二氧化锆/石墨烯复合材料对亚硝酸盐的电化学传感研究

陕多亮+王永兰+王艳凤+卢小泉

摘要制备了一种二氧化锆/还原氧化石墨烯（ZrO2NPs/rGO）复合材料修饰电极的亚硝酸盐电化学传感器，并成功用于亚硝酸盐的检测。采用循环伏安法和电流时间曲线考察了修饰电极的电化学行为。实验结果表明，ZrO2NPs/rGO復合材料修饰电极对亚硝酸盐具有良好的电流响应。在最优实验条件下，电流时间曲线中的电流响应信号与亚硝酸盐浓度在3.0×10 7～1.0×10 6mol/L和1.0×10 6～6.0×10 6mol/L的范围内呈良好的线性关系，检测限为1.0×10 7mol/L（S/N3）。该传感器灵敏性高、稳定性和重现性好。使用此传感器检测实际样品香肠中的亚硝酸盐的回收率为93.7%～110.4%，相对标准偏差为1.6%～2.1%。

关键词二氧化锆；还原氧化石墨烯；亚硝酸盐；电化学传感器

1引言

亚硝酸盐是广泛存在于自然环境中的一种化学物质，常用于食品工业中作为食品添加剂，如着色剂、防腐剂等；粮食与蔬菜等食品中都含有一定量的亚硝酸盐[1]。亚硝酸盐含量在食用安全范围内时，对人体造成的伤害较轻，但过量的亚硝酸盐会进入人体血液，将含Fe（II）的正常血红蛋白氧化为含Fe的高铁血红蛋白，使得正常血红蛋白失去携氧能力，导致组织出现缺氧现象，严重者可导致贫血[2]。除此之外，在生物体内，亚硝酸盐还能与仲胺、叔胺和酰胺等反应，生成强致癌物亚硝胺[3]。因此，测定亚硝酸盐含量已成为食品安全和环境监测领域重要的项目之一。目前有关测定亚硝酸盐的方法主要有色谱法[4]、分光光度法[5]、荧光光度法[6]、化学发光法[7]、电化学方法[8]等。相比以上检测方法，电化学方法具有便携性良好、响应速度快、成本低、可实时检测、操作方便等优势。但是，NO 2还原电位过负，直接测定有困难[9]，本研究选用纳米复合材料修饰电极的方法检测亚硝酸盐。

近年来，石墨烯常用作电化学传感器的基底材料。如Yi等[10]将石墨烯与SiO2纳米粒子结合，构建了检测对氯苯酚的电化学传感器；Zhou等[11]将石墨烯和SnO2纳米粒子结合，构建了有机磷农药的电化学传感器；Teymourian等[12]采用一锅法制备了ZrO2NPs/rGO纳米复合材料，用于同时分离抗坏血酸、多巴胺和尿酸。这是因为石墨烯具有优良的导电性（200000cm2/Vs）[13]、化学稳定性[14]及比表面积大（2600m2/g）＼[15]，超薄的晶体厚度（0.335nm）等特点[16～18]。二氧化锆纳米粒子是同时具有酸性和碱性、氧化性和还原性的过渡金属氧化物[19，20]，具有很高的化学稳定性和热稳定性[21，22]。

本研究采用一步法制备了ZrO2NPs/rGO复合材料修饰电极，一方面利用rGO比表面积大、导电性优异等特点；另一方面利用二氧化锆的化学稳定性和热稳定性高等特点，构建了亚硝酸盐的电化学传感器。实验结果表明，ZrO2NPs/rGO复合材料修饰电极对亚硝酸盐具有良好的电流响应。此外，此修饰电极表现出宽的线性范围，低的检测限，高的灵敏度，良好的重现性和选择性。本方法是一种简便、灵敏、选择性高的检测方法，在电化学传感平台具有一定的研究和应用价值。

2实验部分

2.1仪器与试剂

JEOLJSM6701F场发射扫描电镜（德国蔡司公司），DF101S恒温磁力搅拌器（郑州长城科贸有限公司），DZF6020真空干燥箱（上海一恒科技有限公司），VMP2多通道电化学检测系统（美国Princeton仪器公司），CHI660C电化学工作站（上海辰华仪器公司）。天然石墨粉（分析纯，北京吉安信有限公司），氯氧化锆（分析纯，北京试剂化学品有限公司），NaNO3、NaNO2（分析纯，北京试剂化学品有限公司），实验所用试剂均为分析纯。实验使用三电极体系，玻碳电极（直径3mm）或修饰的玻碳电极作为工作电极，铂丝为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极。

