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，從而制成能對甲基對硫磷進行檢測的電化學(xué)傳感器。此傳感器可以將甲基對硫磷的反應(yīng)信號很明顯地反映出來，同時此傳感器還具有靈敏度高、準確性強、抗干擾等特點，并可以將其應(yīng)用在對飲用水和獼猴桃中甲基對硫磷的檢測中，其檢測結(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，同時也為納米材料修飾的電化學(xué)傳感器在食品中檢測有機磷農(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)境檢測中具有特殊類型的傳感器，是在電化學(xué)信號的基礎(chǔ)上，通過對化學(xué)反應(yīng)的分析來實現(xiàn)檢測目的的。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)不同的分類標準，主要分為以下兩種類型。根據(jù)輸出信號的差別來分類，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)檢測物質(zhì)的不同又可以分為生物型、氣體型和離子型。對于電化學(xué)傳感器來說，它不僅能應(yīng)用在不同類型的固體中，還能對電導(dǎo)率、溶液酸堿度調(diào)整以及氧化還原反應(yīng)等進行測量。此外，對于電化學(xué)傳感器來說，不同類型的電化學(xué)傳感器有不同的優(yōu)勢和應(yīng)用范圍，其中對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，具體有以下幾方面：第一，電化學(xué)響應(yīng)信號與需要檢測物質(zhì)的濃度是有線性關(guān)系的，同時電位型與檢測物質(zhì)的濃度也有線性關(guān)系；第二，電化學(xué)響應(yīng)信號的讀數(shù)誤差比較??；第三，具有非常高的靈敏度。

1.3 電催化傳感器

其實電化學(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裸電極表面進行特定的化學(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在外加電場的應(yīng)用下阻礙電極上的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，但是對于電解質(zhì)溶液和電極表面修飾物來說，自身并不會發(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)檢測出來。目前，化學(xué)修飾電極主要被應(yīng)用于生物分子、有機物和無機離子等的檢測中。近些年來，利用納米材料修飾電極的科研項目越來越多，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，對無機物、有機物等的檢測范圍也越來越大。

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，對農(nóng)藥噴灑的認識也不夠全面，單純以為噴灑農(nóng)藥的目的就是為了防止病蟲害，所以在這種錯誤思想下，他們還會噴灑過量農(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)藥就是有機磷藥物，其也是對農(nóng)作物影響最大的農(nóng)藥之一。

2.2 有機磷農(nóng)藥的檢測方法

以往，常用的有機磷農(nóng)藥檢測方法有酶抑制劑、色譜、光度以及質(zhì)譜方法等，其可結(jié)合有效的殘留檢測技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)藥殘留物的檢測，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)藥殘留檢測技術(shù)是色譜分析。但是色譜分析方法檢測時間是非常長的，且工作量比較大，成本投入也非常高，無法對大量樣品進行檢測。所以為了緊跟時代發(fā)展以及滿足人們對食品安全的需求，需要研究出快速、高準確性、機械化的農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)和方法。而在研究中發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)傳感器在該項技術(shù)中發(fā)揮了很重要的作用，因為它不但具有很高的靈敏度，其特異功能也比較強，并在相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用下實現(xiàn)了自動化，這些對有機磷農(nóng)藥殘留和篩選有很重要的作用和意義。應(yīng)用在有機磷農(nóng)藥檢測的電化學(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，其最大的特點是又薄又堅硬。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，相當于頭發(fā)的20萬分之一。在我國近些年的科學(xué)研究中，石墨烯還是具有很大優(yōu)勢的，并已進入了物理和化學(xué)界最前沿的研究范圍。此外，石墨烯還有一個很大的優(yōu)勢，就是它可以不借助任何化學(xué)制劑就可以實現(xiàn)在水中的分解和分層。對于石墨烯來說，其以下性質(zhì)是當前的研究重點：石墨烯的電子效應(yīng)能、石墨烯的機械作用、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；而機械作用主要體現(xiàn)在其質(zhì)地堅硬的特點上；熱性能主要是因為石墨烯本身就具有導(dǎo)熱性能；吸附性能也是因為石墨烯本身屬于平面網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)，所以可以促進原子的吸附性能[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械剝離方法，它是通過應(yīng)用機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片層的，所以如果采用傳統(tǒng)的剝離方法是會需要很長時間的，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，該法不但操作簡單，成本還很低，不會被污染。石墨烯的應(yīng)用范圍也因為其薄度、面積大和硬度高等特點有很大的研究和應(yīng)用空間，目前常被應(yīng)用在計算機芯片中。

