二氧化鋯/石墨烯復(fù)合材料對(duì)亞硝酸鹽的電化學(xué)傳感研究

陜多亮+王永蘭+王艷鳳+盧小泉

摘要制備了一種二氧化鋯/還原氧化石墨烯（ZrO2NPs/rGO）復(fù)合材料修飾電極的亞硝酸鹽電化學(xué)傳感器，并成功用于亞硝酸鹽的檢測(cè)。采用循環(huán)伏安法和電流時(shí)間曲線考察了修飾電極的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZrO2NPs/rGO復(fù)合材料修飾電極對(duì)亞硝酸鹽具有良好的電流響應(yīng)。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，電流時(shí)間曲線中的電流響應(yīng)信號(hào)與亞硝酸鹽濃度在3.0×10 7～1.0×10 6mol/L和1.0×10 6～6.0×10 6mol/L的范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為1.0×10 7mol/L（S/N3）。該傳感器靈敏性高、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好。使用此傳感器檢測(cè)實(shí)際樣品香腸中的亞硝酸鹽的回收率為93.7%～110.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.6%～2.1%。

關(guān)鍵詞二氧化鋯；還原氧化石墨烯；亞硝酸鹽；電化學(xué)傳感器

1引言

亞硝酸鹽是廣泛存在于自然環(huán)境中的一種化學(xué)物質(zhì)，常用于食品工業(yè)中作為食品添加劑，如著色劑、防腐劑等；糧食與蔬菜等食品中都含有一定量的亞硝酸鹽[1]。亞硝酸鹽含量在食用安全范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)人體造成的傷害較輕，但過量的亞硝酸鹽會(huì)進(jìn)入人體血液，將含F(xiàn)e（II）的正常血紅蛋白氧化為含F(xiàn)e的高鐵血紅蛋白，使得正常血紅蛋白失去攜氧能力，導(dǎo)致組織出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，嚴(yán)重者可導(dǎo)致貧血[2]。除此之外，在生物體內(nèi)，亞硝酸鹽還能與仲胺、叔胺和酰胺等反應(yīng)，生成強(qiáng)致癌物亞硝胺[3]。因此，測(cè)定亞硝酸鹽含量已成為食品安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域重要的項(xiàng)目之一。目前有關(guān)測(cè)定亞硝酸鹽的方法主要有色譜法[4]、分光光度法[5]、熒光光度法[6]、化學(xué)發(fā)光法[7]、電化學(xué)方法[8]等。相比以上檢測(cè)方法，電化學(xué)方法具有便攜性良好、響應(yīng)速度快、成本低、可實(shí)時(shí)檢測(cè)、操作方便等優(yōu)勢(shì)。但是，NO 2還原電位過負(fù)，直接測(cè)定有困難[9]，本研究選用納米復(fù)合材料修飾電極的方法檢測(cè)亞硝酸鹽。

近年來，石墨烯常用作電化學(xué)傳感器的基底材料。如Yi等[10]將石墨烯與SiO2納米粒子結(jié)合，構(gòu)建了檢測(cè)對(duì)氯苯酚的電化學(xué)傳感器；Zhou等[11]將石墨烯和SnO2納米粒子結(jié)合，構(gòu)建了有機(jī)磷農(nóng)藥的電化學(xué)傳感器；Teymourian等[12]采用一鍋法制備了ZrO2NPs/rGO納米復(fù)合材料，用于同時(shí)分離抗壞血酸、多巴胺和尿酸。這是因?yàn)槭┚哂袃?yōu)良的導(dǎo)電性（200000cm2/Vs）[13]、化學(xué)穩(wěn)定性[14]及比表面積大（2600m2/g）＼[15]，超薄的晶體厚度（0.335nm）等特點(diǎn)[16～18]。二氧化鋯納米粒子是同時(shí)具有酸性和堿性、氧化性和還原性的過渡金屬氧化物[19，20]，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[21，22]。

