金納米顆粒摻雜PEDOT多孔導電聚合物的電化學合成及其亞硝酸鹽傳感應用

宋 瑱，范高超，戰書函，馬藝慧，羅細亮

(青島科技大學 化學與分子工程學院，山東 青島 266042)

硝酸鹽和亞硝酸鹽在肉制品中常被用作著色劑，它們可與蛋白質結合以保持肉制品的顏色和香味，同時具有抗菌、防腐的作用[1]。過量的亞硝酸鹽會氧化血液中的Fe2+變為Fe3+，使血紅蛋白發生不可逆氧化[2-3]。亞硝酸鹽過度使用的危害越來越引起廣泛關注，其檢測方法有毛細管電泳法[4]、化學發光法[5]、色譜分析法[6]和分光光度法[7]。其中，分光光度法由于所用設備簡單和選擇性良好而得到廣泛應用，但其步驟復雜、耗時長且操作繁瑣，難以用于批量檢測。電化學方法成本低、操作簡單、反應快、省時，克服了上述不足。近年來，電化學傳感器對亞硝酸鹽的檢測受到了關注。

導電聚合物、金屬及金屬氧化物材料作為典型的電化學材料多用于電化學傳感器的構建。在眾多的導電聚合物材料中，聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)因具有良好的導電性[8]、環境穩定性[9]、適宜的帶隙寬度[10]、生物相容性[11]脫穎而出，但其在氧化還原過程中對目標物的催化活性相對較低。經金屬納米顆粒或金屬氧化物納米顆粒修飾后的電極因具有高的催化效率[12-13]而備受關注，許多貴金屬材料，包括Pd[14]、Ag[15]、Pt[16]、Au[17]和金屬合金[18-19]有助于克服PEDOT的局限性。將Au納米顆粒摻雜在PEDOT中形成納米結構的金屬導電聚合物復合材料，既可以發揮Au納米顆粒的高催化活性[20]，又可以利用多孔導電聚合物導電性良好[21]、比表面積大[22]等優勢。

靈敏度是衡量生物傳感器和化學傳感器的重要因素。修飾電極的大比表面積可以提供更多的反應活性位點，大大提高傳感器的靈敏度[23]，三維納米孔結構的巨大比表面積能最大限度地利用納米結構的優點，改善電解液與電極之間的離子傳輸，提高傳感器的靈敏度。三維納米多孔結構通常有兩種制備方法：①軟模板法，即利用有機超分子作為模板劑[24]，反應物通過非共價鍵形成理想結構。軟模板一般由兩親分子聚集而成，如膠束[25]、小泡[26-27]、溶致液晶相(LLC)[28]等，因此制備的納米結構形狀和大小無法控制。②硬模板法，通過將有機單體聚合到模板的間隙空間，隨后將模板去除，所制備的納米結構形狀和尺寸可控[29-31]。

本文采用硬模板法構建了一個基于AuNPs摻雜三維多孔納米導電聚合物的亞硝酸鹽傳感器。由于三維多孔納米材料巨大的比表面積和金納米顆粒良好的催化性能，使傳感器具有優異的靈敏度，并成功應用于實際樣品(香腸)中亞硝酸鹽的檢測，在食品安全檢測方面具有一定的應用前景。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

金納米顆粒(直徑10 nm，檸檬酸鈉作為穩定劑)、3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)、單分散羧基改性聚苯乙烯納米微球(PS，0.3 μm，25 g/L)、D(+)-葡萄糖、抗壞血酸(AA)、苯甲酸鈉、山梨酸鉀、檸檬酸鈉均購于阿拉丁試劑公司(上海)。實驗用水為Milli-Q凈水系統制得的去離子水(18 MΩ·cm)。電化學實驗在CHI760D電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)上進行，采用三電極體系，其中玻碳電極(GCE)為工作電極，鉑絲電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散譜(EDS)(JEOL JSM-7500F SEM儀器，日立高科技有限公司)；AR224CN型電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司)；DZ-1BCⅡ型真空干燥箱(天津泰斯特儀器有限公司)；KQ-500E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；Zeta電位儀Malvern zeta sizer Nano ZS90(Malvern Instruments Ltd.，UK)。

