電化學(xué)還原石墨烯及其在有機(jī)磷電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用

李凱

齊魯醫(yī)藥學(xué)院 藥學(xué)院，山東淄博，255300

0 引言

本文主要研究的是利用電化學(xué)法還原合成石墨烯，使其沉積在玻碳電極表面，從而制成能對(duì)甲基對(duì)硫磷進(jìn)行檢測(cè)的電化學(xué)傳感器。此傳感器可以將甲基對(duì)硫磷的反應(yīng)信號(hào)很明顯地反映出來，同時(shí)此傳感器還具有靈敏度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)、抗干擾等特點(diǎn)，并可以將其應(yīng)用在對(duì)飲用水和獼猴桃中甲基對(duì)硫磷的檢測(cè)中，其檢測(cè)結(jié)果可以為接下來的石墨烯納米復(fù)合材料構(gòu)建的電化學(xué)傳感器提供有效參考依據(jù)，為其發(fā)展帶來新的方向，同時(shí)也為納米材料修飾的電化學(xué)傳感器在食品中檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥拓寬了道路。

1 電化學(xué)傳感器概述

1.1 電化學(xué)傳感器的原理

電化學(xué)傳感器是應(yīng)用在環(huán)境檢測(cè)中具有特殊類型的傳感器，是在電化學(xué)信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)化學(xué)反應(yīng)的分析來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的的。其中工作電極、參比電極和輔助電極術(shù)屬于電化學(xué)傳感器的三電極體系，主要是由感應(yīng)元件和換能器來構(gòu)成的。其主要是依據(jù)離子導(dǎo)電性質(zhì)來構(gòu)建的[1]。

1.2 電化學(xué)傳感器的分類

電化學(xué)傳感器根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，主要分為以下兩種類型。根據(jù)輸出信號(hào)的差別來分類，可以將其分為電位型傳感器、伏安型傳感器和電導(dǎo)型傳感器；根據(jù)檢測(cè)物質(zhì)的不同又可以分為生物型、氣體型和離子型。對(duì)于電化學(xué)傳感器來說，它不僅能應(yīng)用在不同類型的固體中，還能對(duì)電導(dǎo)率、溶液酸堿度調(diào)整以及氧化還原反應(yīng)等進(jìn)行測(cè)量。此外，對(duì)于電化學(xué)傳感器來說，不同類型的電化學(xué)傳感器有不同的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍，其中對(duì)于電位型和電流型傳感器來說，電流型傳感器更具有優(yōu)勢(shì)，具體有以下幾方面：第一，電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)與需要檢測(cè)物質(zhì)的濃度是有線性關(guān)系的，同時(shí)電位型與檢測(cè)物質(zhì)的濃度也有線性關(guān)系；第二，電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)的讀數(shù)誤差比較小；第三，具有非常高的靈敏度。

1.3 電催化傳感器

其實(shí)電化學(xué)主要研究的是電解質(zhì)的溶解和電極修飾的行為，而化學(xué)修飾電極是指人為地對(duì)裸電極表面進(jìn)行特定的化學(xué)修飾和被賦予修飾物的特定的一類電極，屬于目前電化學(xué)中最為活躍的研究領(lǐng)域。

1.4 化學(xué)修飾電極電催化原理

電解質(zhì)溶液和電極表面的修飾物會(huì)在外加電場(chǎng)的應(yīng)用下阻礙電極上的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，但是對(duì)于電解質(zhì)溶液和電極表面修飾物來說，自身并不會(huì)發(fā)生改變，此種情況被稱之為修飾電極電催化。修飾電極的基體是一個(gè)電子導(dǎo)體，具有傳遞電子和加快電子轉(zhuǎn)移速度的作用，具有氧化還原和非氧化還原的性質(zhì)，與氧化劑發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。

1.5 化學(xué)修飾電極電催化的應(yīng)用

被修飾物是具有物理和化學(xué)性質(zhì)的，而通過這兩種性質(zhì)的應(yīng)用，能夠?qū)⑷芤褐械奶囟ㄎ镔|(zhì)檢測(cè)出來。目前，化學(xué)修飾電極主要被應(yīng)用于生物分子、有機(jī)物和無機(jī)離子等的檢測(cè)中。近些年來，利用納米材料修飾電極的科研項(xiàng)目越來越多，最為常見的就是石墨烯、氧化物等，由此我們也可以看出，化學(xué)修飾電極的應(yīng)用范圍還是非常廣泛的，而且發(fā)展前景也很不錯(cuò)，對(duì)無機(jī)物、有機(jī)物等的檢測(cè)范圍也越來越大。

