便攜式電化學(xué)傳感平臺靈敏檢測偶氮類染料日落黃和檸檬黃

關(guān)鍵詞激光誘導(dǎo)石墨烯；電化學(xué)傳感器；便攜式；偶氮染料；日落黃；檸檬黃

水質(zhì)污染和保護已成為全球化進程中最受關(guān)注的公共問題之一。污染廢水的不合理排放以及農(nóng)藥和化肥的過量使用都會對各類水體造成生態(tài)破壞，繼而威脅人類健康。與天然染料相比，合成染料穩(wěn)定性高、著色能力強、效率高且生產(chǎn)成本低，廣泛應(yīng)用于如紡織、印刷、制藥、化妝品和食品等行業(yè)[1]，這些合成染料會由于不合理排放進入到環(huán)境中。其中，偶氮染料日落黃（SY）和檸檬黃（Tz）可在腸道菌群作用下將偶氮基團還原，具有潛在的致癌性[2]。因此，開發(fā)靈敏檢測SY和Tz的方法，特別是適用于現(xiàn)場的快速檢測方法對于環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警具有重要意義。

激光誘導(dǎo)石墨烯材料（Laserinducedgraphene，LIG）是通過激光雕刻的方法，將各種碳前驅(qū)體（聚酰亞胺、木質(zhì)素、紙和木材等）光熱轉(zhuǎn)化為三維多孔狀石墨烯[3-4]。在激光光源（CO2激光、可見激光和紫外激光等[5]）作用下，高能量密度的激光輻照在材料表面，產(chǎn)生局部瞬時高溫（gt;2500℃），使得碳前體中的C—O、C=O和C—N鍵發(fā)生斷裂，碳原子重排形成片層石墨烯結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生的LIG具有低薄層電阻（lt;15Ω/sq）和高比表面積（～340m2/g）[6]。LIG具有易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制、圖案化和多器件集成等獨特優(yōu)勢，在柔性傳感器和便攜式傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Zhao等[7]開發(fā)了基于LIG表面修飾鉍納米顆粒的修飾電極，采用陽極溶出伏安法檢測Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ），為一次性柔性電化學(xué)傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)提供了一種新策略。Qiu等[8]開發(fā)了一種基于LIG柔性基板電極的低成本無線智能便攜式傳感器，可簡單、快速地實現(xiàn)磺胺類化合物（SAs）的電化學(xué)檢測。與傳統(tǒng)的大型電化學(xué)工作站相比，無線藍牙傳輸?shù)谋銛y式微型電化學(xué)工作站在食品安全的快速、現(xiàn)場監(jiān)管方面顯示了更好的實用性和優(yōu)越性。

目前，測定SY和Tz的方法主要有高效液相色譜法（HPLC）[9-10]、質(zhì)譜法（MS）[11]、紫外分光光度法[12]以及電化學(xué)方法[13]等。其中，電化學(xué)傳感器具有靈敏度高、簡便和成本低等優(yōu)點，被廣泛用于食品中染料的檢測。State等[13]采用離子液體和AuTiO2/GO復(fù)合材料修飾碳糊電極，研制了一種新型電化學(xué)傳感器，利用差分脈沖伏安法（DPV）快速靈敏地測定Tz，檢出限為0.33μmol/L。該方法被成功應(yīng)用于飲料、芥末和黃色雞蛋染料樣品中Tz的靈敏測定。Tajik等[14]利用鐵素體銅納米粒子（CuFe2O）對絲網(wǎng)印刷電極表面進行修飾，構(gòu)建了一種新型的高靈敏和高選擇性的傳感器用于SY的檢測，檢出限低至0.009μmol/L。