1.2 玻碳電極的處理

玻碳電極依次用0.3 μm和0.05 μm的氧化鋁粉末拋光處理后，用乙醇和水超聲清洗3 min，使用前用N2將電極表面吹干。

1.3 多孔AuNPs/PEDOT修飾電極的制備

多孔AuNPs/PEDOT修飾電極的制備過程如圖1所示：首先，采用垂直沉積法將聚苯乙烯(PS)納米微球(直徑約300 nm)[32]組裝在干凈的玻碳電極表面。PS膠體溶液用水稀釋20倍后,超聲約10 min。將玻碳電極從離心管側壁垂直插入，加入PS膠體溶液使其沒過電極表面，將其置于60 ℃烘箱烘干12 h，PS模板成功地修飾在玻碳電極表面。其次，將AuNPs和EDOT通過電沉積的方法沉積在電極表面。將組裝好PS微球模板的玻碳電極接入電化學工作站，放入沉積液(10 μL金納米粒子膠體溶液，10 μL EDOT溶液分散在5 mL水)中進行電化學沉積，采用電流時間曲線(I～t法)，電位設為1.1 V，掃描速度為100 mV/s，聚合時間為250 s。沉積完成后用水對電極表面進行沖洗，洗去吸附在表面的AuNPs和未聚合的EDOT。最后，除去PS模板球以得到多孔結構，室溫下將上述電極浸泡在氯仿溶液中3 h，PS微球溶于氯仿得到多孔修飾電極，經乙醇、水反復沖洗后備用。在相同的條件下，利用相同的方法制備了多孔檸檬酸/PEDOT修飾電極，但沉積液組成中只有EDOT和檸檬酸，不含有AuNPs。

圖1 3D多孔AuNPs/PEDOT納米復合材料的制備示意圖Fig.1 Illustration of the fabrication process of 3D porous AuNPs/PEDOT

2 結果與討論

2.1 修飾電極表面形貌及元素組成的表征

修飾電極的掃描電鏡圖像如圖2所示。由圖可見，PS納米微球(直徑約300 nm)在電極表面呈現多層且均勻排布(圖2A、2B)。當AuNPs和EDOT在多層PS納米微球的間隙空間聚合并除去模板球后，得到三維多孔結構(圖2C、2D)。由于AuNPs的存在，EDOT不僅沉積在PS納米微球模板的間隙內，還以AuNPs為核進行聚合，形成珊瑚狀表面(圖2C、2D)。

圖2 PS模板(A、B)、多孔AuNPs/PEDOT納米復合材料薄膜(C、D)的掃描電鏡圖以及多孔修飾電極S元素和Au元素(E、F)的EDS掃描圖Fig.2 SEM images of PS nanospheres(A,B)and 3D porous AuNPs/PEDOT(C,D)electrodes; and EDS mapping of S element(E)and Au element(F)of the porous AuNPs/PEDOT sample

圖3 不同修飾電極在5.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- 中的CV曲線 Fig.3 Cyclic voltammograms of the electrodes with existence of 5.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- a.PS/GCE,b.PS/AuNPs/PEDOT/PS/GCE,c.bare GCE，d.3D-porous AuNPs/PEDOT/GCE；scan rate：100 mV·s-1； PBS buffer:pH 7.4,10 mmol/L

