、旋涂法等可以把氧化石墨烯分散在電極表面，形成導(dǎo)電薄膜.因其具有較好的導(dǎo)電性、寬的電位窗口以及較高的電催化活性，可廣泛應(yīng)用于各種電化學(xué)體系中.氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)可作為電化學(xué)反應(yīng)過程中的活性位點(diǎn)，既可以吸附目標(biāo)物，又可達(dá)到電催化的目的.

2.2 鹽酸去氧腎上腺素的電化學(xué)行為

鹽酸去氧腎上腺素用于防治脊椎麻醉、全身麻醉等原因引起的低血壓，也用于室上心動過速和散瞳檢查等.鹽酸去氧腎上腺素含有酚羥基，可以在電極上發(fā)生氧化反應(yīng)[5].對于氧化石墨烯修飾電極，由于其結(jié)構(gòu)和表面含有大量含氧官能團(tuán)，可以有效增加鹽酸去氧腎上腺素在修飾電極表面的吸附，并加速電子轉(zhuǎn)移速率，從而提高電化學(xué)響應(yīng).

3 試劑與儀器

試劑：氧化石墨烯(購自深圳納米港)、醋酸(分析純)、醋酸鈉(分析純)、鹽酸去氧腎上腺素(標(biāo)準(zhǔn)品)、KCl、NaCl、MgSO4、CaCl2、葡萄糖、蔗糖、抗壞血酸、甘氨酸、檸檬酸均為市售分析純試劑；KBr(光譜純)；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水.

儀器：透射電子顯微鏡(TEM，日本JEOL)、原子力顯微鏡(AFM，Cypher,Asylum,USA)、UV-1800紫外—可見分光光度計(jì)(UV-vis,日本島津有限公司)、傅立葉變換—紅外光譜儀(FTIR,Tensor 27,Bruker,Germany)、CHI 660E型電化學(xué)工作站(上海辰華).

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 氧化石墨烯修飾電極的表征

準(zhǔn)確稱取2.0 mg氧化石墨烯分散于10.0 mL二次蒸餾水中，超聲處理1 h，所得氧化石墨烯的質(zhì)量濃度為0.2 mg/mL.移取5 μL氧化石墨烯懸浮液滴于銅網(wǎng)表面，紅外燈下烤干，用于TEM測試.另取5 μL氧化石墨烯懸浮液滴涂于云母片表面，紅外燈下烤干，用于AFM測試.移取20 μL氧化石墨烯懸浮液于2.0 mL二次蒸餾水中，混勻，轉(zhuǎn)移至石英比色皿中，以二次蒸餾水為參比，測定氧化石墨烯的UV-vis光譜.取適量氧化石墨烯固體，利用KBr壓片法測定樣品的FTIR光譜以確定其表面官能團(tuán).

4.2 氧化石墨烯修飾電極的制備

玻碳電極(GCE)首先利用0.5 μm Al2O3漿拋光至鏡面，用水沖洗干凈后，N2吹干備用.移取5 μL氧化石墨烯懸浮液滴加在電極表面，紅外燈下烤干，得到氧化石墨烯修飾電極(GO/GCE).

4.3 電化學(xué)測試

采用GO/GCE為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲為對電極，在電解池中加入一定量的鹽酸去氧腎上腺素溶液(0.1 mol/L 醋酸-醋酸鈉，pH=4.6)，在0.5～1.2 V記錄鹽酸去氧腎上腺素的循環(huán)伏安曲線，并采用差分脈沖伏安法定量.

5 結(jié)果與討論

5.1 氧化石墨烯的表征

分別利用TEM與AFM對氧化石墨烯進(jìn)行形貌表征，結(jié)果如圖1所示.從TEM(圖1A)中可以看出，氧化石墨烯為片層，并具有明顯的褶皺結(jié)構(gòu)，與文獻(xiàn)報(bào)道一致[6].從AFM圖(圖1B)中可以看到明顯的片狀結(jié)構(gòu)，高度大約為1.1 nm，結(jié)果比理論值要高，這可能是氧化石墨烯表面帶有大量的含氧官能團(tuán)，從而使其厚度增加，與文獻(xiàn)報(bào)道相符[7].上述結(jié)果證明所用的石墨烯為單層氧化石墨烯.

圖1 (A)氧化石墨烯的TEM圖 (B)氧化石墨烯的AFM圖

氧化石墨烯的UV-vis光譜如圖2A所示，在230 nm處有明顯的吸收峰，可歸屬于π-π*躍遷，證明氧化石墨烯含有大量的共軛結(jié)構(gòu)[8].從FTIR光譜可知(圖2B)，氧化石墨烯表面含有大量的含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基和環(huán)氧基等.

圖2 (A)氧化石墨烯的UV-vis光譜圖 (B)氧化石墨烯的FTIR光譜圖

5.2 氧化石墨烯修飾電極的表征

圖在不同電極上的循環(huán)伏安圖 (B)不同電極的電化學(xué)交流阻抗譜圖

5.3 鹽酸去氧腎上腺素在修飾電極上的電化學(xué)行為

利用循環(huán)伏安法分別考察了2×10-4mol/L的鹽酸去氧腎上腺素在GCE和GO/GCE上的電化學(xué)行為(圖4A).從圖中可以看出，鹽酸去氧腎上腺素在裸電極上出現(xiàn)了一個(gè)氧化峰，峰電位為0.977 V，在反向掃描的過程中，無明顯的還原峰，說明鹽酸去氧腎上腺素在GCE上是不可逆的氧化過程.在相同條件下，鹽酸去氧腎上腺素在GO/GCE上于0.883 V出現(xiàn)了一個(gè)明顯的氧化峰，相對于GCE，峰電位負(fù)移了94 mV，并且氧化峰電流提高了近5倍.這可能是因?yàn)檠趸┚哂休^大的比表面積，有效增加了鹽酸去氧腎上腺素在電極上的吸附.同時(shí)氧化石墨烯能促進(jìn)電子在電極表面的傳遞，對鹽酸去氧腎上腺素的電化學(xué)氧化還原具有良好的催化作用，從而大大增加了峰電流，提高了測定的靈敏度.

