便携式电化学传感平台灵敏检测偶氮类染料日落黄和柠檬黄

关键词激光诱导石墨烯；电化学传感器；便携式；偶氮染料；日落黄；柠檬黄

水质污染和保护已成为全球化进程中最受关注的公共问题之一。污染废水的不合理排放以及农药和化肥的过量使用都会对各类水体造成生态破坏，继而威胁人类健康。与天然染料相比，合成染料稳定性高、着色能力强、效率高且生产成本低，广泛应用于如纺织、印刷、制药、化妆品和食品等行业[1]，这些合成染料会由于不合理排放进入到环境中。其中，偶氮染料日落黄（SY）和柠檬黄（Tz）可在肠道菌群作用下将偶氮基团还原，具有潜在的致癌性[2]。因此，开发灵敏检测SY和Tz的方法，特别是适用于现场的快速检测方法对于环境监测和预警具有重要意义。

激光诱导石墨烯材料（Laserinducedgraphene，LIG）是通过激光雕刻的方法，将各种碳前驱体（聚酰亚胺、木质素、纸和木材等）光热转化为三维多孔状石墨烯[3-4]。在激光光源（CO2激光、可见激光和紫外激光等[5]）作用下，高能量密度的激光辐照在材料表面，产生局部瞬时高温（gt;2500℃），使得碳前体中的C—O、C=O和C—N键发生断裂，碳原子重排形成片层石墨烯结构，并且产生的LIG具有低薄层电阻（lt;15Ω/sq）和高比表面积（～340m2/g）[6]。LIG具有易实现结构控制、图案化和多器件集成等独特优势，在柔性传感器和便携式传感器等领域具有广阔的应用前景。Zhao等[7]开发了基于LIG表面修饰铋纳米颗粒的修饰电极，采用阳极溶出伏安法检测Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ），为一次性柔性电化学传感器的大规模生产提供了一种新策略。Qiu等[8]开发了一种基于LIG柔性基板电极的低成本无线智能便携式传感器，可简单、快速地实现磺胺类化合物（SAs）的电化学检测。与传统的大型电化学工作站相比，无线蓝牙传输的便携式微型电化学工作站在食品安全的快速、现场监管方面显示了更好的实用性和优越性。

目前，测定SY和Tz的方法主要有高效液相色谱法（HPLC）[9-10]、质谱法（MS）[11]、紫外分光光度法[12]以及电化学方法[13]等。其中，电化学传感器具有灵敏度高、简便和成本低等优点，被广泛用于食品中染料的检测。State等[13]采用离子液体和AuTiO2/GO复合材料修饰碳糊电极，研制了一种新型电化学传感器，利用差分脉冲伏安法（DPV）快速灵敏地测定Tz，检出限为0.33μmol/L。该方法被成功应用于饮料、芥末和黄色鸡蛋染料样品中Tz的灵敏测定。Tajik等[14]利用铁素体铜纳米粒子（CuFe2O）对丝网印刷电极表面进行修饰，构建了一种新型的高灵敏和高选择性的传感器用于SY的检测，检出限低至0.009μmol/L。

电化学传感器界面修饰材料的性质是决定其性能的关键。蛋氨酸（Met）是一种含有胺基（—NH2）和羧基（—COOH）官能团的氨基酸，可通过电聚合形成导电聚合物。研究表明，聚氨基酸膜不仅具有高的电催化活性，还可为目标物提供更多的作用位点[15]，提高检测灵敏度和选择性。本研究制备了一种聚蛋氨酸（p-Met）修饰的LIG电极，基于此构建了电化学传感器，与便携式电化学工作站、掌上电脑和应用程序集成为便携式传感平台，采用DPV测定SY和Tz。本方法具有较宽的线性范围和较低的检出限，可用于水环境中的SY和Tz的现场同时检测。

1实验部分

1.1仪器与试剂

CHI650D电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；HY-E100X便携式电化学工作站（深圳灏阳科技有限公司）；掌上电脑（法国Geglovo公司）；K3020CO2激光雕刻机（聊城巨龙激光设备有限公司）；ZHD-10红外灯（天津恒创立达科技发展有限公司）；UV-2450紫外-可见吸收光谱仪（日本岛津公司）；Qunata600F场发射扫描电镜（FE-SEM，法国FEG公司）；LabRAMOdyssey拉曼光谱仪（法国HORIBA公司）；ESCALAB250XiX射线光电子能谱仪（英国ThermoFisher公司）。

