二氧化鋯/石墨烯復合材料對亞硝酸鹽的電化學傳感研究

陜多亮+王永蘭+王艷鳳+盧小泉

摘要制備了一種二氧化鋯/還原氧化石墨烯（ZrO2NPs/rGO）復合材料修飾電極的亞硝酸鹽電化學傳感器，并成功用于亞硝酸鹽的檢測。采用循環伏安法和電流時間曲線考察了修飾電極的電化學行為。實驗結果表明，ZrO2NPs/rGO復合材料修飾電極對亞硝酸鹽具有良好的電流響應。在最優實驗條件下，電流時間曲線中的電流響應信號與亞硝酸鹽濃度在3.0×10 7～1.0×10 6mol/L和1.0×10 6～6.0×10 6mol/L的范圍內呈良好的線性關系，檢測限為1.0×10 7mol/L（S/N3）。該傳感器靈敏性高、穩定性和重現性好。使用此傳感器檢測實際樣品香腸中的亞硝酸鹽的回收率為93.7%～110.4%，相對標準偏差為1.6%～2.1%。

關鍵詞二氧化鋯；還原氧化石墨烯；亞硝酸鹽；電化學傳感器

1引言

亞硝酸鹽是廣泛存在于自然環境中的一種化學物質，常用于食品工業中作為食品添加劑，如著色劑、防腐劑等；糧食與蔬菜等食品中都含有一定量的亞硝酸鹽[1]。亞硝酸鹽含量在食用安全范圍內時，對人體造成的傷害較輕，但過量的亞硝酸鹽會進入人體血液，將含Fe（II）的正常血紅蛋白氧化為含Fe的高鐵血紅蛋白，使得正常血紅蛋白失去攜氧能力，導致組織出現缺氧現象，嚴重者可導致貧血[2]。除此之外，在生物體內，亞硝酸鹽還能與仲胺、叔胺和酰胺等反應，生成強致癌物亞硝胺[3]。因此，測定亞硝酸鹽含量已成為食品安全和環境監測領域重要的項目之一。目前有關測定亞硝酸鹽的方法主要有色譜法[4]、分光光度法[5]、熒光光度法[6]、化學發光法[7]、電化學方法[8]等。相比以上檢測方法，電化學方法具有便攜性良好、響應速度快、成本低、可實時檢測、操作方便等優勢。但是，NO 2還原電位過負，直接測定有困難[9]，本研究選用納米復合材料修飾電極的方法檢測亞硝酸鹽。

近年來，石墨烯常用作電化學傳感器的基底材料。如Yi等[10]將石墨烯與SiO2納米粒子結合，構建了檢測對氯苯酚的電化學傳感器；Zhou等[11]將石墨烯和SnO2納米粒子結合，構建了有機磷農藥的電化學傳感器；Teymourian等[12]采用一鍋法制備了ZrO2NPs/rGO納米復合材料，用于同時分離抗壞血酸、多巴胺和尿酸。這是因為石墨烯具有優良的導電性（200000cm2/Vs）[13]、化學穩定性[14]及比表面積大（2600m2/g）＼[15]，超薄的晶體厚度（0.335nm）等特點[16～18]。二氧化鋯納米粒子是同時具有酸性和堿性、氧化性和還原性的過渡金屬氧化物[19，20]，具有很高的化學穩定性和熱穩定性[21，22]。

本研究采用一步法制備了ZrO2NPs/rGO復合材料修飾電極，一方面利用rGO比表面積大、導電性優異等特點；另一方面利用二氧化鋯的化學穩定性和熱穩定性高等特點，構建了亞硝酸鹽的電化學傳感器。實驗結果表明，ZrO2NPs/rGO復合材料修飾電極對亞硝酸鹽具有良好的電流響應。此外，此修飾電極表現出寬的線性范圍，低的檢測限，高的靈敏度，良好的重現性和選擇性。本方法是一種簡便、靈敏、選擇性高的檢測方法，在電化學傳感平臺具有一定的研究和應用價值。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

JEOLJSM6701F場發射掃描電鏡（德國蔡司公司），DF101S恒溫磁力攪拌器（鄭州長城科貿有限公司），DZF6020真空干燥箱（上海一恒科技有限公司），VMP2多通道電化學檢測系統（美國Princeton儀器公司），CHI660C電化學工作站（上海辰華儀器公司）。天然石墨粉（分析純，北京吉安信有限公司），氯氧化鋯（分析純，北京試劑化學品有限公司），NaNO3、NaNO2（分析純，北京試劑化學品有限公司），實驗所用試劑均為分析純。實驗使用三電極體系，玻碳電極（直徑3mm）或修飾的玻碳電極作為工作電極，鉑絲為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極。

