基于Ag@C@Ag核殼型納米材料電化學(xué)傳感器的制備及對鄰苯基苯酚的測定

趙 勇

(武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

防腐劑是用以保持食品原有品質(zhì)和營養(yǎng)價值為目的的食品添加劑，其主要作用是抑制微生物的生長和繁殖，以延長食品的保存時間、抑制物質(zhì)腐敗。防腐劑均為微毒的化學(xué)藥品，攝入過多會影響人體新陳代謝的平衡，尤其是兒童、孕婦等特殊人群，在食品的攝取方面更應(yīng)該重點予以保護(hù)。鄰苯基苯酚是一種常用的防腐劑，具有強(qiáng)效抑霉作用，被普遍應(yīng)用于采收后的水果和蔬菜，如檸檬[1]、葡萄[2]、柑桔類水果[3,4]及番茄[5]等的防腐保鮮。鄰苯基苯酚具有一定的生物毒性效應(yīng)，殘留量超標(biāo)將不可避免對人體健康產(chǎn)生影響。電化學(xué)傳感器具有簡便、快速、靈敏的特點，因此，構(gòu)建一種特異性檢測鄰苯基苯酚的電化學(xué)傳感器具有很重要的現(xiàn)實意義。

目前國內(nèi)外報道的果蔬殘留防腐劑的檢測方法主要涉及有氣相色譜法、膠束電動色譜法、離子交換色譜法、高相液相色譜法、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法等[6 - 8]。而關(guān)于直接的電化學(xué)方法檢測鄰苯基苯酚只有少量的文獻(xiàn)報道[9]。核殼結(jié)構(gòu)由具有不同化學(xué)成分和性質(zhì)的核和殼組成，此類特殊材料組裝簡單且具有良好的分散性、高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、增強(qiáng)的催化劑抗中毒能力和增加其催化活性等[10,11]。在核殼結(jié)構(gòu)中，Ag納米顆粒與其他金屬納米粒子相比具有更低的電阻[12]。因此，以Ag納米粒子為基礎(chǔ)的核殼納米結(jié)構(gòu)引起了廣泛關(guān)注[13]。例如，Ag@富勒烯和Ag@TiO2[14]核殼型納米材料分別在生物細(xì)胞檢測和鋰電儲能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，碳材料有許多優(yōu)點，例如化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕性強(qiáng)、重量輕、成本低，被視為有希望成為制造功能性金屬核殼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的明星材料。

本文首先通過一種簡單的水熱反應(yīng)合成出核殼型納米材料Ag@C，然后再利用Ag@C表面豐富的功能基團(tuán)均勻地負(fù)載一層Ag納米顆粒，成功制備出Ag@C@Ag三層核殼型納米材料，并將其用于電化學(xué)傳感器的制備。該電化學(xué)傳感器對鄰苯基苯酚的測定表現(xiàn)出很好的響應(yīng)靈敏度，可用于實際食物樣品中鄰苯基苯酚的定量分析。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

電化學(xué)測試均是在CHI 660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)上進(jìn)行的。采用傳統(tǒng)的三電極體系：以Ag@C@Ag修飾玻碳電極(GCE)為工作電極，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，以鉑絲電極為對電極。場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)圖像在S-4800型顯微鏡(日本，日立公司)上獲得。使用TECNAI G-220 S-Twin型顯微鏡(荷蘭，F(xiàn)EI公司)獲得場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)圖。X-射線衍射(XRD)圖譜由Rigaku D/max-2500型儀器記錄。

鄰苯基苯酚、AgNO3、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)和氨水，均購自阿拉丁試劑公司。鄰苯基苯酚溶于無水乙醇制備標(biāo)準(zhǔn)溶液，4 ℃保存。所用試劑均為分析純且沒有經(jīng)過二次處理。實驗所用水均為二次蒸餾水。

1.2 Ag@C@Ag的制備

首先按照文獻(xiàn)方法[14]利用水熱法合成核殼結(jié)構(gòu)的Ag@C：劇烈攪拌下將2 mL 0.03 mol/L AgNO3溶液加入到38 mL 0.5 mol/L葡萄糖溶液中，再繼續(xù)攪拌10 min，轉(zhuǎn)入50 mL高壓釜中，180 ℃反應(yīng)4 h，自然冷卻至室溫，離心收集產(chǎn)物，分別用水和乙醇洗滌6次，60 ℃干燥10 h。