電化學(xué)傳感器界面修飾材料的性質(zhì)是決定其性能的關(guān)鍵。蛋氨酸（Met）是一種含有胺基（—NH2）和羧基（—COOH）官能團的氨基酸，可通過電聚合形成導(dǎo)電聚合物。研究表明，聚氨基酸膜不僅具有高的電催化活性，還可為目標(biāo)物提供更多的作用位點[15]，提高檢測靈敏度和選擇性。本研究制備了一種聚蛋氨酸（p-Met）修飾的LIG電極，基于此構(gòu)建了電化學(xué)傳感器，與便攜式電化學(xué)工作站、掌上電腦和應(yīng)用程序集成為便攜式傳感平臺，采用DPV測定SY和Tz。本方法具有較寬的線性范圍和較低的檢出限，可用于水環(huán)境中的SY和Tz的現(xiàn)場同時檢測。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

CHI650D電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）；HY-E100X便攜式電化學(xué)工作站（深圳灝陽科技有限公司）；掌上電腦（法國Geglovo公司）；K3020CO2激光雕刻機（聊城巨龍激光設(shè)備有限公司）；ZHD-10紅外燈（天津恒創(chuàng)立達科技發(fā)展有限公司）；UV-2450紫外-可見吸收光譜儀（日本島津公司）；Qunata600F場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM，法國FEG公司）；LabRAMOdyssey拉曼光譜儀（法國HORIBA公司）；ESCALAB250XiX射線光電子能譜儀（英國ThermoFisher公司）。

聚酰亞胺薄膜（PI，厚度0.125mm，深圳樂信塑業(yè)有限公司）；Ag/AgCl油墨（日本ALS公司）；SY、Tz、Met、葡萄糖、檸檬酸、檸檬酸鈉、蘇丹紅Ⅲ、鉻黑T、甲基橙和甲基藍（分析純，北京邁瑞達科技有限公司）；Na2HPO4、NaH2PO4、NaCl、KCl、CaCl2、ZnCl2、CdCl2、MgSO4和FeCl3（分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠）。0.1mol/L磷酸鹽緩沖液（PBS）采用Na2HPO4和NaH2PO4制備。實驗用水為超純水（18.2MΩ·cm，美國Milli-Q公司超純水儀制備）。

1.2定制化圖案的設(shè)計與三電極體系的構(gòu)建

PI薄膜用無水乙醇超聲清洗5min，然后用超純水沖洗，用氮氣吹干得到潔凈的PI表面。隨后，設(shè)定CO2激光雕刻機的功率和掃描速度，在PI表面得到包含工作電極（WE）、對電極（CE）和參比電極（RE）的定制圖案[3]。圖案區(qū)域為導(dǎo)電的激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG），為隔離檢測區(qū)域與傳感區(qū)域，用PI膠帶封閉充當(dāng)導(dǎo)線的中間區(qū)域。在LIG的一部分表面涂覆Ag/AgCl油墨，并置于紅外燈下烘干，得到RE。如圖1所示，CE為裸LIG，工作電極（WE）直徑為3mm，便攜式傳感界面的整體尺寸為2.2cm×1.4cm。在含有0.01mmol/LMet的PBS（0.1mol/L，pH7.0）中，利用循環(huán)伏安法（CV，掃速：0.1V/s，電位掃描范圍：–0.6～2.0V，掃描圈數(shù)：4圈）制備p-Met薄膜修飾層。用超純水沖洗后氮氣吹干，得到p-Met/LIG便攜式電化學(xué)傳感器。

1.3電化學(xué)測量

采用構(gòu)建的p-Met/LIG進行電化學(xué)測量，以0.1mol/LPBS+0.1mol/LKCl（pH=6.0）溶液為電解質(zhì)溶液。CV掃描速度為0.1V/s；DPV測試的電位范圍為0.4～1.0V，富集時間240s，脈沖電位0.005V，脈沖周期0.2s，脈沖寬度50ms，脈沖振幅0.05V。

便攜式電化學(xué)工作平臺由三電極體系通過數(shù)據(jù)線和便攜式電化學(xué)工作站及掌上電腦連接組成，并安裝應(yīng)用程序（HY-EW100X）實現(xiàn)即時檢測。條件優(yōu)化實驗采用辰華公司的CHI660E電化學(xué)工作站進行，工作曲線、干擾重現(xiàn)性、重復(fù)性、穩(wěn)定性及實際樣品測定采用HY-E100X便攜式電化學(xué)工作站完成。

