鉑納米粒子/埃洛石納米管催化發光傳感器快速檢測甲酸乙酯和臭氧

史朝霞 胡玉斐 李攻科

（中山大學化學學院，廣州 510006）

近年來，貴金屬納米粒子（NPs）因其新穎的物理化學性質以及在電子[1]、光學器件[2-3]、燃料電池[4]、化學傳感器[5]、催化[6]和生物材料[7]等方面的應用潛能而引備受關注。貴金屬NPs 的性能依賴于活性金屬的高度分散。然而，由于高表面能，游離貴金屬NPs 容易聚集，導致催化活性和可重復利用性大幅度降低。因此，在制備貴金屬NPs 時為了防止團聚，通常需要使用穩定劑，這是控制貴金屬NPs 生長和調整其化學和物理性質的基本手段。然而，對于一些特殊的應用，例如表面增強拉曼散射（SERS）、生物傳感和催化，無穩定劑的合成方法效果更好，這是因為合成物在獲得的納米顆粒表面沒有殘留，避免了干擾[8-9]。負載型貴金屬NPs 可有效防止團聚，避免使用穩定劑。更重要的是，基底可能與貴金屬NPs 存在協同效應，從而增強了貴金屬NPs 的性能。目前已報道的載體類型包括有機聚合物材料[10]、金屬有機骨架配合物[11]、碳材料[12]、二氧化硅[13]和沸石[14]等。

除上述載體材料外，粘土礦物因具有優異的化學和熱穩定性及多樣的納米結構，有望發展成為優良的載體。埃洛石粘土是由高嶺土薄片軋制而成的一種天然資源豐富的材料[15]，在我國有大量可用的純度高達90%～98%的埃洛石納米管（Halloysite nanotubes，HNTs）粘土材料[15-16]。HNTs 因其固有的空心管狀結構和內外表面電荷差，可作為性能良好的載體材料[17]。由于HNTs 的經濟性和生物相容性[18]，已被用于開發具有優異的幾何結構和表面性能的新型納米材料，用于催化和生物技術領域[19-20]。此外，納米管型粘土還具有穩定性高、耐有機溶劑、易于處理和可重復使用[21]等優點。與碳納米管相比，HNTs 是經濟可行的天然材料，具有不同的內外化學性質和表面豐富的羥基等獨特的性質[22-23]，而這些基團有利于貴金屬NPs 的固載[24-25]。將粘土材料引入催化發光（CTL）傳感材料體系有利于構建新型CTL 傳感器。

基于CTL 的氣體傳感器在反應過程中只消耗分析物和氧氣，而不損失傳感材料，是一種耐用和低成本的氣體檢測分析工具[26-27]。對CTL 傳感器的機理研究表明，活性氧在信號增強方面發揮了重要作用[28-29]。臭氧作為最廣泛的活性氧種類之一，其對CTL 信號的增強效應備受關注。臭氧具有比氧氣更強的氧化能力，能促進化合物分解[30-31]，而且氧化產物無毒無害。臭氧在催化劑表面分解時能產生大量活性氧物質，提高CTL 方法的靈敏度。其次，臭氧通過氧化作用破壞微生物膜的結構，可實現殺菌作用。臭氧對細菌的滅活反應速度很快，常被用于殺菌消毒、果蔬保鮮消毒、醫療衛生、食品行業消毒和禽類養殖消毒等領域。選擇合適的探針分子，CTL 的信號強度也可用于定量測定載氣中的臭氧濃度。

本研究以天然粘土材料HNTs 為載體，設計并合成了Pt NPs@HNTs 納米復合材料，并基于此構建了CTL 氣體傳感器用于快速檢測甲酸乙酯（圖1）和臭氧。通過檢測飲料樣品中的甲酸乙酯和空氣中的臭氧含量驗證了此傳感器的實用性。

