基于纳米材料构建电化学传感器对水产品中敌草隆的检测

毛慎 朱雪婷 刘克勤 操小栋 叶永康

摘要[目的]构建一种电化学传感器，用于水产品中敌草隆的检测。[方法]将氨水和肼作为还原剂，通过一步法合成了氯化血红素功能化的还原氧化石墨烯复合纳米材料，采用安培响应法分析敌草隆在纳米复合材料修饰玻碳电极上的电化学行为。[结果]该传感器可在磷酸盐缓冲溶液（ 0.1 mol/L，pH 7.4）中，-0.35 V（ vs.Ag/AgCl）电位下通过电流法检测敌草隆含量，线性范围为6.00×10-12～3.24× 10-10 mol/L，检测限低至1.09 ×10-12 mol/L（S/N=3），选择性令人满意，并且表现出良好的重现性和稳定性。[结论]该传感器可用于确定水产品中敌草隆的存在，具有良好的应用前景。

关键词电化学传感器;氯化血红素;还原氧化石墨烯;敌草隆;安培电流法

中图分类号TS 207.5+3文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）18-0198-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.054

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Detection of Diuron in Aquatic Products Based on Nano-materials Constructed Electrochemical Sensors

MAO Shen， ZHU Xue-ting， LIU Ke-qin et al

（School of Food Science and Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， Anhui 230009）

Abstract[Objective]The research aimed to construct an electrochemical sensor for the detection of diuron in aquatic products.[Method]The hemin-functionalized graphene oxide （Hemin-rGO） composite was synthesized by one-pot method with ammonia solution and hydrazine solution as reducing agents.Electrochemical behavior of diuron on nanocomposite modified glassy carbon electrode was analyzed by amperometric response method. [Result]The sensor was applied in the amperometric determination of diuron at -0.35 V （vs. Ag/AgCl） in a phosphate buffer （ 0. 1 mol/L，pH 7.4）with a linear range from 6.00 × 10-12 mol/L to 3.24 × 10-10 mol/L， detection limit as low as 1.09 ×  10-12 mol/L （S/N=3）. The sensor also showed satisfactory selectivity with good repeatability and stability. [Conclusion]The sensor can be used to determine the presence of diuron in aquatic products and has a good application prospect.

Key wordsElectrochemical sensor;Hemin;Reduced graphene oxide;Diuron;Amperometric current method

由于农业中农药的大量使用，使得中国的许多水域受到了农药的污染，对人们的饮食健康造成了巨大的影响。敌草隆是一种内分泌干扰物质，接触身体后会对自身的健康产生危害[1]，如肿瘤及增生[2-3]。近年来，法国、荷兰、日本、马来西亚和热带河流中陆续在水体中检测到了敌草隆[4-5]。

血红素家族中的氯化血红素（Hemin）因其廉价和稳定性而被广泛使用，如Hemin可作为基于Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）氧化还原对的电子媒介，具有良好的电催化活性[6-7]。然而，直接应用氯化血红素作为催化剂会导致钝化，这是由于Hemin微溶于水并產生无活性二聚体的分子聚集。近年来，由于石墨烯纳米材料比表面积大、导电性好，在传感器领域方面受到了极大的关注[8]。通过化学键π-π相互作用制备的Hemin功能化的还原氧化石墨烯（Hemin-rGO）复合纳米材料，从而可以引入生物化学传感领域。

笔者制备了Hemin-rGO纳米材料修饰的玻碳电极（GCE），分析了敌草隆在修饰电极上的电化学响应，进一步优化了传感器的电催化性能，并将所制备的修饰电极应用于实际样品中敌草隆的测定。

1材料与方法

1.1试验材料

Hemin，美国Sigma-Aldrich;敌草隆、水合肼，上海国药集团上海化学试剂有限公司;氧化石墨，南京吉仓纳米科技有限公司;氢氧化钠、铁氰化钾、亚铁氰化钾、98%浓硫酸、98%硝酸、盐酸、高锰酸钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、无水乙醇、氯化钾，国药集团化学试剂有限公司;透析袋，MW为7000，Biosharp生物科技有限公司;花蛤样品购于本地超市。

CHI 660D电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）;场发射扫描电子显微镜（SU8020，日本JEOL）;紫外-可见光分光光度计（UNICO，尤尼柯上海仪器有限公司）。试验用水均为超纯水。

1.2试验方法

1.2.1

Hemin-rGO复合材料的制备。根据以前的制备方案[9]，在搅拌下将10 mL 0.5 mg/mL氧化石墨烯悬浮液与 10 mL 0.5 mg/mL Hemin（溶于0.1 mol/L NaOH 中）、100 μL氨（28%）混合。然后加入20 μL肼（25%），剧烈搅拌混合物30 min后，将复合物置于60 ℃水浴锅中反应24 h。将得到的黑色分散液离心分离，洗涤数次，干燥得到Hemin-rGO粉末。不添加Hemin制备rGO作为对照。

1.2.2

Hemin-rGO修饰的GCE的制备。将Hemin-rGO（ 5 μL，0.5 mg/mL）溶液滴涂在预处理过的GCE上，室温干燥后，用水淋洗数次以彻底除去未被吸附的Hemin-rGO。按照相同的步骤制备rGO修饰的GCE。制备的传感器保存在4 ℃下。

1.2.3实际样品的前处理。样品预处理方法按照国标 GB/T 5009.206—2016[10]。将花蛤样品用水洗净后用滤纸吸干，分解出肌肉部分，称量后将各组织剪碎，充分均质。准确称量样品10.0 g放入50 mL离心管中，加入11 mL  0.5%乙酸溶液（V/V），搅拌均匀后，置于沸水浴中10 min，并持续搅拌以避免结块。冷却至室温后，20 000 g高速离心20 min，收集离心后的上清液于25 mL容量瓶中。向沉淀物中加入 11 mL  0.5%乙酸溶液，均匀搅拌后，置于沸水浴中5 min，搅拌避免结块。冷却至室温，20 000 g高速离心20 min，移取上清液。合并上清液，搅拌均匀后用0.5%乙酸溶液定容至 25 mL。此提取液1 mL相当于0.4 g试样。