為了在Ag@C表面負(fù)載一層Ag納米顆粒，采用PVP作為弱還原劑。0.03125 g的Ag@C和2.5 g的PVP-K30劇烈攪拌下，依次加入到33.75 mL無水乙醇中。再將5 mL溶有0.25 g AgNO3和0.4 mL 氨水的溶液加入上述混合液中，繼續(xù)攪拌10 min。超聲分散10 min后，將得到的黑色溶液轉(zhuǎn)入50 mL的高壓釜中，120 ℃反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，離心收集產(chǎn)物，分別用水和乙醇洗滌幾次，50 ℃干燥10 h。即制得Ag@C@Ag。

1.3 修飾電極的制備

準(zhǔn)確稱取20.0 mg的Ag@C或Ag@C@Ag，分別加入10 mL水，超聲2 h，得到均一的2 mg/mL分散液。修飾之前，首先將直徑為3 mm的GCE在拋光布上用0.05 μm Al2O3泥漿打磨拋光，然后依次置于乙醇/水(1∶1，V/V)和水中各超聲1 min。在干凈的GCE表面滴涂10 μL Ag@C或Ag@C@Ag的分散液，紅外燈下烘干，得到的修飾電極分別標(biāo)記為Ag@C/GCE和Ag@C@Ag/GCE。

1.4 測定方法

除非特別說明，使用pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖液作為檢測鄰苯基苯酚的支持電解質(zhì)。在0.2 V富集60 s后，記錄從0.2～1.1 V的微分脈沖伏安(DPV)曲線，測定0.64 V處的氧化峰電流作為檢測鄰苯基苯酚的響應(yīng)信號。脈沖幅度為0.05 V，脈沖寬度為0.2 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ag@C@Ag核殼型納米材料的表征

Ag@C@Ag的X射線衍射(XRD)圖見圖1。從圖中Ag@C的XRD(曲線a)可以看出，在2θ分別為38.11°、44.21°、64.51°和77.31°處出現(xiàn)四個尖銳的衍射峰，證實了面心立方Ag相的存在。與此同時，屬于無定形碳的吸收峰(2θ=10°～35°)依然存在，表明Ag@C復(fù)合物的成功合成。Ag@C負(fù)載Ag納米顆粒之后(曲線b)，Ag的衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，這是因為產(chǎn)物中Ag含量的增加。該圖中幾乎沒有碳的衍射峰，說明Ag納米粒子在碳表面的成功沉積。

圖2a為Ag@C的掃描電鏡(SEM)圖，表明其呈現(xiàn)納米球形，圖2b是Ag@C@Ag的低倍SEM圖，Ag@C均勻地負(fù)載有直徑約為20～30 nm的Ag納米粒子。從高倍的SEM圖片可以看出(圖2c)，Ag@C球的表面在負(fù)載過Ag納米粒子之后變粗糙了，而且Ag@C表面完全被Ag納米粒子覆蓋，進(jìn)一步說明了Ag和C之間良好的界面相容性。而圖3a給出了Ag@C的TEM圖像，可以看出其完美的核殼結(jié)構(gòu)，Ag納米粒子被包覆在碳基體中，并且每個納米球中只有一顆Ag納米粒子。Ag@C納米球的平均直徑約為228 nm，其中碳?xì)さ暮穸燃s為95 nm，Ag納米粒子的直徑約為36 nm。圖3b和3c所示的TEM圖像進(jìn)一步證實了Ag納米粒子在Ag@C表面的包覆。

2.2 Ag@C@Ag修飾電極的性能

電化學(xué)交流阻抗譜(EIS)是探索化學(xué)修飾電極界面性質(zhì)的有效工具之一。圖4為10.0 mmol/L K3[Fe(CN)6](0.1 mol/L KCl中)在裸GCE(a)、Ag@C/GCE(b)以及Ag@C@Ag/GCE(c)上的EIS圖譜。該EIS譜包括一個高頻區(qū)的半圓形部分和一個低頻區(qū)的線性部分，分別對應(yīng)于電子轉(zhuǎn)移過程和擴(kuò)散過程。當(dāng)GCE表面修飾Ag@C后，其EIS譜中半圓的直徑和裸電極相比顯著減小，表明K3[Fe(CN)6]與電極表面間的電子傳遞速率被加快，而當(dāng)電極表面修飾Ag@C@Ag后，EIS譜中半圓的直徑進(jìn)一步顯著減小。所以，Ag@C@Ag修飾膜的存在能夠極大增加電子轉(zhuǎn)移速度，這可能是由納米結(jié)構(gòu)Ag@C@Ag的表面性質(zhì)決定的。

