胡 杰,郭 鋒,侯嬌嬌,葛曉陽,王 麗*

(1.浙江工商大學食品與生物工程學院,杭州 310018;2.浙江南都電源動力股份有限公司,杭州 310012)

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基于CdTe量子點-殼聚糖-石墨烯納米復合物構建亞硝酸鹽電化學傳感器*

胡 杰1,郭 鋒2,侯嬌嬌1,葛曉陽1,王 麗1*

(1.浙江工商大學食品與生物工程學院,杭州 310018;2.浙江南都電源動力股份有限公司,杭州 310012)

構建了一種基于CdTe量子點-殼聚糖-石墨烯納米復合物修飾玻碳電極的亞硝酸鹽電化學傳感器,殼聚糖作為連接劑,CdTe量子點靜電自組裝負載到石墨烯上,外層包覆的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)薄層用于穩(wěn)定修飾物。對該傳感器進行了電化學表征該電極,并與差分脈沖伏安法結合用于檢測亞硝酸鹽,該傳感器在2 μmol/L～100 μmol/L范圍內具有良好的線性關系,檢出限為0.89 μmol/L,加標回收率在96.7%～101.8%內。該傳感器具有靈敏度高、檢出限低、準確、快速等優(yōu)勢,應用到市售腌菜中亞硝酸鹽的檢測,結果令人滿意。

電化學傳感器;亞硝酸鹽;靜電自組裝;CdTe量子點

近年來隨著對納米材料的深入研究,通過不同納米材料的組裝來獲得高靈敏度的電化學傳感器和電化學生物傳感器已經成為受關注的研究領域[1]。其中量子點QDs(Quantum Dots)從廣義上講是一種三維尺度都在幾十納米以下的特殊納米材料,主要由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成構成[2-3],具有高電子轉移效率、高表面反應活性、低成本和低能量消耗等性質而得到廣泛的研究,被視為構建電化學傳感器的一種潛力材料[4]。

亞硝酸鹽作為重要的食品添加劑,具有著色、防腐作用,但過量食用含亞硝酸鹽的食物,會造成人體缺氧而引發(fā)藍嬰綜合癥,甚至會誘發(fā)癌變[5],因此,亞硝酸鹽是食品質量安全的重要指標。目前檢測亞硝酸鹽的方法主要有紫外-可見分光光度法[6]、離子色譜法[7]等,這些方法都存在操作繁瑣的缺點,而亞硝酸根在電化學電極表面上很容易發(fā)生氧化反應,其信號能被直接檢測到且靈敏度高,所需設備簡單、成本低,運用電化學方法檢測亞硝酸鹽是一種非常實用的方法,受到廣泛的關注與研究。如Radhakrishnan等人[8]將Fe2O3納米粒子固定在氧化石墨烯(GO)上再通過化學反應還原構建成Fe2O3/rGO納米復合材料,具有較高的亞硝酸鹽電催化活性。Dai等人[9]將血紅蛋白(Hb)固定在CdS納米球(HS-CdS)內空間中構建Hb/HS-CdS生物傳感器,對亞硝酸鹽有很高電化學響應信號。

本文采用水相法合成了粒徑約為3 nm的CdTe量子點,通過靜電吸附自組裝法構建了石墨烯-殼聚糖-CdTe量子點(Gr-CS-CdTe)修飾玻碳電極(GCE),外包覆一層聚乙烯吡咯烷酮(PVP)膜,構成穩(wěn)定的亞硝酸鹽電化學傳感器(GCE/Gr-CS-CdTe/PVP),該納米復合材料修飾電極同時結合了CdTe量子點獨特物化性質和Gr優(yōu)良導電性質[10-11],以期實現對亞硝酸鹽的簡單、靈敏、準確、快速檢測。

1 實驗內容

1.1 試劑和儀器

石墨烯(Gr)購自南京先豐納米材料科技有限公司;聚乙烯吡咯烷酮(PVP,k30)購買自上海維酮材料科技有限公司;殼聚糖(CS)購自Sigma-Aldrich公司(美國);亞硝酸鈉標準品(NaNO2,99%)購自上海晶純生化科技股份有限公司;其他試劑未經過進一步處理。所有水溶液均由二次蒸餾水配制而成。實驗使用0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH=4.0)作為支持電解質。緩沖液由0.1 mol/L磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉配制而成,使用磷酸和氫氧化鈉溶液在酸度計下調至所需pH值。