圖1 鉑納米粒子/埃洛石納米管（Pt NPs@HNTs）的合成過程（A）及構建催化發光（CTL）傳感器的原理圖（B）Fig.1 Synthesis process of platinum nanoparticles@halloysite nanotube (Pt NPs@HNTs) composite materials(A) and the principle of fabricated cataluminescence (CTL) sensor

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

PHILIPS TECNAI 10 透射電子顯微鏡（TEM，荷蘭Philips 公司）；D8 ADVANCE X 射線粉末衍射儀（Cu 靶，3 kW，德國布魯克公司）；Escalab-250 X 射線光電子能譜儀（XPS，美國Thermo Fisher Scientific公司）；2-JZ 型BPCL 微弱化學發光測量儀（中國科學院生物物理研究所）。

六水合氯鉑酸（H2PtCl6·6H2O，AR，99.8%）、苯甲酸（AR，99.8%）、冰醋酸（99.8%）、丙酮（AR，98%）和甲酸乙酯（分析標準品，≥99.5%）購自Aladdin Chemical 公司（上海）;乙二醇（AR，98%）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量55000）和乙醇（AR，98%）購自百靈威試劑有限公司。其它試劑均為分析純。埃洛石納米管（西安茗創達生物科技有限公司）。實驗用水為超純水（18.3 MΩ?cm）。

1.2 材料合成

參照文獻[32]的方法制備Pt NPs。在雙頸圓底燒瓶中，將H2PtCl6?6H2O（50.75 mg，0.098 mmol）和222 mg PVP 溶于20 mL 乙二醇中，得到的混合溶液于180 ℃反應10 min，制得PVP-Pt NPs，然后用丙酮沉淀，8000 r/min 離心5 min，用丙酮和己烷清洗去除多余的游離PVP，再分散到DMF 中，得到濃度約為1 mg/mL 的Pt NPs 膠體溶液。

將150 mg HNTs 超聲分散于100 mL 無水乙醇中，加入30 mL Pt NPs，繼續超聲20 min 后，室溫攪拌4 h，產物離心并水洗3 次，得到復合材料Pt NPs@HNTs。

1.3 CTL傳感器的制備

分別稱取0.8 g HNTs 和Pt NPs@HNTs 與3.0 mL 超純水混合，得到泥漿狀懸濁液。將一定體積懸濁液均勻涂抹于陶瓷加熱棒上，在空氣中晾干，形成催化層。將涂有催化劑層的陶瓷加熱棒置于具有入氣口和出氣口的石英管（長度8.5 cm，直徑1.0 cm）中組成CTL 反應室（石英管為自行設計加工得到）。陶瓷加熱棒與調壓器相連，溫度由直流電源（DC power）通過調節輸出電壓控制。采用BPCL 超弱發光分析儀檢測并記錄CTL 信號。如無特殊說明，每次CTL 實驗的樣品進樣量為1 mL。

1.4 實際樣品分析

1.4.1 飲料中甲酸乙酯的檢測

從當地超市購買3 種咖啡和4 種果汁實際樣品。取10 mL 飲料樣品置于20 mL 頂空瓶中，密封，室溫放置過夜。取上層氣體進行檢測，每次進樣1 mL。利用制備的CTL 傳感器對每個樣品進行測定并記錄信號，計算樣品中的甲酸乙酯含量。

1.4.2 空氣中臭氧的檢測

在一個封閉房間內，利用臭氧發生器產臭氧1 h 后，分別在1～20 min（1）、20～40 min（2）、40～60 min（3）和60～80 min（4）時間段內采樣，分別以4 個時間段內采集的樣品作為載氣，測定探針分子（100 mg/L 甲酸乙酯）的信號強度，計算樣品中的臭氧含量。