用K3[Fe(CN)6]分子做探針，采用計時庫侖法對裸GCE、Ag@C/GCE和Ag@C@Ag/GCE的有效電極面積進(jìn)行測定。測試條件如下：起始電位0.5 V，終止電位0.25 V，脈沖寬度0.25 s，步數(shù)為1，采樣間隔為2.5×10-4s。通過Anson方程[15]：

(1)

式中,c為K3[Fe(CN)6]的濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)(1.0 mol/L KCl中10 mmol/L K3[Fe(CN)6]的擴(kuò)散系數(shù)為7.6×10-6cm2/s)；n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)；Qdl表示雙電層電量，可以通過扣除背景將其消除；Qads為法拉第電量，其他符號按其常規(guī)意義。

三種電極均表現(xiàn)出Q-t1/2良好的線性關(guān)系。根據(jù)Q-t1/2曲線的斜率，可以得出裸GCE的比表面積為0.095 cm2，Ag@C/GCE的比表面積為0.196 cm2，Ag@C@Ag/GCE的比表面積為0.366 cm2。所以，電極修飾Ag@C@Ag納米材料后的有效表面積明顯增加，對鄰苯基苯酚的富集能力隨之變強(qiáng)，進(jìn)而電流響應(yīng)得到提高。

2.3 鄰苯基苯酚在Ag@C@Ag修飾電極上的電化學(xué)行為研究

采用微分脈沖伏安法(DPV)對鄰苯基苯酚在不同電極表面的電化學(xué)行為進(jìn)行了研究。圖5給出了鄰苯基苯酚在pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖液中的DPV曲線。5.0 μmol/L鄰苯基苯酚在裸GCE表面有一個小的氧化峰(曲線a)，峰電流為0.135 μA，峰電位為0.67 V，表明鄰苯基苯酚在裸GCE表面的氧化活性較差。在Ag@C/GCE表面(曲線b)，鄰苯基苯酚的氧化峰電流顯著增加到0.341 μA，說明Ag@C對鄰苯基苯酚有較強(qiáng)的富集能力。很顯然，一個大且形狀良好的氧化峰出現(xiàn)在Ag@C@Ag修飾電極表面(曲線c)，峰電流為0.615 μA，峰電位為0.65 V。因此，Ag@C@Ag對鄰苯基苯酚的氧化展現(xiàn)出更為卓越的增強(qiáng)效應(yīng)。有兩個原因：首先，碳?xì)ど系暮趸鶊F(tuán)可能與鄰苯基苯酚上的-OH形成氫鍵，可以作為電子傳遞的中介，它本質(zhì)上有助于減弱羥基鍵能和促進(jìn)電子通過O-H-O轉(zhuǎn)移。此外，電極表面修飾的Ag@C@Ag含氧豐富，帶有負(fù)電荷，而在pH=5.0的介質(zhì)中鄰苯基苯酚是以質(zhì)子化的形式存在。因此，Ag@C@Ag和質(zhì)子化鄰苯基苯酚之間的靜電作用使鄰苯基苯酚更容易富集在Ag@C@Ag表面。除此之外，空白溶液在Ag@C@Ag/GCE上的DPV曲線是平滑的(曲線d)，這證明在0.65 V的峰為鄰苯基苯酚，且該峰的峰電流值可以作為定量檢測鄰苯基苯酚的信號?？傊?，Ag@C@Ag薄膜對鄰苯基苯酚的氧化表現(xiàn)出強(qiáng)烈的信號增強(qiáng)效應(yīng)，大大提高了鄰苯基苯酚的檢測靈敏度。