本研究采用一步法制備了ZrO2NPs/rGO復(fù)合材料修飾電極，一方面利用rGO比表面積大、導(dǎo)電性優(yōu)異等特點(diǎn)；另一方面利用二氧化鋯的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，構(gòu)建了亞硝酸鹽的電化學(xué)傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZrO2NPs/rGO復(fù)合材料修飾電極對(duì)亞硝酸鹽具有良好的電流響應(yīng)。此外，此修飾電極表現(xiàn)出寬的線性范圍，低的檢測(cè)限，高的靈敏度，良好的重現(xiàn)性和選擇性。本方法是一種簡(jiǎn)便、靈敏、選擇性高的檢測(cè)方法，在電化學(xué)傳感平臺(tái)具有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

JEOLJSM6701F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（德國(guó)蔡司公司），DF101S恒溫磁力攪拌器（鄭州長(zhǎng)城科貿(mào)有限公司），DZF6020真空干燥箱（上海一恒科技有限公司），VMP2多通道電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)（美國(guó)Princeton儀器公司），CHI660C電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）。天然石墨粉（分析純，北京吉安信有限公司），氯氧化鋯（分析純，北京試劑化學(xué)品有限公司），NaNO3、NaNO2（分析純，北京試劑化學(xué)品有限公司），實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)使用三電極體系，玻碳電極（直徑3mm）或修飾的玻碳電極作為工作電極，鉑絲為對(duì)電極，Ag/AgCl電極為參比電極。

2.2修飾電極的制備

本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨烯[23～25]。稱取1.0g石墨粉于250mL燒杯中，加入0.5gNaNO3。在冰浴中混合并攪拌。緩慢加入23.0mL濃H2SO4，攪拌30～40min。強(qiáng)力攪拌下，加入3.0gKMnO4，溫度保持在20℃，5min后，加熱30min至60℃。逐滴加入46mL超純水，攪拌至塊狀物完全分散。將水浴溫度調(diào)至95℃，攪拌15min，繼續(xù)加入40mL3%H2O2。當(dāng)溶液變?yōu)榱咙S色后，加入50mL5%HCl，攪拌，靜置，取沉淀。用超純水洗至中性。加入超純水1000mL，超聲約8h后離心，取沉淀，60℃下干燥。

修飾電極前，首先將玻碳電極用0.30和0.05μm的氧化鋁粉依次打磨拋光，超純水沖洗數(shù)次，隨后將處理后的電極于乙醇和超純水中超聲清洗5min。為獲得較穩(wěn)定的修飾電極，將上述處理過的玻碳電極進(jìn)行電化學(xué)活化。在0.5mol/LH2SO4溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，電位范圍為 0.1～+1.0V，掃描速度為50mV/s，直到獲得穩(wěn)定的循環(huán)伏安掃描曲線?；罨蟮牟Ｌ茧姌O用無水乙醇、超純水依次沖洗數(shù)次，并用N2吹干以備用。

參考文獻(xiàn)＼[26＼]制備了ZrO2/rGO納米復(fù)合材料修飾電極。如圖1，取2.5μL已制備的0.1mg/mL氧化石墨烯涂于干凈的玻碳電極表面，在室溫下自然晾干，再將此過程重復(fù)3次，得到氧化石墨烯修飾電極。將氧化石墨烯修飾電極浸到0.1mol/LKCl溶液（含5.0mmol/LZrOCl2）中，用循環(huán)伏安法將ZrO2沉積在氧化石墨烯修飾電極表面，電位范圍為0～ 1.5V，掃速為50mV/s，沉積8圈，即得到ZrO2/rGO復(fù)合材料修飾電極。修飾電極用超純水沖洗數(shù)次，自然晾干。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI832電化學(xué)工作站上完成，采用傳統(tǒng)的三電極體系：直徑3.0mm的裸玻碳或玻碳修飾電極作為工作電極，0.5mmPt絲作為對(duì)電極，Ag/AgCl（飽和KCl）電極作為參比電極。所有實(shí)驗(yàn)在室溫（（20±2）℃））下進(jìn)行。