2 結果與討論

2.1 材料形貌表征

采用TEM 對不同材料的結構和形貌進行了表征。由圖2A 和2B 可見，HNTs 具有特征的空心管狀結構，納米管寬度約為50 nm，空心結構寬度約為15 nm。由圖2C 和2D 可見，粒徑約3 nm 的Pt NPs 分布于HNTs 管狀結構的內外部，表明Pt NPs@HNTs 復合材料的成功合成。HNTs 的管狀結構為負載Pt NPs 提供了載體，克服了Pt NPs 易團聚導致催化活性降低的問題，而Pt NPs 的負載有利于改善HNTs的催化活性。因此，Pt NPs@HNTs 復合材料可能具有比單獨的Pt NPs 和HNTs 更優良的性能。

圖2 HNTs（A、B）和Pt NPs@HNTs（C、D）的透射電子顯微鏡（TEM）圖Fig.2 Transmission electron microscopy (TEM) images of HNTs (A,B) and Pt NPs@HNTs (C,D)

2.2 Pt NPs@HNTs的成分表征

采用XPS 對Pt NPs@HNTs 的元素組成進行表征，結果如圖3 所示。XPS 總譜圖（圖3A）顯示了Si、Al、Pt 以及C、N、O 的存在。雖然在總譜圖中Pt 4f 與Al 2p 的軌道能存在重疊，但在Pt 4f 軌道的擬合圖譜中可以清楚看出Pt 4f7/2和Pt 4f5/2雙重態的存在，結合能分別為70.1 和72.97 eV，符合零價鉑的Pt 4f7/2和Pt 4f5/2結合能，表明復合材料中包含Pt（0），證明了Pt NPs@HNTs 復合材料被成功合成。

圖3 （A）Pt NPs@HNTs 和（B）Pt 4f-Al 2p 的X 射線光電子能譜（XPS）圖Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) patterns of Pt NPs@HNTs (A) and Pt 4f-Al 2p (B)

2.3 Pt NPs@HNTs的CTL性能研究

以Pt NPs@HNTs 為催化劑，考察了醇類、醚類、酮類、醛類和酯類等揮發性有機物的CTL 響應，并分別以空氣和臭氧為載氣，研究了臭氧對CTL 信號的增強效應。由圖4 可見，以空氣為載氣和氧化劑時，乙醇、甲醇、正己醇、甲基叔丁基醚（MTBE）、丙酮、丁酮、乙酰丙酮和甲酸乙酯等物質的CTL 信號較弱；用臭氧作為載氣和氧化劑時，CTL 信號明顯增強。因此，采用臭氧作為氧化劑可以增強分析物的檢測靈敏度。當某種分析物的CTL 信號增強效應與作為載氣的臭氧濃度相關時，可采用該分析物的CTL信號值作為響應值，用于測定載氣中臭氧的濃度。本研究選擇甲酸乙酯考察本方法的可行性。選擇甲酸乙酯作為探針分子是基于2 個原因：一是甲酸乙酯對臭氧特別敏感，可感知載氣中臭氧濃度的變化；二是甲酸乙酯作為飲料中的食品添加劑，國家標準對其含量水平有明確要求，可建立用于檢測飲料中甲酸乙酯的CTL 分析方法。

圖4 分別以空氣和臭氧為載氣時，不同分析物在Pt NPs@HNTs 表面的CTL 強度Fig.4 CTL signals of different analytes on the surface of Pt NPs@HNTs with air or ozone as carrier gas

2.4 可行性實驗

為考察本方法的可行性，檢測了Pt NPs@HNTs 對1.0、5.0 和10.0 mg/L 甲酸乙酯的CTL 響應。結果如圖5A 所示，以Pt NPs@HNTs 為催化劑時，甲酸乙酯的CTL 信號強度隨其濃度增加而增大，因此，可采用Pt NPs@HNTs 為催化劑建立檢測飲料樣品中甲酸乙酯含量的CTL 分析方法。考察了不同濃度的臭氧對10 mg/L 甲酸乙酯CTL 信號的增強作用。如圖5B 所示，隨著載氣中臭氧濃度升高，10 mg/L 甲酸乙酯的CTL 信號逐漸增強。因此，本研究采用10 mg/L 甲酸乙酯的CTL 信號作為響應值，用于表征載氣中臭氧的濃度。