電化學檢測采用LK2005A型電化學工作站(天津蘭力科科技限公司)。

1.2 制備Gr-CS-CdTe混合修飾液

首先采用水相法制備CdTe量子點,主要參考文獻[12]。稱取一定量的殼聚糖溶于2%的醋酸溶液中制備成0.5%的殼聚糖溶液,再移取一定量制備好的CdTe量子點溶液到0.5%的殼聚糖溶液中,所得混合溶液中CdTe量子點與殼聚糖的比例為2∶1,接著將混合溶液進行超聲1 h,通過CS與CdTe QDs之間的靜電作用吸附在一起,制備出CS-CdTe復合物。最后將Gr加入到超聲后的CS-CdTe混合液中,繼續(xù)超聲,通過CS的成膜性包裹在Gr表面上,得到最終Gr濃度為1.5 mg/mL的Gr-CS-CdTe混合修飾液。同時按上述方法制備相同比例的Gr-CS混合修飾液。構建示意圖如圖1所示。

1.3 修飾電極的制備

將裸玻碳電極在金相砂紙(3000#)上進行磨光,接著用粒徑0.3 μm拋光粉(α-Al2O3)懸乳液打磨至鏡面,并依次用1∶1硝酸溶液、無水乙醇、雙蒸水分別超聲5 min,氮氣吹干后待用。

移取5 μL上述制備的Gr-CS-CdTe修飾液滴涂在經預處理的玻碳電極上,并在紅外燈下進行烘干,待電極干燥后再滴加5 μL 0.5%的PVP溶液,構建成GCE/Gr-CS-CdTe/PVP修飾電極。同時按上述方法制備GCE/PVP、GCE/Gr-CS/PVP修飾電極。

1.4 電化學檢測方法

電化學工作站三電極體系中GCE/Gr-CS-CdTe/PVP修飾電極作為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極,鉑片電極作為對電極;每次電化學檢測前,先將工作電極置于0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH=4.0)中,在0～0.9 V的電位窗口下,進行循環(huán)伏安掃描,掃描15圈得到穩(wěn)定的信號后,再對待測液進行電化學方法檢測。循環(huán)伏安掃描的實驗參數:電位窗口為0.4 V～1.4 V;掃描速率為50 mV/s。差分脈沖伏安法的實驗參數:電位窗口為0.4 V～1.4 V;電位增量0.01 V;脈沖幅度0.1 V;脈沖寬度0.05 s;脈沖間隔0.5 s。所有電化學檢測均在室溫下進行。

2 實驗結果與討論

2.1 亞硝酸鹽在GCE/Gr-CS-CdTe/PVP上電化學行為

對于不可逆反應而言,氧化電位Ep與logv的關系可由下列方程表示[13]:

Epa=A+2.3RT[2(1-α)nαF]-1logv

(1)

式中:α為電荷轉移系數,nα為限速步驟的電子數,v為掃描速度(V/s),F為法拉第常數(C/mol)。由圖3(b)可知,氧化峰電位Ep與logv呈良好的線性關系,線性方程為Ep=0.073logv+0.887,R2=0.991 0。由此,可以計算得到(1-α)nα的值為0.40。通過該值可以求得塔菲爾斜率(b=2.3RT[(1-α)nαF]-1)為145 mV/dec,高于一般值30 mV/dec～120 mV/dec,這表明在亞硝酸鹽電催化氧化過程中,第1個單電子轉移成為限速步驟[14]。整個亞硝酸鹽電催化氧化過程中的電子數n,可由方程式[15](2)求出,該方程適用于受擴散控制的不可逆反應:

Ip=2.99×105n[(1-α)nα]1/2CoAD1/2v1/2

(2)式中:Co為亞硝酸鹽的濃度(mol/cm3),D為擴散系數(對于亞硝酸鹽,3.7×10-5cm2/s[16]),A為電極面積(cm2)。將各項參數代入式(2)中,計算得到n=1.84,表明亞硝酸鹽整個電催化氧化反應方程式[17]為:

NO2-→NO2+e-

(3)

2NO2+H2O →NO2-+NO3-+2H+

(4)

電極上反應過程示意圖如圖4所示。

2.2 電極有效面積的測定

采用電位階躍計時庫侖法(CC)研究電化學中電極的動力學參數,根據方程[18]:

