基于CdS∶Mn敏化TiO2納米管的光電化學傳感器用于硫酸鹽還原菌的檢測

賀子君, 毛一丹, 譚學才, 黃在銀*

(廣西民族大學化學化工學院，廣西高校食品安全與藥物分析化學重點實驗室，廣西南寧 530006)

圖1 實驗原理圖Fig.1 Working mechanism of the fabricated PEC sensing platform

光活性材料在構筑PEC傳感器中扮演著非常重要的作用。TiO2[21-23]、ZnO[24,25]、C3N4[26-28]、CdSe[29]、Al2O3[30]、SnO2[31]及Bi2S3[32]等都是具有優良性能的半導體材料，這些光電活性材料都具有較好的光電流響應[33]。目前，已有報道使用ZnO材料制備PEC傳感器用于SRB的檢測[3]。值得注意的是，由于TiO2制備成本低且具有很好的光穩定性，它也是目前研究最多并且最成熟的一種材料[34,35]，但是這種材料尚未被用于SRB的實時快速檢測。本文提出了一種基于二氧化鈦納米管(TiO2-NTs)材料構筑的PEC傳感平臺，并應用于SRB的實時快速檢測，其原理見圖1。在這一策略中，CdS∶Mn納米晶的生物合成作為檢測過程中的特征反應。不同含量的CdS∶Mn納米晶會導致產生不同的光電流響應，且呈現線性關系。我們設計的PEC傳感平臺具有較高的靈敏度、良好的選擇性和重現性，為SRB的實時檢測提供了廣闊的前景。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

7ILX150A氙燈光源(北京賽凡光電儀器有限公司)；CHI-660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；SU8010場發射掃描電子顯微鏡(日本，日立高新科技有限公司)；ESCALAB 250xi X射線光電子能譜儀(美國，Thermo Fischer公司)。

鈦片(純度99.7%，厚度0.127 nm)，殼聚糖(純度≥75%)(美國Sigma公司)；Cd(NO3)2·4H2O、Mn(Ac)2·4H2O、40%HF溶液、甲醇(南京化學試劑有限公司)；丙酮、乙醇、抗壞血酸(AA)(上海國藥化學試劑有限公司)；磷酸鹽緩沖溶液(PBS,0.1 mol/L,pH=7.4)、大豆蛋白胨、牛肉提取物、NaCl、瓊脂粉、NaOH和超純水(福州飛凈生物科技有限公司)。

1.2 光電材料的制備及電極修飾

1.2.1 TiO2-NTs的制備將鈦片剪成0.5 cm×2 cm大小，用2 000目細砂紙打磨光滑，用水沖洗后分別于丙酮、乙醇和水中各超聲10 min，N2氣氛下干燥。將鈦片0.5 cm×0.5 cm的部分浸泡在0.5%的HF溶液中，使用直流電源，鈦片接電源正極，鉑片接電源負極，通過陽極氧化法(20 V、10 A)氧化20 min，用水沖洗干凈，于450 ℃下煅燒1 h，即得TiO2-NTs材料。

1.2.2 TiO2-NTs/Cd∶Mn電極的制備將制備的TiO2-NTs材料浸泡在1%的殼聚糖溶液中30 min，殼聚糖作為交聯劑，用水沖洗三次。采用連續離子層吸附與反應(SILAR)法將Cd2+和Mn2+負載于TiO2納米陣列管材料表面，分別將材料浸泡于0.1 mol/L的Cd(NO3)2甲醇溶液和0.08 mol/L的Mn(Ac)2甲醇溶液中各5 min，循環操作6次，甲醇沖洗干凈，即得TiO2-NTs/Cd∶Mn電極。

1.3 菌種培養

SRB種子是從我國東海的海泥里分離出來的，純的SRB種子在改良的培養基(大豆蛋白胨5.0 g、牛肉膏3.0 g、NaCl 5.0 g、瓊脂粉15.0 g、水1.0 L，用6 mol/L的NaOH溶液調節培養基pH=7.0) 中，于37 ℃培養7 d。培養的SRB種子通過6 000 r/min離心分離30 min，并用0.1 mol/L的PBS(pH=7.4)洗滌。用改良的培養基依次稀釋SRB種子并用MPN法測定，使用美國檢驗材料學會標準(D4412-84)進行測試。同時，選擇革蘭氏陰性菌(假單胞菌和大腸桿菌)和革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌和高溫芽孢桿菌)作為干擾菌種來驗證傳感器的選擇性。

