基于Ag@C@Ag核壳型纳米材料电化学传感器的制备及对邻苯基苯酚的测定

赵 勇

(武汉大学生命科学学院，湖北武汉 430072)

防腐剂是用以保持食品原有品质和营养价值为目的的食品添加剂，其主要作用是抑制微生物的生长和繁殖，以延长食品的保存时间、抑制物质腐败。防腐剂均为微毒的化学药品，摄入过多会影响人体新陈代谢的平衡，尤其是儿童、孕妇等特殊人群，在食品的摄取方面更应该重点予以保护。邻苯基苯酚是一种常用的防腐剂，具有强效抑霉作用，被普遍应用于采收后的水果和蔬菜，如柠檬[1]、葡萄[2]、柑桔类水果[3,4]及番茄[5]等的防腐保鲜。邻苯基苯酚具有一定的生物毒性效应，残留量超标将不可避免对人体健康产生影响。电化学传感器具有简便、快速、灵敏的特点，因此，构建一种特异性检测邻苯基苯酚的电化学传感器具有很重要的现实意义。

目前国内外报道的果蔬残留防腐剂的检测方法主要涉及有气相色谱法、胶束电动色谱法、离子交换色谱法、高相液相色谱法、液相色谱-串联质谱法等[6 - 8]。而关于直接的电化学方法检测邻苯基苯酚只有少量的文献报道[9]。核壳结构由具有不同化学成分和性质的核和壳组成，此类特殊材料组装简单且具有良好的分散性、高的热和化学稳定性、增强的催化剂抗中毒能力和增加其催化活性等[10,11]。在核壳结构中，Ag纳米颗粒与其他金属纳米粒子相比具有更低的电阻[12]。因此，以Ag纳米粒子为基础的核壳纳米结构引起了广泛关注[13]。例如，Ag@富勒烯和Ag@TiO2[14]核壳型纳米材料分别在生物细胞检测和锂电储能方面表现出优异的性能。此外，碳材料有许多优点，例如化学性质稳定、耐腐蚀性强、重量轻、成本低，被视为有希望成为制造功能性金属核壳复合材料结构的明星材料。

本文首先通过一种简单的水热反应合成出核壳型纳米材料Ag@C，然后再利用Ag@C表面丰富的功能基团均匀地负载一层Ag纳米颗粒，成功制备出Ag@C@Ag三层核壳型纳米材料，并将其用于电化学传感器的制备。该电化学传感器对邻苯基苯酚的测定表现出很好的响应灵敏度，可用于实际食物样品中邻苯基苯酚的定量分析。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电化学测试均是在CHI 660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)上进行的。采用传统的三电极体系：以Ag@C@Ag修饰玻碳电极(GCE)为工作电极，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，以铂丝电极为对电极。场发射扫描电子显微镜(SEM)图像在S-4800型显微镜(日本，日立公司)上获得。使用TECNAI G-220 S-Twin型显微镜(荷兰，FEI公司)获得场发射透射电子显微镜(TEM)图。X-射线衍射(XRD)图谱由Rigaku D/max-2500型仪器记录。

邻苯基苯酚、AgNO3、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)和氨水，均购自阿拉丁试剂公司。邻苯基苯酚溶于无水乙醇制备标准溶液，4 ℃保存。所用试剂均为分析纯且没有经过二次处理。实验所用水均为二次蒸馏水。

1.2 Ag@C@Ag的制备

首先按照文献方法[14]利用水热法合成核壳结构的Ag@C：剧烈搅拌下将2 mL 0.03 mol/L AgNO3溶液加入到38 mL 0.5 mol/L葡萄糖溶液中，再继续搅拌10 min，转入50 mL高压釜中，180 ℃反应4 h，自然冷却至室温，离心收集产物，分别用水和乙醇洗涤6次，60 ℃干燥10 h。

为了在Ag@C表面负载一层Ag纳米颗粒，采用PVP作为弱还原剂。0.03125 g的Ag@C和2.5 g的PVP-K30剧烈搅拌下，依次加入到33.75 mL无水乙醇中。再将5 mL溶有0.25 g AgNO3和0.4 mL 氨水的溶液加入上述混合液中，继续搅拌10 min。超声分散10 min后，将得到的黑色溶液转入50 mL的高压釜中，120 ℃反应6 h。反应结束后，自然冷却至室温，离心收集产物，分别用水和乙醇洗涤几次，50 ℃干燥10 h。即制得Ag@C@Ag。

1.3 修饰电极的制备

准确称取20.0 mg的Ag@C或Ag@C@Ag，分别加入10 mL水，超声2 h，得到均一的2 mg/mL分散液。修饰之前，首先将直径为3 mm的GCE在抛光布上用0.05 μm Al2O3泥浆打磨抛光，然后依次置于乙醇/水(1∶1，V/V)和水中各超声1 min。在干净的GCE表面滴涂10 μL Ag@C或Ag@C@Ag的分散液，红外灯下烘干，得到的修饰电极分别标记为Ag@C/GCE和Ag@C@Ag/GCE。