圖5 （A）不同濃度的甲酸乙酯在Pt NPs@HNTs 表面的CTL 信號；（B）以不同濃度的臭氧為載氣時，10 mg/L 甲酸乙酯的CTL 信號Fig.5 (A) CTL response of different concentrations of ethyl formate on the surface of Pt NPs@HNTs;(B) CTL response of 10 mg/L ethyl formate using different concentrations of ozone as carrier gas

2.5 甲酸乙酯快速檢測方法

以Pt NPs@HNTs 為催化劑，臭氧為載氣，建立了測定飲料中甲酸乙酯含量的CTL 分析方法。

2.5.1 條件優化

在CTL 分析方法中，載氣不僅承擔將分析樣品引入CTL 反應室的作用，同時為催化氧化反應提供所需的氧化劑。樣品與載氣在流路中混合后進入反應室發生催化氧化反應，產生CTL 信號，因此，載氣中氧化劑的含量和氧化能力會影響CTL 信號的強度。本研究采用臭氧作為載氣，臭氧由臭氧發生器提供，其濃度可調。通過考察臭氧濃度與CTL 強度的關系，得到最優的臭氧濃度載氣。如圖6A 所示，當臭氧濃度從0 逐漸增至20 mg/L 時，信號強度逐漸增強，這可能是由參加反應的臭氧濃度增加所引起；當臭氧濃度由20 mg/L 增至50 mg/L，信號強度開始有所下降，這可能是因為反應過程中臭氧過飽和，導致反應物與催化材料接觸不充分。因此，選擇輔助甲酸乙酯檢測的最佳臭氧濃度為20 mg/L。

圖6 臭氧濃度（A）、反應溫度（B）和檢測波長（C）對10 mg/L 甲酸乙酯CTL 信號（a）和信噪比(S/N)（b）的影響；（D）重復性實驗Fig.6 Influences of ozone concentration (A),working temperature (B) and wavelength (C) on CTL intensity(line a) and signal to noise ratio (S/N) value (line b);(D) Repeatability of 10 mg/L ethyl formate

CTL 的反應溫度也與分析方法的靈敏度相關。溫度不僅影響背景噪音，更重要的是影響催化劑的催化活性。考察了溫度對10 mg/L 甲酸乙酯的CTL 信號強度和信噪比（S/N）的影響。如圖6B 所示，在溫度逐漸升至228 ℃過程中，發光強度和S/N均隨著反應溫度升高而逐漸增大；當溫度由228 ℃升至240 ℃，CTL 信號強度繼續增加，但S/N逐漸減小，這是由于隨著溫度升高，背景噪音顯著增大，在228 ℃時具有最高的S/N。因此，選擇228 ℃作為最優溫度。

濾光片的波長也會影響CTL 分析方法的靈敏度。不同的CTL 反應體系具有不同的特征發射光譜，為探究甲酸乙酯CTL 體系的特征發射光譜，選取波長為320、350、380、400、425、440 和460 nm 的光學濾光片進行檢測波長優化實驗，以探究檢測波長與發光信號強度和S/N的關系。如圖6C 所示，當波長由320 nm 增至380 nm，信號強度與S/N均逐漸增大；當波長由380 nm 增至460 nm，S/N與信號強度均開始下降。因此，選擇380 nm 作為甲酸乙酯檢測的最佳波長。

Pt NPs@HNTs 復合材料催化活性的重復性是所建立的氣體傳感器能否用于實際樣品檢測的重要指標。以10 mg/L 甲酸乙酯為探針分子，研究了Pt NPs@HNTs 的CTL 活性的重復性。如圖6D 所示，連續15 次測定的CTL 信號的RSD=3.8%，表明Pt NPs@HNTs 復合材料具有良好的CTL 信號重復性。

