吳芳輝*， 張 琴， 楊俊卿， 李曉檸， 何鵬飛

(安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

亞硝酸鹽是自然界氮循環(huán)過程活性中間產(chǎn)物之一，主要來自于氨的氧化和硝酸鹽的還原[1]。亞硝酸鹽可抑制梭菌毒素生長，延長食物儲存期，常用作食品添加劑中的防腐劑[2]。但是人體內(nèi)如果含有過多的亞硝酸鹽，會造成低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，失去輸氧能力，直接危害人體健康[3]。因此，快速有效檢測食品中的亞硝酸鹽含量具有重要意義。已有文獻報道多種方法檢測亞硝酸鹽，包括色譜法[4]、分光光度法[5]、熒光光譜法[6]、質(zhì)譜法[7]以及電化學(xué)法[8]等。其中，電化學(xué)法具備簡單、快速、靈敏度高等優(yōu)勢成為研究的熱點[9]。然而，亞硝酸鹽在裸基底電極表面發(fā)生氧化的過電勢較高，響應(yīng)微弱，因此，多種多樣的納米材料修飾劑被用于檢測亞硝酸鹽[10 - 11]。半導(dǎo)體納米材料CuS作為一種典型的帶隙寬度為1.2～2.0 eV，因為易合成、價廉、高電容存儲、促進電荷轉(zhuǎn)移等性能，引起了研究者的關(guān)注[12]。不過納米粒子之間的范德華力使其易于團聚，而且導(dǎo)電性較差[13]，所以在CuS納米材料中摻雜比表面積大、導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性和生物相容性佳的氮摻雜石墨烯(NG)[14]，充分改善CuS納米材料的性能，有望構(gòu)建一種新型的電催化作用強的亞硝酸鹽電化學(xué)傳感器。

本文以氮摻雜石墨烯(NG)為載體，添加CuS之后，通過簡單的水熱反應(yīng)，制備了NG-CuS復(fù)合材料，采用該復(fù)合材料構(gòu)筑了電化學(xué)傳感器，考察了亞硝酸鹽在該修飾電極上的電化學(xué)行為，建立了簡單、靈敏、高選擇性電化學(xué)法測定亞硝酸鹽的新體系，并成功用于實際樣品中亞硝酸鹽的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

S-4800掃描電鏡(日本，日立)；XRD-6000 X-射線衍射儀(日本，島津)；ESCALAB 250XI)X-射線光電子能譜儀(XPS)(美國，Thermo)；CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)，采用三電極系統(tǒng)：玻碳電極(GCE)或CuS-NG/GCE為工作電極，Hg/Hg2Cl2電極為參比電極(SCE)，鉑絲電極為對電極；KH2200B型超聲波清洗器(昆山禾創(chuàng)超聲有限公司)。

NG(3%～5%,南京先豐納米材料科技有限公司)；5%Nafion(安徽瑞邦科技有限公司)；硫代乙酰胺、CuAc2·H2O(上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；其它試劑均為分析純。水為二次蒸餾水。

1.2 NG-CuS復(fù)合材料的制備

稱取28 mg NG粉末，超聲分散于40 mL無水乙醇中，加入140 mg CuAc2，攪拌使其溶解。另外稱取160 mg 硫代乙酰胺溶解于30 mL無水乙醇中，并加入3 mL 30%氨水，將上述兩種溶液充分混合均勻，攪拌20 min后轉(zhuǎn)至100 mL反應(yīng)釜中，于溫度160 ℃反應(yīng)16 h。反應(yīng)結(jié)束后，將所得沉淀用水和乙醇多次洗滌并離心分離，產(chǎn)品置于真空干燥箱于25 ℃干燥12 h，即得NG-CuS。

1.3 NG-CuS修飾電極的制備

將直徑3 mm的GCE在麂皮上用0.05 μm Al2O3粉末拋光成鏡面，再依次用HNO3、丙酮、乙醇和水分別超聲3 min。洗凈干燥后，放入0.5 mol/L H2SO4中于-1.5～1.5 V下進行循環(huán)掃描至循環(huán)伏安圖穩(wěn)定為止。稱取2 mg NG-CuS復(fù)合材料,分散于1 mL DMF溶液中，再加入10 μL含5%Nafion的乙醇溶液作為黏膜劑，超聲分散均勻。吸取5 μL分散液涂布在GCE表面，置于真空干燥器中干燥后，備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 NG-CuS復(fù)合材料的表征