2.2修飾電極的制備

本實驗采用改進的Hummers法制備氧化石墨烯[23～25]。稱取1.0g石墨粉于250mL燒杯中，加入0.5gNaNO3。在冰浴中混合并攪拌。緩慢加入23.0mL濃H2SO4，攪拌30～40min。強力攪拌下，加入3.0gKMnO4，溫度保持在20℃，5min后，加熱30min至60℃。逐滴加入46mL超純水，攪拌至塊狀物完全分散。將水浴溫度調至95℃，攪拌15min，繼續加入40mL3%H2O2。當溶液變為亮黃色后，加入50mL5%HCl，攪拌，靜置，取沉淀。用超純水洗至中性。加入超純水1000mL，超聲約8h后離心，取沉淀，60℃下干燥。

修飾電極前，首先將玻碳電極用0.30和0.05μm的氧化鋁粉依次打磨拋光，超純水沖洗數次，隨后將處理后的電極于乙醇和超純水中超聲清洗5min。為獲得較穩定的修飾電極，將上述處理過的玻碳電極進行電化學活化。在0.5mol/LH2SO4溶液中進行循環伏安掃描，電位范圍為 0.1～+1.0V，掃描速度為50mV/s，直到獲得穩定的循環伏安掃描曲線。活化后的玻碳電極用無水乙醇、超純水依次沖洗數次，并用N2吹干以備用。

參考文獻＼[26＼]制備了ZrO2/rGO納米復合材料修飾電極。如圖1，取2.5μL已制備的0.1mg/mL氧化石墨烯涂于干凈的玻碳電極表面，在室溫下自然晾干，再將此過程重復3次，得到氧化石墨烯修飾電極。將氧化石墨烯修飾電極浸到0.1mol/LKCl溶液（含5.0mmol/LZrOCl2）中，用循環伏安法將ZrO2沉積在氧化石墨烯修飾電極表面，電位范圍為0～ 1.5V，掃速為50mV/s，沉積8圈，即得到ZrO2/rGO復合材料修飾電極。修飾電極用超純水沖洗數次，自然晾干。

2.3實驗方法

電化學實驗在CHI832電化學工作站上完成，采用傳統的三電極體系：直徑3.0mm的裸玻碳或玻碳修飾電極作為工作電極，0.5mmPt絲作為對電極，Ag/AgCl（飽和KCl）電極作為參比電極。所有實驗在室溫（（20±2）℃））下進行。

2.4實際樣品預處理[27]

取10g粉碎的香腸和沙土混合，攪拌成泥漿，樣品充分混合后，2轉移到100mL燒杯中，并向其中加入12.5mL硼砂飽和溶液。將樣品溶液轉移到500mL燒杯中，加入300mL水后，加熱到70℃，再放置在95～100℃的水浴中加熱15min。待冷卻至室溫后，向其中加入5mL亞鐵氰化鉀溶液，并不斷搖晃。加入5mL醋酸鋅溶液，目的是沉淀蛋白質。將混合溶液加入水中，靜置0.5h，過濾，收集上清液30mL待測。

3結果與討論

3.1材料的表征

裸玻碳電極的電鏡圖SEM照片如圖2A所示，電極表面潔凈平整。在圖2B可見到一層輕薄的、充滿褶皺的薄膜，此為純的氧化石墨烯的特征。圖2C為ZrO2NPs/rGO修飾電極的SEM照片。以此說明所制備的ZrO2NPs/rGO修飾電極表面的形貌。二氧化鋯納米粒子大小均一且附著在石墨烯片層上。

從圖3可見，制備的氧化石墨烯出現兩個特征吸收峰。225nm處的峰歸因于ππ*〖JG（（C〖ZJLX，YC）〖JG）躍遷，300nm處的峰歸因于nπ*〖JG（（C〖ZJLX，YO）[28]〖JG）。這說明已經成功制備了氧化石墨烯。

〖CM（42采用電化學法制備ZrO2/rGO修飾電極的電沉積過程如圖4所示[29]。在沉積過程中，第一圈〖CM）處的還原峰對應于ZrOCl2被還原為ZrO2， 1.20V處的還原峰歸因于氧化石墨烯含氧官能團被還原的過程。

以氧化還原電子對Fe（CN）3 /4 6為探針，用循〖CM（21*2環伏安法和電化學阻抗譜表征了不同復合材料修〖CM）

〖

飾電極的表面性能。如圖5A是裸玻碳電極（a）、rGO修飾電極（b）、ZrO2NPs/rGO修飾電極（c）在5mmol/LFe（CN）3 /4 6溶液中的循環伏安圖。玻碳電極表面修飾rGO后，峰電流較裸電極增大，當ZrO2修飾到rGO修飾電極表面時，峰電流進一步增大。說明電子在復合材料ZrO2NPs/rGO表面轉移較快。

圖5B是裸玻碳電極（a）、rGO修飾電極（b）、ZrO2NPs/rGO修飾電極（c）在5mmol/LFe（CN）3 /4 6溶液中的Nyquist圖。裸玻碳電極、rGO修飾電極和ZrO2NPs/rGO修飾電極的阻抗值分別為102.2，75.9和59.8Ω。結果表明，將ZrO2NPs和rGO修飾到電極上，可以加速電子轉移。