1.4 光電化學性能測試

為了驗證傳感器對SRB分析檢測能力，在37 ℃培養了一系列濃度的SRB懸浮液(1.0×102～1.0×108CFU/mL)48 h。之后，各取5 mL的SRB培養液，15 000 r/min離心分離10 min來分離培養基和細菌細胞。將制備的TiO2-NTs/Cd∶Mn電極分別浸泡在分離的不同培養基中20 min，培養基產物H2S中的S2-和電極中Cd2+和Mn2+結合生成CdS∶Mn納米晶，所獲得的電極稱為TiO2-NTs/CdS∶Mn電極。將TiO2-NTs/CdS∶Mn電極作為工作電極，在室溫下進行光電化學測試，電解質溶液為含有0.1 mol/L抗壞血酸的PBS，抗壞血酸作為電子供體，使用前通氮氣15 min。采用光譜范圍為200～2 500 nm的氙燈作為激發光源，每10 s切換一次。光電流測試在電化學工作站上完成，設置偏壓為0 V。

2 結果與討論

2.1 材料的性能表征

由TiO2-NTs的掃描電鏡(SEM)圖(圖2A)可見，高度有序的TiO2-NTs在鈦片上成功制備；當負載CdS∶Mn之后(圖2B)，許多小顆粒均勻地分布在TiO2-NTs的內側和外側。TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的能量色散X射線(EDX)光譜圖(圖2C)，證明了S、Cd、Mn元素存在于電極中。TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的元素面掃描圖(圖2D)，顯示S、Cd、Mn元素均勻地分布在TiO2陣列管材料表面。

圖2 TiO2-NTs(A)和TiO2-NTs/CdS∶Mn(B)的掃描電鏡(SEM)圖；TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的EDX光譜圖(C);Ti，O，S，Cd，Mn元素面掃描圖(D)Fig.2 SEM images of TiO2-NTs (A) and TiO2-NTs/CdS∶Mn(B);EDX spectrum of the TiO2-NTs/CdS∶Mn electrode(C);Elemental mappings of Ti,O,S,Cd,Mn (D)

同時，用X射線光電子能譜(XPS)表征了TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的化學狀態和主要化學元素，結果如圖3所示。由圖3a可見，從XPS中可以檢測到Ti、O、Cd、Mn和S元素。在高分辨XPS圖中，Ti 2p 的主峰在458.52 eV(圖3b)，Cd 3d在404.65 eV(圖3c)的峰表明電極中存在Cd2+，Mn 2p的峰在651.93 eV(圖3d)，S 2p的峰在161.12 eV(圖3e)。XPS的表征證明了電極的成功制備。

圖3 (a) TiO2-NTs/CdS∶Mn的XPS和高分辨XPS：(b) Ti 2p；(c) Cd 3d；(d) Mn 2p；(e) S 2pFig.3 (a) XPS and high-resolution XPS of TiO2-NTs/CdS∶Mn;(b) Ti 2p;(c) Cd 3d;(d) Mn 2p;(e) S 2p

2.2 實驗條件的優化

TiO2-NTs的光電性能受到陽極氧化后煅燒溫度的影響，圖4A顯示固定CdS∶Mn 6次SILAR循環及摻雜濃度，改變不同陽極氧化后的煅燒溫度，電極的光電流測試情況。隨著煅燒溫度的升高，TiO2-NTs的結構更加致密，其光電活性更高。當煅燒溫度達到450 ℃時，其光電流達到最大。隨著煅燒溫度再升高，過高的煅燒溫度改變了TiO2的晶型結構，其光電活性逐漸下降。因此，陽極氧化后煅燒形成的TiO2-NTs材料，最佳煅燒溫度為450 ℃。

圖4 TiO2-NTs的煅燒溫度(A)、Mn2+的濃度(B)及CdS∶Mn修飾電極循環次數(C)對光電流值的影響Fig.4 Effect of calcination temperature of TiO2-NTs(A)，concentration of Mn2+ (B) and SILAR cycle of CdS∶Mn (C) on photocurrent intensity of CdS∶Mn electrode