圖1為CuS、NG和NG-CuS復(fù)合材料的X-射線衍射(XRD)圖。其中，氮摻雜石墨烯在2θ為25°左右有一個寬峰，該峰對應(yīng)著氮摻雜石墨烯的(002)面衍射峰。CuS和NG-CuS復(fù)合材料在2θ為10.9°、27.7°、29.3°、31.8°、33.2°、38.9°、44.3°、48.2°、52.9°、59.4°、69.4°、74.3° 和79.3o分別對應(yīng)( JCPDS No.06-0464) 的(002)、(101)、(102)、(103)、(006)、(105)、(008)、(110)、(108)、(116)、(207)、(208)和(213)衍射峰。由于氮摻雜石墨烯的含量較少，在XRD中，它的(002)衍射峰不是很明顯。同時在XRD圖中，沒有看到其他雜質(zhì)特征峰，表明本實驗合成出的NG-CuS復(fù)合材料純度較高。

圖2為CuS和NG-CuS復(fù)合材料的掃描電鏡(SEM)圖。圖2A中，CuS材料尺寸約在80～180 nm之間，有部分團聚，形成大小較為均一的顆粒。由圖2B可見，CuS均勻分散在皺褶狀氮摻雜石墨烯表面，形成尺寸為100 nm左右的NG-CuS納米復(fù)合材料。因為氮摻雜石墨烯具有大的比表面積，且含有一些其他含氧基團，阻礙了CuS納米顆粒間的團聚，有利于復(fù)合材料后續(xù)發(fā)揮催化作用。

圖1 CuS、NG和NG-CuS納米復(fù)合材料的X-射線衍射(XRD)圖Fig.1 XRD patterns of CuS,NG and NG-CuS nanocomposites

圖2 CuS(A)和NG-CuS復(fù)合材料(B)的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 SEM images of the CuS(A) and NG-CuS composites(B)

實驗用X-射線光電子能譜(XPS) 確定了NG-CuS復(fù)合材料的元素組成和電子狀態(tài)。結(jié)果可見，NG-CuS復(fù)合材料在0～1 200 eV勘測區(qū)域內(nèi)，有很明顯的S、C、N、O和Cu的能帶峰。根據(jù)Cu 2p和S 2p 高分辨XPS圖可見(圖略)，在931.9和951.8 eV處的兩個強峰分別對應(yīng)的是Cu 2p3/2和Cu 2p1/2軌道[15]。在162.2 eV有一個強峰，對應(yīng)的是S2-的峰[16]，可知NG-CuS復(fù)合材料中CuS中的Cu為+2價，S為-2價。

圖3 不同電極的交流阻抗圖Fig.3 Nyquist impedance plots of different electrodes

2.2 修飾電極的交流阻抗分析

電化學(xué)交流阻抗實驗中，采用含有0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]4-/3-溶液作為支持電解質(zhì)，并在測試范圍頻率于0.01～100 kHz的開路電位下進行。由圖3可見，在高頻范圍內(nèi)，裸GCE(曲線a)在高頻區(qū)近乎為一條直線，修飾NG之后，電阻略為減小(曲線b)，而裸GCE修飾半導(dǎo)體CuS微粒之后，電阻大幅度增加至492 Ω(曲線c)，與此同時，NG與CuS復(fù)合之后的阻抗曲線中圓弧半徑大幅度回落至293 Ω(曲線d)，表明NG-CuS復(fù)合材料因引入NG明顯改善了CuS的導(dǎo)電性，從而比單一CuS更有利于界面間電子傳遞。

2.3 亞硝酸鹽在不同電極上的循環(huán)伏安行為

圖4 0.1 mol/L PBS (pH=6.0)中1.0 mmol/L 在GCE(a),NG/GCE(b),CuS/GCE(c)以及NG-CuS/GCE(d)上的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of 1.0 mmol/L at GCE(a),NG/GCE(b),CuS/GCE(c) and NG-CuS/GCE (d) in 0.1 mol/L PBS (pH=6.0)

利用循環(huán)伏安法研究了不同電極在在0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH=6.0)中對1.0 mmol/L亞硝酸鹽的催化效果(圖4)。由圖4可見當(dāng)GCE上修飾NG-CuS復(fù)合材料時，所表現(xiàn)出的催化效果最強，即氧化峰電流最大(42.22 μmol/L)，氧化峰電位最負(0.89 V )。這主要是由于NG-CuS納米復(fù)合材料相對于單一材料比表面積和電子傳遞速率增大，并阻止了NG和CuS單一材料在修飾電極表面團聚，從而表現(xiàn)出對亞硝酸鹽優(yōu)異的催化效果。

