便攜式電化學傳感平臺靈敏檢測偶氮類染料日落黃和檸檬黃

關鍵詞激光誘導石墨烯；電化學傳感器；便攜式；偶氮染料；日落黃；檸檬黃

水質污染和保護已成為全球化進程中最受關注的公共問題之一。污染廢水的不合理排放以及農藥和化肥的過量使用都會對各類水體造成生態破壞，繼而威脅人類健康。與天然染料相比，合成染料穩定性高、著色能力強、效率高且生產成本低，廣泛應用于如紡織、印刷、制藥、化妝品和食品等行業[1]，這些合成染料會由于不合理排放進入到環境中。其中，偶氮染料日落黃（SY）和檸檬黃（Tz）可在腸道菌群作用下將偶氮基團還原，具有潛在的致癌性[2]。因此，開發靈敏檢測SY和Tz的方法，特別是適用于現場的快速檢測方法對于環境監測和預警具有重要意義。

激光誘導石墨烯材料（Laserinducedgraphene，LIG）是通過激光雕刻的方法，將各種碳前驅體（聚酰亞胺、木質素、紙和木材等）光熱轉化為三維多孔狀石墨烯[3-4]。在激光光源（CO2激光、可見激光和紫外激光等[5]）作用下，高能量密度的激光輻照在材料表面，產生局部瞬時高溫（gt;2500℃），使得碳前體中的C—O、C=O和C—N鍵發生斷裂，碳原子重排形成片層石墨烯結構，并且產生的LIG具有低薄層電阻（lt;15Ω/sq）和高比表面積（～340m2/g）[6]。LIG具有易實現結構控制、圖案化和多器件集成等獨特優勢，在柔性傳感器和便攜式傳感器等領域具有廣闊的應用前景。Zhao等[7]開發了基于LIG表面修飾鉍納米顆粒的修飾電極，采用陽極溶出伏安法檢測Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ），為一次性柔性電化學傳感器的大規模生產提供了一種新策略。Qiu等[8]開發了一種基于LIG柔性基板電極的低成本無線智能便攜式傳感器，可簡單、快速地實現磺胺類化合物（SAs）的電化學檢測。與傳統的大型電化學工作站相比，無線藍牙傳輸的便攜式微型電化學工作站在食品安全的快速、現場監管方面顯示了更好的實用性和優越性。

目前，測定SY和Tz的方法主要有高效液相色譜法（HPLC）[9-10]、質譜法（MS）[11]、紫外分光光度法[12]以及電化學方法[13]等。其中，電化學傳感器具有靈敏度高、簡便和成本低等優點，被廣泛用于食品中染料的檢測。State等[13]采用離子液體和AuTiO2/GO復合材料修飾碳糊電極，研制了一種新型電化學傳感器，利用差分脈沖伏安法（DPV）快速靈敏地測定Tz，檢出限為0.33μmol/L。該方法被成功應用于飲料、芥末和黃色雞蛋染料樣品中Tz的靈敏測定。Tajik等[14]利用鐵素體銅納米粒子（CuFe2O）對絲網印刷電極表面進行修飾，構建了一種新型的高靈敏和高選擇性的傳感器用于SY的檢測，檢出限低至0.009μmol/L。

電化學傳感器界面修飾材料的性質是決定其性能的關鍵。蛋氨酸（Met）是一種含有胺基（—NH2）和羧基（—COOH）官能團的氨基酸，可通過電聚合形成導電聚合物。研究表明，聚氨基酸膜不僅具有高的電催化活性，還可為目標物提供更多的作用位點[15]，提高檢測靈敏度和選擇性。本研究制備了一種聚蛋氨酸（p-Met）修飾的LIG電極，基于此構建了電化學傳感器，與便攜式電化學工作站、掌上電腦和應用程序集成為便攜式傳感平臺，采用DPV測定SY和Tz。本方法具有較寬的線性范圍和較低的檢出限，可用于水環境中的SY和Tz的現場同時檢測。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

CHI650D電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）；HY-E100X便攜式電化學工作站（深圳灝陽科技有限公司）；掌上電腦（法國Geglovo公司）；K3020CO2激光雕刻機（聊城巨龍激光設備有限公司）；ZHD-10紅外燈（天津恒創立達科技發展有限公司）；UV-2450紫外-可見吸收光譜儀（日本島津公司）；Qunata600F場發射掃描電鏡（FE-SEM，法國FEG公司）；LabRAMOdyssey拉曼光譜儀（法國HORIBA公司）；ESCALAB250XiX射線光電子能譜儀（英國ThermoFisher公司）。

