基于囊状复合材料的亚硝酸盐电化学传感器

杜 鹏, 李艳萍, 刘文杰, 邱玮玮, 高 凤, 高 飞

（闽南师范大学化学化工与环境学院,福建漳州363000）

亚硝酸盐(NO2-) 是自然界中常见的含氮盐，在食品工业中常作为发色剂，同时具有抗菌防腐的功效[1]．亚硝酸盐最主要的危害是在人体胃酸环境下会生成强致癌物N-亚硝胺[2]．因此快速、高效检测环境和亚硝酸盐(NO2-) 是自然界中常见的含氮盐，在食品工业中常作为发色剂，同时具有抗菌防腐的功效[1]．亚硝酸盐最主要的危害是在人体胃酸环境下会生成强致癌物N-亚硝胺[2]．因此快速、高效检测环境和食品中亚硝酸盐的含量对人体健康和生命安全有非常重要的意义．目前，常用的亚硝酸盐检测方法有催化光度法[3]、色谱法[4]、毛细管电泳法[5]、电化学分析法[6-10]等．其中，电化学方法有设备简单、灵敏度高、响应速度快等优点，是一种被公认的优秀检测手段．一直以来，构筑新的亚硝酸盐电化学传感器是电化学分析领域具有实际应用价值的研究方向．然而，实际样品中亚硝酸盐往往伴随着多种氨基酸、糖类、钠盐、硝酸盐等干扰物质，这为快速高效的检测带来了挑战．因此，要求构筑的电化学传感器具有优异的抗干扰能力，能在过量的干扰物质中准确测定亚硝酸盐的含量．

石墨烯是一种具有二维网状结构的碳纳米材料，具有优异的比表面、优良的导电性、较高的化学惰性，是能量储存、电子设备和生物传感器等领域的明星材料．但石墨烯极易团聚，在合成中往往需要对其进行表面修饰．氧化石墨烯不但解决了上述问题，还由于其两亲性成为重要的合成原料，在电化学领域已经拥有广泛的应用[7,10]．目前已有利用石墨烯包裹其他材料形成囊状材料，并用于延长电池电极寿命的报道[11]．

过渡金属氧化物中的钼、锆氧化物是两种重要的催化材料．李德成等合成的ZrO2包覆的层状富锂正极材料[12]和彭路明等合成的MoO3纳米带/rGO 复合阴极材料[13]，具有优异的电池性能．但是关于钼锆复合氧化物的电催化性能的研究却鲜有报道．

基于氧化石墨烯和过渡金属氧化物的优良特性，通过水热反应后和控温煅烧两步法合成MoZrO-rGO复合囊状材料，并将其作为传感材料修饰于玻碳电极表面，构筑了新型亚硝酸盐电化学传感器．

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660E 电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；三电极系统：MoZrO-rGO 修饰玻碳电极为工作电极，银/氯化银（Ag/AgCl）为参比电极，铂丝电极为对电极；扫描隧道电子显微镜（SEM，日本电子株式会社）；X 射线衍射仪（XRD，日本理学仪器株式会社）．

氧化石墨烯 （GO， 通过 Hummer 法合成）[14]； 壳聚糖 （CS， 阿拉丁试剂有限公司）； 一水合柠檬酸（C6H8O7·H2O），分析纯（西陇化工股份有限公司）；四水硫酸锆（Zr(SO4)2·4H2O）为分析纯（国药集团化学试剂有限公司）；磷钼酸铵（(NH4)3H4[P(Mo2O7)6]）为分析纯（中国菱湖化工试剂厂）；醋酸盐缓冲溶液（NaAc-HAc）由 HAc 和 NaAc 按一定比例混合配制（pH=4.74）．

1.2 MoZrO-GO 复合材料合成

参照文献[15-16]方法合成了MoZrO-GO 复合材料．在10 mL 氧化石墨烯（GO，1.0 g/mL）溶胶中依次加入 Zr(SO4)2·4H2O、(NH4)3H4[P(Mo2O7)6]和 C6H8O7·H2O（其物质的量比分别为 1∶1∶2、1∶2∶3、2∶1∶3、1∶1∶1），磁力搅拌均匀后，将混合液转移至反应釜内160 ℃反应24 h，反应结束后自然冷却至室温．所得的黄绿色混合悬浊液离心移去上层液体后，用超纯水和乙醇洗涤，重复2～3 次，于60 ℃彻底干燥后得黄绿色粉末，于管式炉中控温煅烧除去易挥发杂质后得MoZrO-GO 复合材料．不同物质的量比所得产物的标注如表1 所示．

