硫化铋/石墨烯修饰电极检测豆芽中的6-苄氨基嘌呤

王德响，段禹，孔大彬，王洪，胡民康，张津铭，李胜男，阳军，杨文，杜海军，*

（1.贵州民族大学化学工程学院，贵州贵阳 550025；2.喀什大学新疆特色药食用植物资源化学实验室，新疆喀什 844006；3.贵州省农业科学院茶叶研究所，贵州贵阳 550006）

植物生长调节剂（plant growth regulator，PGRs）被广泛应用于提高农作物的产量和质量[1-2]、抵抗生物和非生物危害[3]、调节细胞分化、限制杂草生长[4]和植物自我修复[5]等方面。6-苄氨基嘌呤（6-benzylaminopurine，6-BA）作为第一个人工合成的细胞分裂素，近年来在农业生产中得到了广泛的应用[6]。6-BA 能促进细胞分裂、加速果实生长、促进芽的形成、提高坐果率和产量[7]。然而，过度使用6-BA 可刺激和损伤上呼吸道、黏膜、眼睛和胫骨，并可引发厌食和呕吐等症状[6]。中华人民共和国卫生部已禁止6-BA 作为食品添加剂使用，因此，迫切需要一种快速、简单、可靠的检测方法来检测食品和环境样品中的6-BA 残留[8]。

目前测定6-BA 的方法主要有紫外-可见分光光度法[8]、高效液相色谱法[9]、酶联免疫吸附测定法[10]、表面增强拉曼（Raman）光谱[11]和荧光分析[12]。然而，这些方法存在许多局限性，如仪器昂贵、试验耗时长、需要操作人员有熟练的技术[6]。与上述方法相比，电化学方法具有灵敏度高、响应速度快、成本低等优点，具有很大的应用潜力[13-14]。

电化学检测的关键是修饰电极材料的工作性能，近年来，纳米材料及其复合材料由于其优异的化学、电学、物理、机械、光学和生物学性能，在广泛的应用领域引起了人们极大的兴趣[15]，Bi2S3是一种很有前景的n型半导体，具有直接带隙（1.3 eV），自由电子比空穴多，以电子为主要载流子。由于其丰富的天然资源、良好的光伏特性和环境兼容性，在电化学领域引起了研究人员的极大兴趣[16]，已经应用于光催化[17]、生物传感器[18]、超级电容器[19]等领域，对Bi2S3性能开发方面的研究也得到越来越多的关注。但由于Bi2S3导电性差，需要引入一种基底材料来提高电化学性能。碳基材料因其丰富的表面化学性质，表现出宽泛的可调性，具有很好的催化性能[20]。石墨烯（graphene，Gr）作为碳材料家族的一员，具有优良的导电性、大的比表面积和机械强度高等优点，被认为是环境应用的理想候选材料[21]，已经广泛应用于气体传感器[22]、光学传感器[23]和电化学传感器[24]等领域。

本研究采用水热法制备棒状Bi2S3，将Bi2S3与Gr超声复合，制备出Bi2S3-Gr 的复合材料，构建Bi2S3-Gr/GCE 电化学传感器对6-BA 进行灵敏检测，并对豆芽采用加标回收法进行实际检测，本研究对于探索新型的高效、灵敏、准确的6-BA 检测技术具有重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

石墨烯：深圳市图灵进化科技有限公司；硝酸铋（五水）（分析纯，≥99.0%）：四川西陇科学股份有限公司；硫脲（分析纯，99.0%）、乙二醇（分析纯，98.0%）：阿拉丁试剂（上海）有限公司；6-BA（＞99.0%）：南京奥多福尼生物科技有限公司。试验用水均为超纯水。

1.2 仪器与设备

Sigma300 型场发射扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）：德国蔡司公司；XPERT PRO X 射线衍射（x-ray diffraction，XRD）：荷兰帕纳科公司；雷尼绍微型拉曼光谱仪：美国赛默飞世尔科技（中国）有限公司；CHI660E 电化学工作站：上海辰华仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 棒状Bi2S3的制备

棒状Bi2S3的制备参照文献[25]，将0.077 g Bi（NO3）3·5H2O 和0.061 g 硫脲溶解于80 mL 乙二醇/水（体积比1∶3）的混合溶液中，放在磁力搅拌器上匀速搅拌1 h，将得到的混合物转移到100 mL 特氟龙内衬不锈钢高压反应釜中，并在180 ℃下保持18 h。待反应结束后，取出反应釜冷却至室温，将得到的黑色沉淀物用超纯水和无水乙醇交替离心（20 ℃，8 000 r/min，5 min）洗涤7 次，最后放入烘箱中80 ℃干燥10 h，得到纯净的Bi2S3材料。

1.3.2 Bi2S3-Gr 材料的制备

把0.001 5 g Bi2S3和0.002 0 g Gr 置于离心管中，加入0.5 mL N，N-二甲基甲酰胺（N，N-dimethylformamide，DMF）溶液，混合均匀后放入超声波清洗机中超声2 h，获得稳定的Bi2S3-Gr 悬浮液。