2結(jié)果與討論

2.1LIG的制備與性質(zhì)表征

LIG電極系統(tǒng)的制備過程如圖1所示。在一定功率激光束照射下，得到嵌入PI薄膜襯底的黑色導(dǎo)電石墨烯層，并且形成的圖案可按需求設(shè)計。其原理是由于PI在高溫條件下被炭化和石墨化[3]。得到的三電極圖案如圖1所示，分別為WE、CE和RE。采用疏水的PI膠帶（陰影部分）隔離導(dǎo)電區(qū)域和傳感區(qū)域；在RE部分滴涂Ag/AgCl油墨，置于紅外燈下烘干。最后，電聚合Met形成p-Met薄膜修飾層。

采用掃描電鏡（SEM）對制得的LIG形貌進行了表征（圖2A），可以明顯觀察到典型的具有分層多孔結(jié)構(gòu)的三維石墨烯骨架，這種多孔的層狀結(jié)構(gòu)有效增加了電極面積。p-Met/LIG的SEM圖如圖2B所示，Met在LIG表面電聚合后，形成的p-Met均勻分布，呈珠狀，修飾層整體仍保持粗糙和孔狀結(jié)構(gòu)。圖2C是p-Met/LIG的元素分析（EDX）圖像，表明N元素在電極上均勻分布，進一步證明了p-Met已成功修飾。

p-Met修飾LIG前后的拉曼光譜如圖2D所示，LIG和p-Met/LIG的拉曼光譜均出現(xiàn)3個明顯的石墨烯特征峰，分別是1345cm–1處的D峰、1580cm–1處的G峰和2695cm–1處的2D峰[16]。其中，G峰歸屬為sp2碳原子的面內(nèi)振動，D峰是由石墨烯本身的缺陷或彎曲的石墨烯層造成的，說明p-Met沒有明顯改變石墨烯的結(jié)構(gòu)。LIG修飾前后的X-射線光電子能譜（XPS）如圖2E所示，修飾后N1s和O1s的出現(xiàn)及氧含量的增加也表明在石墨烯表面形成了p-Met。

2.2LIG制備條件的優(yōu)化

激光束的掃描速度和功率是影響LIG性能的重要因素[17]。激光功率在8.0～10.5W范圍內(nèi)，LIG電極在[Fe（CN）6]3–/4–電解液中的CV曲線如圖3A所示，LIG電極的氧化還原電流先隨激光功率升高而增強，但當(dāng)激光功率達到10W時，電流值下降（圖3A插圖）。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率較高（9.5～10.5W）時，所制備的LIG容易脫落。綜合考慮電極的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，確定最佳激光功率為9W。在9W激光功率下，掃速在120～160mm/s范圍內(nèi)制備的LIG電極的氧化還原峰電流如圖3B所示，隨掃描速度增大，電極的電流逐漸下降，在120mm/s時電流最大（圖3B插圖）。當(dāng)掃描速度小于120mm/s時LIG易脫落。綜上，制作LIG電極的參數(shù)確定為激光束掃描速度120mm/s，激光功率9W。

2.3SY和Tz的電化學(xué)行為

SY和Tz分別在裸LIG（a）和p-Met/LIG（b）上的CV曲線如圖4A所示，Epc=0.65V和Epa=0.62V處的峰分別對應(yīng)SY的氧化峰和還原峰，Epc=0.91V的峰是Tz的氧化峰，兩者氧化峰的峰間距達300mV，因此可同時測定SY和Tz。SY和Tz在p-Met/LIG上的氧化還原電流明顯高于裸LIG，表明p-Met可明顯提高兩種染料的電化學(xué)響應(yīng)。這是由于Met分子中的氨基（—NH2）和羧基（—COOH）在電極表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成了導(dǎo)電聚合物[15]，提高了電極表面的電子傳遞速度；形成的顆粒狀導(dǎo)電聚合物增加了電極表面積，進一步提高了SY和Tz的氧化電流。在不同掃描速度下，SY和Tz在p-Met/LIG電極上的的CV曲線分別如圖4B和4C所示，兩者的氧化峰電流（Ipa）與掃描速度在10～100mV/s范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，表明兩者在p-Met/LIG上的電化學(xué)反應(yīng)受吸附控制。