2.4 NG-CuS修飾電極對亞硝酸鹽的安培響應(yīng)

圖5 緩沖溶液pH的影響Fig.5 Effect of the pH of the buffer solution

實驗發(fā)現(xiàn)緩沖介質(zhì)的pH值對亞硝酸鹽的氧化有著重要的影響(圖5)，緩沖溶液的pH值由3.0增加到8.0，對應(yīng)的氧化峰電流先增加后減小，當(dāng)pH值為6.0時，氧化峰電流最大，這可能是因為酸性環(huán)境下亞硝酸鹽不穩(wěn)定，而堿性環(huán)境下，因為缺少質(zhì)子使得亞硝酸鹽的氧化變得困難[21]，故本實驗選擇在pH=6.0的PBS中進行。修飾劑的用量經(jīng)過優(yōu)化，選定為5 μL，掃描速度設(shè)定為50 mV/s，工作電位為0.89 V，研究了NG-CuS/GCE對亞硝酸鹽的安培響應(yīng)。由圖6可見，3 s 內(nèi)NG-CuS/GCE對亞硝酸鹽的催化電流達到穩(wěn)定值，表明對亞硝酸鹽響應(yīng)迅速。通過對該修飾電極對亞硝酸鹽呈現(xiàn)出的催化電流及其濃度進行線性擬合，線性范圍為0.1 μmol/L～14.02 mmol/L，回歸方程為：ip=11.5529+19.1407c(R=0.9945，n=28),檢測限(S/N=3)為33 nmol/L。與已有文獻比具有更寬的線性范圍和更低的檢測限，見表1。

2.5 重復(fù)性、穩(wěn)定性和干擾實驗

圖6 0.1 mol/L PBS (pH=6.0)中NG-CuS修飾電極連續(xù)添加不同濃度的安培響應(yīng)圖內(nèi)插圖添加低濃度時的放大圖Fig.6 Typical amperometric response of NG-CuS modified electrode on successive injection of into stirred 0.1 mol/L PBS (pH=6.0)Inset:the response of low concentation into PBS solution

分別采取同一支電極測定不同濃度的亞硝酸鹽標(biāo)液，以及同一批制備的5支電極測定同一濃度的亞硝酸鹽標(biāo)液，測定檢測修飾電極的重復(fù)性。結(jié)果表明，NG-CuS/GCE的日內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于3.2%，日間RSD小于6%，說明該修飾電極具有較好的重復(fù)性。另外，將制備的修飾電極保存于4 ℃的冰箱中每隔1 d拿出檢測，連續(xù)檢測15 d，電流響應(yīng)僅僅下降了5.7%，表明該修飾電極的穩(wěn)定性良好。

在優(yōu)化的實驗條件下，考察常見的無機物對修飾電極響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在含有0.01 mmol/L NaNO2的體系中，連續(xù)添加0.1 mmol/L NaCl、KCl、KNO3、Na2SO4、CuCl2、NH4Cl、NaF和葡萄糖后，這些離子對亞硝酸鹽的檢測并沒有影響，表明NG-CuS復(fù)合材料修飾電極具有良好的選擇性。

表1 各種亞硝酸鹽電化學(xué)傳感器的性能比較

2.6 樣品分析

直接采用安培法對未經(jīng)任何處理的雨山湖湖水樣品進行分析，考察所制備的亞硝酸鹽電化學(xué)傳感器的應(yīng)用能力。支持電解質(zhì)為0.1 mol/L PBS (pH=6.0)，工作電位為0.89 V。用標(biāo)準(zhǔn)加入法進行實驗，平行測定6次，結(jié)果見表2。表明NG-CuS/GCE具有實際應(yīng)用潛力。

表2 湖水中亞硝酸鹽測定結(jié)果(n=6)

3 結(jié)論

本文運用簡單的水熱法成功制備了NG-CuS復(fù)合材料，并對其進行了表征。研究了亞硝酸鹽分子在該復(fù)合材料修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明該復(fù)合材料構(gòu)筑的電化學(xué)傳感器對亞硝酸鹽的催化作用與單一材料修飾電極及裸電極相比更佳。所制備的亞硝酸鹽傳感器穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好、抗干擾能力強，有望發(fā)展成為在線檢測亞硝酸鹽的新型電化學(xué)傳感器。

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