2.4實(shí)際樣品預(yù)處理[27]

取10g粉碎的香腸和沙土混合，攪拌成泥漿，樣品充分混合后，2轉(zhuǎn)移到100mL燒杯中，并向其中加入12.5mL硼砂飽和溶液。將樣品溶液轉(zhuǎn)移到500mL燒杯中，加入300mL水后，加熱到70℃，再放置在95～100℃的水浴中加熱15min。待冷卻至室溫后，向其中加入5mL亞鐵氰化鉀溶液，并不斷搖晃。加入5mL醋酸鋅溶液，目的是沉淀蛋白質(zhì)。將混合溶液加入水中，靜置0.5h，過濾，收集上清液30mL待測(cè)。

3結(jié)果與討論

3.1材料的表征

裸玻碳電極的電鏡圖SEM照片如圖2A所示，電極表面潔凈平整。在圖2B可見到一層輕薄的、充滿褶皺的薄膜，此為純的氧化石墨烯的特征。圖2C為ZrO2NPs/rGO修飾電極的SEM照片。以此說明所制備的ZrO2NPs/rGO修飾電極表面的形貌。二氧化鋯納米粒子大小均一且附著在石墨烯片層上。

從圖3可見，制備的氧化石墨烯出現(xiàn)兩個(gè)特征吸收峰。225nm處的峰歸因于ππ*〖JG（（C〖ZJLX，YC）〖JG）躍遷，300nm處的峰歸因于nπ*〖JG（（C〖ZJLX，YO）[28]〖JG）。這說明已經(jīng)成功制備了氧化石墨烯。

〖CM（42采用電化學(xué)法制備ZrO2/rGO修飾電極的電沉積過程如圖4所示[29]。在沉積過程中，第一圈〖CM）處的還原峰對(duì)應(yīng)于ZrOCl2被還原為ZrO2， 1.20V處的還原峰歸因于氧化石墨烯含氧官能團(tuán)被還原的過程。

以氧化還原電子對(duì)Fe（CN）3 /4 6為探針，用循〖CM（21*2環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜表征了不同復(fù)合材料修〖CM）

〖

飾電極的表面性能。如圖5A是裸玻碳電極（a）、rGO修飾電極（b）、ZrO2NPs/rGO修飾電極（c）在5mmol/LFe（CN）3 /4 6溶液中的循環(huán)伏安圖。玻碳電極表面修飾rGO后，峰電流較裸電極增大，當(dāng)ZrO2修飾到rGO修飾電極表面時(shí)，峰電流進(jìn)一步增大。說明電子在復(fù)合材料ZrO2NPs/rGO表面轉(zhuǎn)移較快。

圖5B是裸玻碳電極（a）、rGO修飾電極（b）、ZrO2NPs/rGO修飾電極（c）在5mmol/LFe（CN）3 /4 6溶液中的Nyquist圖。裸玻碳電極、rGO修飾電極和ZrO2NPs/rGO修飾電極的阻抗值分別為102.2，75.9和59.8Ω。結(jié)果表明，將ZrO2NPs和rGO修飾到電極上，可以加速電子轉(zhuǎn)移。

3.2亞硝酸鹽在ZrO2NPs/rGO復(fù)合材料修飾電極上的電化學(xué)行為

本實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)伏安法考察了ZrO2NPs/rGO修飾電極對(duì)亞硝酸鹽的電化學(xué)響應(yīng)。圖6是裸玻碳電極（b）、rGO修飾電極（c）、ZrO2NPs/rGO修飾電極（d）在1.0mmol/LNaNO2溶液（支持電解質(zhì)為0.1mol/L磷酸鹽緩沖溶液）中的循環(huán)伏安圖。從圖6可見，在+0.7～+1.6V電位區(qū)間，裸玻碳電極在PBS溶液中（a）無氧化峰出現(xiàn)，而裸玻碳電極和兩種修飾電極在加入NO 2的PBS溶液中都出現(xiàn)了氧化峰。相比之下，用ZrO2NPs/rGO修飾電極檢測(cè)NO 2時(shí)其峰電流明顯增大。原因可能有以下幾個(gè)方面：rGO是一種導(dǎo)電性良好的材料，加快了復(fù)合材料表面電子的傳遞；rGO具有大的比表面積；ZrO2帶有正電荷，可以通過靜電作用吸附帶負(fù)電荷的NO 2[30]，因此增強(qiáng)了修飾電極的電流響應(yīng)。