表1 产物的标注Tab.1 Labeling of different proportions products

1.3 CS/MoZrO-rGO/GCE 电极的制备

取适量制备的复合材料超声分散成1.0 g/L 的水悬浮液， 将制得的悬浮液与等体积的0.3 wt%壳聚糖1∶1 混合并超声混合均匀．准确移取10 μL 混合液滴涂在经过抛光、清洗处理后的玻碳电极表面，在室温下干燥24 h 所得电极在PBS 缓冲溶液中电还原后， 分别得到CS/MoZrO-rGO-1/GCE、CS/MoZrO-rGO-2/GCE、CS/MoZrO-rGO-3/GCE、CS/MoZrO-rGO-4/GCE 修饰电极．

2 结果与讨论

2.1 复合材料的形貌表征

采用SEM 对MoZrO-GO-2 复合材料各个阶段的形貌进行表征，结果如图1 所示(A：未煅烧产物，B：间隔煅烧产物)．由图1A 可以看出，未煅烧的MoZrO-GO-2 复合材料为直径1.0～2.5 μm 的不规则球状团聚物，在球和球的连接处可以看到石墨烯褶皱，这一现象与其它石墨烯囊状材料相似[11]．图1B 为间隔煅烧后的产物，从图中可以看出，相较于未煅烧之前，囊泡出现了部分棱角，且粒径基本不变．从囊泡的破损处可以看到球的内部包裹着更小的球．这是由于柠檬酸在合成时与氧化石墨烯上的含氧基团进行了反应，使原本只有褶皱的氧化石墨烯空间上进一步弯曲，形成石墨烯外衣．并且柠檬酸在石墨烯的内部形成了类似支架的结构，使得材料在煅烧后仍然能保持原有的粒径和大致形貌．

图1 MoZrO-GO-2 复合材料的SEM 图Fig.1 SEM images of MoZrO-GO-2 composite materials

为了进一步探究最终产物的元素组成，采用能量色散光谱（EDS）对间隔煅烧后的MoZrO-GO-2 进行表征，见图 2（B- E：分别为 Zr，Mo，O，C 的 EDS 映射）．由图可知，Zr、Mo 和 O 元素均匀分布在材料中，表明产物中包含钼、锆氧化物；另外EDS 中还能看到C 元素的分布，表明前驱体中柠檬酸有机成分在煅烧过程中被碳化．

图 2 间隔煅烧后的 MoZrO-GO-2 材料的 SEM 图（A）和 EDS 图（B-E）Fig.2 SEM (A) and EDS (B-E) characterization of MoZrO-GO-2 materials after interval calcination

2.2 复合材料的XRD 分析

图3 为间隔煅烧产物MoZrO-GO-2 与ZrO2(JCPDS37-1484) 和MoO3(JCPDS35-0609) 标准尺的XRD对比图．通过对比，可以看出产物在衍射角为 12.5°、23.4°、25.6°、27.2°、46.1°左右出现了尖锐的衍射峰，以及在大于50°的位置出现了一系列弱的衍射峰区， 这与MoO3标准样品部分特征峰出现的位置一致．ZrO2在33.3°、38.8°、56.3°、67.2°和 70.6°附近存在强的衍射峰，这些衍射峰 MoO3部分衍射峰发生了重叠．在二者协同作用下，产物在 33.5°、39.1°、56.1°、67.0°和 69.5°处的衍射峰的强度增大，峰宽增加．而在箭头所示的位置，存在一个既不属于ZrO2，也不属于MoO3的衍射峰，通过与相应文献[7-8]对比，此处的峰可以归属于石墨烯（001）晶面的特征峰，证明产物中存在一定量的氧化石墨烯．

图3 间隔煅烧产物MoZrO-GO-2 的XRD 谱图Fig.3 XRD patterns of interval calcined product MoZrO-GO-2

