基于納米材料構建電化學傳感器對水產品中敵草隆的檢測

毛慎 朱雪婷 劉克勤 操小棟 葉永康

摘要[目的]構建一種電化學傳感器，用于水產品中敵草隆的檢測。[方法]將氨水和肼作為還原劑，通過一步法合成了氯化血紅素功能化的還原氧化石墨烯復合納米材料，采用安培響應法分析敵草隆在納米復合材料修飾玻碳電極上的電化學行為。[結果]該傳感器可在磷酸鹽緩沖溶液（ 0.1 mol/L，pH 7.4）中，-0.35 V（ vs.Ag/AgCl）電位下通過電流法檢測敵草隆含量，線性范圍為6.00×10-12～3.24×?10-10 mol/L，檢測限低至1.09 ×10-12 mol/L（S/N=3），選擇性令人滿意，并且表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。[結論]該傳感器可用于確定水產品中敵草隆的存在，具有良好的應用前景。

關鍵詞電化學傳感器;氯化血紅素;還原氧化石墨烯;敵草隆;安培電流法

中圖分類號TS?207.5+3文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）18-0198-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.054

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Detection of Diuron in Aquatic Products Based on Nano-materials Constructed Electrochemical Sensors

MAO Shen， ZHU Xue-ting， LIU Ke-qin et al

（School of Food Science and Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， Anhui 230009）

Abstract[Objective]The research aimed to construct an electrochemical sensor for the detection of diuron in aquatic products.[Method]The hemin-functionalized graphene oxide （Hemin-rGO） composite was synthesized by one-pot method with ammonia solution and hydrazine solution as reducing agents.Electrochemical behavior of diuron on nanocomposite modified glassy carbon electrode was analyzed by amperometric response method. [Result]The sensor was applied in the amperometric determination of diuron at -0.35 V （vs. Ag/AgCl） in a phosphate buffer （ 0. 1 mol/L，pH 7.4）with a linear range from 6.00 × 10-12 mol/L to 3.24 × 10-10 mol/L， detection limit as low as 1.09 × ?10-12 mol/L （S/N=3）. The sensor also showed satisfactory selectivity with good repeatability and stability. [Conclusion]The sensor can be used to determine the presence of diuron in aquatic products and has a good application prospect.

Key wordsElectrochemical sensor;Hemin;Reduced graphene oxide;Diuron;Amperometric current method

由于農業(yè)中農藥的大量使用，使得中國的許多水域受到了農藥的污染，對人們的飲食健康造成了巨大的影響。敵草隆是一種內分泌干擾物質，接觸身體后會對自身的健康產生危害[1]，如腫瘤及增生[2-3]。近年來，法國、荷蘭、日本、馬來西亞和熱帶河流中陸續(xù)在水體中檢測到了敵草隆[4-5]。

血紅素家族中的氯化血紅素（Hemin）因其廉價和穩(wěn)定性而被廣泛使用，如Hemin可作為基于Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）氧化還原對的電子媒介，具有良好的電催化活性[6-7]。然而，直接應用氯化血紅素作為催化劑會導致鈍化，這是由于Hemin微溶于水并產生無活性二聚體的分子聚集。近年來，由于石墨烯納米材料比表面積大、導電性好，在傳感器領域方面受到了極大的關注[8]。通過化學鍵π-π相互作用制備的Hemin功能化的還原氧化石墨烯（Hemin-rGO）復合納米材料，從而可以引入生物化學傳感領域。

筆者制備了Hemin-rGO納米材料修飾的玻碳電極（GCE），分析了敵草隆在修飾電極上的電化學響應，進一步優(yōu)化了傳感器的電催化性能，并將所制備的修飾電極應用于實際樣品中敵草隆的測定。

1材料與方法

1.1試驗材料

Hemin，美國Sigma-Aldrich;敵草隆、水合肼，上海國藥集團上?；瘜W試劑有限公司;氧化石墨，南京吉倉納米科技有限公司;氫氧化鈉、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀、98%濃硫酸、98%硝酸、鹽酸、高錳酸鉀、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、無水乙醇、氯化鉀，國藥集團化學試劑有限公司;透析袋，MW為7000，Biosharp生物科技有限公司;花蛤樣品購于本地超市。