3.3 石墨烯材料在電化學(xué)傳感器中的優(yōu)勢分析

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，還能對生物分子進行固定，提高其良好的微觀環(huán)境。此外，石墨烯材料還能對生物分子起到定向作用，對酶的微觀環(huán)境進行改變，進一步提高靈敏度。

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

4.1 準備試驗材料和需要使用的試劑

在選擇甲基對硫磷、西維因等藥物的時候，一定要選擇具有國藥標識的，硝基苯酚也要在當?shù)氐幕Ｕ救ベ徺I，只有試劑符合標準，才能保證結(jié)果的準確性。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，當然想要獲取不同濃度的甲基對硫磷溶液同樣是要通過分布稀釋的方法來實現(xiàn)的。但需要注意的是，在整個試驗過程中，所使用的水都是二次蒸餾水，玻璃器皿等都是要浸泡兩個小時以后，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 實驗方法

4.2.1 在石墨烯的電化學(xué)傳感器基礎(chǔ)上檢測甲基對硫磷

對于有機磷農(nóng)藥的電催化檢測來說，主要包括兩個檢測步驟：第一，甲基對硫磷在電極修飾層表面的固相微萃取富集；第二，對吸附的甲基對硫磷的溶液進行分析和檢測。首先，需要在不同濃度的甲基對硫磷溶液中防止修飾電，并富集一段時間；然后，對電極進行沖洗，并在沖洗完成后的電極放置于磷酸鹽緩沖液中進行方波伏安掃描，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，同時在檢測工作開始之前，需要除溶解氧工作30分鐘，這要運用穩(wěn)定的高純N2氣流來實現(xiàn)；最后，通過確定甲基對硫磷的濃度和氧化峰電流強度的關(guān)系，在信息技術(shù)的支持下建立數(shù)學(xué)模型，進而檢測出甲基對硫磷濃度的大小。

4.2.2 甲基對硫磷傳感器的再生

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

4.2.3 實驗樣品中甲基對硫磷的加標回收檢測

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

4.2.4 電化學(xué)還原石墨烯的電化學(xué)傳感器性能評價

試驗過程需要結(jié)合電化學(xué)傳感器的性能進行分析和評估，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)藥作為干擾對象；重復(fù)性是對組內(nèi)和組間兩個不同方面內(nèi)容進行分析和評價；穩(wěn)定性是指傳感器響應(yīng)信號的變化。

4.3 試驗結(jié)果分析

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

為了保證電化學(xué)傳感器可以在最佳狀態(tài)下展開工作，保證最終檢測的質(zhì)量，本次試驗對氧化石墨烯滴涂數(shù)量、所需富集時間和電解質(zhì)pH值進行了優(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；而富集時間長短與甲基對硫磷吸附的數(shù)量有很大的影響，所以會影響到電化學(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

通過對電化學(xué)傳感器吸附性能進行研究，并結(jié)合有機磷的檢測原理來達到檢測目的。主要做法是先通過萃取技術(shù)將電極修飾層表面的有機磷吸附起來，然后再利用電催化的方式對吸附的有機磷進行催化，實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)。接下來還要通過信號的轉(zhuǎn)換完成最終的試驗檢測。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。在吸附性能的檢測中，主要應(yīng)用的是方波伏安技術(shù)，由于此項技術(shù)有很高的靈敏度，能夠?qū)⒂袡C磷在電極表面的反應(yīng)實質(zhì)進行解釋。

4.3.3 電化學(xué)還原石墨烯修飾傳感器檢測有機磷的性能評價

方波伏安技術(shù)在吸附性能中已經(jīng)得到了驗證，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。在試驗中通過采用方波伏安技術(shù)對痕量的有機磷農(nóng)藥進行檢測，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隨著有機磷農(nóng)藥的濃度來增加，也就是說甲基對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)信號也就越強烈[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

通過試驗中對飲用水、獼猴桃等樣品的加標回收，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)傳感器是可以對甲基對硫磷進行檢測的，而且準確性也很高。

表1 飲用水樣品中的加標回收試驗

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)比較簡單，但卻有高效性、高靈敏度、高準確度等優(yōu)勢，能夠快速地實現(xiàn)對有機磷的檢測。同時電化學(xué)還原石墨烯的制備及其在有機磷電化學(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。