2 農(nóng)藥殘留概述

2.1 農(nóng)藥殘留的原因

農(nóng)作物在使用化學(xué)農(nóng)藥以后，導(dǎo)致這些未被分解和吸附的物質(zhì)殘留在農(nóng)作物表面或者是擴(kuò)散在大氣、水和土壤中，出現(xiàn)環(huán)境污染和食品安全問題。出現(xiàn)這種情況的主要原因是農(nóng)民朋友無法掌握正確使用農(nóng)藥的方法，對(duì)農(nóng)藥噴灑的認(rèn)識(shí)也不夠全面，單純以為噴灑農(nóng)藥的目的就是為了防止病蟲害，所以在這種錯(cuò)誤思想下，他們還會(huì)噴灑過量農(nóng)藥，這不但無法將農(nóng)藥的作用充分發(fā)揮出來，還會(huì)增加病蟲害的抗藥性，從而讓越來越多的農(nóng)藥殘留在農(nóng)作物表面。目前應(yīng)用最多的農(nóng)藥就是有機(jī)磷藥物，其也是對(duì)農(nóng)作物影響最大的農(nóng)藥之一。

2.2 有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)方法

以往，常用的有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)方法有酶抑制劑、色譜、光度以及質(zhì)譜方法等，其可結(jié)合有效的殘留檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留物的檢測(cè)，如氣相色譜儀技術(shù)、液相色譜儀技術(shù)等。目前應(yīng)用最多的農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)是色譜分析。但是色譜分析方法檢測(cè)時(shí)間是非常長(zhǎng)的，且工作量比較大，成本投入也非常高，無法對(duì)大量樣品進(jìn)行檢測(cè)。所以為了緊跟時(shí)代發(fā)展以及滿足人們對(duì)食品安全的需求，需要研究出快速、高準(zhǔn)確性、機(jī)械化的農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)和方法。而在研究中發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)傳感器在該項(xiàng)技術(shù)中發(fā)揮了很重要的作用，因?yàn)樗坏哂泻芨叩撵`敏度，其特異功能也比較強(qiáng)，并在相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，這些對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥殘留和篩選有很重要的作用和意義。應(yīng)用在有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)的電化學(xué)傳感器有兩種類型，即在固相微萃取材料的化學(xué)傳感器和生物識(shí)別農(nóng)藥傳感器。

3 石墨烯概述

3.1 石墨烯內(nèi)涵和性質(zhì)

石墨烯屬于納米材料，其最大的特點(diǎn)是又薄又堅(jiān)硬。其中石墨的單原子層與碳原子的排列順序是比較相似的，都是由緊密堆積而成的單層二堆晶體結(jié)構(gòu)組成的，主要材料是一種新型的納米材料。此類型的石墨晶體非常薄，相當(dāng)于頭發(fā)的20萬分之一。在我國(guó)近些年的科學(xué)研究中，石墨烯還是具有很大優(yōu)勢(shì)的，并已進(jìn)入了物理和化學(xué)界最前沿的研究范圍。此外，石墨烯還有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，就是它可以不借助任何化學(xué)制劑就可以實(shí)現(xiàn)在水中的分解和分層。對(duì)于石墨烯來說，其以下性質(zhì)是當(dāng)前的研究重點(diǎn)：石墨烯的電子效應(yīng)能、石墨烯的機(jī)械作用、熱性能、石墨烯的吸附性能等。其中石墨烯的電子效應(yīng)主要體現(xiàn)在其導(dǎo)電性質(zhì)上和高電子遷移率上；而機(jī)械作用主要體現(xiàn)在其質(zhì)地堅(jiān)硬的特點(diǎn)上；熱性能主要是因?yàn)槭┍旧砭途哂袑?dǎo)熱性能；吸附性能也是因?yàn)槭┍旧韺儆谄矫婢W(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)，所以可以促進(jìn)原子的吸附性能[2]。

3.2 石墨烯的制備和應(yīng)用

通過上文分析可以看出，石墨烯這種物質(zhì)非常特殊，所以它的制備方法也吸引了更多研究者的注意力。以往制備石墨烯的主要方法就是機(jī)械剝離方法，它是通過應(yīng)用機(jī)械力將石墨烯層面上的晶體剝離出來的一種方法。要知道石墨烯片中是含有上百個(gè)片層的，所以如果采用傳統(tǒng)的剝離方法是會(huì)需要很長(zhǎng)時(shí)間的，這大大地降低了工作效率，增加了工作難度。但是隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，石墨烯片層數(shù)量也有了很大的降低。目前，石墨烯制備的方法主要有以下幾種，即SIC分解法、化學(xué)氣相沉積法等，但是這幾種方法都無法控制石墨烯薄片尺寸和生產(chǎn)效率，為此我們需要采用化學(xué)還原法，該法不但操作簡(jiǎn)單，成本還很低，不會(huì)被污染。石墨烯的應(yīng)用范圍也因?yàn)槠浔《?、面積大和硬度高等特點(diǎn)有很大的研究和應(yīng)用空間，目前常被應(yīng)用在計(jì)算機(jī)芯片中。