(5)式中:Q表示計時庫倫法的電量,n為電子轉移數,F為法拉第常數(C/mol),A為電極面積(cm2),c為電活性物質在溶液中物質的量濃度(mol/cm3),D為電活性物質在溶液中的擴散系數(cm2/s),Qdl為雙電層的充電電量(C),Qad為吸附組分的反應電量(C)。以K3[Fe(CN)6]為模型化合物(已知1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]在1.0 mol/L KCl溶液中的擴散系數為7.6×10-6cm2/s)分別在GCE/Gr-CS/PVP和GCE/Gr-CS-CdTe/PVP電極上測定,得到Q-t關系曲線(圖5(a)),作Q-t1/2線性關系曲線(圖5(b))。由圖5(b)結果所示,GCE/Gr-CS-CdTe/PVP(a)和GCE/Gr-CS/PVP(b)在1.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]含1.0 mol/L KCl溶液中所得Q-t1/2關系曲線的線性方程分別為Qa=1.13×10-4t1/2-1.26×10-5,Qb=7.02×10-5t1/2-3.94×10-6,將所得參數代入式(5)中,分別計算得到GCE/Gr-CS-CdTe/PVP(a)和GCE/Gr-CS/PVP(b)的有效面積為0.377 cm2和0.234 cm2。這結果表明CdTe量子點能提升修飾電極的有效表面積,從而提升修飾電極的電催化活性。

2.3 固定劑PVP量的優(yōu)化

本研究嘗試在GCE/Gr-CS-CdTe外層包覆一層PVP薄膜來阻止因未完全固定住的CdTe量子點而產生的流失。PVP膜越厚,膜的孔徑可能越小,雖然能有效的阻礙CdTe量子點的流失,但同時也會阻礙電活性物質與亞硝酸鈉之間的接觸,降低電催化活性。而PVP膜越薄,膜孔徑可能越大,這樣就難以起到阻礙CdTe量子點流失的作用,同樣也會降低修飾膜的電催化效果。通過大量的實驗,最后選擇在GCE/Gr-CS-CdTe表面上再滴加5 μL 0.05%的PVP k30溶液,此時PVP膜孔徑大小適宜,既能起到固定CdTe量子點的作用,電活性物質與亞硝酸鹽也能充分的接觸。

2.4 不同pH對檢測亞硝酸鹽的影響

圖6是GCE/Gr-CS-CdTe/PVP在磷酸鹽緩沖液中,于不同pH值下與0.1 mmol/L的亞硝酸鹽氧化峰電流之間的關系圖。隨著pH值不斷提高,亞硝酸鈉在GCE/Gr-CS-CdTe/PVP上的氧化峰電流呈先升高后降低的趨勢,且在pH=4.0的時候達到最大值。因此本實驗選擇0.1 mol/L pH=4.0的磷酸鹽緩沖液作為最佳支持電解質。

2.5 標準曲線,檢測限及電極穩(wěn)定性研究

在最優(yōu)實驗條件下,采用差分脈沖伏安法測定不同濃度的亞硝酸鹽標準液(磷酸鹽緩沖液,pH=4.0)在GCE/Gr-CS-CdTe/PVP表面上的電流響應信號并繪制成標準曲線。如圖7(a)與7(b)所示,在2 μmol/L～100 μmol/L濃度范圍內呈良好的線性關系,線性方程為Ipa(μA)=0.099c(μmol/L)-0.184 2,R2=0.998 8,由3倍信噪比(S/N=3)計算得到檢出限為0.89 μmol/L。通過比較已報道的亞硝酸鹽化學修飾電極檢測方法,如Zhu等[19]以G4-NH4/MWNT/GCE測定亞硝酸鹽,線性范圍為5 μmol/L～50 μmol/L,檢出限為2 μmol/L;Zhao等[20]以硫堇結合碳納米管修飾玻碳電極作為工作電極測得線性范圍為3 μmol/L～500 μmol/L,檢出限為1.12 μmol/L;Mohammad等[21]以聚鄰氨基苯硫酚與Pt納米粒子的復合物修飾金電極測定亞硝酸鹽,線性范圍為3 μmol/L～1 000 μmol/L,檢出限為1 μmol/L,本文所用方法具有較好的靈敏度和較低的檢出限。