2.3 电极修饰材料的选择

图4A 为不同修饰电极在含0.10 mol/L KCl 的1.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的CV 曲线．由图可见，各修饰电极的氧化还原曲线相较于裸玻碳电极均有不同程度的增强． 这是由于石墨烯囊的内外面均能与反应物可以有效接触，这样的结构增大了电催化接触面积，为[Fe(CN)6]3-/4-溶液的反应提供了更多的活化位点，从而放大了信号．而过渡金属氧化物是一种被证明了的优良催化物质，其催化的特点就是能够快速捕获阴离子或者阳离子[7,10]．再借助过渡金属氧化物材料的传输特点，加速了电子的转移，因此改变了响应电流的大小．不同物质的量比产物修饰电极的CV 峰电流值如图4B 所示，可见CS/MoZrO-rGO-2/GCE 导电能力最佳．

图4 不同比例产物修饰电极在含0.10 mol/L KCl 的1.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的CV 曲线（A）及其与峰电流关系图（B）Fig.4 CV curves (A) and peak current relationships (B) of modified electrodes with different proportions products in 1.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-solution containing 0.10 mol/L KCl

此外，在NaAc-HAc 缓冲溶液中考察了不同电极对0.10 mmol/L 的NO2-的响应情况，其结果如图5 所示．其中裸玻碳电极（GCE，图5A）、壳聚糖修饰电极（CS/GCE，图5B）和还原氧化石墨烯修饰电极（rGO/GCE，图5C）， 对0.10 mmol/L 的NO2-没有明显的响应． 图5D 为不同物质的量比复合材料的修饰电极对0.10 mmol/L 的NO2-的CV 响应．由图可知，加入NO2-后，CV 曲线均有明显变化，显示复合材料电极具有更好的电催化能力．其中MoZrO-rGO-2/GCE 电极的响应电流最大，表明其催化活性最好．这是由于rGO 是一种具有大比表面积、导电性能优异的碳材料，能够有效提升复合材料的导电能力；且MoZrO 能够有效的吸附和固定NO2-，在二者的协同作用下极大增强了催化能力．

图5 不同修饰电极在NaAc-HAc 缓冲溶液中对0.10 mmol/L 的NO2-的CV 曲线Fig.5 CV curves of different electrodes for 0.10 mmol/L NO2-in 0.10 mol/L NaAc-HAc buffer solution

图 5E 和 5F 分别为修饰电极 MoZrO-rGO-2/GCE 和 CS/MoZrO-rGO-2/GCE 对 0.10 mmol/L 的 NO2-的响应情况． 由图可知， 图5F 响应峰电流强度几乎是图5E 的7 倍． 这是因为若不使用CS 作为成膜剂，MoZrO-rGO-2 材料在测试过程中极易脱离，导致响应电流降低．

2.4 实验条件优化

由于NO2-是一种易分解的物质，在强酸环境下NO2-不稳定．因此为了准确的测量NO2-的含量，选择合适的检测pH 环境对实验结果尤为重要．基于此，利用CV 考察了NaAc-HAc 缓冲溶液的pH 值对CS/MoZrO-rGO-2/GCE 修饰电极检测能力的影响，其结果如图6 所示．在pH = 4.74 时，修饰电极对0.10 mmol/L NO2-的响应电流达到峰值．因此选用pH 为4.74 的醋酸缓冲溶液进行后续分析．

此外，利用微分(示差)脉冲伏安法（DPV）在含有 0.010 mmol/L NO2-的 NaAc-HAc 缓冲溶液（pH= 4.74）中对富集电位和富集时间进行优化．结果显示，当富集电位和富集时间分别到达0.90 V 和60 s 时，电流值达到峰值．因此在后续实验中使用0.90 V，60 s 为富集参数．

图6 NaAc-HAc 缓冲溶液的pH 值对CV 峰电流的影响Fig.6 Effects of pH value in NaAc-HAc buffer solution on peak current values of CV for 0.10 mmol/L NO2-

2.5 传感分析性能

在最佳实验条件下，考察构筑的电化学传感器对不同浓度NO2-的检测能力及线性相关程度，其结果如图7 所示．在图7A 中，随着浓度的增大，其氧化峰电位不变，氧化峰电流随着NO2-的浓度规律增大．将氧化峰电流（Ip/μA）对 NO2-浓度（C/μmol·L-1）作图，结果如图 7B 所示，发现二者在两个浓度范围内呈现线性关系，在 0.010 μmol/L - 0.10 μmol/L 浓度范围内（图 7B 内插图），其线性回归方程为 Ip /μA = 0.381C/μmol·L-1+ 4.523 （R = 0.993）； 在 0.10 μmol/L - 10 mmol/L 浓度范围内， 其线性回归方程为 Ip /μA = 0.007 3 C/μmol·L-1+4.856（R=0.999）．根据3S/N，检测限达1.87 nmol/L，与最近报道的无酶亚硝酸盐传感器的检测性能相比，具有灵敏度高、检测限低、线性范围宽等优点（表2）．