聚酰亚胺薄膜（PI，厚度0.125mm，深圳乐信塑业有限公司）；Ag/AgCl油墨（日本ALS公司）；SY、Tz、Met、葡萄糖、柠檬酸、柠檬酸钠、苏丹红Ⅲ、铬黑T、甲基橙和甲基蓝（分析纯，北京迈瑞达科技有限公司）；Na2HPO4、NaH2PO4、NaCl、KCl、CaCl2、ZnCl2、CdCl2、MgSO4和FeCl3（分析纯，天津福晨化学试剂厂）。0.1mol/L磷酸盐缓冲液（PBS）采用Na2HPO4和NaH2PO4制备。实验用水为超纯水（18.2MΩ·cm，美国Milli-Q公司超纯水仪制备）。

1.2定制化图案的设计与三电极体系的构建

PI薄膜用无水乙醇超声清洗5min，然后用超纯水冲洗，用氮气吹干得到洁净的PI表面。随后，设定CO2激光雕刻机的功率和扫描速度，在PI表面得到包含工作电极（WE）、对电极（CE）和参比电极（RE）的定制图案[3]。图案区域为导电的激光诱导石墨烯（LIG），为隔离检测区域与传感区域，用PI胶带封闭充当导线的中间区域。在LIG的一部分表面涂覆Ag/AgCl油墨，并置于红外灯下烘干，得到RE。如图1所示，CE为裸LIG，工作电极（WE）直径为3mm，便携式传感界面的整体尺寸为2.2cm×1.4cm。在含有0.01mmol/LMet的PBS（0.1mol/L，pH7.0）中，利用循环伏安法（CV，扫速：0.1V/s，电位扫描范围：–0.6～2.0V，扫描圈数：4圈）制备p-Met薄膜修饰层。用超纯水冲洗后氮气吹干，得到p-Met/LIG便携式电化学传感器。

1.3电化学测量

采用构建的p-Met/LIG进行电化学测量，以0.1mol/LPBS+0.1mol/LKCl（pH=6.0）溶液为电解质溶液。CV扫描速度为0.1V/s；DPV测试的电位范围为0.4～1.0V，富集时间240s，脉冲电位0.005V，脉冲周期0.2s，脉冲宽度50ms，脉冲振幅0.05V。

便携式电化学工作平台由三电极体系通过数据线和便携式电化学工作站及掌上电脑连接组成，并安装应用程序（HY-EW100X）实现即时检测。条件优化实验采用辰华公司的CHI660E电化学工作站进行，工作曲线、干扰重现性、重复性、稳定性及实际样品测定采用HY-E100X便携式电化学工作站完成。

2结果与讨论

2.1LIG的制备与性质表征

LIG电极系统的制备过程如图1所示。在一定功率激光束照射下，得到嵌入PI薄膜衬底的黑色导电石墨烯层，并且形成的图案可按需求设计。其原理是由于PI在高温条件下被炭化和石墨化[3]。得到的三电极图案如图1所示，分别为WE、CE和RE。采用疏水的PI胶带（阴影部分）隔离导电区域和传感区域；在RE部分滴涂Ag/AgCl油墨，置于红外灯下烘干。最后，电聚合Met形成p-Met薄膜修饰层。

采用扫描电镜（SEM）对制得的LIG形貌进行了表征（图2A），可以明显观察到典型的具有分层多孔结构的三维石墨烯骨架，这种多孔的层状结构有效增加了电极面积。p-Met/LIG的SEM图如图2B所示，Met在LIG表面电聚合后，形成的p-Met均匀分布，呈珠状，修饰层整体仍保持粗糙和孔状结构。图2C是p-Met/LIG的元素分析（EDX）图像，表明N元素在电极上均匀分布，进一步证明了p-Met已成功修饰。

p-Met修饰LIG前后的拉曼光谱如图2D所示，LIG和p-Met/LIG的拉曼光谱均出现3个明显的石墨烯特征峰，分别是1345cm–1处的D峰、1580cm–1处的G峰和2695cm–1处的2D峰[16]。其中，G峰归属为sp2碳原子的面内振动，D峰是由石墨烯本身的缺陷或弯曲的石墨烯层造成的，说明p-Met没有明显改变石墨烯的结构。LIG修饰前后的X-射线光电子能谱（XPS）如图2E所示，修饰后N1s和O1s的出现及氧含量的增加也表明在石墨烯表面形成了p-Met。