2.5.2 方法的分析性能

采用1 L 的聚四氟乙烯采樣袋配制濃度為0.10、0.50、1.00、5.00、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0 和70.0 mg/L 的甲酸乙酯氣體。首先向1 L 的聚四氟乙烯采樣袋中鼓入1 L 的氧氣作為基底氣體，然后將準確體積的甲酸乙酯標準品注入該聚四氟乙烯采樣袋，靜置至甲酸乙酯標準品完全揮發后，得到不同濃度的甲酸乙酯氣體樣品。在最優條件下，測定其CTL 信號，結果如圖7A 所示。以信號強度對甲酸乙酯的濃度進行線性擬合，結果見圖7B。隨著甲酸乙酯濃度增加，CTL 信號逐漸增強，在0.10～70 mg/L 范圍內呈現線性關系，線性方程為y=214.8x+251.7（R2=0.9949），檢出限（S/N=3）為4.7 μg/L。

圖7 （A）不同濃度（mg/L）甲酸乙酯的CTL 響應曲線；（B）甲酸乙酯濃度與發光強度的線性擬合曲線Fig.7 (A)CTL response of different concentrations(mg/L)of ethyl formate;(B)Calibration plots of CTL signal intensity versus ethyl formate concentration

2.5.3 飲料樣品分析

為考察此傳感器對于實際樣品中甲酸乙酯的定量檢測性能，將其用于7 種飲料樣品（3 種咖啡和4 種果汁）中甲酸乙酯含量的測定。每個飲料樣品中均檢出了甲酸乙酯。圖8A 為咖啡樣品1 的CTL 曲線，圖8B 為果汁樣品1 的CTL 曲線，兩者均直接測出了甲酸乙酯的信號峰（曲線a）。對每個樣品進行3 個不同甲酸乙酯濃度水平（0.500、3.00 和10.0 mg/L）的加標回收實驗，回收率在92.6%～106.3%之間，RSD為2.1%～4.2%（表1）。檢測結果表明，基于Pt NPs@HNTs 的CTL 分析方法準確可靠、簡單快速，可用于快速分析飲料樣品中甲酸乙酯的含量。

表1 飲料樣品測定和加標回收實驗結果Table 1 Detection results and spiking recoveries of ethyl formate in beverages

圖8 （A）咖啡樣品1 的CTL 曲線（a）、1.00 mg/L 甲酸乙酯標品的CTL 曲線（b）和咖啡樣品加標0.50 mg/L 甲酸乙酯后的CTL 曲線；（B）果汁樣品1 的CTL 曲線（a）、5.00 mg/L 甲酸乙酯標準品的CTL曲線（b）和果汁樣品加標5.00 mg/L 甲酸乙酯后的CTL 曲線Fig.8 (A) CTL curves of coffee sample 1 (a),1.00 mg/L ethyl formate (b) and coffee sample spiked with 0.50 mg/L ethyl formate(c);(B)CTL curves of fruit juice sample 1(a),5.00 mg/L ethyl formate(b)and fruit juice sample spiked with 5.00 mg/L ethyl formate (c)

2.6 臭氧快速檢測方法

2.6.1 條件優化

為了提高臭氧檢測的靈敏度，對影響CTL 強度的波長和溫度進行了優化。如圖9 所示，臭氧檢測的最佳波長為380 nm（圖9A），最佳溫度為210 ℃（圖9B）。

圖9 波長（A）和溫度（B）對50 mg/L 甲酸乙酯CTL 信號（a）和S/N（b）的影響Fig.9 Influences of wavelength (A),working temperature (B) on CTL intensity (line a) and S/N value (line b)

2.6.2 臭氧傳感器的重復性和重現性

考察了所構建的臭氧傳感器的重復性和重現性。如圖10A 所示，在臭氧濃度25 mg/L 時，連續測定11 次，發光信號強度的RSD 為1.4%，表明其具有良好的重復性。此外，平行制備9 個傳感器，在臭氧濃度為25 mg/L 條件下，測定探針分子對10.0 mg/L 甲酸乙酯的CTL 信號，以考察傳感器的重現性，結果如圖10B 所示，RSD=3.6%，表明此傳感器具有良好的重現性。