3.3 石墨烯材料在電化學(xué)傳感器中的優(yōu)勢(shì)分析

在電化學(xué)傳感器中，通過應(yīng)用石墨烯材料，不但能夠保證和提高生物的活性和穩(wěn)定性，更重要的是還能給電流帶來更多的數(shù)值，更好地保證和提高了電化學(xué)傳感器的靈敏度。而且將石墨烯材料應(yīng)用在電化學(xué)傳感器中，還能對(duì)生物分子進(jìn)行固定，提高其良好的微觀環(huán)境。此外，石墨烯材料還能對(duì)生物分子起到定向作用，對(duì)酶的微觀環(huán)境進(jìn)行改變，進(jìn)一步提高靈敏度。

4 電化學(xué)還原石墨烯及其在有機(jī)磷電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用

4.1 準(zhǔn)備試驗(yàn)材料和需要使用的試劑

在選擇甲基對(duì)硫磷、西維因等藥物的時(shí)候，一定要選擇具有國(guó)藥標(biāo)識(shí)的，硝基苯酚也要在當(dāng)?shù)氐幕Ｕ救ベ徺I，只有試劑符合標(biāo)準(zhǔn)，才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般情況下，想要得到0.1mol/L PBS緩沖溶液是需要通過混合NaH2PO4和NaHPO4的溶液中來獲取的，當(dāng)然想要獲取不同濃度的甲基對(duì)硫磷溶液同樣是要通過分布稀釋的方法來實(shí)現(xiàn)的。但需要注意的是，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，所使用的水都是二次蒸餾水，玻璃器皿等都是要浸泡兩個(gè)小時(shí)以后，在反復(fù)沖洗、烘干后使用的。所需要用到的儀器和設(shè)備為CHI620D電化學(xué)工作站和三電極系統(tǒng)[3]。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

4.2.1 在石墨烯的電化學(xué)傳感器基礎(chǔ)上檢測(cè)甲基對(duì)硫磷

對(duì)于有機(jī)磷農(nóng)藥的電催化檢測(cè)來說，主要包括兩個(gè)檢測(cè)步驟：第一，甲基對(duì)硫磷在電極修飾層表面的固相微萃取富集；第二，對(duì)吸附的甲基對(duì)硫磷的溶液進(jìn)行分析和檢測(cè)。首先，需要在不同濃度的甲基對(duì)硫磷溶液中防止修飾電，并富集一段時(shí)間；然后，對(duì)電極進(jìn)行沖洗，并在沖洗完成后的電極放置于磷酸鹽緩沖液中進(jìn)行方波伏安掃描，這里需要注意的是，需要將方波伏安掃描控制在-0.6～0.5V之間，同時(shí)在檢測(cè)工作開始之前，需要除溶解氧工作30分鐘，這要運(yùn)用穩(wěn)定的高純N2氣流來實(shí)現(xiàn)；最后，通過確定甲基對(duì)硫磷的濃度和氧化峰電流強(qiáng)度的關(guān)系，在信息技術(shù)的支持下建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而檢測(cè)出甲基對(duì)硫磷濃度的大小。

4.2.2 甲基對(duì)硫磷傳感器的再生

在試驗(yàn)過程中，每一次的甲基對(duì)硫磷濃度的溶出，都是需要將裝飾的電極再次放置于緩沖溶液中進(jìn)行多圈循環(huán)伏安掃描，掃描區(qū)間控制在0.3～1.0V，同時(shí)還要對(duì)吸附的甲基對(duì)硫磷進(jìn)行去除。最后，關(guān)于修飾電極的沖洗可以利用蒸餾水來實(shí)現(xiàn)，繼續(xù)接下來的實(shí)驗(yàn)工作。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)樣品中甲基對(duì)硫磷的加標(biāo)回收檢測(cè)

此檢測(cè)試驗(yàn)所需要用到的是利用自來水、獼猴桃等真實(shí)的樣品來實(shí)現(xiàn)甲基對(duì)硫磷加標(biāo)回收檢測(cè)。在此過程中，自來水的應(yīng)用是不需要進(jìn)行多次處理的，只需要將定量的甲基對(duì)硫磷添加進(jìn)去即可，并用尺寸為0.22μm的濾膜進(jìn)行過濾，通過對(duì)濾出的液體進(jìn)行分析得出結(jié)果。而在對(duì)獼猴桃進(jìn)行加標(biāo)回收檢測(cè)的時(shí)候，可以在附近的種植地獲取，并去皮、清洗、打漿等，利用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取，濾膜過濾得出過濾的液體，最后進(jìn)行加標(biāo)回收[4]。