1.3.3 修饰电极的制备

将玻碳电极（glassy carbon electrode，GCE）依次在含有0.3、0.5 μm Al2O3粉末的抛光绒布上打磨至镜面，超声清洗3 min，清洗干净后用氮气吹干备用。然后用移液枪移取2.5 μL Bi2S3-Gr 悬浮液均匀滴加到玻碳电极表面，之后转移到红外干燥箱中进行干燥，冷却到室温后备用。

1.3.4 电化学测试

采用三电极体系，Bi2S3-Gr/GCE 为工作电极，Pt 电极为对电极，Ag/AgCl 电极（3 mol/L KCl）为参比电极，检测设备为CHI660E 电化学工作站，采用循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）、线性扫描伏安法（linear scanning voltammetry，LSV）和差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry，DPV）进行测试。试验所用缓冲溶液为0.1 mol/L 磷酸盐缓冲液（phosphate buffer solution，PBS）；电极测试液为5 mmol/L 的铁氰化钾溶液。

1.3.5 样品预处理

取20 g 新鲜豆芽样品洗涤干燥后，放入坩埚中进行研磨，之后加入10 mL 乙腈，然后在离心机中8 000 r/min 高速离心3 min，用0.22 μm 水相滤膜将上清液过滤，收集过滤后的液体，标记备用。

1.4 数据处理

运用Origin 2021 对试验结果进行数据处理和图形绘制，采用MDI Jade 6 拟合XRD 图谱、ChemDraw 2021 绘制分子结构式。

2 结果与分析

2.1 材料的表征

对Gr、Bi2S3、Bi2S3-Gr 进行微观形貌的表征，SEM表征图如图1所示。

图1 Gr、Bi2S3、Bi2S3-Gr 的SEM 表征图Fig.1 SEM images of Gr，Bi2S3，and Bi2S3Gr

由图1a 可知，Gr 为层状结构且具有很多褶皱，这为Bi2S3的负载提供了有利场所。图1b 是水热法制备的Bi2S3，呈现棒状且形貌结构清晰，颗粒均匀，与文献所描述的形貌一致[25]。从图1c 中可以看到Gr 的表面负载了大量的Bi2S3纳米棒，Bi2S3纳米棒均匀地生长在Gr 之上，表明复合材料的成功制备。

利用XRD、拉曼光谱对材料进一步表征，结果如图2所示。

图2 Gr、Bi2S3、Bi2S3-Gr 的XRD 和Raman 图谱Fig.2 XRD and Raman patterns of Gr，Bi2S3，and Bi2S3-Gr

由图2a 可知，Bi2S3的XRD 图谱在2θ=15.66°、17.57°、22.38°、23.71°、24.92°、25.00°、25.20°、27.37°、28.64°、31.81°、32.94°、35.58°、39.05°、39.91°、40.05°、45.53°、46.46°、52.60°、52.75°出现了衍射峰，分别对应Bi2S3（标准卡片PDF#84-0279）的（002）、（012）、（022）、（110）、（013）、（111）、（031）、（102）、（023）、（122）、（130）、（024）、（104）、（114）、（034）、（200）、（143）、（135）、（231）晶面，说明制备的Bi2S3材料纯度高、无杂质。从Bi2S3-Gr 复合材料的XRD 图谱中可以看出，复合材料不仅含有Bi2S3的特征峰还包含Gr 的特征峰，说明Bi2S3很好地负载于Gr。由图2b 可知，Gr 材料在1 350（D 带）、1 575 cm-1（G 带）处出现两个特征峰。D带是源于Gr 的结构缺陷，而G 带源于Gr 的sp2碳原子六方平面振动[26]。纯Bi2S3的拉曼光谱在231 cm-1处有1 个短峰，与Ag 光学声子相对应，并且由于高的体积比，965 cm-1峰的存在可能与表面声子模式有关[25]。Bi2S3-Gr 复合材料的Raman 图谱不仅含有Gr的两个特征峰，还包含了Bi2S3的特征峰，再次表明复合材料的成功制备。

2.2 修饰电极的电化学行为分析

利用CV 对不同材料修饰的电极进行电化学表征，结果如图3所示。

图3 不同修饰电极的循环伏安图Fig.3 Cyclic voltammograms of different modified electrodes

由图3 可知，裸电极和Bi2S3修饰电极对6-BA 几乎没有电流响应，是由于裸电极对6-BA 的催化能力比较弱，Bi2S3为半导体，导电能力差[25]。Gr/GCE、Bi2S3-Gr/GCE 均对6-BA 有很好的电流响应，且Bi2S3-Gr/GCE 的峰电流值最大，为18.40 μA，是Gr/GCE（5.83 μA）的3.16 倍，说明Bi2S3与Gr 协同作用提升了复合材料的导电性能，增加电催化活性位点的数量[25]，提高了电极性能。其中，Bi2S3-Gr/GCE 的电化学性能最好，表明Bi2S3-Gr 是最适合作为6-BA 检测的电极修饰材料。此外，所有的修饰电极都只出现氧化峰，说明反应为不可逆反应。