图7 修饰电极在不同浓度NO2- 溶液中的DPV 曲线（A）及其峰电流值与NO2-浓度的关系图（B）Fig.7 DPV curves of CS/MoZrO-rGO-2/GCE in different concentrations of NO2-solution and the plot of the peak current vs.the concentration of NO2-solution (B)

表2 不同修饰电极对于NO2-检测能力对比Tab.2 Comparison of the different modfied electrodes for detection of NO2-

此外，还对所构筑的电化学传感器进行了的稳定性和重复性实验．修饰电极在经过30 次扫描后，对0.10 mmol/L 的NO2-的氧化电流响应仍然保持在96.76 %．使用同一根修饰电极每隔24 h 对0.10 mmol/L 的NO2-进行DPV 检测，其响应峰电流值的相对标准偏差为2.49%，证明此传感器具有良好的稳定性和重复性．

2.6 抗干扰实验

由于NO2-的实际样品多为食品，因此，常选择氨基酸和盐类物质作为干扰物质．本文选择腌制品中常见的L-苏氨酸，碳酸钠，硝酸钠和碳酸氢钠作为干扰物质[6-7,10,17-18]．在pH=4.74 的醋酸缓冲溶液中先检测0.10 mmol/L 的NO2-后，再分别加入1.0～5.0 mmol/L 的L-苏氨酸、碳酸钠、硝酸钠和碳酸氢钠，探究这些干扰物质对检测信号的影响．结果显示，在加入0.10 mmol/L 的NO2-后，构筑的电化学传感器检测出一个相对稳定的响应电流信号，在加入10～50 倍的干扰物质L-苏氨酸，碳酸钠，硝酸钠和碳酸氢钠的过程中，响应信号并未出现明显的增加、减弱或偏移．证明构筑的电化学传感器具有一定的抗干扰能力．

同时也考察了构筑的电化学传感器的选择性．在含有1.0～5.0 mmol/L 的混合干扰物质（包含等浓度的L-苏氨酸，碳酸钠，硝酸钠和碳酸氢钠）的醋酸缓冲溶液中（pH=4.74），依然可以对0.10 mmol/L 的NO2-产生稳定的响应电流信号．证明构筑的电化学传感器具有良好的选择性．

2.7 实际样测试

为了进一步验证传感器的实际应用价值，针对市面上某牌榨菜进行实际样检测．在测试前对样品进行处理，取100 g 购买的榨菜剪碎研磨后，加入100 mL pH=4.74 的醋酸缓冲溶液，将得到的悬浊液离心后，取上清液进行实验．采用标准加入法进行回收实验，结果见表3，其回收率在98.12%到102.10%之间，线性关系为 I/μA = 0.007 3 C/μmol·L-1+ 0.096 4（R = 0.999），当 y = 0 时，通过计算得知实际样中 NO2-浓度为13.20 μmol/L，这一结果与亚硝酸检测仪的结果（12.76 μmol/L）基本一致，误差为3.45%，表明本实验构筑的电化学传感器可以用于试样的检测，且方法可靠可行．

表3 榨菜中NO2-含量的实际检测 (n=5)Tab.3 Determination of NO2-in pickled mustard tuber (n=5)

3 结论

通过水热合成、 煅烧制得了一种新型基于钼锆氧化物-石墨烯复合材料的修饰电极 （CS/MoZrO-rGO/GCE），并将其用于痕量的NO2-电化学检测．实验结果证明，该复合材料对NO2-具有显著的电化学催化性能．在最佳条件下，NO2-的检测浓度范围在0.010 μmol/L-10 mmol/L 之间，检测限达1.87 nmol/L．并且该传感在高浓度干扰物质的作用下依然能准确测定NO2-含量， 能完成设计中的实际样检测， 除去了其他方法检测NO2-时繁杂的前处理工作．