為驗證三維多孔AuNPs/PEDOT復合物電極的成功構建，對AuNPs進行了Zeta電位測試，對修飾電極進行了EDS測試和循環伏安掃描。在電聚合的過程中，PEDOT骨架呈電正性[33]，需要一個電負性的物質作為摻雜劑，而AuNPs的Zeta電位為-29.6 mV，說明AuNPs可作為摻雜劑參與聚合反應。通過EDS對多孔AuNPs/PEDOT納米復合材料的組成進行研究，可見納米復合材料中含有S元素、Au元素(圖2E、2F)，其分別來自于EDOT和AuNPs，表明修飾電極已成功制備。同時，根據電鏡圖所顯示的排列方式進行了理論計算，3個緊密排列的PS納米微球的間隙直徑約為46 nm，而AuNPs的直徑約為10 nm，所以AuNPs可以很容易地進入模板間隙。

圖3顯示了不同修飾電極的循環伏安(CV)曲線。由于PS納米微球是絕緣的，所以在修飾PS(曲線a)后其氧化還原峰電流均低于裸玻碳電極(曲線c)。當沉積上AuNPs和PEDOT后，PS/AuNPs/PEDOT/GCE的峰電流(曲線b)明顯提高，這來源于AuNPs和EDOT優良的導電性。將模板球去除得到三維多孔的修飾電極，其峰電流(曲線d)進一步增大，這與多孔納米結構擁有大比表面積可以加速電子傳遞，從而降低修飾電極阻抗的結論相一致。

2.2 修飾電極對亞硝酸鹽的電催化氧化

3D納米多孔AuNPs/PEDOT修飾電極擁有巨大的比表面積和良好的導電性，為其良好的電催化性能奠定了基礎。本實驗通過CV法比較了亞硝酸鹽在不同修飾電極上的電化學反應情況(圖4)。將裸電極和多孔修飾電極分別在不含亞硝酸鈉的溶液和含有1.0 mmol/L亞硝酸鈉的溶液中進行CV掃描，裸玻碳電極在兩種溶液中均無明顯的響應；修飾電極在亞硝酸鈉溶液中于0.77 V左右出現了1個氧化峰(圖4A曲線d)。為進一步探究檸檬酸和PEDOT復合物修飾電極對亞硝酸鹽的催化，以確定催化過程中AuNPs的作用,對不同的修飾電極在含有1.0 mmol/L亞硝酸鈉的溶液中進行CV掃描(圖4B)。三維多孔AuNPs/PEDOT修飾電極(曲線d)對亞硝酸鹽的催化性能明顯強于三維多孔citrate/PEDOT修飾電極(曲線b)，同時較平面電極(曲線c)也有很大的優勢。

圖4 不同電極在缺乏(a，c)和存在(b，d)1.0 mmol/L亞硝酸鈉時的CV曲線(A)；以及不同電極在1.0 mmol/L亞硝酸鈉中的CV曲線(B)
Fig.4 Cyclic voltammograms of different modified electrodes without (a,c)and with (b,d) 1.0 mmol/L NaNO2(A)； cyclic voltammograms of different modified electrodes in 1.0 mmol/L NaNO2(B)
A.a,b:bare GCE,c,d:3D porous AuNPs/PEDOT/GCE; B.a.bare GCE,b.3D porous citrate/PEDOT/GCE,c.planar AuNPs/PEDOT/GCE,d.3D porous AuNPs/PEDOT/GCE； potential scope:0.5-1.0 V； scan rate：100 mV·s-1;0.2 mol/L PBS

2.3 亞硝酸鹽傳感器的條件優化

探究了AuNPs和EDOT沉積到電極表面的沉積時間和亞硝酸鹽檢測時工作電位的影響，結果表明，隨著沉積時間的增加，三維多孔AuNPs/PEDOT修飾電極對亞硝酸鹽的響應電流逐漸增加，在250 s時達最大值，此后隨著沉積時間的增大響應電流逐漸減小。這是由于沉積時間直接決定AuNPs和PEDOT的量，少量的AuNPs和PEDOT復合物不足以電催化氧化亞硝酸鹽，然而沉積量過多會使電極表面膜過厚而降低催化性能。同時，固定沉積時間改變工作電位，所得結果與上述沉積時間的影響趨勢類似，當工作電位為0.77 V時，響應電流達到最大。因此，實驗選擇最優沉積時間250 s，工作電位0.77 V。