聚酰亞胺薄膜（PI，厚度0.125mm，深圳樂信塑業有限公司）；Ag/AgCl油墨（日本ALS公司）；SY、Tz、Met、葡萄糖、檸檬酸、檸檬酸鈉、蘇丹紅Ⅲ、鉻黑T、甲基橙和甲基藍（分析純，北京邁瑞達科技有限公司）；Na2HPO4、NaH2PO4、NaCl、KCl、CaCl2、ZnCl2、CdCl2、MgSO4和FeCl3（分析純，天津福晨化學試劑廠）。0.1mol/L磷酸鹽緩沖液（PBS）采用Na2HPO4和NaH2PO4制備。實驗用水為超純水（18.2MΩ·cm，美國Milli-Q公司超純水儀制備）。

1.2定制化圖案的設計與三電極體系的構建

PI薄膜用無水乙醇超聲清洗5min，然后用超純水沖洗，用氮氣吹干得到潔凈的PI表面。隨后，設定CO2激光雕刻機的功率和掃描速度，在PI表面得到包含工作電極（WE）、對電極（CE）和參比電極（RE）的定制圖案[3]。圖案區域為導電的激光誘導石墨烯（LIG），為隔離檢測區域與傳感區域，用PI膠帶封閉充當導線的中間區域。在LIG的一部分表面涂覆Ag/AgCl油墨，并置于紅外燈下烘干，得到RE。如圖1所示，CE為裸LIG，工作電極（WE）直徑為3mm，便攜式傳感界面的整體尺寸為2.2cm×1.4cm。在含有0.01mmol/LMet的PBS（0.1mol/L，pH7.0）中，利用循環伏安法（CV，掃速：0.1V/s，電位掃描范圍：–0.6～2.0V，掃描圈數：4圈）制備p-Met薄膜修飾層。用超純水沖洗后氮氣吹干，得到p-Met/LIG便攜式電化學傳感器。

1.3電化學測量

采用構建的p-Met/LIG進行電化學測量，以0.1mol/LPBS+0.1mol/LKCl（pH=6.0）溶液為電解質溶液。CV掃描速度為0.1V/s；DPV測試的電位范圍為0.4～1.0V，富集時間240s，脈沖電位0.005V，脈沖周期0.2s，脈沖寬度50ms，脈沖振幅0.05V。

便攜式電化學工作平臺由三電極體系通過數據線和便攜式電化學工作站及掌上電腦連接組成，并安裝應用程序（HY-EW100X）實現即時檢測。條件優化實驗采用辰華公司的CHI660E電化學工作站進行，工作曲線、干擾重現性、重復性、穩定性及實際樣品測定采用HY-E100X便攜式電化學工作站完成。

2結果與討論

2.1LIG的制備與性質表征

LIG電極系統的制備過程如圖1所示。在一定功率激光束照射下，得到嵌入PI薄膜襯底的黑色導電石墨烯層，并且形成的圖案可按需求設計。其原理是由于PI在高溫條件下被炭化和石墨化[3]。得到的三電極圖案如圖1所示，分別為WE、CE和RE。采用疏水的PI膠帶（陰影部分）隔離導電區域和傳感區域；在RE部分滴涂Ag/AgCl油墨，置于紅外燈下烘干。最后，電聚合Met形成p-Met薄膜修飾層。

采用掃描電鏡（SEM）對制得的LIG形貌進行了表征（圖2A），可以明顯觀察到典型的具有分層多孔結構的三維石墨烯骨架，這種多孔的層狀結構有效增加了電極面積。p-Met/LIG的SEM圖如圖2B所示，Met在LIG表面電聚合后，形成的p-Met均勻分布，呈珠狀，修飾層整體仍保持粗糙和孔狀結構。圖2C是p-Met/LIG的元素分析（EDX）圖像，表明N元素在電極上均勻分布，進一步證明了p-Met已成功修飾。

p-Met修飾LIG前后的拉曼光譜如圖2D所示，LIG和p-Met/LIG的拉曼光譜均出現3個明顯的石墨烯特征峰，分別是1345cm–1處的D峰、1580cm–1處的G峰和2695cm–1處的2D峰[16]。其中，G峰歸屬為sp2碳原子的面內振動，D峰是由石墨烯本身的缺陷或彎曲的石墨烯層造成的，說明p-Met沒有明顯改變石墨烯的結構。LIG修飾前后的X-射線光電子能譜（XPS）如圖2E所示，修飾后N1s和O1s的出現及氧含量的增加也表明在石墨烯表面形成了p-Met。