2.2LIG制备条件的优化

激光束的扫描速度和功率是影响LIG性能的重要因素[17]。激光功率在8.0～10.5W范围内，LIG电极在[Fe（CN）6]3–/4–电解液中的CV曲线如图3A所示，LIG电极的氧化还原电流先随激光功率升高而增强，但当激光功率达到10W时，电流值下降（图3A插图）。实验发现，当激光功率较高（9.5～10.5W）时，所制备的LIG容易脱落。综合考虑电极的稳定性和电化学性能，确定最佳激光功率为9W。在9W激光功率下，扫速在120～160mm/s范围内制备的LIG电极的氧化还原峰电流如图3B所示，随扫描速度增大，电极的电流逐渐下降，在120mm/s时电流最大（图3B插图）。当扫描速度小于120mm/s时LIG易脱落。综上，制作LIG电极的参数确定为激光束扫描速度120mm/s，激光功率9W。

2.3SY和Tz的电化学行为

SY和Tz分别在裸LIG（a）和p-Met/LIG（b）上的CV曲线如图4A所示，Epc=0.65V和Epa=0.62V处的峰分别对应SY的氧化峰和还原峰，Epc=0.91V的峰是Tz的氧化峰，两者氧化峰的峰间距达300mV，因此可同时测定SY和Tz。SY和Tz在p-Met/LIG上的氧化还原电流明显高于裸LIG，表明p-Met可明显提高两种染料的电化学响应。这是由于Met分子中的氨基（—NH2）和羧基（—COOH）在电极表面发生聚合反应，形成了导电聚合物[15]，提高了电极表面的电子传递速度；形成的颗粒状导电聚合物增加了电极表面积，进一步提高了SY和Tz的氧化电流。在不同扫描速度下，SY和Tz在p-Met/LIG电极上的的CV曲线分别如图4B和4C所示，两者的氧化峰电流（Ipa）与扫描速度在10～100mV/s范围内呈线性关系，表明两者在p-Met/LIG上的电化学反应受吸附控制。

2.4检测条件的优化

检测体系的pH值和富集时间是影响电化学检测SY和Tz灵敏度的关键因素。首先考察了体系在pH4.0～8.0范围内SY和Tz的氧化峰电位的变化（图5A和5B），结果表明，氧化峰电位均随溶液pH值增大而负移，表明质子参与了电极反应[18]。SY的氧化峰电位（Ep）与pH值之间的关系为Ep（V）=0.8332–0.0245pH（R2=0.9756），Tz的氧化峰电位（Ep）与pH值之间的关系为Ep（V）=1.0952–0.0274pH（R2=0.9919），SY和Tz的斜率值接近理论值（0.059V/pH）的1/2，即反应中质子与电子的比例为1∶2，与理论值一致[19-20]。SY和Tz在氧化反应过程中失去1个质子和2个电子，电化学反应的机理概括为式（1）[21]：

此外，随着pH值从4.0增至6.0，SY和Tz的氧化峰电流均逐渐增大（图5C和5D）。但是，当pH值从6.0增大至8.0，SY和Tz氧化峰电流降低。因此，本研究选择pH=6.0的PBS溶液为后续实验的电解质溶液。

采用DPV法考察了在0～420s范围内富集时间对电流响应的影响。如图6所示，SY和Tz的电流响应均随富集时间延长而增大，直至达到稳定。综合考虑电化学响应、快速检测和两种染料的同时测定，选取最优吸附时间为240s。

2.5SY和Tz的分别和同时检测

与传统的大型电化学工作站相比，便携式小型电化学工作站体积更小，并可连接便携式电脑或智能手机，便于携带及现场检测。在最优实验条件下，将p-Met/LIG与便携式电化学工作站和掌上电脑应用程序集成，利用DPV法考察峰电流与SY和Tz浓度之间的关系。保持一种物质的浓度不变，改变另一种物质的浓度，分别测定混合物中SY或Tz的浓度，结果如图7A和7C所示，SY和Tz的峰电流均随其浓度增大而增大，并且在不同浓度SY存在时Tz的氧化峰几乎没有变化，同时在不同浓度Tz存在时SY的氧化峰几乎没有变化，即二者的电化学信号互相不干扰，可以同时测定。如图7B所示，峰电流与SY浓度在0.2～20μmol/L和20～100μmol/L范围内呈线性关系，线性方程为分别Ip（μA）=1.118C（μmol/L）+0.250（R2=0.9901）和Ip（μA）=0.471C（μmol/L）+12.449（R2=0.9985）。如图7D所示，Tz的氧化峰电流也随其浓度增加而增大，分别在0.4～40μmol/L和40～100μmol/L范围内呈线性关系，线性方程分别为Ip（μA）=0.331C（μmol/L）+0.672（R2=0.9994）和Ip（μA）=0.103C（μmol/L）+9.653（R2=0.9937）。