2.2修饰电极的制备

本实验采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯[23～25]。称取1.0g石墨粉于250mL烧杯中，加入0.5gNaNO3。在冰浴中混合并搅拌。缓慢加入23.0mL浓H2SO4，搅拌30～40min。强力搅拌下，加入3.0gKMnO4，温度保持在20℃，5min后，加热30min至60℃。逐滴加入46mL超纯水，搅拌至块状物完全分散。将水浴温度调至95℃，搅拌15min，继续加入40mL3%H2O2。当溶液变为亮黄色后，加入50mL5%HCl，搅拌，静置，取沉淀。用超纯水洗至中性。加入超纯水1000mL，超声约8h后离心，取沉淀，60℃下干燥。

修饰电极前，首先将玻碳电极用0.30和0.05μm的氧化铝粉依次打磨抛光，超纯水冲洗数次，随后将处理后的电极于乙醇和超纯水中超声清洗5min。为获得较稳定的修饰电极，将上述处理过的玻碳电极进行电化学活化。在0.5mol/LH2SO4溶液中进行循环伏安扫描，电位范围为 0.1～+1.0V，扫描速度为50mV/s，直到获得稳定的循环伏安扫描曲线。活化后的玻碳电极用无水乙醇、超纯水依次冲洗数次，并用N2吹干以备用。

参考文献＼[26＼]制备了ZrO2/rGO纳米复合材料修饰电极。如图1，取2.5μL已制备的0.1mg/mL氧化石墨烯涂于干净的玻碳电极表面，在室温下自然晾干，再将此过程重复3次，得到氧化石墨烯修饰电极。将氧化石墨烯修饰电极浸到0.1mol/LKCl溶液（含5.0mmol/LZrOCl2）中，用循环伏安法将ZrO2沉积在氧化石墨烯修饰电极表面，电位范围为0～ 1.5V，扫速为50mV/s，沉积8圈，即得到ZrO2/rGO复合材料修饰电极。修饰电极用超纯水冲洗数次，自然晾干。

2.3实验方法

电化学实验在CHI832电化学工作站上完成，采用传统的三电极体系：直径3.0mm的裸玻碳或玻碳修饰电极作为工作电极，0.5mmPt丝作为对电极，Ag/AgCl（饱和KCl）电极作为参比电极。所有实验在室温（（20±2）℃））下进行。

2.4实际样品预处理[27]

取10g粉碎的香肠和沙土混合，搅拌成泥浆，样品充分混合后，2转移到100mL烧杯中，并向其中加入12.5mL硼砂饱和溶液。将样品溶液转移到500mL烧杯中，加入300mL水后，加热到70℃，再放置在95～100℃的水浴中加热15min。待冷却至室温后，向其中加入5mL亚铁氰化钾溶液，并不断摇晃。加入5mL醋酸锌溶液，目的是沉淀蛋白质。将混合溶液加入水中，静置0.5h，过滤，收集上清液30mL待测。

3结果与讨论

3.1材料的表征

裸玻碳电极的电镜图SEM照片如图2A所示，电极表面洁净平整。在图2B可见到一层轻薄的、充满褶皱的薄膜，此为纯的氧化石墨烯的特征。图2C为ZrO2NPs/rGO修饰电极的SEM照片。以此说明所制备的ZrO2NPs/rGO修饰电极表面的形貌。二氧化锆纳米粒子大小均一且附着在石墨烯片层上。

从图3可见，制备的氧化石墨烯出现两个特征吸收峰。225nm处的峰归因于ππ*〖JG（（C〖ZJLX，YC）〖JG）跃迁，300nm处的峰归因于nπ*〖JG（（C〖ZJLX，YO）[28]〖JG）。这说明已经成功制备了氧化石墨烯。

〖CM（42采用电化学法制备ZrO2/rGO修饰电极的电沉积过程如图4所示[29]。在沉积过程中，第一圈〖CM）处的还原峰对应于ZrOCl2被还原为ZrO2， 1.20V处的还原峰归因于氧化石墨烯含氧官能团被还原的过程。

以氧化还原电子对Fe（CN）3 /4 6为探针，用循〖CM（21*2环伏安法和电化学阻抗谱表征了不同复合材料修〖CM）

〖

饰电极的表面性能。如图5A是裸玻碳电极（a）、rGO修饰电极（b）、ZrO2NPs/rGO修饰电极（c）在5mmol/LFe（CN）3 /4 6溶液中的循环伏安图。玻碳电极表面修饰rGO后，峰电流较裸电极增大，当ZrO2修饰到rGO修饰电极表面时，峰电流进一步增大。说明电子在复合材料ZrO2NPs/rGO表面转移较快。

图5B是裸玻碳电极（a）、rGO修饰电极（b）、ZrO2NPs/rGO修饰电极（c）在5mmol/LFe（CN）3 /4 6溶液中的Nyquist图。裸玻碳电极、rGO修饰电极和ZrO2NPs/rGO修饰电极的阻抗值分別为102.2，75.9和59.8Ω。结果表明，将ZrO2NPs和rGO修饰到电极上，可以加速电子转移。