1.4 测定方法

除非特别说明，使用pH=5.0的柠檬酸-Na2HPO4缓冲液作为检测邻苯基苯酚的支持电解质。在0.2 V富集60 s后，记录从0.2～1.1 V的微分脉冲伏安(DPV)曲线，测定0.64 V处的氧化峰电流作为检测邻苯基苯酚的响应信号。脉冲幅度为0.05 V，脉冲宽度为0.2 s。

2 结果与讨论

2.1 Ag@C@Ag核壳型纳米材料的表征

Ag@C@Ag的X射线衍射(XRD)图见图1。从图中Ag@C的XRD(曲线a)可以看出，在2θ分别为38.11°、44.21°、64.51°和77.31°处出现四个尖锐的衍射峰，证实了面心立方Ag相的存在。与此同时，属于无定形碳的吸收峰(2θ=10°～35°)依然存在，表明Ag@C复合物的成功合成。Ag@C负载Ag纳米颗粒之后(曲线b)，Ag的衍射峰强度显著增强，这是因为产物中Ag含量的增加。该图中几乎没有碳的衍射峰，说明Ag纳米粒子在碳表面的成功沉积。

图2a为Ag@C的扫描电镜(SEM)图，表明其呈现纳米球形，图2b是Ag@C@Ag的低倍SEM图，Ag@C均匀地负载有直径约为20～30 nm的Ag纳米粒子。从高倍的SEM图片可以看出(图2c)，Ag@C球的表面在负载过Ag纳米粒子之后变粗糙了，而且Ag@C表面完全被Ag纳米粒子覆盖，进一步说明了Ag和C之间良好的界面相容性。而图3a给出了Ag@C的TEM图像，可以看出其完美的核壳结构，Ag纳米粒子被包覆在碳基体中，并且每个纳米球中只有一颗Ag纳米粒子。Ag@C纳米球的平均直径约为228 nm，其中碳壳的厚度约为95 nm，Ag纳米粒子的直径约为36 nm。图3b和3c所示的TEM图像进一步证实了Ag纳米粒子在Ag@C表面的包覆。

2.2 Ag@C@Ag修饰电极的性能

电化学交流阻抗谱(EIS)是探索化学修饰电极界面性质的有效工具之一。图4为10.0 mmol/L K3[Fe(CN)6](0.1 mol/L KCl中)在裸GCE(a)、Ag@C/GCE(b)以及Ag@C@Ag/GCE(c)上的EIS图谱。该EIS谱包括一个高频区的半圆形部分和一个低频区的线性部分，分别对应于电子转移过程和扩散过程。当GCE表面修饰Ag@C后，其EIS谱中半圆的直径和裸电极相比显著减小，表明K3[Fe(CN)6]与电极表面间的电子传递速率被加快，而当电极表面修饰Ag@C@Ag后，EIS谱中半圆的直径进一步显著减小。所以，Ag@C@Ag修饰膜的存在能够极大增加电子转移速度，这可能是由纳米结构Ag@C@Ag的表面性质决定的。

用K3[Fe(CN)6]分子做探针，采用计时库仑法对裸GCE、Ag@C/GCE和Ag@C@Ag/GCE的有效电极面积进行测定。测试条件如下：起始电位0.5 V，终止电位0.25 V，脉冲宽度0.25 s，步数为1，采样间隔为2.5×10-4s。通过Anson方程[15]：

(1)

式中,c为K3[Fe(CN)6]的浓度；D为扩散系数(1.0 mol/L KCl中10 mmol/L K3[Fe(CN)6]的扩散系数为7.6×10-6cm2/s)；n为电子转移数；Qdl表示双电层电量，可以通过扣除背景将其消除；Qads为法拉第电量，其他符号按其常规意义。

三种电极均表现出Q-t1/2良好的线性关系。根据Q-t1/2曲线的斜率，可以得出裸GCE的比表面积为0.095 cm2，Ag@C/GCE的比表面积为0.196 cm2，Ag@C@Ag/GCE的比表面积为0.366 cm2。所以，电极修饰Ag@C@Ag纳米材料后的有效表面积明显增加，对邻苯基苯酚的富集能力随之变强，进而电流响应得到提高。