2.4檢測條件的優(yōu)化

檢測體系的pH值和富集時間是影響電化學(xué)檢測SY和Tz靈敏度的關(guān)鍵因素。首先考察了體系在pH4.0～8.0范圍內(nèi)SY和Tz的氧化峰電位的變化（圖5A和5B），結(jié)果表明，氧化峰電位均隨溶液pH值增大而負(fù)移，表明質(zhì)子參與了電極反應(yīng)[18]。SY的氧化峰電位（Ep）與pH值之間的關(guān)系為Ep（V）=0.8332–0.0245pH（R2=0.9756），Tz的氧化峰電位（Ep）與pH值之間的關(guān)系為Ep（V）=1.0952–0.0274pH（R2=0.9919），SY和Tz的斜率值接近理論值（0.059V/pH）的1/2，即反應(yīng)中質(zhì)子與電子的比例為1∶2，與理論值一致[19-20]。SY和Tz在氧化反應(yīng)過程中失去1個質(zhì)子和2個電子，電化學(xué)反應(yīng)的機理概括為式（1）[21]：

此外，隨著pH值從4.0增至6.0，SY和Tz的氧化峰電流均逐漸增大（圖5C和5D）。但是，當(dāng)pH值從6.0增大至8.0，SY和Tz氧化峰電流降低。因此，本研究選擇pH=6.0的PBS溶液為后續(xù)實驗的電解質(zhì)溶液。

采用DPV法考察了在0～420s范圍內(nèi)富集時間對電流響應(yīng)的影響。如圖6所示，SY和Tz的電流響應(yīng)均隨富集時間延長而增大，直至達到穩(wěn)定。綜合考慮電化學(xué)響應(yīng)、快速檢測和兩種染料的同時測定，選取最優(yōu)吸附時間為240s。

2.5SY和Tz的分別和同時檢測

與傳統(tǒng)的大型電化學(xué)工作站相比，便攜式小型電化學(xué)工作站體積更小，并可連接便攜式電腦或智能手機，便于攜帶及現(xiàn)場檢測。在最優(yōu)實驗條件下，將p-Met/LIG與便攜式電化學(xué)工作站和掌上電腦應(yīng)用程序集成，利用DPV法考察峰電流與SY和Tz濃度之間的關(guān)系。保持一種物質(zhì)的濃度不變，改變另一種物質(zhì)的濃度，分別測定混合物中SY或Tz的濃度，結(jié)果如圖7A和7C所示，SY和Tz的峰電流均隨其濃度增大而增大，并且在不同濃度SY存在時Tz的氧化峰幾乎沒有變化，同時在不同濃度Tz存在時SY的氧化峰幾乎沒有變化，即二者的電化學(xué)信號互相不干擾，可以同時測定。如圖7B所示，峰電流與SY濃度在0.2～20μmol/L和20～100μmol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，線性方程為分別Ip（μA）=1.118C（μmol/L）+0.250（R2=0.9901）和Ip（μA）=0.471C（μmol/L）+12.449（R2=0.9985）。如圖7D所示，Tz的氧化峰電流也隨其濃度增加而增大，分別在0.4～40μmol/L和40～100μmol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，線性方程分別為Ip（μA）=0.331C（μmol/L）+0.672（R2=0.9994）和Ip（μA）=0.103C（μmol/L）+9.653（R2=0.9937）。

