基于鉑修飾絲網(wǎng)印刷電極檢測土壤中銨態(tài)氮的電化學(xué)傳感器

陳 珊，陳勁虎，徐郭海林，柳 軍，錢明艷，陳敬文，方一民

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所,江蘇省生物質(zhì)復(fù)合材料與增材制造技術(shù)工程研究中心,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,南京 210014;2.南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,南京 211166;3.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013）

近年來，耕地土壤質(zhì)量持續(xù)退化，人多地少、人增地減的矛盾日益突出［1］.因此，提高土壤肥力、保障耕地質(zhì)量，實現(xiàn)糧食增產(chǎn)且保障糧食安全勢在必行.氮素作為土壤肥力的重要指標(biāo)之一［2］，在作物生長過程中的需求量大，為提高作物產(chǎn)量，主要通過施加化肥來增加土壤的氮素［3］.過去幾十年里，全球的化肥總使用量驟增，且主要以氮肥為主［4］，過量施用氮肥導(dǎo)致其有效利用率銳減，目前氮肥當(dāng)季利用率不足50%［5］，造成大量的經(jīng)濟損失.更嚴(yán)重的是，由于雨水淋洗等外界因素會造成土壤中過量的氮素流失［6，7］，從而引發(fā)地表水富營養(yǎng)化［8，9］、大氣污染［10］和土壤酸化［11，12］等環(huán)境問題.因此，對土壤中氮素含量進(jìn)行測定，實施精準(zhǔn)施肥，對保障耕地質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［13，14］.

電化學(xué)法是一種檢測速度快且操作便捷的方法［20，21］.目前主要使用離子選擇性電極（ISE，電位檢測法）對銨態(tài)氮進(jìn)行檢測［22］，但由于ISE價格昂貴（約5000元/根），且電極表面的離子選擇性膜需要定期維護和更換，因此限制了其實際應(yīng)用.與電位檢測法相比，伏安檢測法所使用的電極，如絲網(wǎng)印刷電極（SPE）由于具有成本低（＜10元/根）、操作簡單且即拋（無需維護）等優(yōu)勢［23，24］，十分適用于農(nóng)業(yè)檢測場景.然而，由于在溶液中較穩(wěn)定，其伏安響應(yīng)較低，關(guān)于土壤中伏安檢測法的報道較少［25］.此外，由于土壤樣本中存在各種干擾離子，目前還未將其有效應(yīng)用于土壤中的檢測.本文旨在發(fā)展一種土壤中銨態(tài)氮快速穩(wěn)定的電化學(xué)傳感裝置，利用伏安法檢測速度快、操作便捷及可微型化等優(yōu)點，使用成本低的絲網(wǎng)印刷電極作為電極基底，通過電沉積方法在其表面沉積鉑顆粒，制備了鉑修飾絲網(wǎng)印刷電極（Pt-SPE）.利用鉑顆粒的高穩(wěn)定性及其對溶液中的特異性電催化響應(yīng)，采用碳酸鹽有效排除土壤中的離子干擾，結(jié)合土壤銨態(tài)氮的快速提取裝置，實現(xiàn)了土壤中的快速檢測，每個樣品的檢測時間約5 min.該方法的建立為土壤中銨態(tài)氮含量的快速、低成本農(nóng)業(yè)場景檢測提供了新策略，可望得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氯鉑酸［H2PtCl6·（H2O）6］購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氫氧化鉀（KOH）、碳酸鉀（K2CO3）、氯化鉀（KCl）及氫氧化銨（NH4OH）均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；過濾濾膜購于天津津滕公司［直徑25 mm，孔徑0.45 μm，聚醚砜（PES）］.所用試劑均為分析純，實驗用水為去離子水，所有實驗均在室溫（25 ℃）下進(jìn)行.

EC-1550A型mini電化學(xué)工作站（武漢介觀生物科技有限責(zé)任公司）；UV-2600i型紫外-可見分光光度計［島津（上海）實驗器材有限公司］；Regulus 8100型電子掃描顯微鏡（日本日立公司）；D2 Phaser X射線衍射儀（德國布魯克公司）；K-alpha+型X射線光電子能譜儀（美國賽默飛公司）；TG16型離心機（上海盧湘儀離心機有限公司）；TC 201型絲網(wǎng)印刷電極［波探科技（威海）有限公司］.

