基于CdS∶Mn敏化TiO2納米管的光電化學(xué)傳感器用于硫酸鹽還原菌的檢測(cè)

賀子君, 毛一丹, 譚學(xué)才, 黃在銀*

(廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西高校食品安全與藥物分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530006)

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Working mechanism of the fabricated PEC sensing platform

光活性材料在構(gòu)筑PEC傳感器中扮演著非常重要的作用。TiO2[21-23]、ZnO[24,25]、C3N4[26-28]、CdSe[29]、Al2O3[30]、SnO2[31]及Bi2S3[32]等都是具有優(yōu)良性能的半導(dǎo)體材料，這些光電活性材料都具有較好的光電流響應(yīng)[33]。目前，已有報(bào)道使用ZnO材料制備PEC傳感器用于SRB的檢測(cè)[3]。值得注意的是，由于TiO2制備成本低且具有很好的光穩(wěn)定性，它也是目前研究最多并且最成熟的一種材料[34,35]，但是這種材料尚未被用于SRB的實(shí)時(shí)快速檢測(cè)。本文提出了一種基于二氧化鈦納米管(TiO2-NTs)材料構(gòu)筑的PEC傳感平臺(tái)，并應(yīng)用于SRB的實(shí)時(shí)快速檢測(cè)，其原理見圖1。在這一策略中，CdS∶Mn納米晶的生物合成作為檢測(cè)過程中的特征反應(yīng)。不同含量的CdS∶Mn納米晶會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不同的光電流響應(yīng)，且呈現(xiàn)線性關(guān)系。我們?cè)O(shè)計(jì)的PEC傳感平臺(tái)具有較高的靈敏度、良好的選擇性和重現(xiàn)性，為SRB的實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了廣闊的前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

7ILX150A氙燈光源(北京賽凡光電儀器有限公司)；CHI-660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；SU8010場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本，日立高新科技有限公司)；ESCALAB 250xi X射線光電子能譜儀(美國(guó)，Thermo Fischer公司)。

鈦片(純度99.7%，厚度0.127 nm)，殼聚糖(純度≥75%)(美國(guó)Sigma公司)；Cd(NO3)2·4H2O、Mn(Ac)2·4H2O、40%HF溶液、甲醇(南京化學(xué)試劑有限公司)；丙酮、乙醇、抗壞血酸(AA)(上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司)；磷酸鹽緩沖溶液(PBS,0.1 mol/L,pH=7.4)、大豆蛋白胨、牛肉提取物、NaCl、瓊脂粉、NaOH和超純水(福州飛凈生物科技有限公司)。

1.2 光電材料的制備及電極修飾

1.2.1 TiO2-NTs的制備將鈦片剪成0.5 cm×2 cm大小，用2 000目細(xì)砂紙打磨光滑，用水沖洗后分別于丙酮、乙醇和水中各超聲10 min，N2氣氛下干燥。將鈦片0.5 cm×0.5 cm的部分浸泡在0.5%的HF溶液中，使用直流電源，鈦片接電源正極，鉑片接電源負(fù)極，通過陽(yáng)極氧化法(20 V、10 A)氧化20 min，用水沖洗干凈，于450 ℃下煅燒1 h，即得TiO2-NTs材料。

1.2.2 TiO2-NTs/Cd∶Mn電極的制備將制備的TiO2-NTs材料浸泡在1%的殼聚糖溶液中30 min，殼聚糖作為交聯(lián)劑，用水沖洗三次。采用連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)(SILAR)法將Cd2+和Mn2+負(fù)載于TiO2納米陣列管材料表面，分別將材料浸泡于0.1 mol/L的Cd(NO3)2甲醇溶液和0.08 mol/L的Mn(Ac)2甲醇溶液中各5 min，循環(huán)操作6次，甲醇沖洗干凈，即得TiO2-NTs/Cd∶Mn電極。

1.3 菌種培養(yǎng)

SRB種子是從我國(guó)東海的海泥里分離出來的，純的SRB種子在改良的培養(yǎng)基(大豆蛋白胨5.0 g、牛肉膏3.0 g、NaCl 5.0 g、瓊脂粉15.0 g、水1.0 L，用6 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH=7.0) 中，于37 ℃培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)的SRB種子通過6 000 r/min離心分離30 min，并用0.1 mol/L的PBS(pH=7.4)洗滌。用改良的培養(yǎng)基依次稀釋SRB種子并用MPN法測(cè)定，使用美國(guó)檢驗(yàn)材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(D4412-84)進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，選擇革蘭氏陰性菌(假單胞菌和大腸桿菌)和革蘭氏陽(yáng)性菌(金黃色葡萄球菌和高溫芽孢桿菌)作為干擾菌種來驗(yàn)證傳感器的選擇性。

