基于Ag@C@Ag核殼型納米材料電化學傳感器的制備及對鄰苯基苯酚的測定

趙 勇

(武漢大學生命科學學院，湖北武漢 430072)

防腐劑是用以保持食品原有品質和營養價值為目的的食品添加劑，其主要作用是抑制微生物的生長和繁殖，以延長食品的保存時間、抑制物質腐敗。防腐劑均為微毒的化學藥品，攝入過多會影響人體新陳代謝的平衡，尤其是兒童、孕婦等特殊人群，在食品的攝取方面更應該重點予以保護。鄰苯基苯酚是一種常用的防腐劑，具有強效抑霉作用，被普遍應用于采收后的水果和蔬菜，如檸檬[1]、葡萄[2]、柑桔類水果[3,4]及番茄[5]等的防腐保鮮。鄰苯基苯酚具有一定的生物毒性效應，殘留量超標將不可避免對人體健康產生影響。電化學傳感器具有簡便、快速、靈敏的特點，因此，構建一種特異性檢測鄰苯基苯酚的電化學傳感器具有很重要的現實意義。

目前國內外報道的果蔬殘留防腐劑的檢測方法主要涉及有氣相色譜法、膠束電動色譜法、離子交換色譜法、高相液相色譜法、液相色譜-串聯質譜法等[6 - 8]。而關于直接的電化學方法檢測鄰苯基苯酚只有少量的文獻報道[9]。核殼結構由具有不同化學成分和性質的核和殼組成，此類特殊材料組裝簡單且具有良好的分散性、高的熱和化學穩定性、增強的催化劑抗中毒能力和增加其催化活性等[10,11]。在核殼結構中，Ag納米顆粒與其他金屬納米粒子相比具有更低的電阻[12]。因此，以Ag納米粒子為基礎的核殼納米結構引起了廣泛關注[13]。例如，Ag@富勒烯和Ag@TiO2[14]核殼型納米材料分別在生物細胞檢測和鋰電儲能方面表現出優異的性能。此外，碳材料有許多優點，例如化學性質穩定、耐腐蝕性強、重量輕、成本低，被視為有希望成為制造功能性金屬核殼復合材料結構的明星材料。

本文首先通過一種簡單的水熱反應合成出核殼型納米材料Ag@C，然后再利用Ag@C表面豐富的功能基團均勻地負載一層Ag納米顆粒，成功制備出Ag@C@Ag三層核殼型納米材料，并將其用于電化學傳感器的制備。該電化學傳感器對鄰苯基苯酚的測定表現出很好的響應靈敏度，可用于實際食物樣品中鄰苯基苯酚的定量分析。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

電化學測試均是在CHI 660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)上進行的。采用傳統的三電極體系：以Ag@C@Ag修飾玻碳電極(GCE)為工作電極，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，以鉑絲電極為對電極。場發射掃描電子顯微鏡(SEM)圖像在S-4800型顯微鏡(日本，日立公司)上獲得。使用TECNAI G-220 S-Twin型顯微鏡(荷蘭，FEI公司)獲得場發射透射電子顯微鏡(TEM)圖。X-射線衍射(XRD)圖譜由Rigaku D/max-2500型儀器記錄。

鄰苯基苯酚、AgNO3、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)和氨水，均購自阿拉丁試劑公司。鄰苯基苯酚溶于無水乙醇制備標準溶液，4 ℃保存。所用試劑均為分析純且沒有經過二次處理。實驗所用水均為二次蒸餾水。

1.2 Ag@C@Ag的制備

首先按照文獻方法[14]利用水熱法合成核殼結構的Ag@C：劇烈攪拌下將2 mL 0.03 mol/L AgNO3溶液加入到38 mL 0.5 mol/L葡萄糖溶液中，再繼續攪拌10 min，轉入50 mL高壓釜中，180 ℃反應4 h，自然冷卻至室溫，離心收集產物，分別用水和乙醇洗滌6次，60 ℃干燥10 h。