為了進(jìn)一步研究鹽酸去氧腎上腺素在GO/GCE上的電化學(xué)行為，利用循環(huán)伏安法研究了掃描速度對峰電流的影響.從圖4B中可以看出，隨著掃描速度的增加，峰電流顯著提高，并且在30～150 mV/s范圍內(nèi)，峰電流與掃描速度呈良好的線性關(guān)系，證明鹽酸去氧腎上腺素在修飾電極上的電極過程為吸附控制過程[11].

圖4 (A)鹽酸去氧腎上腺素在不同電極上的循環(huán)伏安圖(B)不同掃速(從a到f掃描速度分別為：30、50、80、100、120、150 mV/s)下鹽酸去氧腎上腺素在GO/GCE上的循環(huán)伏安圖

5.4 電化學(xué)檢測鹽酸去氧腎上腺素

由于差分脈沖伏安法具有更高的靈敏度，實(shí)驗(yàn)選用差分脈沖伏安法對鹽酸去氧腎上腺素進(jìn)行定量分析.配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在0.6～1.2 V電位區(qū)間內(nèi)，以差分脈沖伏安法進(jìn)行測定.實(shí)驗(yàn)表明，隨著鹽酸去氧腎上腺素濃度的增加，其氧化峰電流相應(yīng)增大(圖5A)，并且鹽酸去氧腎上腺素的氧化峰電流Ipa與其濃度c在20～200 × 10-6mol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(圖5B)，線性回歸方程為I(μA)=0.297c(μM)+ 5.77 (R= 0.998)，在3倍的信噪比的條件下，其檢出限約為5×10-6mol/L.

圖5 (A)不同濃度鹽酸去氧腎上腺素(從a到j(luò)濃度分別為：20、40、60、80、100、120、140、160、180、200 × 10-6 mol/L)在修飾電極上的差分脈沖伏安曲線(B)鹽酸去氧腎上腺素在GO/GCE上的校準(zhǔn)曲線

5.5 干擾實(shí)驗(yàn)

固定鹽酸去氧腎上腺素的濃度為2×10-4mol/L，相同實(shí)驗(yàn)條件下，考察了一些常見金屬離子及小分子對檢測鹽酸去氧腎上腺素的干擾作用.在±5%誤差允許范圍內(nèi)，結(jié)果表明：100倍的K+、Na+、Ca2+、Mg2+對鹽酸去氧腎上腺素的峰電流無影響.另外50倍的葡萄糖、蔗糖、抗壞血酸、甘氨酸、檸檬酸均不干擾鹽酸去氧腎上腺素的測定.

5.6 實(shí)際樣品檢測

選取一定量市售鹽酸去氧腎上腺素注射液加入電解池中，在相同實(shí)驗(yàn)條件下測定注射液中鹽酸去氧腎上腺素的峰電流，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算鹽酸去氧腎上腺素的含量.

6 實(shí)驗(yàn)安排、思考與結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)安排為16學(xué)時(shí)，其中氧化石墨烯的表征為4學(xué)時(shí)；修飾電極的制備與表征為3學(xué)時(shí)；修飾電極的電化學(xué)應(yīng)用為6學(xué)時(shí)；數(shù)據(jù)處理與分析3學(xué)時(shí).本實(shí)驗(yàn)主要針對化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)大學(xué)三年級學(xué)生開設(shè)，可考慮在小學(xué)期進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)在一周內(nèi)完成.

思考題：

(1)氧化石墨烯在電極上的滴涂量是否影響修飾電極的性能？

(2)鹽酸去氧腎上腺素的電化學(xué)行為與哪些因素有關(guān)？

(3)對實(shí)際樣品中鹽酸去氧腎上腺素的測定，如何確定本文中方法的可靠性？

本文主要針對高年級本科生為主體設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合性分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括氧化石墨烯的形貌和結(jié)構(gòu)表征、氧化石墨烯修飾電極的制備及應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，提高其理論聯(lián)系實(shí)際的能力.通過本實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，將基本實(shí)驗(yàn)操作引入到綜合實(shí)驗(yàn)探索中，學(xué)生不僅可以深入了解科學(xué)研究熱點(diǎn)，而且可以利用常見的技術(shù)手段對材料表面形貌、結(jié)構(gòu)和組成的表征.本實(shí)驗(yàn)旨在通過實(shí)驗(yàn)過程培養(yǎng)學(xué)生的自主能力、創(chuàng)新能力及獨(dú)立操作能力，為本科畢業(yè)論文(畢業(yè)設(shè)計(jì))的順利開展做好準(zhǔn)備，并且為他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)深造或從事科學(xué)研發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).該綜合實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)、內(nèi)容比較前沿，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，是一個(gè)非常值得推薦的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.