3.2亞硝酸鹽在ZrO2NPs/rGO復合材料修飾電極上的電化學行為

本實驗采用循環伏安法考察了ZrO2NPs/rGO修飾電極對亞硝酸鹽的電化學響應。圖6是裸玻碳電極（b）、rGO修飾電極（c）、ZrO2NPs/rGO修飾電極（d）在1.0mmol/LNaNO2溶液（支持電解質為0.1mol/L磷酸鹽緩沖溶液）中的循環伏安圖。從圖6可見，在+0.7～+1.6V電位區間，裸玻碳電極在PBS溶液中（a）無氧化峰出現，而裸玻碳電極和兩種修飾電極在加入NO 2的PBS溶液中都出現了氧化峰。相比之下，用ZrO2NPs/rGO修飾電極檢測NO 2時其峰電流明顯增大。原因可能有以下幾個方面：rGO是一種導電性良好的材料，加快了復合材料表面電子的傳遞；rGO具有大的比表面積；ZrO2帶有正電荷，可以通過靜電作用吸附帶負電荷的NO 2[30]，因此增強了修飾電極的電流響應。

3.3優化條件2

沉積不同圈數ZrO2NPs后得到的復合材料修飾電極對NO 2氧化峰電流影響見圖7。在沉積ZrO2NPs

過程中同時還原氧化石墨烯。隨著沉積圈數增加，NO 2的氧化峰電流也逐漸增大。當沉積圈數達到8圈時，NO 2的氧化峰電流達到最大值，然后隨著沉積圈數的增加，峰電流減小。這說明當沉積8圈ZrO2NPs時，制備的復合材料修飾電極對NO 2的電流響應最好。因此，本實驗選擇沉積ZrO2NPs的圈數為8圈。

圖8是ZrO2NPs/rGO修飾電極在含有NO 2的不同pH值溶液（Na2HPO4H3PO4）中的峰電流響應圖。本實驗選取的支持電解質溶液為PBS溶液，并用H3PO4調節其pH值。隨著pH值增加，NO 2的氧化峰電流逐漸增大，當pH>4.5時，NO 2的峰電流隨pH值的增大而減小，在pH4.5時，峰電流響應表現出最大值，所以在后續實驗中選擇溶液的pH=4.5。3.4不同濃度的NO 2在ZrO2NPs/rGO復合材料修飾電極上的電化學行為

用計時電流法測試了ZrO2NPs/rGO修飾電2極對不同濃度NO 2的響應。如圖9所示，在3.0×10 7～1.0×10 6mol/L時，ip=0.3104+11.803C（R=0.9902）；在1.0×10 6～6.0×10 6mol/L時，ip= 1.072+89.646C（R=0.9975）。檢出限（S/N=3）為1.0×10 7mol/L，說明此傳感器具有較高的靈敏度。

3.5傳感器的選擇性和穩定性研究

〖CM（42為了研究傳感器的選擇性，選擇了一些共存無機離子Ca2+＼，Mg2+＼，K+＼，SO2 4＼，CO2 3＼，NO 3作為干擾〖CM）

物，其濃度為NO 2的20倍。研究表明，上述干擾物對NO 2測定幾乎無影響，可以忽略不計。

說明本實驗設計的傳感器具有良好的選擇性。〖ZH（

復合材料修飾電極的穩定性進行了評估。此修飾電極在室溫下儲存10天后檢測NO 2，發現傳感器能保持原始電流響應的93.6%，說明此傳感器具有良好的穩定性和重現性。

3.6實際樣品檢測

采用加標回收法對香腸中的亞硝酸鹽進行檢測。香腸樣品需進行預處理。檢測結果見表1，其相對標準偏差低于3.0%，表明本方〖ZH）法可用于香腸樣品中亞硝酸鹽的檢測，并可進一步應用于其它樣品中亞硝酸鹽的檢測。

上述結果表明，此傳感器具有檢出限低、線性范圍寬、響應速度快、選擇性和穩定性好等特點。本方法操作簡單，成本低，具有一定的理論和實際應用價值。

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AbstractAnitriteelectrochemicalsensorbasedonelectrodepositionofzirconiumdioxidenanoparticlesonreducedgrapheneoxidemodifiedelectrodewassuccessfullyconstructedforthedetectionofnitrite.Theelectrochemicalbehaviorofthemodifiedelectrodewasinvestigatedbycyclicvoltammetryandamperometricitcurve.Undertheoptimalconditions，theamperometricitcurveresponseoftheelectrodeshowedalinearrelationshipwithnitriteconcentrationintherangeof3.0×10 7-1.0×10 6mol/Land1.0×10 6-6.0×10 6mol/L，andthedetectionlimitwas1.0×10 7mol/L（S/N=3）.Thefabricatedsensorexhibitedhighsensitivity，goodstabilityandhighreproducibility.Thissensorwasappliedforthedetectionofnitriteinsausagesampleswithfavorablerecoveriesof93.7%-110.4%andrelativestandarddeviation（RSD）of1.6%-2.1%.

KeywordsZirconia；Reducedgrapheneoxide；Nitrite；Electrochemicalsensor

（Received21October2016；accepted13February2017）

ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（Nos.21575115，21327005）