為了在Ag@C表面負載一層Ag納米顆粒，采用PVP作為弱還原劑。0.03125 g的Ag@C和2.5 g的PVP-K30劇烈攪拌下，依次加入到33.75 mL無水乙醇中。再將5 mL溶有0.25 g AgNO3和0.4 mL 氨水的溶液加入上述混合液中，繼續攪拌10 min。超聲分散10 min后，將得到的黑色溶液轉入50 mL的高壓釜中，120 ℃反應6 h。反應結束后，自然冷卻至室溫，離心收集產物，分別用水和乙醇洗滌幾次，50 ℃干燥10 h。即制得Ag@C@Ag。

1.3 修飾電極的制備

準確稱取20.0 mg的Ag@C或Ag@C@Ag，分別加入10 mL水，超聲2 h，得到均一的2 mg/mL分散液。修飾之前，首先將直徑為3 mm的GCE在拋光布上用0.05 μm Al2O3泥漿打磨拋光，然后依次置于乙醇/水(1∶1，V/V)和水中各超聲1 min。在干凈的GCE表面滴涂10 μL Ag@C或Ag@C@Ag的分散液，紅外燈下烘干，得到的修飾電極分別標記為Ag@C/GCE和Ag@C@Ag/GCE。

1.4 測定方法

除非特別說明，使用pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖液作為檢測鄰苯基苯酚的支持電解質。在0.2 V富集60 s后，記錄從0.2～1.1 V的微分脈沖伏安(DPV)曲線，測定0.64 V處的氧化峰電流作為檢測鄰苯基苯酚的響應信號。脈沖幅度為0.05 V，脈沖寬度為0.2 s。

2 結果與討論

2.1 Ag@C@Ag核殼型納米材料的表征

Ag@C@Ag的X射線衍射(XRD)圖見圖1。從圖中Ag@C的XRD(曲線a)可以看出，在2θ分別為38.11°、44.21°、64.51°和77.31°處出現四個尖銳的衍射峰，證實了面心立方Ag相的存在。與此同時，屬于無定形碳的吸收峰(2θ=10°～35°)依然存在，表明Ag@C復合物的成功合成。Ag@C負載Ag納米顆粒之后(曲線b)，Ag的衍射峰強度顯著增強，這是因為產物中Ag含量的增加。該圖中幾乎沒有碳的衍射峰，說明Ag納米粒子在碳表面的成功沉積。

圖2a為Ag@C的掃描電鏡(SEM)圖，表明其呈現納米球形，圖2b是Ag@C@Ag的低倍SEM圖，Ag@C均勻地負載有直徑約為20～30 nm的Ag納米粒子。從高倍的SEM圖片可以看出(圖2c)，Ag@C球的表面在負載過Ag納米粒子之后變粗糙了，而且Ag@C表面完全被Ag納米粒子覆蓋，進一步說明了Ag和C之間良好的界面相容性。而圖3a給出了Ag@C的TEM圖像，可以看出其完美的核殼結構，Ag納米粒子被包覆在碳基體中，并且每個納米球中只有一顆Ag納米粒子。Ag@C納米球的平均直徑約為228 nm，其中碳殼的厚度約為95 nm，Ag納米粒子的直徑約為36 nm。圖3b和3c所示的TEM圖像進一步證實了Ag納米粒子在Ag@C表面的包覆。

2.2 Ag@C@Ag修飾電極的性能

電化學交流阻抗譜(EIS)是探索化學修飾電極界面性質的有效工具之一。圖4為10.0 mmol/L K3[Fe(CN)6](0.1 mol/L KCl中)在裸GCE(a)、Ag@C/GCE(b)以及Ag@C@Ag/GCE(c)上的EIS圖譜。該EIS譜包括一個高頻區的半圓形部分和一個低頻區的線性部分，分別對應于電子轉移過程和擴散過程。當GCE表面修飾Ag@C后，其EIS譜中半圓的直徑和裸電極相比顯著減小，表明K3[Fe(CN)6]與電極表面間的電子傳遞速率被加快，而當電極表面修飾Ag@C@Ag后，EIS譜中半圓的直徑進一步顯著減小。所以，Ag@C@Ag修飾膜的存在能夠極大增加電子轉移速度，這可能是由納米結構Ag@C@Ag的表面性質決定的。