CHI 660D電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）;場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SU8020，日本JEOL）;紫外-可見光分光光度計（UNICO，尤尼柯上海儀器有限公司）。試驗用水均為超純水。

1.2試驗方法

1.2.1

Hemin-rGO復合材料的制備。根據(jù)以前的制備方案[9]，在攪拌下將10 mL 0.5 mg/mL氧化石墨烯懸浮液與?10 mL 0.5 mg/mL Hemin（溶于0.1 mol/L NaOH 中）、100 μL氨（28%）混合。然后加入20 μL肼（25%），劇烈攪拌混合物30 min后，將復合物置于60 ℃水浴鍋中反應24 h。將得到的黑色分散液離心分離，洗滌數(shù)次，干燥得到Hemin-rGO粉末。不添加Hemin制備rGO作為對照。

1.2.2

Hemin-rGO修飾的GCE的制備。將Hemin-rGO（?5 μL，0.5 mg/mL）溶液滴涂在預處理過的GCE上，室溫干燥后，用水淋洗數(shù)次以徹底除去未被吸附的Hemin-rGO。按照相同的步驟制備rGO修飾的GCE。制備的傳感器保存在4 ℃下。

1.2.3實際樣品的前處理。樣品預處理方法按照國標?GB/T 5009.206—2016[10]。將花蛤樣品用水洗凈后用濾紙吸干，分解出肌肉部分，稱量后將各組織剪碎，充分均質。準確稱量樣品10.0 g放入50 mL離心管中，加入11 mL ?0.5%乙酸溶液（V/V），攪拌均勻后，置于沸水浴中10 min，并持續(xù)攪拌以避免結塊。冷卻至室溫后，20 000 g高速離心20 min，收集離心后的上清液于25 mL容量瓶中。向沉淀物中加入?11 mL ?0.5%乙酸溶液，均勻攪拌后，置于沸水浴中5 min，攪拌避免結塊。冷卻至室溫，20 000 g高速離心20 min，移取上清液。合并上清液，攪拌均勻后用0.5%乙酸溶液定容至?25 mL。此提取液1 mL相當于0.4 g試樣。

1.2.4

電化學測量。采用安培響應（i-t）檢測，底液為N2飽和的5.0 mL磷酸鹽緩沖液（PBS 0.1 mol/L，pH 7.4），工作電位為-0.35 V（vs.Ag/AgCl）。試驗過程中，在除氧條件下達到穩(wěn)態(tài)電流后，在攪拌下連續(xù)加入敵草隆進行測量。

2結果與分析

2.1Hemin-rGO 復合材料的表征

以SEM表征GO、rGO和Hemin-rGO的形態(tài)。如圖1所示，與典型的GO（圖1A）和rGO（圖1B）具有卷邊的片狀形狀相比，Hemin-rGO（圖1C）沒有明顯差異。GO、rGO、Hemin和Hemin-rGO的紫外可見光譜如圖2所示。從圖2可看出，GO的最大吸收峰在?250 nm處，這是由于芳香族C=C鍵的π-π*躍遷。rGO和Hemin-rGO分別在280和275 nm存在吸收峰，與GO吸收峰相比，分別發(fā)生了30和25 nm的紅移，表明在rGO和Hemin-rGO中都存在著rGO的形成和sp2結構的恢復。Hemin溶液由于Hemin的Soret帶，在394 nm處有最大吸收峰;而Hemin-rGO在418 nm處的特征吸收為Soret帶的24 nm紅移，表明rGO和hemin之間發(fā)生強烈的π-π堆積相互作用并形成Hemin-rGO。深黑色的Hemin-rGO懸浮液可在4 ℃下穩(wěn)定數(shù)月，由于Hemin和rGO之間存在π-π相互作用，其具有良好的分散性。