1.4 光電化學(xué)性能測(cè)試

為了驗(yàn)證傳感器對(duì)SRB分析檢測(cè)能力，在37 ℃培養(yǎng)了一系列濃度的SRB懸浮液(1.0×102～1.0×108CFU/mL)48 h。之后，各取5 mL的SRB培養(yǎng)液，15 000 r/min離心分離10 min來分離培養(yǎng)基和細(xì)菌細(xì)胞。將制備的TiO2-NTs/Cd∶Mn電極分別浸泡在分離的不同培養(yǎng)基中20 min，培養(yǎng)基產(chǎn)物H2S中的S2-和電極中Cd2+和Mn2+結(jié)合生成CdS∶Mn納米晶，所獲得的電極稱為TiO2-NTs/CdS∶Mn電極。將TiO2-NTs/CdS∶Mn電極作為工作電極，在室溫下進(jìn)行光電化學(xué)測(cè)試，電解質(zhì)溶液為含有0.1 mol/L抗壞血酸的PBS，抗壞血酸作為電子供體，使用前通氮?dú)?5 min。采用光譜范圍為200～2 500 nm的氙燈作為激發(fā)光源，每10 s切換一次。光電流測(cè)試在電化學(xué)工作站上完成，設(shè)置偏壓為0 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的性能表征

由TiO2-NTs的掃描電鏡(SEM)圖(圖2A)可見，高度有序的TiO2-NTs在鈦片上成功制備；當(dāng)負(fù)載CdS∶Mn之后(圖2B)，許多小顆粒均勻地分布在TiO2-NTs的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的能量色散X射線(EDX)光譜圖(圖2C)，證明了S、Cd、Mn元素存在于電極中。TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的元素面掃描圖(圖2D)，顯示S、Cd、Mn元素均勻地分布在TiO2陣列管材料表面。

圖2 TiO2-NTs(A)和TiO2-NTs/CdS∶Mn(B)的掃描電鏡(SEM)圖；TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的EDX光譜圖(C);Ti，O，S，Cd，Mn元素面掃描圖(D)Fig.2 SEM images of TiO2-NTs (A) and TiO2-NTs/CdS∶Mn(B);EDX spectrum of the TiO2-NTs/CdS∶Mn electrode(C);Elemental mappings of Ti,O,S,Cd,Mn (D)

同時(shí)，用X射線光電子能譜(XPS)表征了TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的化學(xué)狀態(tài)和主要化學(xué)元素，結(jié)果如圖3所示。由圖3a可見，從XPS中可以檢測(cè)到Ti、O、Cd、Mn和S元素。在高分辨XPS圖中，Ti 2p 的主峰在458.52 eV(圖3b)，Cd 3d在404.65 eV(圖3c)的峰表明電極中存在Cd2+，Mn 2p的峰在651.93 eV(圖3d)，S 2p的峰在161.12 eV(圖3e)。XPS的表征證明了電極的成功制備。

圖3 (a) TiO2-NTs/CdS∶Mn的XPS和高分辨XPS：(b) Ti 2p；(c) Cd 3d；(d) Mn 2p；(e) S 2pFig.3 (a) XPS and high-resolution XPS of TiO2-NTs/CdS∶Mn;(b) Ti 2p;(c) Cd 3d;(d) Mn 2p;(e) S 2p

2.2 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

TiO2-NTs的光電性能受到陽(yáng)極氧化后煅燒溫度的影響，圖4A顯示固定CdS∶Mn 6次SILAR循環(huán)及摻雜濃度，改變不同陽(yáng)極氧化后的煅燒溫度，電極的光電流測(cè)試情況。隨著煅燒溫度的升高，TiO2-NTs的結(jié)構(gòu)更加致密，其光電活性更高。當(dāng)煅燒溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，其光電流達(dá)到最大。隨著煅燒溫度再升高，過高的煅燒溫度改變了TiO2的晶型結(jié)構(gòu)，其光電活性逐漸下降。因此，陽(yáng)極氧化后煅燒形成的TiO2-NTs材料，最佳煅燒溫度為450 ℃。

圖4 TiO2-NTs的煅燒溫度(A)、Mn2+的濃度(B)及CdS∶Mn修飾電極循環(huán)次數(shù)(C)對(duì)光電流值的影響Fig.4 Effect of calcination temperature of TiO2-NTs(A)，concentration of Mn2+ (B) and SILAR cycle of CdS∶Mn (C) on photocurrent intensity of CdS∶Mn electrode

CdS中Mn2+的摻雜量可以通過調(diào)整SILAR循環(huán)過程中Mn2+的濃度來實(shí)現(xiàn)。圖4B顯示450 ℃條件下煅燒形成的TiO2-NTs材料，固定6次CdS∶Mn SILAR循環(huán)，摻雜不同Mn2+的TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的光電流強(qiáng)度變化。隨著Mn2+的濃度增加，摻雜在CdS中的Mn2+含量增加，形成更多的能級(jí)中心來促進(jìn)電荷分離，從而極大地增強(qiáng)了光電流強(qiáng)度。當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到0.10 mg/mL時(shí)，光電流強(qiáng)度達(dá)到最大；繼續(xù)增加Mn2+濃度，更多的激發(fā)電子被捕獲，光電流強(qiáng)度逐漸下降。因此，Mn2+的最佳濃度選擇為0.10 mg/mL。圖4C顯示固定450 ℃煅燒溫度和0.10 mg/mL Mn2+摻雜濃度，修飾不同的SILAR循環(huán)次數(shù)的CdS∶Mn，TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的光電流強(qiáng)度變化。隨著SILAR循環(huán)次數(shù)的增加，CdS∶Mn的沉積量增多，中波長(zhǎng)的光被更多的吸收，從而導(dǎo)致光電流隨之增大。當(dāng)SILAR循環(huán)次數(shù)為6次時(shí)，TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的光電流達(dá)到最大；當(dāng)SILAR循環(huán)次數(shù)再次增大，過量的CdS∶Mn提供的表面復(fù)合中心增加了電子傳遞阻力，導(dǎo)致光電流逐漸減小。因此，SILAR的最佳循環(huán)次數(shù)選為6次。