用K3[Fe(CN)6]分子做探針，采用計時庫侖法對裸GCE、Ag@C/GCE和Ag@C@Ag/GCE的有效電極面積進行測定。測試條件如下：起始電位0.5 V，終止電位0.25 V，脈沖寬度0.25 s，步數為1，采樣間隔為2.5×10-4s。通過Anson方程[15]：

(1)

式中,c為K3[Fe(CN)6]的濃度；D為擴散系數(1.0 mol/L KCl中10 mmol/L K3[Fe(CN)6]的擴散系數為7.6×10-6cm2/s)；n為電子轉移數；Qdl表示雙電層電量，可以通過扣除背景將其消除；Qads為法拉第電量，其他符號按其常規意義。

三種電極均表現出Q-t1/2良好的線性關系。根據Q-t1/2曲線的斜率，可以得出裸GCE的比表面積為0.095 cm2，Ag@C/GCE的比表面積為0.196 cm2，Ag@C@Ag/GCE的比表面積為0.366 cm2。所以，電極修飾Ag@C@Ag納米材料后的有效表面積明顯增加，對鄰苯基苯酚的富集能力隨之變強，進而電流響應得到提高。

2.3 鄰苯基苯酚在Ag@C@Ag修飾電極上的電化學行為研究

采用微分脈沖伏安法(DPV)對鄰苯基苯酚在不同電極表面的電化學行為進行了研究。圖5給出了鄰苯基苯酚在pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖液中的DPV曲線。5.0 μmol/L鄰苯基苯酚在裸GCE表面有一個小的氧化峰(曲線a)，峰電流為0.135 μA，峰電位為0.67 V，表明鄰苯基苯酚在裸GCE表面的氧化活性較差。在Ag@C/GCE表面(曲線b)，鄰苯基苯酚的氧化峰電流顯著增加到0.341 μA，說明Ag@C對鄰苯基苯酚有較強的富集能力。很顯然，一個大且形狀良好的氧化峰出現在Ag@C@Ag修飾電極表面(曲線c)，峰電流為0.615 μA，峰電位為0.65 V。因此，Ag@C@Ag對鄰苯基苯酚的氧化展現出更為卓越的增強效應。有兩個原因：首先，碳殼上的含氧基團可能與鄰苯基苯酚上的-OH形成氫鍵，可以作為電子傳遞的中介，它本質上有助于減弱羥基鍵能和促進電子通過O-H-O轉移。此外，電極表面修飾的Ag@C@Ag含氧豐富，帶有負電荷，而在pH=5.0的介質中鄰苯基苯酚是以質子化的形式存在。因此，Ag@C@Ag和質子化鄰苯基苯酚之間的靜電作用使鄰苯基苯酚更容易富集在Ag@C@Ag表面。除此之外，空白溶液在Ag@C@Ag/GCE上的DPV曲線是平滑的(曲線d)，這證明在0.65 V的峰為鄰苯基苯酚，且該峰的峰電流值可以作為定量檢測鄰苯基苯酚的信號?？傊?，Ag@C@Ag薄膜對鄰苯基苯酚的氧化表現出強烈的信號增強效應，大大提高了鄰苯基苯酚的檢測靈敏度。