2.3 邻苯基苯酚在Ag@C@Ag修饰电极上的电化学行为研究

采用微分脉冲伏安法(DPV)对邻苯基苯酚在不同电极表面的电化学行为进行了研究。图5给出了邻苯基苯酚在pH=5.0的柠檬酸-Na2HPO4缓冲液中的DPV曲线。5.0 μmol/L邻苯基苯酚在裸GCE表面有一个小的氧化峰(曲线a)，峰电流为0.135 μA，峰电位为0.67 V，表明邻苯基苯酚在裸GCE表面的氧化活性较差。在Ag@C/GCE表面(曲线b)，邻苯基苯酚的氧化峰电流显著增加到0.341 μA，说明Ag@C对邻苯基苯酚有较强的富集能力。很显然，一个大且形状良好的氧化峰出现在Ag@C@Ag修饰电极表面(曲线c)，峰电流为0.615 μA，峰电位为0.65 V。因此，Ag@C@Ag对邻苯基苯酚的氧化展现出更为卓越的增强效应。有两个原因：首先，碳壳上的含氧基团可能与邻苯基苯酚上的-OH形成氢键，可以作为电子传递的中介，它本质上有助于减弱羟基键能和促进电子通过O-H-O转移。此外，电极表面修饰的Ag@C@Ag含氧丰富，带有负电荷，而在pH=5.0的介质中邻苯基苯酚是以质子化的形式存在。因此，Ag@C@Ag和质子化邻苯基苯酚之间的静电作用使邻苯基苯酚更容易富集在Ag@C@Ag表面。除此之外，空白溶液在Ag@C@Ag/GCE上的DPV曲线是平滑的(曲线d)，这证明在0.65 V的峰为邻苯基苯酚，且该峰的峰电流值可以作为定量检测邻苯基苯酚的信号。总之，Ag@C@Ag薄膜对邻苯基苯酚的氧化表现出强烈的信号增强效应，大大提高了邻苯基苯酚的检测灵敏度。

2.4 邻苯基苯酚的电化学氧化机理

在pH=5.0的柠檬酸-Na2HPO4缓冲溶液中，运用循环伏安法(CV)研究了扫描速度对0.1 mmol/L邻苯基苯酚氧化峰电流和峰电位的影响。研究发现，峰电流(Ip，μA)随着扫描速率(v，mV/s)在25～350 mV/s 范围内呈线性增加，线性方程为：Ip=(1.135±0.037)+(0.703±0.037)v1/2(r2=0.992)，表明邻苯基苯酚的氧化是受扩散控制的过程。此外，峰电位(Ep，V)随扫描速度的增加按照方程:Ep=(0.593±0.006)+(0.0264±0.001)lnv(r2=0.995)逐渐正移，进一步揭示了邻苯基苯酚在Ag@C@Ag/GCE上的氧化是不可逆的。

根据Laviron’s方程，对于一个受扩散控制且完全不可逆的电极过程，Ep和v的关系符合以下公式：

(2)

其中，α为电子转移系数；k0为电极反应的速率常数(s-1)；n为速控步骤的电子转移数；E0′为式量电位(V)，其他符号按其常规的意义。

因此，根据Ep和lnv线性关系的斜率可以很容易的求出αn的值。在该实验中，计算的αn的值为0.49。对于完全不可逆的电子转移过程，α常取0.5，因此，有一个电子参与邻苯基苯酚的电化学氧化。所以，邻苯基苯酚在Ag@C@Ag修饰电极上的电化学氧化是发生在-OH上的1电子参与的氧化过程。

2.5 邻苯基苯酚的电化学检测

作为伏安分析的关键因素，研究了pH=5.0的柠檬酸-Na2HPO4缓冲溶液中，Ag@C@Ag修饰电极上测定邻苯基苯酚的线性关系(图6)。邻苯基苯酚的氧化峰电流与其浓度在0.08～35.0 μmol/L之间呈良好的线性关系(图5的内插图)：Ip=(0.148±0.0552)+(0.0973±0.00322)c(r2=0.995)。60 s开路富集后，得到测定邻苯基苯酚的检出限(S/N=3)为13.6 nmol/L。结果表明，该修饰电极是电化学检测邻苯基苯酚的良好平台。在该实验中，我们发现Ag@C@Ag修饰电极不能用于邻苯基苯酚的连续测定，因为邻苯基苯酚的氧化峰电流会持续下降，因此它只能用于单次测量。通过多根Ag@C@Ag修饰电极对5.0 μmol/L邻苯基苯酚氧化峰电流的平行测定研究了该电极的重现性，结果10根Ag@C@Ag修饰电极测定结果的相对标准偏差(RSD)为2.8%，说明此方法具有良好的重现性和测试准确性。

2.6 实际样品分析

为了研究这种新方法的实际应用能力，用该传感器检测了酱油、食醋和酸奶等样品中邻苯基苯酚的含量。在5 mL pH=5.0柠檬酸-Na2HPO4缓冲溶液中加入100 μL的实际样品，在搅拌下开路富集60 s后记录0.2～1.1 V的伏安曲线。在这三个样品中检测到微量邻苯基苯酚的存在(表1)。此外，向这三种样品中继续添加邻苯基苯酚标准溶液进行加入回收实验，加标回收率在94.6%～106%之间。同时运用高效液相色谱法(HPLC)对在样品中添加的邻苯基苯酚的量进行测定，结果表明用高效液相色谱得到的结果和用Ag@C@Ag修饰电极得到的结果高度一致，表明这种新方法是准确可行的。

表1 邻苯基苯酚在食醋、酱油和酸奶三种样品中的加标回收实验

3 结论

成功地制备了Ag@C@Ag核壳型纳米材料，并用XRD、SEM、TEM对其结构和形貌进行了表征。由于Ag@C@Ag修饰电极具有高的富集效率和催化活性，可以极大地提高邻苯基苯酚的氧化信号，基于此，构建了Ag@C@Ag电化学传感器，详细研究了邻苯基苯酚在该传感器上的电化学行为和氧化机理。对实际样品的测定结果表明该传感器具有广阔的应用前景。