4.2.4 電化學(xué)還原石墨烯的電化學(xué)傳感器性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)過程需要結(jié)合電化學(xué)傳感器的性能進(jìn)行分析和評(píng)估，即導(dǎo)電性、吸附性、抗干擾性、重復(fù)性、穩(wěn)定性等，常用的導(dǎo)電測(cè)試工作有兩種方法，即循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗分析法；而抗干擾性是通過對(duì)硝基苯類化合物的有效應(yīng)用和酸根離子類型的農(nóng)藥作為干擾對(duì)象；重復(fù)性是對(duì)組內(nèi)和組間兩個(gè)不同方面內(nèi)容進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅黜憫?yīng)信號(hào)的變化。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 電化學(xué)還原石墨烯在有機(jī)磷電化學(xué)傳感器檢測(cè)甲基對(duì)硫磷的條件

為了保證電化學(xué)傳感器可以在最佳狀態(tài)下展開工作，保證最終檢測(cè)的質(zhì)量，本次試驗(yàn)對(duì)氧化石墨烯滴涂數(shù)量、所需富集時(shí)間和電解質(zhì)pH值進(jìn)行了優(yōu)化。三者之間的關(guān)系如下：氧化石墨烯的滴涂量與修飾層的厚度以及表面積比有很直接的關(guān)系；而富集時(shí)間長(zhǎng)短與甲基對(duì)硫磷吸附的數(shù)量有很大的影響，所以會(huì)影響到電化學(xué)傳感器的靈敏度；電解質(zhì)pH值與出峰電位和電流有直接的影響，同樣會(huì)影響到傳感器的靈敏度[5]。

4.3.2 電化學(xué)還原石墨烯修飾傳感器的吸附性能特征

通過對(duì)電化學(xué)傳感器吸附性能進(jìn)行研究，并結(jié)合有機(jī)磷的檢測(cè)原理來達(dá)到檢測(cè)目的。主要做法是先通過萃取技術(shù)將電極修飾層表面的有機(jī)磷吸附起來，然后再利用電催化的方式對(duì)吸附的有機(jī)磷進(jìn)行催化，實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)。接下來還要通過信號(hào)的轉(zhuǎn)換完成最終的試驗(yàn)檢測(cè)。由此分析可以知道，電化學(xué)傳感器的吸附性能是非常重要的。在吸附性能的檢測(cè)中，主要應(yīng)用的是方波伏安技術(shù)，由于此項(xiàng)技術(shù)有很高的靈敏度，能夠?qū)⒂袡C(jī)磷在電極表面的反應(yīng)實(shí)質(zhì)進(jìn)行解釋。

4.3.3 電化學(xué)還原石墨烯修飾傳感器檢測(cè)有機(jī)磷的性能評(píng)價(jià)

方波伏安技術(shù)在吸附性能中已經(jīng)得到了驗(yàn)證，與其他化學(xué)分析技術(shù)相比，如循環(huán)伏安技術(shù)，具有更高的靈敏度。在試驗(yàn)中通過采用方波伏安技術(shù)對(duì)痕量的有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)，可以得出以下結(jié)論：方波伏安響應(yīng)氧化峰電流的增加會(huì)隨著有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度來增加，也就是說甲基對(duì)硫磷的濃度與電極石墨烯修飾層富集吸附有直接的關(guān)系，即濃度越大，吸附越多，而電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)也就越強(qiáng)烈[6-7]。

4.3.4 電化學(xué)還原石墨烯修飾傳感器的可行性研究

通過試驗(yàn)中對(duì)飲用水、獼猴桃等樣品的加標(biāo)回收，可以知道，回收率是非常高的，如表1所示，因此可以得出結(jié)論：電化學(xué)傳感器是可以對(duì)甲基對(duì)硫磷進(jìn)行檢測(cè)的，而且準(zhǔn)確性也很高。

表1 飲用水樣品中的加標(biāo)回收試驗(yàn)

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要研究了電化學(xué)還原石墨烯的制備及其在有機(jī)磷電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用，雖然此電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但卻有高效性、高靈敏度、高準(zhǔn)確度等優(yōu)勢(shì)，能夠快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)磷的檢測(cè)。同時(shí)電化學(xué)還原石墨烯的制備及其在有機(jī)磷電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用，還可為日后的石墨烯基納米復(fù)合材料在電極表面的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。