1.2 土壤樣品的采集

土壤樣品采集于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所大棚蔬菜種植地.

1.3 土壤樣品的處理

土壤樣品的標(biāo)準(zhǔn)法處理及其中銨態(tài)氮的提取和測定按照國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)HJ 634—2012執(zhí)行.

1.4 傳感電極的制備

SPE 法的示意圖如Scheme 1所示，電極芯片集成了工作電極、參比電極和對電極，其中參比電極為Ag/AgCl 電極.在SPE表面滴加100 μL 0.2 mol/L NaOH，連接電極與工作站，循環(huán)伏安法（CV）掃描范圍為0～0.8 V，掃描速率為0.05 V/s，連續(xù)掃描20 個循環(huán)使電極活化，之后用去離子水沖洗電極表面，吸干水分備用.

Schem 1 Schematic illustration of NH4+ detection in soil

在活化后的SPE 表面滴加100 μL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.03%，0.1%，0.3%，0.5%和1%的H2PtCl6溶液，CV掃描范圍為0.5～-0.5 V，掃描速率為0.1 V/s，連續(xù)掃描不同循環(huán)圈數(shù)（15，30和50）后，用離子水沖洗電極表面殘留的氯鉑酸溶液，得到的Pt-SPE于室溫下晾干，備用.

不同H2PtCl6濃度和不同循環(huán)圈數(shù)制備的Pt-SPE電極數(shù)據(jù)如圖S1和S2所示（見本文支持信息）.從圖S1（A）可見，隨著濃度增加Pt-SPE對NH4+的響應(yīng)曲線先顯著升高，當(dāng)H2PtCl6濃度高于0.1%時，的特征催化氧化峰信號（-0.4 V）增加緩慢，且CV曲線在更高電位（0 V）附近出現(xiàn)明顯的氧化峰而抬高基線，從而直接影響特征催化氧化峰信號讀取的準(zhǔn)確性.并且，隨著H2PtCl6濃度的增加，電極表面沉積的鉑顆粒數(shù)量明顯增多，使表面的均勻性受到影響，如圖S1（B）所示，當(dāng)使用1% H2PtCl6進(jìn)行電沉積后，SPE表面有一層明顯的灰色鉑顆粒沉積物，表示沉積的鉑顆粒數(shù)量明顯增多，但其在電極邊緣處并分布不均.同時，考慮H2PtCl6的成本問題，選擇使用0.1% H2PtCl6作為沉積液.

對不同掃描圈數(shù)（15，30和50）制備的Pt-SPE的實驗結(jié)果如圖S2所示.隨著沉積掃描圈數(shù)的增加，所制備的Pt-SPE對的催化響應(yīng)也相應(yīng)增強，但當(dāng)掃描圈數(shù)為50圈時，其對的催化響應(yīng)與掃描30圈制備的電極相比無顯著增強，考慮到掃描圈數(shù)增加會影響電極表面沉積的鉑顆粒均勻度，選擇循環(huán)伏安法掃描圈數(shù)為30圈作為Pt-SPE的最佳制備條件.

1.5 土壤中NH4+的檢測

參照文獻(xiàn)［26］方法，取適量土壤加入到銨態(tài)氮快速提取裝置中（Scheme 1），加入9 mL 1 mol/L KCl溶液后均勻搖晃2 min后，而擠壓出待測溶液滴于電極表面，確保完全覆蓋，設(shè)置掃描參數(shù)如下：CV掃描范圍-1.0～0.5 V，掃描速率0.1 V/s，掃描1個循環(huán).實驗均在室溫（25 ℃）下進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 Pt-SPE的表征