1.2.4

电化学测量。采用安培响应（i-t）检测，底液为N2饱和的5.0 mL磷酸盐缓冲液（PBS 0.1 mol/L，pH 7.4），工作电位为-0.35 V（vs.Ag/AgCl）。试验过程中，在除氧条件下达到稳态电流后，在搅拌下连续加入敌草隆进行测量。

2结果与分析

2.1Hemin-rGO 复合材料的表征

以SEM表征GO、rGO和Hemin-rGO的形态。如图1所示，与典型的GO（图1A）和rGO（图1B）具有卷边的片状形状相比，Hemin-rGO（图1C）没有明显差异。GO、rGO、Hemin和Hemin-rGO的紫外可见光谱如图2所示。从图2可看出，GO的最大吸收峰在 250 nm处，这是由于芳香族C=C键的π-π*跃迁。rGO和Hemin-rGO分别在280和275 nm存在吸收峰，与GO吸收峰相比，分别发生了30和25 nm的红移，表明在rGO和Hemin-rGO中都存在着rGO的形成和sp2结构的恢复。Hemin溶液由于Hemin的Soret带，在394 nm处有最大吸收峰;而Hemin-rGO在418 nm处的特征吸收为Soret带的24 nm红移，表明rGO和hemin之间发生强烈的π-π堆积相互作用并形成Hemin-rGO。深黑色的Hemin-rGO悬浮液可在4 ℃下稳定数月，由于Hemin和rGO之间存在π-π相互作用，其具有良好的分散性。

2.2传感器组装电化学表征

电化学交流阻抗法（EIS）是对电极表面性能研究的有效方法，它能够直观地展示出不同修饰电极中的电阻变化。在EIS中，较高频率的半圆部分和较低频率的线性部分分别对应于电子限制过程和扩散限制过程，并且半圆直径等于电荷转移电阻（R ct），结果显示如图3A所示，曲线a表明裸GCE在高频下呈现出小的半圆，阻抗大约为109.2 Ω;rGO/GCE的电阻显著降低，其电阻值约为58.1 Ω，这是可能因为rGO增加了电极的比表面积，加速了电子的转移;而Hemin-rGO/GCE的R ct值显著增加，约为353.4 Ω，原因可能是Hemin作为惰性电子层，会阻碍电子的转移。EIS的结果表明，在对氧化石墨烯一步法修饰、还原过程中，Hemin成功修饰在rGO纳米片的表面，电化学生物传感器制备成功。同样，通过循环伏安法（CV）的氧化/还原过程的峰电位与峰电流值的变化，可以验证rGO和Hemin-rGO在GCE上的修饰状态，与EIS结果相互印证。

2.3试验条件优化

为了获得试验的最佳条件，分别对Hemin浓度、底液pH、安培响应的工作电位进行优化。结果发现，最佳试验条件为Hemin浓度為0.25 mg/mL，底液pH为 7.4，检测敌草隆的最佳工作电位为-0.35 V。

2.4Hemin-rGO/GCE对敌草隆的线性检测范围

在最优的条件下，Hemin-rGO/GCE传感器对于不同浓度敌草隆安培响应的i-t结果如图4所示。传感器的安培响应速率很快，在2 s内就几乎达到了95%的稳态电流。然后每隔20 s依次向体系内注入不同浓度的敌草隆，可以看出随着敌草隆浓度的增加，响应电流也逐渐增加。稳态电流与敌草隆浓度在6.00×10-12～3.24×10-10 mol/L呈良好的线性关系（图5），检测下限为1.09×10-12 mol/L（S/N=3）。

2.5传感器的选择性

为了评估传感器的选择性，选择了比所测敌草隆浓度高50倍的7种干扰物（氯化钠、乙二胺四乙酸、硫酸钾、苯胺、硝酸钾、马拉吡虫啉、硫磷），结果如图6所示。观察到干扰物在电极上无显著电流响应，表明Hemin-rGO/GCE对于敌草隆的测定有较好的选择性。

2.6传感器的重现性和稳定性

使用同批Hemin-rGO/GCE测量7次同种浓度的敌草隆（5×10-11 mol/L），计算得到的RSD值仅为2.3%，表明该传感器的重复性较好。同一根Hemin-rGO/GCE放置在4 ℃的冰箱中9 d后，对5×10-11 mol/L敌草隆进行测量，结果显示电流响应仅比原始响应降低了 9.0%，表明该传感器有较好的稳定性。

2.7水产品中敌草隆的检测

使用所制备的Hemin- rGO/GCE对水产品中（花蛤）的敌草隆含量进行检测。在最优的条件下，将样品注入电解池记录其安培响应变化。利用标准加入法验证电化学测定敌草隆的准确性。相应的结果见表1，电化学测定回收率为93.50%～106.40%。

3结论与讨论

在该研究中，采用SEM和UV-vis表征了一步法制备合成的Hemin-rGO纳米复合材料，并成功构建Hemin-rGO/GCE应用于敌草隆的测定。该纳米复合材料具有优异的电催化性能，采用安培响应i-t的检测方法，在优化的试验条件下，Hemin-rGO/GCE对敌草隆检测的线性范围为6.00× 10-12～3.24×10-10 mol/L，检测限低至1.09×10-12 mol/L。该电化学传感器制备简便、灵敏度高、重现性及稳定性好，为水产品的检测提供了可应用的工具。

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