CdS中Mn2+的摻雜量可以通過調整SILAR循環過程中Mn2+的濃度來實現。圖4B顯示450 ℃條件下煅燒形成的TiO2-NTs材料，固定6次CdS∶Mn SILAR循環，摻雜不同Mn2+的TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的光電流強度變化。隨著Mn2+的濃度增加，摻雜在CdS中的Mn2+含量增加，形成更多的能級中心來促進電荷分離，從而極大地增強了光電流強度。當Mn2+濃度達到0.10 mg/mL時，光電流強度達到最大；繼續增加Mn2+濃度，更多的激發電子被捕獲，光電流強度逐漸下降。因此，Mn2+的最佳濃度選擇為0.10 mg/mL。圖4C顯示固定450 ℃煅燒溫度和0.10 mg/mL Mn2+摻雜濃度，修飾不同的SILAR循環次數的CdS∶Mn，TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的光電流強度變化。隨著SILAR循環次數的增加，CdS∶Mn的沉積量增多，中波長的光被更多的吸收，從而導致光電流隨之增大。當SILAR循環次數為6次時，TiO2-NTs/CdS∶Mn電極的光電流達到最大；當SILAR循環次數再次增大，過量的CdS∶Mn提供的表面復合中心增加了電子傳遞阻力，導致光電流逐漸減小。因此，SILAR的最佳循環次數選為6次。

2.3 光電傳感器的光電化學表征

圖5 TiO2-NTs(a)、TiO2-NTs/CdS(b)和TiO2-NTs/CdS∶Mn(c)的光電流響應 Fig.5 Photocurrent response of TiO2-NTs(a)，TiO2-NTs/CdS(b) and TiO2-NTs/CdS∶Mn(c)

PEC傳感器的性能也可以通過光電流響應來表示，如圖5所示。TiO2-NTs電極具有明顯的光電流強度(曲線a，i=3.25 μA)。當CdS沉積到TiO2-NTs電極表面，光電流強度明顯增加(曲線b，i=30.05 μA)，這主要是由于CdS的加入擴大了電極對光的吸收波長范圍。Mn2+摻雜CdS后，形成了更多的能級中心，極大地促進了電荷分離，光電流強度又顯著增強(曲線c，i=42.01 μA)。

2.4 光電傳感器檢測硫酸鹽還原菌的線性范圍及檢出限

隨著SRB的濃度從1.0×102CFU/mL增加到1.0×108CFU/mL，光電流信號明顯增強。其光電流響應信號與SRB濃度的對數呈線性關系，回歸方程為：i=10.1296lgc-16.823(μΑ,CFU/mL)，相關系數為0.9995。該傳感器對于SRB的檢測限(LOD)為28 CFU/mL，低于檢測SRB的其它方法(表1)，證明本法檢測SRB線性范圍廣，靈敏度高。

表1 其他SRB檢測方法檢測效果對比

2.5 傳感器的特異性及選擇性

為了證明新型PEC傳感器對SRB檢測的特異性和選擇性，我們培養了4種不同的干擾細菌：革蘭氏陰性菌(假單胞菌和大腸桿菌)和革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌和高溫芽孢桿菌)。由圖6A可見，干擾細菌(1.0×104CFU/mL)的光電流響應均低于相同濃度的SRB代謝物，且與空白對照組無信號差異，這是因為干擾細菌不能產生特征代謝產物H2S。因此，我們設計的光電化學傳感器具有較好的特異性和選擇性。

圖6 (A) 傳感器對SRB檢測的特異性;(B) 傳感器的重現性;(C) PEC傳感器隨時間變化的光電流響應Fig.6 (A) The specificity of the PEC sensor for SRB detection;(B) The reproducibility of the fabrication of the sensor;(C) Time -dependent photocurrent response of PEC sensor

2.6 傳感器的重現性和穩定性

圖6B顯示了TiO2-NTs/CdS∶Mn傳感器的重現性。在6個平行實驗下，制備了6個相同的電極，并檢測其光電流響應。這6個電極傳感器檢測結果的相對標準偏差為2.648%，說明傳感器具有良好的重現性。當電極傳感器遇到重復光照時，其光電流響應基本恒定，如圖6C所示。表明傳感器具有較好的穩定性。

3 結論

本研究開發了一種基于CdS∶Mn納米晶生物合成制備的光電化學傳感平臺TiO2-NTs/CdS∶Mn。傳感電極檢測SRB的線性范圍為1.0×102～1.0×108CFU/mL，檢測限低至28 CFU/mL，同時還具有良好的特異性、選擇性、重現性和穩定性。我們構建的傳感器利用了SRB的特征產物與傳感器中Cd2+和Mn2+生物結合形成CdS∶Mn納米晶，TiO2和CdS∶Mn敏化結構擴大了傳感器的光吸收范圍。同時Mn2+的加入形成了更多的能級中心，進一步增強光電流強度，提高了傳感器檢測線性范圍，降低檢出限。此研究為檢測SRB傳感器的構建發展了新方法。