2.3 试验条件的优化

2.3.1 Bi2S3-Gr 质量比的优化

为探究Bi2S3-Gr 复合材料的最佳质量比，固定石墨烯的质量（2.0 mg），探究Gr 与Bi2S3不同质量比（2.0∶0.2、2.0∶0.5、2.0∶1.0、2.0∶1.5、2.0∶2.0、2.0∶2.5）对6-BA 峰电流的影响，结果如图4所示。

图4 Bi2S3 添加量对6-BA 峰电流的影响Fig.4 Effect of Bi2S3 addition on 6-BA peak current

由图4 可知，随着Bi2S3质量的不断增加，6-BA 的峰电流值先增大后减小，可能是由于Bi2S3的添加改善了石墨烯的电化学性能，但是过量的Bi2S3会占据Gr的活性位点，降低电化学性能。因此，Gr 与Bi2S3的最佳质量比为2.0∶1.5。

2.3.2 pH 值、扫描速度的优化

考察pH 值（4.5～7.0）、扫描速度（50～400 mV/s）对6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 电极上的电化学响应的影响，结果如图5所示。

图5 pH 值和扫速对6-BA 电化学行为的影响Fig.5 Effect of pH and sweep speed on the electrochemical behavior of 6-BA

2.3.3 检出限分析

在pH5 的PBS 缓冲溶液中，利用DPV 法对0.5～100 μmol/L 浓度范围的6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 电极进行测定，电流响应结果见图7。

图7 不同浓度的6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 上的电流响应Fig.7 Current response of different concentrations of 6-BA on Bi2S3-Gr/GCE

由图7a 可以看出，随着6-BA 浓度的增加，峰电流值也逐渐增大。由图7b 可知，6-BA 在0.5～100 μmol/L浓度范围内，浓度与峰电流值呈很好的线性关系，拟合关系为y=0.05x-0.16，R2=0.992。计算出检出限为2.7×10-7mol/L，表明所开发的Bi2S3-Gr/GCE 电化学传感器有很好的检测性能。

2.4 重复性与重现性分析

采用CV 法对Bi2S3-Gr/GCE 传感器的重复性与重现性进行测定，结果见图8。

图8 Bi2S3-Gr/GCE 的重复性、重现性结果Fig.8 Repeatability and reproducibility results for Bi2S3-Gr/GCE

在含50 μmol/L 6-BA 的PBS 缓冲溶液中放入同一根电极，连续扫描15 次，观察峰电流的变化，由图8a 可知，6-BA 的氧化峰电流的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）为3.52%。利用同样的方法制备7 根Bi2S3-Gr/GCE 电极，对6-BA 进行检测，观察峰电流值变化，由图8b 可知，RSD 为4.31%，说明构建的Bi2S3-Gr/GCE 传感器具有较好的重复性和重现性。

2.5 抗干扰分析

为了评价所制备电极的抗干扰能力，利用CV 法探究干扰物对Bi2S3-Gr/GCE 检测6-BA 的影响，结果见图9。

图9 Bi2S3-Gr/GCE 选择性分析Fig.9 Bi2S3-Gr/GCE selectivity analysis

由图9 可知，在最优条件下，50 μmol/L 的激动素、1 250 μmol/L 的（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Sr2+、Cl-、NO3-）离子溶液、2 500 μmol/L 的葡萄糖均对6-BA 的检测无明显干扰，说明所制备的Bi2S3-Gr/GCE 传感器具有良好的抗干扰能力。

2.6 实际样品检测

利用构建的Bi2S3-Gr/GCE 传感器对豆芽中的6-BA 进行测定，结果见表1。

表1 豆芽中6-BA 的回收率Table 1 Recovery of 6-BA from bean sprouts

由表1 可知，预处理的豆芽样品中未检测出6-BA，加入5、8、10、20、30 μmol/L 标准溶液后进行检测，回收率为92.75%～112.10%，RSD 为7.68%～13.88%，表明该传感器具有较好的检测能力，可用于实际检测。

3 结论

本文基于Bi2S3纳米粒子和Gr 复合材料构建了一种选择性好、灵敏度高的电化学传感器，并将该传感器用于检测豆芽中6-BA 的含量。该传感器在0.5～100 μmol/L 范围内具有良好的线性关系，最低检测限为2.7×10-7mol/L。6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 上的电化学反应受扩散控制，期间有2 个电子参与反应。该传感器不仅具有较好的重复性与重现性，还具有良好的稳定性，常见干扰物不会对6-BA 的检测造成影响，以上结果表明，该传感器具有实际应用价值。