Pt-SPE的掃描電子顯微鏡（SEM）照片及能量色散X射線光譜（EDS）圖分別如圖1所示.可見，未沉積鉑顆粒前SPE的表面較為粗糙［圖1（A）］；通過電化學(xué)法沉積鉑顆粒后，SPE表面附著了球形顆粒狀的鉑顆粒，其尺寸約為1 μm［圖1（B）］.為進(jìn)一步驗證該球形顆粒為鉑顆粒，進(jìn)行了EDS表征.圖1（C）結(jié)果表明，沉積在SPE表面的粒子為鉑顆粒.X射線衍射（XRD）表征結(jié)果如圖1（D）所示，衍射峰分別位于2θ=39.8°，46.3°和67.5°處，與JCPDS No.04-0802卡片所示Pt單質(zhì)的（111），（200）和（220）晶面相對應(yīng)，由此可知單質(zhì)鉑已修飾在SPE 表面.X 射線光電子能譜圖（XPS）如圖1（E）所示，位于71.3 和74.7 eV 處的峰分別對應(yīng)表明電極表面沉積的鉑以零價的形式存在.上述結(jié)果證明，通過電沉積方法可在SPE表面均勻修飾球形鉑顆粒.

2.2 Pt-SPE對溶液中NH4+的傳感檢測機理研究

2.3 Pt-SPE對溶液中NH4+的檢測

Fig.2 CV curves of SPE/Pt-SPE in solution with/without 1 mmol/L NH4+ in 0.5 mol/L KCl

Fig.3 CV curves of Pt-SPE in solution with different concentrations of NH4+ in 0.5 mol/L KCl(A)and the calibration curve of NH4+ concentration vs.catalytic peak current(B)

2.4 Pt-SPE的性能考察

電極的穩(wěn)定性和選擇性決定了其實際檢測效果，尤其是土壤環(huán)境復(fù)雜，從中提取的銨態(tài)氮溶液中通常含有復(fù)雜的離子組成，為此分別考察Pt-SPE 的穩(wěn)定性及其對土壤中常見離子的選擇性.單根Pt-SPE 的穩(wěn)定性的考察結(jié)果如圖4（A）所示，其對1 mmol/L的信號響應(yīng)在前4 d 呈輕微下降，在5～20 d 內(nèi)，響應(yīng)信號趨于穩(wěn)定，連續(xù)15 d 信號變化的RSD=5.06%，因此該電極在制備完成靜置4 d 后使用最為穩(wěn)定.

Fig.4 Voltammetric response to NH4+ for 20 days(A),the repeatability of different Pt-SPEs(B),voltammetric response with addition of different anions(1 mmol/L ,10 mmol/L 10 mmol/L ,Cl-,10 mmol/L ,10 mmol/L ,10 mmol/L ) and cations(0.5 μmol/L Hg2+,0.5 μmol/L Cd2+,1.2 mmol/L Cr3+,0.8 mmol/L Zn2+),NH4+ detection in soil by Pt-SPE with/without 0.5 mol/L K2CO3 in 0.5 mmol/L KCl(D)

按照相同的方法制備5根Pt-SPE，對1 mmol/L的進(jìn)行檢測，對比獲得的催化還原電流，從而考察電極之間的穩(wěn)定性.由圖4（B）可見，5 根電極獲得的催化還原電流之間僅存在細(xì)微差異（RSD=9.85%），呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定性.選取土壤中常見的離子作為干擾離子，考察了該修飾電極的抗干擾能力.

2.5 實際樣品分析

Table 1 Comparison of the detected concentration by Pt-SPE(c1) and UV-Vis(c2) methods

Table 1 Comparison of the detected concentration by Pt-SPE(c1) and UV-Vis(c2) methods

Fig.5 Ratio of concentration extracted by Pt-SPE method(c1) to UV-Vis method(c2) for 5 different samples

3 結(jié)論

通過電沉積法制備了鉑修飾絲網(wǎng)印刷網(wǎng)極（Pt-SPE），并利用該修飾電極對的特異性電化學(xué)催化性能及其良好的穩(wěn)定性和抗干擾性，實現(xiàn)了對0.1～5 mmol/L范圍內(nèi)的檢測，且在該檢測區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢出限為13 μmol/L（S/N=3）.同時，該方法采用碳酸鹽進(jìn)一步排除土壤中未知離子的干擾，結(jié)合土壤銨態(tài)氮快速提取裝置，實現(xiàn)了土壤提取液中的快速檢測，檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)法結(jié)果相近.該方法操作簡便、檢測速度快（每個樣品約5 min），將有助于縮短土壤中銨態(tài)氮含量信息獲取周期，為土壤肥力信息的獲取和精準(zhǔn)施肥提供重要的技術(shù)支撐.