亚硝酸盐在氮掺杂石墨烯-CuS复合材料修饰电极上的电化学响应及测定

吴芳辉*， 张 琴， 杨俊卿， 李晓柠， 何鹏飞

(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002)

亚硝酸盐是自然界氮循环过程活性中间产物之一，主要来自于氨的氧化和硝酸盐的还原[1]。亚硝酸盐可抑制梭菌毒素生长，延长食物储存期，常用作食品添加剂中的防腐剂[2]。但是人体内如果含有过多的亚硝酸盐，会造成低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去输氧能力，直接危害人体健康[3]。因此，快速有效检测食品中的亚硝酸盐含量具有重要意义。已有文献报道多种方法检测亚硝酸盐，包括色谱法[4]、分光光度法[5]、荧光光谱法[6]、质谱法[7]以及电化学法[8]等。其中，电化学法具备简单、快速、灵敏度高等优势成为研究的热点[9]。然而，亚硝酸盐在裸基底电极表面发生氧化的过电势较高，响应微弱，因此，多种多样的纳米材料修饰剂被用于检测亚硝酸盐[10 - 11]。半导体纳米材料CuS作为一种典型的带隙宽度为1.2～2.0 eV，因为易合成、价廉、高电容存储、促进电荷转移等性能，引起了研究者的关注[12]。不过纳米粒子之间的范德华力使其易于团聚，而且导电性较差[13]，所以在CuS纳米材料中掺杂比表面积大、导电性好、稳定性和生物相容性佳的氮掺杂石墨烯(NG)[14]，充分改善CuS纳米材料的性能，有望构建一种新型的电催化作用强的亚硝酸盐电化学传感器。

本文以氮掺杂石墨烯(NG)为载体，添加CuS之后，通过简单的水热反应，制备了NG-CuS复合材料，采用该复合材料构筑了电化学传感器，考察了亚硝酸盐在该修饰电极上的电化学行为，建立了简单、灵敏、高选择性电化学法测定亚硝酸盐的新体系，并成功用于实际样品中亚硝酸盐的测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

S-4800扫描电镜(日本，日立)；XRD-6000 X-射线衍射仪(日本，岛津)；ESCALAB 250XI)X-射线光电子能谱仪(XPS)(美国，Thermo)；CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器公司)，采用三电极系统：玻碳电极(GCE)或CuS-NG/GCE为工作电极，Hg/Hg2Cl2电极为参比电极(SCE)，铂丝电极为对电极；KH2200B型超声波清洗器(昆山禾创超声有限公司)。

NG(3%～5%,南京先丰纳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(上海国药集团化学试剂有限公司)；其它试剂均为分析纯。水为二次蒸馏水。

1.2 NG-CuS复合材料的制备

称取28 mg NG粉末，超声分散于40 mL无水乙醇中，加入140 mg CuAc2，搅拌使其溶解。另外称取160 mg 硫代乙酰胺溶解于30 mL无水乙醇中，并加入3 mL 30%氨水，将上述两种溶液充分混合均匀，搅拌20 min后转至100 mL反应釜中，于温度160 ℃反应16 h。反应结束后，将所得沉淀用水和乙醇多次洗涤并离心分离，产品置于真空干燥箱于25 ℃干燥12 h，即得NG-CuS。

1.3 NG-CuS修饰电极的制备

将直径3 mm的GCE在麂皮上用0.05 μm Al2O3粉末抛光成镜面，再依次用HNO3、丙酮、乙醇和水分别超声3 min。洗净干燥后，放入0.5 mol/L H2SO4中于-1.5～1.5 V下进行循环扫描至循环伏安图稳定为止。称取2 mg NG-CuS复合材料,分散于1 mL DMF溶液中，再加入10 μL含5%Nafion的乙醇溶液作为黏膜剂，超声分散均匀。吸取5 μL分散液涂布在GCE表面，置于真空干燥器中干燥后，备用。

2 结果与讨论

2.1 NG-CuS复合材料的表征

图1为CuS、NG和NG-CuS复合材料的X-射线衍射(XRD)图。其中，氮掺杂石墨烯在2θ为25°左右有一个宽峰，该峰对应着氮掺杂石墨烯的(002)面衍射峰。CuS和NG-CuS复合材料在2θ为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分别对应( JCPDS No.06-0464) 的(002)、(101)、(102)、(103)、(006)、(105)、(008)、(110)、(108)、(116)、(207)、(208)和(213)衍射峰。由于氮掺杂石墨烯的含量较少，在XRD中，它的(002)衍射峰不是很明显。同时在XRD图中，没有看到其他杂质特征峰，表明本实验合成出的NG-CuS复合材料纯度较高。

图2为CuS和NG-CuS复合材料的扫描电镜(SEM)图。图2A中，CuS材料尺寸约在80～180 nm之间，有部分团聚，形成大小较为均一的颗粒。由图2B可见，CuS均匀分散在皱褶状氮掺杂石墨烯表面，形成尺寸为100 nm左右的NG-CuS纳米复合材料。因为氮掺杂石墨烯具有大的比表面积，且含有一些其他含氧基团，阻碍了CuS纳米颗粒间的团聚，有利于复合材料后续发挥催化作用。

图1 CuS、NG和NG-CuS纳米复合材料的X-射线衍射(XRD)图Fig.1 XRD patterns of CuS,NG and NG-CuS nanocomposites

图2 CuS(A)和NG-CuS复合材料(B)的扫描电镜(SEM)图Fig.2 SEM images of the CuS(A) and NG-CuS composites(B)