2.4 鄰苯基苯酚的電化學(xué)氧化機(jī)理

在pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖溶液中，運用循環(huán)伏安法(CV)研究了掃描速度對0.1 mmol/L鄰苯基苯酚氧化峰電流和峰電位的影響。研究發(fā)現(xiàn)，峰電流(Ip，μA)隨著掃描速率(v，mV/s)在25～350 mV/s 范圍內(nèi)呈線性增加，線性方程為：Ip=(1.135±0.037)+(0.703±0.037)v1/2(r2=0.992)，表明鄰苯基苯酚的氧化是受擴(kuò)散控制的過程。此外，峰電位(Ep，V)隨掃描速度的增加按照方程:Ep=(0.593±0.006)+(0.0264±0.001)lnv(r2=0.995)逐漸正移，進(jìn)一步揭示了鄰苯基苯酚在Ag@C@Ag/GCE上的氧化是不可逆的。

根據(jù)Laviron’s方程，對于一個受擴(kuò)散控制且完全不可逆的電極過程，Ep和v的關(guān)系符合以下公式：

(2)

其中，α為電子轉(zhuǎn)移系數(shù)；k0為電極反應(yīng)的速率常數(shù)(s-1)；n為速控步驟的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；E0′為式量電位(V)，其他符號按其常規(guī)的意義。

因此，根據(jù)Ep和lnv線性關(guān)系的斜率可以很容易的求出αn的值。在該實驗中，計算的αn的值為0.49。對于完全不可逆的電子轉(zhuǎn)移過程，α常取0.5，因此，有一個電子參與鄰苯基苯酚的電化學(xué)氧化。所以，鄰苯基苯酚在Ag@C@Ag修飾電極上的電化學(xué)氧化是發(fā)生在-OH上的1電子參與的氧化過程。

2.5 鄰苯基苯酚的電化學(xué)檢測

作為伏安分析的關(guān)鍵因素，研究了pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖溶液中，Ag@C@Ag修飾電極上測定鄰苯基苯酚的線性關(guān)系(圖6)。鄰苯基苯酚的氧化峰電流與其濃度在0.08～35.0 μmol/L之間呈良好的線性關(guān)系(圖5的內(nèi)插圖)：Ip=(0.148±0.0552)+(0.0973±0.00322)c(r2=0.995)。60 s開路富集后，得到測定鄰苯基苯酚的檢出限(S/N=3)為13.6 nmol/L。結(jié)果表明，該修飾電極是電化學(xué)檢測鄰苯基苯酚的良好平臺。在該實驗中，我們發(fā)現(xiàn)Ag@C@Ag修飾電極不能用于鄰苯基苯酚的連續(xù)測定，因為鄰苯基苯酚的氧化峰電流會持續(xù)下降，因此它只能用于單次測量。通過多根Ag@C@Ag修飾電極對5.0 μmol/L鄰苯基苯酚氧化峰電流的平行測定研究了該電極的重現(xiàn)性，結(jié)果10根Ag@C@Ag修飾電極測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.8%，說明此方法具有良好的重現(xiàn)性和測試準(zhǔn)確性。

2.6 實際樣品分析

為了研究這種新方法的實際應(yīng)用能力，用該傳感器檢測了醬油、食醋和酸奶等樣品中鄰苯基苯酚的含量。在5 mL pH=5.0檸檬酸-Na2HPO4緩沖溶液中加入100 μL的實際樣品，在攪拌下開路富集60 s后記錄0.2～1.1 V的伏安曲線。在這三個樣品中檢測到微量鄰苯基苯酚的存在(表1)。此外，向這三種樣品中繼續(xù)添加鄰苯基苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行加入回收實驗，加標(biāo)回收率在94.6%～106%之間。同時運用高效液相色譜法(HPLC)對在樣品中添加的鄰苯基苯酚的量進(jìn)行測定，結(jié)果表明用高效液相色譜得到的結(jié)果和用Ag@C@Ag修飾電極得到的結(jié)果高度一致，表明這種新方法是準(zhǔn)確可行的。

表1 鄰苯基苯酚在食醋、醬油和酸奶三種樣品中的加標(biāo)回收實驗

3 結(jié)論

成功地制備了Ag@C@Ag核殼型納米材料，并用XRD、SEM、TEM對其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。由于Ag@C@Ag修飾電極具有高的富集效率和催化活性，可以極大地提高鄰苯基苯酚的氧化信號，基于此，構(gòu)建了Ag@C@Ag電化學(xué)傳感器，詳細(xì)研究了鄰苯基苯酚在該傳感器上的電化學(xué)行為和氧化機(jī)理。對實際樣品的測定結(jié)果表明該傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。