3.2亚硝酸盐在ZrO2NPs/rGO复合材料修饰电极上的电化学行为

本实验采用循环伏安法考察了ZrO2NPs/rGO修饰电极对亚硝酸盐的电化学响应。图6是裸玻碳电极（b）、rGO修饰电极（c）、ZrO2NPs/rGO修饰电极（d）在1.0mmol/LNaNO2溶液（支持电解质为0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液）中的循环伏安图。从图6可见，在+0.7～+1.6V电位区间，裸玻碳电极在PBS溶液中（a）无氧化峰出现，而裸玻碳电极和两种修饰电极在加入NO 2的PBS溶液中都出现了氧化峰。相比之下，用ZrO2NPs/rGO修饰电极检测NO 2时其峰电流明显增大。原因可能有以下几个方面：rGO是一种导电性良好的材料，加快了复合材料表面电子的传递；rGO具有大的比表面积；ZrO2带有正电荷，可以通过静电作用吸附带负电荷的NO 2[30]，因此增强了修饰电极的电流响应。

3.3优化条件2

沉积不同圈数ZrO2NPs后得到的复合材料修饰电极对NO 2氧化峰电流影响见图7。在沉积ZrO2NPs

过程中同时还原氧化石墨烯。随着沉积圈数增加，NO 2的氧化峰电流也逐渐增大。当沉积圈数达到8圈时，NO 2的氧化峰电流达到最大值，然后随着沉积圈数的增加，峰电流减小。这说明当沉积8圈ZrO2NPs时，制备的复合材料修饰电极对NO 2的电流响应最好。因此，本实验选择沉积ZrO2NPs的圈数为8圈。

图8是ZrO2NPs/rGO修饰电极在含有NO 2的不同pH值溶液（Na2HPO4H3PO4）中的峰电流响应图。本实验选取的支持电解质溶液为PBS溶液，并用H3PO4调节其pH值。随着pH值增加，NO 2的氧化峰电流逐渐增大，当pH>4.5时，NO 2的峰电流随pH值的增大而减小，在pH4.5时，峰电流响应表现出最大值，所以在后续实验中选择溶液的pH=4.5。3.4不同浓度的NO 2在ZrO2NPs/rGO复合材料修饰电极上的电化学行为

用计时电流法测试了ZrO2NPs/rGO修饰电2极对不同浓度NO 2的响应。如图9所示，在3.0×10 7～1.0×10 6mol/L时，ip=0.3104+11.803C（R=0.9902）；在1.0×10 6～6.0×10 6mol/L时，ip= 1.072+89.646C（R=0.9975）。检出限（S/N=3）为1.0×10 7mol/L，说明此传感器具有较高的灵敏度。

3.5传感器的选择性和稳定性研究

〖CM（42为了研究传感器的选择性，选择了一些共存无机离子Ca2+＼，Mg2+＼，K+＼，SO2 4＼，CO2 3＼，NO 3作为干扰〖CM）

物，其浓度为NO 2的20倍。研究表明，上述干扰物对NO 2测定几乎无影响，可以忽略不计。

说明本实验设计的传感器具有良好的选择性。〖ZH（

复合材料修饰电极的稳定性进行了评估。此修饰电极在室温下储存10天后检测NO 2，发现传感器能保持原始电流响应的93.6%，说明此传感器具有良好的稳定性和重现性。

3.6实际样品检测

采用加标回收法对香肠中的亚硝酸盐进行检测。香肠样品需进行预处理。检测结果见表1，其相对标准偏差低于3.0%，表明本方〖ZH）法可用于香肠样品中亚硝酸盐的检测，并可进一步应用于其它样品中亚硝酸盐的检测。

上述结果表明，此传感器具有检出限低、线性范围宽、响应速度快、选择性和稳定性好等特点。本方法操作简单，成本低，具有一定的理论和实际应用价值。

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AbstractAnitriteelectrochemicalsensorbasedonelectrodepositionofzirconiumdioxidenanoparticlesonreducedgrapheneoxidemodifiedelectrodewassuccessfullyconstructedforthedetectionofnitrite.Theelectrochemicalbehaviorofthemodifiedelectrodewasinvestigatedbycyclicvoltammetryandamperometricitcurve.Undertheoptimalconditions，theamperometricitcurveresponseoftheelectrodeshowedalinearrelationshipwithnitriteconcentrationintherangeof3.0×10 7-1.0×10 6mol/Land1.0×10 6-6.0×10 6mol/L，andthedetectionlimitwas1.0×10 7mol/L（S/N=3）.Thefabricatedsensorexhibitedhighsensitivity，goodstabilityandhighreproducibility.Thissensorwasappliedforthedetectionofnitriteinsausagesampleswithfavorablerecoveriesof93.7%-110.4%andrelativestandarddeviation（RSD）of1.6%-2.1%.

KeywordsZirconia；Reducedgrapheneoxide；Nitrite；Electrochemicalsensor

（Received21October2016；accepted13February2017）

ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（Nos.21575115，21327005）