2.2傳感器組裝電化學表征

電化學交流阻抗法（EIS）是對電極表面性能研究的有效方法，它能夠直觀地展示出不同修飾電極中的電阻變化。在EIS中，較高頻率的半圓部分和較低頻率的線性部分分別對應于電子限制過程和擴散限制過程，并且半圓直徑等于電荷轉移電阻（R?ct），結果顯示如圖3A所示，曲線a表明裸GCE在高頻下呈現(xiàn)出小的半圓，阻抗大約為109.2 Ω;rGO/GCE的電阻顯著降低，其電阻值約為58.1 Ω，這是可能因為rGO增加了電極的比表面積，加速了電子的轉移;而Hemin-rGO/GCE的R?ct值顯著增加，約為353.4 Ω，原因可能是Hemin作為惰性電子層，會阻礙電子的轉移。EIS的結果表明，在對氧化石墨烯一步法修飾、還原過程中，Hemin成功修飾在rGO納米片的表面，電化學生物傳感器制備成功。同樣，通過循環(huán)伏安法（CV）的氧化/還原過程的峰電位與峰電流值的變化，可以驗證rGO和Hemin-rGO在GCE上的修飾狀態(tài)，與EIS結果相互印證。

2.3試驗條件優(yōu)化

為了獲得試驗的最佳條件，分別對Hemin濃度、底液pH、安培響應的工作電位進行優(yōu)化。結果發(fā)現(xiàn)，最佳試驗條件為Hemin濃度為0.25 mg/mL，底液pH為?7.4，檢測敵草隆的最佳工作電位為-0.35 V。

2.4Hemin-rGO/GCE對敵草隆的線性檢測范圍

在最優(yōu)的條件下，Hemin-rGO/GCE傳感器對于不同濃度敵草隆安培響應的i-t結果如圖4所示。傳感器的安培響應速率很快，在2 s內就幾乎達到了95%的穩(wěn)態(tài)電流。然后每隔20 s依次向體系內注入不同濃度的敵草隆，可以看出隨著敵草隆濃度的增加，響應電流也逐漸增加。穩(wěn)態(tài)電流與敵草隆濃度在6.00×10-12～3.24×10-10 mol/L呈良好的線性關系（圖5），檢測下限為1.09×10-12 mol/L（S/N=3）。

2.5傳感器的選擇性

為了評估傳感器的選擇性，選擇了比所測敵草隆濃度高50倍的7種干擾物（氯化鈉、乙二胺四乙酸、硫酸鉀、苯胺、硝酸鉀、馬拉吡蟲啉、硫磷），結果如圖6所示。觀察到干擾物在電極上無顯著電流響應，表明Hemin-rGO/GCE對于敵草隆的測定有較好的選擇性。

2.6傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

使用同批Hemin-rGO/GCE測量7次同種濃度的敵草隆（5×10-11 mol/L），計算得到的RSD值僅為2.3%，表明該傳感器的重復性較好。同一根Hemin-rGO/GCE放置在4 ℃的冰箱中9 d后，對5×10-11 mol/L敵草隆進行測量，結果顯示電流響應僅比原始響應降低了?9.0%，表明該傳感器有較好的穩(wěn)定性。

2.7水產品中敵草隆的檢測

使用所制備的Hemin-?rGO/GCE對水產品中（花蛤）的敵草隆含量進行檢測。在最優(yōu)的條件下，將樣品注入電解池記錄其安培響應變化。利用標準加入法驗證電化學測定敵草隆的準確性。相應的結果見表1，電化學測定回收率為93.50%～106.40%。

3結論與討論

在該研究中，采用SEM和UV-vis表征了一步法制備合成的Hemin-rGO納米復合材料，并成功構建Hemin-rGO/GCE應用于敵草隆的測定。該納米復合材料具有優(yōu)異的電催化性能，采用安培響應i-t的檢測方法，在優(yōu)化的試驗條件下，Hemin-rGO/GCE對敵草隆檢測的線性范圍為6.00×?10-12～3.24×10-10 mol/L，檢測限低至1.09×10-12 mol/L。該電化學傳感器制備簡便、靈敏度高、重現(xiàn)性及穩(wěn)定性好，為水產品的檢測提供了可應用的工具。

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