在最優(yōu)實驗條件下，采用DPV檢測了在SY和Tz混合溶液中，SY和Tz在p-Met/LIG上的峰電流與濃度之間的關(guān)系，考察采用p-Met/LIG同時檢測SY和Tz的性能。由圖8A可見，隨著SY和Tz濃度增加，各自的峰電流逐漸增強，并且峰電流與SY濃度在0.2～20μmol/L和20～100μmol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，線性方程分別為Ip（μA）=0.992C（μmol/L）+0.285（R2=0.9902）和Ip（μA）=0.357C（μmol/L）+12.579（R2=0.9906）。Tz濃度在0.3～40μmol/L和40～100μmol/L范圍內(nèi)與其峰電流具有良好的線性關(guān)系，線性方程分別為Ip（μA）=0.235C（μmol/L）+0.551（R2=0.9913）和Ip（μA）=0.083C（μmol/L）+6.291（R2=0.9963）。SY和Tz的檢出限（LOD，S/N=3）分別為0.001和0.005μmol/L。與文獻報道的SY和Tz檢測方法的分析性能相比（表1），本研究制備的p-Met/LIG電化學(xué)傳感器檢測SY和Tz具有較寬的線性范圍和較低的檢出限。

2.6選擇性、重現(xiàn)性、重復(fù)性和穩(wěn)定性分析

在含有5μmol/LSY和5μmol/LTz的0.1mol/LPBS（pH6.0）中，考察了潛在的干擾物質(zhì)共存時，對p-Met/LIG檢測SY和Tz的影響。實驗結(jié)果表明，100倍濃度的Na+、Cl–、K+、Ca2+、Zn2+、Cd2+、Mg2+、SO42–、Fe3+、葡萄糖、檸檬酸和檸檬酸鈉共存時，SY和Tz的峰電流響應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在3.2%～4.5%范圍內(nèi)；20倍濃度的蘇丹紅Ⅲ、鉻黑T、甲基橙和甲基藍存在時，SY和Tz峰電流響應(yīng)的RSD在4.1%～4.9%范圍內(nèi)。上述結(jié)果表明，p-Met/LIG電極測定SY和Tz具有良好的選擇性。

考察了p-Met/LIG電極重復(fù)測定的穩(wěn)定性。在每次測量完成后，電極在空白PBS中通過CV掃描10圈再生，10次重復(fù)測定SY和Tz電流響應(yīng)的RSD分別為3.0%和3.8%。3個不同批次制備的修飾電極對5μmol/LSY和Tz的電流響應(yīng)的RSD分別為為2.7%和1.8%。將制備好的傳感器儲存在真空袋中，每周測量一次，2周后，電極對5μmol/LSY和Tz的電流響應(yīng)分別為初始電流響應(yīng)的95%和90%。上述結(jié)果表明，P-Met/LIG電極具有良好的穩(wěn)定性和制備重現(xiàn)性。

2.7實際樣品分析

將構(gòu)建的便攜式電化學(xué)傳感平臺用于測定實際環(huán)境水樣（北京工業(yè)大學(xué)月亮湖湖水）中的SY和Tz。水樣首先經(jīng)0.22μm的濾膜過濾，采用PBS緩沖液（0.1mol/LpH=6.0）以體積比1∶1稀釋，并加入不同濃度的SY和Tz。原始水樣中未檢出SY和Tz，加標(biāo)水樣的檢測結(jié)果見表2，回收率為96.5%～103.8%，RSD為1.0%～4.9%。同時采用常規(guī)的紫外分光光度法檢測，并與本傳感器獲得結(jié)果進行比較，兩種方法得到的結(jié)果沒有明顯差異，表明基于便攜式傳感平臺的方法簡便、準(zhǔn)確，可用于水樣中SY和Tz的現(xiàn)場即時檢測。

3結(jié)論

采用激光法一步制作了LIG電極，通過電化學(xué)聚合將Met修飾在LIG表面上，提高了SY和Tz的電流響應(yīng)。將p-Met/LIG電極與小型的電化學(xué)工作站、掌上電腦及應(yīng)用程序集成為便攜式電化學(xué)傳感平臺，實現(xiàn)了對SY和Tz的同時、原位測定。此傳感平臺具有線性范圍寬、檢出限低和選擇性好等特點，可用于水環(huán)境中SY和Tz的現(xiàn)場快速檢測。