3.3優(yōu)化條件2

沉積不同圈數(shù)ZrO2NPs后得到的復(fù)合材料修飾電極對(duì)NO 2氧化峰電流影響見圖7。在沉積ZrO2NPs

過程中同時(shí)還原氧化石墨烯。隨著沉積圈數(shù)增加，NO 2的氧化峰電流也逐漸增大。當(dāng)沉積圈數(shù)達(dá)到8圈時(shí)，NO 2的氧化峰電流達(dá)到最大值，然后隨著沉積圈數(shù)的增加，峰電流減小。這說明當(dāng)沉積8圈ZrO2NPs時(shí)，制備的復(fù)合材料修飾電極對(duì)NO 2的電流響應(yīng)最好。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇沉積ZrO2NPs的圈數(shù)為8圈。

圖8是ZrO2NPs/rGO修飾電極在含有NO 2的不同pH值溶液（Na2HPO4H3PO4）中的峰電流響應(yīng)圖。本實(shí)驗(yàn)選取的支持電解質(zhì)溶液為PBS溶液，并用H3PO4調(diào)節(jié)其pH值。隨著pH值增加，NO 2的氧化峰電流逐漸增大，當(dāng)pH>4.5時(shí)，NO 2的峰電流隨pH值的增大而減小，在pH4.5時(shí)，峰電流響應(yīng)表現(xiàn)出最大值，所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇溶液的pH=4.5。3.4不同濃度的NO 2在ZrO2NPs/rGO復(fù)合材料修飾電極上的電化學(xué)行為

用計(jì)時(shí)電流法測(cè)試了ZrO2NPs/rGO修飾電2極對(duì)不同濃度NO 2的響應(yīng)。如圖9所示，在3.0×10 7～1.0×10 6mol/L時(shí)，ip=0.3104+11.803C（R=0.9902）；在1.0×10 6～6.0×10 6mol/L時(shí)，ip= 1.072+89.646C（R=0.9975）。檢出限（S/N=3）為1.0×10 7mol/L，說明此傳感器具有較高的靈敏度。

3.5傳感器的選擇性和穩(wěn)定性研究

〖CM（42為了研究傳感器的選擇性，選擇了一些共存無機(jī)離子Ca2+＼，Mg2+＼，K+＼，SO2 4＼，CO2 3＼，NO 3作為干擾〖CM）

物，其濃度為NO 2的20倍。研究表明，上述干擾物對(duì)NO 2測(cè)定幾乎無影響，可以忽略不計(jì)。

說明本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳感器具有良好的選擇性?！糧H（

復(fù)合材料修飾電極的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。此修飾電極在室溫下儲(chǔ)存10天后檢測(cè)NO 2，發(fā)現(xiàn)傳感器能保持原始電流響應(yīng)的93.6%，說明此傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

3.6實(shí)際樣品檢測(cè)

采用加標(biāo)回收法對(duì)香腸中的亞硝酸鹽進(jìn)行檢測(cè)。香腸樣品需進(jìn)行預(yù)處理。檢測(cè)結(jié)果見表1，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于3.0%，表明本方〖ZH）法可用于香腸樣品中亞硝酸鹽的檢測(cè)，并可進(jìn)一步應(yīng)用于其它樣品中亞硝酸鹽的檢測(cè)。

上述結(jié)果表明，此傳感器具有檢出限低、線性范圍寬、響應(yīng)速度快、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本方法操作簡(jiǎn)單，成本低，具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)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）