同時GCE/Gr-CS-CdTe/PVP電極的穩(wěn)定性與重現性通過差分脈沖伏安法連續(xù)測量(n=5)濃度為0.1 m mol/L亞硝酸鹽標準液來確定。結果顯示,在相同的實驗條件下,平行制備5根Gr-CS-CdTe/PVP修飾電極,對亞硝酸鈉進行電化學檢測,峰電流響應信號結果RSD為3.14%。Gr-CS-CdTe/PVP修飾電極于4 ℃環(huán)境中存放1周后,電化學測定電流響應仍然保持有95.8%以上信號強度。這些實驗數據表明Gr-CS-CdTe/PVP修飾電極對亞硝酸鹽的電化學檢測具有良好的重現性和穩(wěn)定性。

2.6 干擾實驗

2.7 實際樣品檢測

腌菜樣品均購自于當地市場,樣品預處理過程按照國標方法進行。將處理好的樣品以20 mg/kg(國家標準中規(guī)定腌菜中亞硝酸鹽以NaNO2計,含量不得超過20 mg/kg)水平加入亞硝酸鹽標準品來評估該方法的精密性和回收率,結果如表2所示,腌菜樣品的回收率在96.7%～101.8%之間,RSD在1.99%～4.50%之間,說明該方法具有較好的精密性和回收率。與參比法相比,兩種方法測定結果沒有顯著性差異(p>0.05)。

表2 GCE/Gr-CS-CdTe/PVP電化學測定腌菜中的亞硝酸鹽含量。

a:結果為3次測量值平均值±RSD(%);b:[(本方法-對照法)×100]/對照法

3 結論

基于CdTe量子點-殼聚糖-石墨烯納米復合物修飾玻碳電極,外層包覆PVP薄膜構建的亞硝酸鹽電化學傳感器,具有穩(wěn)定、重現和抗干擾能力,用于腌菜中亞硝酸鹽的檢測,靈敏度高、檢出限低、準確、快速。CdTe量子點具有高表面活性、高比表面積等性能,協(xié)同Gr優(yōu)良導電性質,能夠顯著的增強Gr-CS-CdTe/PVP修飾電極對亞硝酸鹽的電化學催化能力,PVP可以提升量子點在修飾電極上穩(wěn)定性。本研究為納米材料構建亞硝酸鹽電化學傳感器提供了可行的思路與數據。

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胡 杰(1989-),男,浙江工商大學食品與生物工程學院在讀研究生,主要研究方向為電化學傳感器研究及在食品檢測中的應用,jhu_0820@163.com;

王 麗(1973-),女,浙江工商大學食品與生物工程學院教師,博士,副教授,主要從事電化學、光化學傳感器的研制及其在食品快速檢測中的應用研究,liwang_wh@zjgsu.edu.cn。

ElectrochemicalNitrite Sensor Based on CdTe Quantum Dots-Chitosan-Graphene Nanocompositemodified Glassy Carbon Electrode*

HU Jie1,GUO Feng2,HOU Jiaojiao1,GE Xiaoyang1,WANG Li1*

(1.College of Food Science and Biotechnology,Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018,China;2.Narada Power Source Co,Ltd,Hangzhou 310012,China)

A new sensitive and selective electrochemical nitrite sensor based on CdTe quantum dots-chitosan-graphene(Gr-CS-CdTe)nanocomposite modified glassy carbon electrode via electrostatic self-assembly strategy was fabricated. Herein,the negatively charged Gr dispersed in CS to form a stable film with the ability of enhancing electronic transport,simultaneously,the negative charged thioglycollic acid(TGA)capped CdTe QDs attached to positively charged CS,and polyvinyl pyrrolidone(PVP)was as the stabilizer coated on the outside layer. The sensor was characterized by its electrochemical behavior and it was showed that the oxidative peak of nitrite was largely enhanced and therefore the sensitively of the sensor was improved due to the very small size,high electron-transfer efficiency,large specific surface area of CdTe QDs. The proposed sensor combined with differential pulse voltammetry was applied in the determination of nitrite in pickled vegetable samples. The results showed that external standard calibration curve was linear in the range of 2 μmol/L～100 μmol/L with a detection limit of 0.89 μmol/L. The method was accurate with the recoveries ranged from 96.7 to 101.8%.

electrochemical sensor;nitrite;electrostatic self-assembly;CdTe QDs

項目來源:浙江省自然科學基金項目(LY17C 200002);浙江省現代食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心項目(2017SICR113)

2016-12-26 修改日期:2017-02-25

TP212.2

A

1004-1699(2017)07-0991-05

C:7230L

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.003