圖10 （A）重復性實驗；（B）重現性實驗；（C）不同濃度（mg/L）臭氧下10 mg/L 甲酸乙酯的CTL 響應曲線；（D）臭氧濃度與10 mg/L 甲酸乙酯發光強度的線性擬合關系Fig.10 Repeatability (A) and reproducibility (B) test results;(C) CTL response of 10 mg/L ethyl formate at different concentrations(mg/L)of ozone;(D) Calibration plots of ozone concentrations versus signal intensity of 10 mg/L ethyl formate

在波長為380 nm、溫度為210 ℃條件下，以10 mg/L 甲酸乙酯的CTL 信號為檢測指標，考察了臭氧濃度與CTL 信號強度的關系。如圖10C 所示，隨著臭氧載氣濃度增加，甲酸乙酯的CTL 信號逐漸增強，這是由于增大臭氧濃度催化了更多的甲酸乙酯的反應，并且兩者在一定范圍內呈現線性相關。如圖10D所示，以10 mg/L 甲酸乙酯的CTL 信號值作為響應值檢測臭氧濃度，方法的線性范圍為0.10～60 mg/L，線性方程為y=186.5x+106.3（R2=0.9927），檢出限（S/N=3）為3.8 μg/L。

2.6.3 空氣樣品分析

在一個封閉房間，利用臭氧發生器生產臭氧。分別在1～20 min（1）、20～40 min（2）、40～60 min（3）和60～80 min（4）時間段內采樣，對此4 個時間段內采集的樣品進行臭氧含量測定和加標回收實驗，結果如圖11 所示。由圖11 的CTL 曲線可見，在1 h 內采集的樣品中均可測到臭氧的存在，并且臭氧的含量隨時間的延長而降低，1 h 后采集的樣品中已檢測不到臭氧的存在。樣品中的臭氧含量及加標濃度見表2，回收率為96.0%～107.7%，RSD 為2.6%～4.2%，表明基于PtNPs@HNTs 的CTL 分析方法具有重復性好、準確度高和簡單快速等優點，可用于空氣中臭氧含量的快速檢測。

表2 空氣樣品中臭氧濃度及加標回收實驗結果Table 2 Detection results and recoveries of ozone in air samples

圖11 不同時間段內采集的空氣樣品的CTL 響應曲線（a）和添加不同濃度（b:1.00 mg/L;c:3.00 mg/L;d:5.00 mg/L）的臭氧標準氣體后的CTL 響應曲線：（A）1～20 min；（B）20～40 min；（C）40～60 min；（D）60～80 minFig.11 CTL curves of Pt NPs@HNTs in different samples collected in(A)1～20,(B)20～40,(C)40～60 and(D)60～80 min from air samples and after the addition of 1.00 (b),3.00 (c) and 5.00 mg/L(d) ozone standard gas

3 結論

利用天然粘土材料HNTs 為載體負載Pt NPs，成功合成了Pt NPs@HNTs 復合材料，并探究了此復合材料在CTL 氣體傳感器領域的應用，制備了基于Pt NPs@HNTs 的CTL 傳感器。此傳感器被用于飲料中甲酸乙酯含量的測定，線性范圍為0.10～70 mg/L，檢出限為4.7 μg/L（S/N=3），加標回收率為92.6%～106.3%，RSD 為2.1%～4.2%。此外，以甲酸乙酯為探針分子建立了基于Pt NPs@HNTs 的CTL 分析方法，用于測定空氣中臭氧的含量，線性范圍為0.10～60 mg/L，檢出限為3.8 μg/L（S/N=3），加標回收率為96.0%～107.7%，RSD 為2.6%～4.2%。以上結果表明，天然粘土材料在構建CTL 傳感器領域具有良好的應用潛力。