2.2LIG制備條件的優化

激光束的掃描速度和功率是影響LIG性能的重要因素[17]。激光功率在8.0～10.5W范圍內，LIG電極在[Fe（CN）6]3–/4–電解液中的CV曲線如圖3A所示，LIG電極的氧化還原電流先隨激光功率升高而增強，但當激光功率達到10W時，電流值下降（圖3A插圖）。實驗發現，當激光功率較高（9.5～10.5W）時，所制備的LIG容易脫落。綜合考慮電極的穩定性和電化學性能，確定最佳激光功率為9W。在9W激光功率下，掃速在120～160mm/s范圍內制備的LIG電極的氧化還原峰電流如圖3B所示，隨掃描速度增大，電極的電流逐漸下降，在120mm/s時電流最大（圖3B插圖）。當掃描速度小于120mm/s時LIG易脫落。綜上，制作LIG電極的參數確定為激光束掃描速度120mm/s，激光功率9W。

2.3SY和Tz的電化學行為

SY和Tz分別在裸LIG（a）和p-Met/LIG（b）上的CV曲線如圖4A所示，Epc=0.65V和Epa=0.62V處的峰分別對應SY的氧化峰和還原峰，Epc=0.91V的峰是Tz的氧化峰，兩者氧化峰的峰間距達300mV，因此可同時測定SY和Tz。SY和Tz在p-Met/LIG上的氧化還原電流明顯高于裸LIG，表明p-Met可明顯提高兩種染料的電化學響應。這是由于Met分子中的氨基（—NH2）和羧基（—COOH）在電極表面發生聚合反應，形成了導電聚合物[15]，提高了電極表面的電子傳遞速度；形成的顆粒狀導電聚合物增加了電極表面積，進一步提高了SY和Tz的氧化電流。在不同掃描速度下，SY和Tz在p-Met/LIG電極上的的CV曲線分別如圖4B和4C所示，兩者的氧化峰電流（Ipa）與掃描速度在10～100mV/s范圍內呈線性關系，表明兩者在p-Met/LIG上的電化學反應受吸附控制。

2.4檢測條件的優化

檢測體系的pH值和富集時間是影響電化學檢測SY和Tz靈敏度的關鍵因素。首先考察了體系在pH4.0～8.0范圍內SY和Tz的氧化峰電位的變化（圖5A和5B），結果表明，氧化峰電位均隨溶液pH值增大而負移，表明質子參與了電極反應[18]。SY的氧化峰電位（Ep）與pH值之間的關系為Ep（V）=0.8332–0.0245pH（R2=0.9756），Tz的氧化峰電位（Ep）與pH值之間的關系為Ep（V）=1.0952–0.0274pH（R2=0.9919），SY和Tz的斜率值接近理論值（0.059V/pH）的1/2，即反應中質子與電子的比例為1∶2，與理論值一致[19-20]。SY和Tz在氧化反應過程中失去1個質子和2個電子，電化學反應的機理概括為式（1）[21]：

此外，隨著pH值從4.0增至6.0，SY和Tz的氧化峰電流均逐漸增大（圖5C和5D）。但是，當pH值從6.0增大至8.0，SY和Tz氧化峰電流降低。因此，本研究選擇pH=6.0的PBS溶液為后續實驗的電解質溶液。

采用DPV法考察了在0～420s范圍內富集時間對電流響應的影響。如圖6所示，SY和Tz的電流響應均隨富集時間延長而增大，直至達到穩定。綜合考慮電化學響應、快速檢測和兩種染料的同時測定，選取最優吸附時間為240s。