2.4 傳感器對亞硝酸鹽的測定

修飾電極(porous AuNPs/PEDOT/GCE)的I～t電流曲線如圖5所示，在0.77 V工作電壓下，將不同濃度的亞硝酸鈉依次注入連續攪拌的PBS溶液(pH 7.4,0.2 mol/L)中。該傳感器在0.2～2 200 μmol/L濃度范圍內對亞硝酸鹽具有很好的響應，檢出限(S/N=3)為70 nmol/L。與以往的類似傳感器相比，本工作的傳感器制備簡單，性能較為優異(見表1)。

圖5 多孔AuNPs/PEDOT/GCE在攪拌狀態下的PBS溶液(pH 7.4，0.2 mol/L)中連續加入不同濃度亞硝酸鈉的I～t響應曲線 Fig.5 Amperometric responses of the modified electrode in stirring PBS(pH 7.4,0.2 mol/L)with adding nitrite continuously concentration of nitrite:0.15,0.5,0.6,0.8,1.0,1.5,2.0,3.0,5.0,7.0,15,20,25,30,40,50,60,70, 80,90,100,130,160,200,240,300 μmol/L;potential：0.77 V；insert:magnified portion of the amperometric response curve

Electrode materialLinear range(μmol/L)Detection limit(μmol/L)Reference3D-P-PEDOT0.5～9 200 0.2[34]Au-CAb/IL/Hb-CPE5～1 320 1.3[35]np-PdFe500～25 500 0.8[36]Au/ZnO/MWCNTs0.78～400 0.4[37]AuNPs/SGc10～3 960 0.2[38]CNT/PPya/Pt0.5～3 000 0.5[39]3D porous AuNPs/PEDOT0.2～2 200 0.07This work

a:polypyrrole;b:carbon aerogel;c:sulfonated graphene

2.5 電化學傳感器的重現性、穩定性與選擇性

利用5支電極對相同濃度(含1.0 mmol/L NaNO2)的亞硝酸鹽進行檢測以考察傳感器的重現性，測得5支電極的相對標準偏差(RSD)為2.6%。將修飾電極放置1個月后測得其電流響應為初始值的89%。結果表明本傳感器具有良好的重現性和穩定性。

實驗考察了傳感器的選擇性，在0.77 V的恒電壓下，利用I～t曲線，在連續攪拌的PBS溶液中依次加入10 μmol/L亞硝酸鈉，以及100 μmol/L的葡萄糖、苯甲酸鈉、山梨酸鉀、抗壞血酸、檸檬酸鈉(干擾物/亞硝酸鈉的濃度比為10)，發現上述干擾物的電流響應遠小于亞硝酸鹽，表明該傳感器具有較好的選擇性。

表2 亞硝酸鹽傳感器用于火腿腸實際樣品的檢測結果(n=3)Table 2 Results for nitrite determination in sausage samples(n=3)

*ultraviolet spectrophotometry was performed according to the PRC National Standard(GB7493-87)

2.6 實際樣品的檢測

選取幾個品牌的火腿腸，利用硼砂、鐵氰化鉀和乙酸鋅依次對火腿腸進行處理[40]，成功提取其中的亞硝酸鹽，并分別利用紫外分光光度法(GB7493-87)[41-42]和本實驗制備的傳感器進行檢測，由表2可見，本方法和標準方法的測試結果一致。

3 結 論

本文構建了一種基于AuNPs摻雜PEDOT納米多孔導電聚合物的電化學傳感器用于亞硝酸鹽檢測。納米多孔結構使修飾電極相較于平面電極擁有更大的比表面積和更好的導電性，顯著增強了傳感器的靈敏度；摻雜AuNPs極大地提高了電極對亞硝酸鹽的催化效率。該傳感器通過一步法電聚合制備，方法簡單、快速、重現性好，用于實際樣品的檢測，具有潛在的應用前景。