实验用X-射线光电子能谱(XPS) 确定了NG-CuS复合材料的元素组成和电子状态。结果可见，NG-CuS复合材料在0～1 200 eV勘测区域内，有很明显的S、C、N、O和Cu的能带峰。根据Cu 2p和S 2p 高分辨XPS图可见(图略)，在931.9和951.8 eV处的两个强峰分别对应的是Cu 2p3/2和Cu 2p1/2轨道[15]。在162.2 eV有一个强峰，对应的是S2-的峰[16]，可知NG-CuS复合材料中CuS中的Cu为+2价，S为-2价。

图3 不同电极的交流阻抗图Fig.3 Nyquist impedance plots of different electrodes

2.2 修饰电极的交流阻抗分析

电化学交流阻抗实验中，采用含有0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]4-/3-溶液作为支持电解质，并在测试范围频率于0.01～100 kHz的开路电位下进行。由图3可见，在高频范围内，裸GCE(曲线a)在高频区近乎为一条直线，修饰NG之后，电阻略为减小(曲线b)，而裸GCE修饰半导体CuS微粒之后，电阻大幅度增加至492 Ω(曲线c)，与此同时，NG与CuS复合之后的阻抗曲线中圆弧半径大幅度回落至293 Ω(曲线d)，表明NG-CuS复合材料因引入NG明显改善了CuS的导电性，从而比单一CuS更有利于界面间电子传递。

2.3 亚硝酸盐在不同电极上的循环伏安行为

图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)上的循环伏安图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)

利用循环伏安法研究了不同电极在在0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=6.0)中对1.0 mmol/L亚硝酸盐的催化效果(图4)。由图4可见当GCE上修饰NG-CuS复合材料时，所表现出的催化效果最强，即氧化峰电流最大(42.22 μmol/L)，氧化峰电位最负(0.89 V )。这主要是由于NG-CuS纳米复合材料相对于单一材料比表面积和电子传递速率增大，并阻止了NG和CuS单一材料在修饰电极表面团聚，从而表现出对亚硝酸盐优异的催化效果。

2.4 NG-CuS修饰电极对亚硝酸盐的安培响应

图5 缓冲溶液pH的影响Fig.5 Effect of the pH of the buffer solution

实验发现缓冲介质的pH值对亚硝酸盐的氧化有着重要的影响(图5)，缓冲溶液的pH值由3.0增加到8.0，对应的氧化峰电流先增加后减小，当pH值为6.0时，氧化峰电流最大，这可能是因为酸性环境下亚硝酸盐不稳定，而碱性环境下，因为缺少质子使得亚硝酸盐的氧化变得困难[21]，故本实验选择在pH=6.0的PBS中进行。修饰剂的用量经过优化，选定为5 μL，扫描速度设定为50 mV/s，工作电位为0.89 V，研究了NG-CuS/GCE对亚硝酸盐的安培响应。由图6可见，3 s 内NG-CuS/GCE对亚硝酸盐的催化电流达到稳定值，表明对亚硝酸盐响应迅速。通过对该修饰电极对亚硝酸盐呈现出的催化电流及其浓度进行线性拟合，线性范围为0.1 μmol/L～14.02 mmol/L，回归方程为：ip=11.5529+19.1407c(R=0.9945，n=28),检测限(S/N=3)为33 nmol/L。与已有文献比具有更宽的线性范围和更低的检测限，见表1。

2.5 重复性、稳定性和干扰实验

图6 0.1 mol/L PBS (pH=6.0)中NG-CuS修饰电极连续添加不同浓度的安培响应图内插图添加低浓度时的放大图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

分别采取同一支电极测定不同浓度的亚硝酸盐标液，以及同一批制备的5支电极测定同一浓度的亚硝酸盐标液，测定检测修饰电极的重复性。结果表明，NG-CuS/GCE的日内相对标准偏差(RSD)小于3.2%，日间RSD小于6%，说明该修饰电极具有较好的重复性。另外，将制备的修饰电极保存于4 ℃的冰箱中每隔1 d拿出检测，连续检测15 d，电流响应仅仅下降了5.7%，表明该修饰电极的稳定性良好。

在优化的实验条件下，考察常见的无机物对修饰电极响应的影响。结果表明，在含有0.01 mmol/L NaNO2的体系中，连续添加0.1 mmol/L NaCl、KCl、KNO3、Na2SO4、CuCl2、NH4Cl、NaF和葡萄糖后，这些离子对亚硝酸盐的检测并没有影响，表明NG-CuS复合材料修饰电极具有良好的选择性。

表1 各种亚硝酸盐电化学传感器的性能比较

2.6 样品分析

直接采用安培法对未经任何处理的雨山湖湖水样品进行分析，考察所制备的亚硝酸盐电化学传感器的应用能力。支持电解质为0.1 mol/L PBS (pH=6.0)，工作电位为0.89 V。用标准加入法进行实验，平行测定6次，结果见表2。表明NG-CuS/GCE具有实际应用潜力。

表2 湖水中亚硝酸盐测定结果(n=6)

3 结论

本文运用简单的水热法成功制备了NG-CuS复合材料，并对其进行了表征。研究了亚硝酸盐分子在该复合材料修饰电极上的电化学响应，结果表明该复合材料构筑的电化学传感器对亚硝酸盐的催化作用与单一材料修饰电极及裸电极相比更佳。所制备的亚硝酸盐传感器稳定性和重现性好、抗干扰能力强，有望发展成为在线检测亚硝酸盐的新型电化学传感器。

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