在最优实验条件下，采用DPV检测了在SY和Tz混合溶液中，SY和Tz在p-Met/LIG上的峰电流与浓度之间的关系，考察采用p-Met/LIG同时检测SY和Tz的性能。由图8A可见，随着SY和Tz浓度增加，各自的峰电流逐渐增强，并且峰电流与SY浓度在0.2～20μmol/L和20～100μmol/L范围内具有良好的线性关系，线性方程分别为Ip（μA）=0.992C（μmol/L）+0.285（R2=0.9902）和Ip（μA）=0.357C（μmol/L）+12.579（R2=0.9906）。Tz浓度在0.3～40μmol/L和40～100μmol/L范围内与其峰电流具有良好的线性关系，线性方程分别为Ip（μA）=0.235C（μmol/L）+0.551（R2=0.9913）和Ip（μA）=0.083C（μmol/L）+6.291（R2=0.9963）。SY和Tz的检出限（LOD，S/N=3）分别为0.001和0.005μmol/L。与文献报道的SY和Tz检测方法的分析性能相比（表1），本研究制备的p-Met/LIG电化学传感器检测SY和Tz具有较宽的线性范围和较低的检出限。

2.6选择性、重现性、重复性和稳定性分析

在含有5μmol/LSY和5μmol/LTz的0.1mol/LPBS（pH6.0）中，考察了潜在的干扰物质共存时，对p-Met/LIG检测SY和Tz的影响。实验结果表明，100倍浓度的Na+、Cl–、K+、Ca2+、Zn2+、Cd2+、Mg2+、SO42–、Fe3+、葡萄糖、柠檬酸和柠檬酸钠共存时，SY和Tz的峰电流响应的相对标准偏差（RSD）在3.2%～4.5%范围内；20倍浓度的苏丹红Ⅲ、铬黑T、甲基橙和甲基蓝存在时，SY和Tz峰电流响应的RSD在4.1%～4.9%范围内。上述结果表明，p-Met/LIG电极测定SY和Tz具有良好的选择性。

考察了p-Met/LIG电极重复测定的稳定性。在每次测量完成后，电极在空白PBS中通过CV扫描10圈再生，10次重复测定SY和Tz电流响应的RSD分别为3.0%和3.8%。3个不同批次制备的修饰电极对5μmol/LSY和Tz的电流响应的RSD分别为为2.7%和1.8%。将制备好的传感器储存在真空袋中，每周测量一次，2周后，电极对5μmol/LSY和Tz的电流响应分别为初始电流响应的95%和90%。上述结果表明，P-Met/LIG电极具有良好的稳定性和制备重现性。

2.7实际样品分析

将构建的便携式电化学传感平台用于测定实际环境水样（北京工业大学月亮湖湖水）中的SY和Tz。水样首先经0.22μm的滤膜过滤，采用PBS缓冲液（0.1mol/LpH=6.0）以体积比1∶1稀释，并加入不同浓度的SY和Tz。原始水样中未检出SY和Tz，加标水样的检测结果见表2，回收率为96.5%～103.8%，RSD为1.0%～4.9%。同时采用常规的紫外分光光度法检测，并与本传感器获得结果进行比较，两种方法得到的结果没有明显差异，表明基于便携式传感平台的方法简便、准确，可用于水样中SY和Tz的现场即时检测。

3结论

采用激光法一步制作了LIG电极，通过电化学聚合将Met修饰在LIG表面上，提高了SY和Tz的电流响应。将p-Met/LIG电极与小型的电化学工作站、掌上电脑及应用程序集成为便携式电化学传感平台，实现了对SY和Tz的同时、原位测定。此传感平台具有线性范围宽、检出限低和选择性好等特点，可用于水环境中SY和Tz的现场快速检测。