2.5SY和Tz的分別和同時檢測

與傳統的大型電化學工作站相比，便攜式小型電化學工作站體積更小，并可連接便攜式電腦或智能手機，便于攜帶及現場檢測。在最優實驗條件下，將p-Met/LIG與便攜式電化學工作站和掌上電腦應用程序集成，利用DPV法考察峰電流與SY和Tz濃度之間的關系。保持一種物質的濃度不變，改變另一種物質的濃度，分別測定混合物中SY或Tz的濃度，結果如圖7A和7C所示，SY和Tz的峰電流均隨其濃度增大而增大，并且在不同濃度SY存在時Tz的氧化峰幾乎沒有變化，同時在不同濃度Tz存在時SY的氧化峰幾乎沒有變化，即二者的電化學信號互相不干擾，可以同時測定。如圖7B所示，峰電流與SY濃度在0.2～20μmol/L和20～100μmol/L范圍內呈線性關系，線性方程為分別Ip（μA）=1.118C（μmol/L）+0.250（R2=0.9901）和Ip（μA）=0.471C（μmol/L）+12.449（R2=0.9985）。如圖7D所示，Tz的氧化峰電流也隨其濃度增加而增大，分別在0.4～40μmol/L和40～100μmol/L范圍內呈線性關系，線性方程分別為Ip（μA）=0.331C（μmol/L）+0.672（R2=0.9994）和Ip（μA）=0.103C（μmol/L）+9.653（R2=0.9937）。

在最優實驗條件下，采用DPV檢測了在SY和Tz混合溶液中，SY和Tz在p-Met/LIG上的峰電流與濃度之間的關系，考察采用p-Met/LIG同時檢測SY和Tz的性能。由圖8A可見，隨著SY和Tz濃度增加，各自的峰電流逐漸增強，并且峰電流與SY濃度在0.2～20μmol/L和20～100μmol/L范圍內具有良好的線性關系，線性方程分別為Ip（μA）=0.992C（μmol/L）+0.285（R2=0.9902）和Ip（μA）=0.357C（μmol/L）+12.579（R2=0.9906）。Tz濃度在0.3～40μmol/L和40～100μmol/L范圍內與其峰電流具有良好的線性關系，線性方程分別為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的檢出限（LOD，S/N=3）分別為0.001和0.005μmol/L。與文獻報道的SY和Tz檢測方法的分析性能相比（表1），本研究制備的p-Met/LIG電化學傳感器檢測SY和Tz具有較寬的線性范圍和較低的檢出限。

2.6選擇性、重現性、重復性和穩定性分析

在含有5μmol/LSY和5μmol/LTz的0.1mol/LPBS（pH6.0）中，考察了潛在的干擾物質共存時，對p-Met/LIG檢測SY和Tz的影響。實驗結果表明，100倍濃度的Na+、Cl–、K+、Ca2+、Zn2+、Cd2+、Mg2+、SO42–、Fe3+、葡萄糖、檸檬酸和檸檬酸鈉共存時，SY和Tz的峰電流響應的相對標準偏差（RSD）在3.2%～4.5%范圍內；20倍濃度的蘇丹紅Ⅲ、鉻黑T、甲基橙和甲基藍存在時，SY和Tz峰電流響應的RSD在4.1%～4.9%范圍內。上述結果表明，p-Met/LIG電極測定SY和Tz具有良好的選擇性。

考察了p-Met/LIG電極重復測定的穩定性。在每次測量完成后，電極在空白PBS中通過CV掃描10圈再生，10次重復測定SY和Tz電流響應的RSD分別為3.0%和3.8%。3個不同批次制備的修飾電極對5μmol/LSY和Tz的電流響應的RSD分別為為2.7%和1.8%。將制備好的傳感器儲存在真空袋中，每周測量一次，2周后，電極對5μmol/LSY和Tz的電流響應分別為初始電流響應的95%和90%。上述結果表明，P-Met/LIG電極具有良好的穩定性和制備重現性。

2.7實際樣品分析

將構建的便攜式電化學傳感平臺用于測定實際環境水樣（北京工業大學月亮湖湖水）中的SY和Tz。水樣首先經0.22μm的濾膜過濾，采用PBS緩沖液（0.1mol/LpH=6.0）以體積比1∶1稀釋，并加入不同濃度的SY和Tz。原始水樣中未檢出SY和Tz，加標水樣的檢測結果見表2，回收率為96.5%～103.8%，RSD為1.0%～4.9%。同時采用常規的紫外分光光度法檢測，并與本傳感器獲得結果進行比較，兩種方法得到的結果沒有明顯差異，表明基于便攜式傳感平臺的方法簡便、準確，可用于水樣中SY和Tz的現場即時檢測。

3結論

采用激光法一步制作了LIG電極，通過電化學聚合將Met修飾在LIG表面上，提高了SY和Tz的電流響應。將p-Met/LIG電極與小型的電化學工作站、掌上電腦及應用程序集成為便攜式電化學傳感平臺，實現了對SY和Tz的同時、原位測定。此傳感平臺具有線性范圍寬、檢出限低和選擇性好等特點，可用于水環境中SY和Tz的現場快速檢測。