2.3 光電傳感器的光電化學(xué)表征

圖5 TiO2-NTs(a)、TiO2-NTs/CdS(b)和TiO2-NTs/CdS∶Mn(c)的光電流響應(yīng) Fig.5 Photocurrent response of TiO2-NTs(a)，TiO2-NTs/CdS(b) and TiO2-NTs/CdS∶Mn(c)

PEC傳感器的性能也可以通過光電流響應(yīng)來表示，如圖5所示。TiO2-NTs電極具有明顯的光電流強(qiáng)度(曲線a，i=3.25 μA)。當(dāng)CdS沉積到TiO2-NTs電極表面，光電流強(qiáng)度明顯增加(曲線b，i=30.05 μA)，這主要是由于CdS的加入擴(kuò)大了電極對(duì)光的吸收波長(zhǎng)范圍。Mn2+摻雜CdS后，形成了更多的能級(jí)中心，極大地促進(jìn)了電荷分離，光電流強(qiáng)度又顯著增強(qiáng)(曲線c，i=42.01 μA)。

2.4 光電傳感器檢測(cè)硫酸鹽還原菌的線性范圍及檢出限

隨著SRB的濃度從1.0×102CFU/mL增加到1.0×108CFU/mL，光電流信號(hào)明顯增強(qiáng)。其光電流響應(yīng)信號(hào)與SRB濃度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，回歸方程為：i=10.1296lgc-16.823(μΑ,CFU/mL)，相關(guān)系數(shù)為0.9995。該傳感器對(duì)于SRB的檢測(cè)限(LOD)為28 CFU/mL，低于檢測(cè)SRB的其它方法(表1)，證明本法檢測(cè)SRB線性范圍廣，靈敏度高。

表1 其他SRB檢測(cè)方法檢測(cè)效果對(duì)比

2.5 傳感器的特異性及選擇性

為了證明新型PEC傳感器對(duì)SRB檢測(cè)的特異性和選擇性，我們培養(yǎng)了4種不同的干擾細(xì)菌：革蘭氏陰性菌(假單胞菌和大腸桿菌)和革蘭氏陽(yáng)性菌(金黃色葡萄球菌和高溫芽孢桿菌)。由圖6A可見，干擾細(xì)菌(1.0×104CFU/mL)的光電流響應(yīng)均低于相同濃度的SRB代謝物，且與空白對(duì)照組無信號(hào)差異，這是因?yàn)楦蓴_細(xì)菌不能產(chǎn)生特征代謝產(chǎn)物H2S。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的光電化學(xué)傳感器具有較好的特異性和選擇性。

圖6 (A) 傳感器對(duì)SRB檢測(cè)的特異性;(B) 傳感器的重現(xiàn)性;(C) PEC傳感器隨時(shí)間變化的光電流響應(yīng)Fig.6 (A) The specificity of the PEC sensor for SRB detection;(B) The reproducibility of the fabrication of the sensor;(C) Time -dependent photocurrent response of PEC sensor

2.6 傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

圖6B顯示了TiO2-NTs/CdS∶Mn傳感器的重現(xiàn)性。在6個(gè)平行實(shí)驗(yàn)下，制備了6個(gè)相同的電極，并檢測(cè)其光電流響應(yīng)。這6個(gè)電極傳感器檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.648%，說明傳感器具有良好的重現(xiàn)性。當(dāng)電極傳感器遇到重復(fù)光照時(shí)，其光電流響應(yīng)基本恒定，如圖6C所示。表明傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本研究開發(fā)了一種基于CdS∶Mn納米晶生物合成制備的光電化學(xué)傳感平臺(tái)TiO2-NTs/CdS∶Mn。傳感電極檢測(cè)SRB的線性范圍為1.0×102～1.0×108CFU/mL，檢測(cè)限低至28 CFU/mL，同時(shí)還具有良好的特異性、選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。我們構(gòu)建的傳感器利用了SRB的特征產(chǎn)物與傳感器中Cd2+和Mn2+生物結(jié)合形成CdS∶Mn納米晶，TiO2和CdS∶Mn敏化結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了傳感器的光吸收范圍。同時(shí)Mn2+的加入形成了更多的能級(jí)中心，進(jìn)一步增強(qiáng)光電流強(qiáng)度，提高了傳感器檢測(cè)線性范圍，降低檢出限。此研究為檢測(cè)SRB傳感器的構(gòu)建發(fā)展了新方法。