2.4 鄰苯基苯酚的電化學氧化機理

在pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖溶液中，運用循環伏安法(CV)研究了掃描速度對0.1 mmol/L鄰苯基苯酚氧化峰電流和峰電位的影響。研究發現，峰電流(Ip，μA)隨著掃描速率(v，mV/s)在25～350 mV/s 范圍內呈線性增加，線性方程為：Ip=(1.135±0.037)+(0.703±0.037)v1/2(r2=0.992)，表明鄰苯基苯酚的氧化是受擴散控制的過程。此外，峰電位(Ep，V)隨掃描速度的增加按照方程:Ep=(0.593±0.006)+(0.0264±0.001)lnv(r2=0.995)逐漸正移，進一步揭示了鄰苯基苯酚在Ag@C@Ag/GCE上的氧化是不可逆的。

根據Laviron’s方程，對于一個受擴散控制且完全不可逆的電極過程，Ep和v的關系符合以下公式：

(2)

其中，α為電子轉移系數；k0為電極反應的速率常數(s-1)；n為速控步驟的電子轉移數；E0′為式量電位(V)，其他符號按其常規的意義。

因此，根據Ep和lnv線性關系的斜率可以很容易的求出αn的值。在該實驗中，計算的αn的值為0.49。對于完全不可逆的電子轉移過程，α常取0.5，因此，有一個電子參與鄰苯基苯酚的電化學氧化。所以，鄰苯基苯酚在Ag@C@Ag修飾電極上的電化學氧化是發生在-OH上的1電子參與的氧化過程。

2.5 鄰苯基苯酚的電化學檢測

作為伏安分析的關鍵因素，研究了pH=5.0的檸檬酸-Na2HPO4緩沖溶液中，Ag@C@Ag修飾電極上測定鄰苯基苯酚的線性關系(圖6)。鄰苯基苯酚的氧化峰電流與其濃度在0.08～35.0 μmol/L之間呈良好的線性關系(圖5的內插圖)：Ip=(0.148±0.0552)+(0.0973±0.00322)c(r2=0.995)。60 s開路富集后，得到測定鄰苯基苯酚的檢出限(S/N=3)為13.6 nmol/L。結果表明，該修飾電極是電化學檢測鄰苯基苯酚的良好平臺。在該實驗中，我們發現Ag@C@Ag修飾電極不能用于鄰苯基苯酚的連續測定，因為鄰苯基苯酚的氧化峰電流會持續下降，因此它只能用于單次測量。通過多根Ag@C@Ag修飾電極對5.0 μmol/L鄰苯基苯酚氧化峰電流的平行測定研究了該電極的重現性，結果10根Ag@C@Ag修飾電極測定結果的相對標準偏差(RSD)為2.8%，說明此方法具有良好的重現性和測試準確性。

2.6 實際樣品分析

為了研究這種新方法的實際應用能力，用該傳感器檢測了醬油、食醋和酸奶等樣品中鄰苯基苯酚的含量。在5 mL pH=5.0檸檬酸-Na2HPO4緩沖溶液中加入100 μL的實際樣品，在攪拌下開路富集60 s后記錄0.2～1.1 V的伏安曲線。在這三個樣品中檢測到微量鄰苯基苯酚的存在(表1)。此外，向這三種樣品中繼續添加鄰苯基苯酚標準溶液進行加入回收實驗，加標回收率在94.6%～106%之間。同時運用高效液相色譜法(HPLC)對在樣品中添加的鄰苯基苯酚的量進行測定，結果表明用高效液相色譜得到的結果和用Ag@C@Ag修飾電極得到的結果高度一致，表明這種新方法是準確可行的。

表1 鄰苯基苯酚在食醋、醬油和酸奶三種樣品中的加標回收實驗

3 結論

成功地制備了Ag@C@Ag核殼型納米材料，并用XRD、SEM、TEM對其結構和形貌進行了表征。由于Ag@C@Ag修飾電極具有高的富集效率和催化活性，可以極大地提高鄰苯基苯酚的氧化信號，基于此，構建了Ag@C@Ag電化學傳感器，詳細研究了鄰苯基苯酚在該傳感器上的電化學行為和氧化機理。對實際樣品的測定結果表明該傳感器具有廣闊的應用前景。