碳量子點-金納米復合材料修飾電極測定亞硝酸鹽

卜曉陽，鄭 修，李 麗

化學與化工研究

碳量子點-金納米復合材料修飾電極測定亞硝酸鹽

卜曉陽1，鄭 修1，李 麗2

（1. 皖南醫學院 藥學院，安徽 蕪湖 241002；2. 安徽師范大學 化學與材料科學學院，安徽 蕪湖 241003）

采用水熱法制得碳量子點作為還原劑還原氯金酸，得到碳量子點-金納米復合材料。用滴涂的方法將此材料修飾在玻碳電極表面，構建了電化學生物傳感器，用循環伏安法、交流阻抗法以及計時電流法考察了該電極的電化學行為。結果表明，此傳感器對亞硝酸鹽具有良好的電催化活性，不受其他電活性物質的干擾。最佳條件下，NaNO2濃度為0.5 μM-1 000 μM范圍內，響應電流與NaNO2濃度呈良好線性關系：Δp(μA)=-0.445 2 + 0.091(μmol?L-1)，相關系數=0.999 3，檢測限為0.08 μmol?L-1（S/N=3）。

碳點；金納米材料；電化學傳感器；亞硝酸鹽

目前，亞硝酸鹽的檢測方法主要有分光光度法[1-5]、化學發光法[6,7]以及高效液相色譜分析法[8]等。近年來，電化學分析法由于其操作簡單、靈敏度高，成本低等特點，而被廣泛地應用于亞硝酸鹽的檢測[9-11]。

金納米材料由于其高導電性、高穩定性和良好的電化學活性，常作為制備優良傳感器的首選材料。另一方面，碳量子點作為一種直徑小于10 nm的新型“零維”碳納米材料顆粒，具有大量2雜化軌道的共軛體系，可加速電子遷移，并同時兼具電子供體和電子受體的功能[12]。

本文采用一步水熱法制備碳量子點（CDs，簡稱碳點），利用CDs的還原性直接還原氯金酸，制備碳點-金納米復合材料（Au-CDs）。通過滴涂將此復合材料修飾到玻碳電極上，得到Au-CDs/ GCE電極，并將該電極用于亞硝酸鹽的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660B電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）、三電極系統（以Ag/AgCl電極為參比電極，Pt絲電極為對電極，裸玻碳電極或修飾玻碳電極作為工作電極）。

蔗糖、NaNO2、K3Fe(CN)6、K4Fe(CN)6均購自國藥集團化學試劑有限公司。磷酸鹽緩沖溶液（PBS）由KH2PO4、K2HPO4和KCl配制，用pH計調節pH值。實驗所用試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。

1.2 碳量子點的制備

根據Chen[13]的方法，將10 g蔗糖和20 mL油酸混合完全后倒入水熱反應釜中，加熱到215 ℃，在氮氣保護下磁力攪拌油浴反應5 min。蔗糖緩慢融化，體系從橙黃色的懸浮液變為透明棕黃色溶液。將上清液倒出，得到褐色沉淀物用20 mL水溶解，并用己烷萃取溶液數次以除去多余的油酸。所得到的棕色分散液用截留分子量為1 000透析膜透析24 h，除去未反應的小顆粒，用水定容至500 mL，得到碳點分散液。在4 ℃下避光保存。

1.3 碳量子點-金納米復合材料的制備

圖1為Au-CDs復合材料制備示意圖。

圖1 Au-CDs復合材料制備示意圖

將100 μL的HAuCl4（10 mg?mL-1）水溶液加到100 μL的碳點水溶液中，劇烈攪拌，在100℃下反應80 min，得到穩定的淡紫色溶液，即為Au-CDs復合材料。

1.4 修飾電極的制備

將玻碳電極分別用粒徑為1.00 μm、0.50 μm、0.01 μm氧化鋁粉末、麂皮打磨，沖洗干凈后，在無水乙醇和去離子水中各超聲5 min，用氮氣吹干備用。將5 μL的Au-CDs復合溶液滴涂到已經處理好的電極表面，室溫下干燥得到Au-CDs/ GCE修飾電極。

2 結果與討論

2.1 碳點和修飾電極的表征

碳點透射電鏡結果如圖2所示。碳點具有良好的結晶性和單分散性，平均粒徑為4.5 nm。

通過交流阻抗技術對修飾電極進行表征，如圖3所示。

圖2 碳點的透射電鏡圖

如圖3所示，裸GCE的阻抗值為46.0 Ω，CDs修飾到電極表面后，即CDs/ GCE的阻抗值增大到234.6 Ω。這可能由于碳點的表面帶負電，阻礙了[Fe(CN)6]3-/4-傳遞至電極表面[14]。當用Au-CDs復合材料修飾電極后，即Au-CDs/ GCE阻抗減小到122.0 Ω，說明Au-CDs復合材料能促進了電極表面的電子轉移，金納米粒子和碳點產生了協同作用，加速了電子的傳輸。

圖3 不同修飾電極的交流阻抗圖

2.2 修飾電極對亞硝酸鹽的電化學催化

圖4為采用循環伏安法考察所得不同電極對1.0 mmol?L-1的NaNO2的電化學響應。

圖4 在含有1.0 mmol?L-1 NaNO2的0.10 mol?L-1的PBS（PH=7）溶液中不同電極的循環伏安圖

由圖4可見，裸GCE在1.0 V處有個NaNO2氧化峰，電極經CDs修飾后，氧化峰位置明顯負移，且峰電流略有增大。這是由于碳量子點具有非常大的比表面積和超高的電子傳遞速率，能促進NO2-離子與電極之間的電子轉移。在電極表面引入Au-CDs復合材料后，NaNO2氧化峰位置相比裸GCE負移了0.17 V，峰電流信號大幅提升，表明Au-CDs/GCE對NaNO2具有良好的催化性能，這可能是金納米粒子提高了電極的導電性。另一方面，Au-CDs復合材料能均勻地分布在電極上，產生了協同催化的效果。

2.3 pH值和掃速的影響

圖5為采用循環伏安法考察所得不同pH值的PBS溶液對NaNO2在Au-CDs/GCE氧化峰電流的影響。

圖5 NaNO2在不同pH值PBS溶液中的循環伏安圖

注：插圖為pH值對氧化峰電流的影響，實驗掃速：100 mV?s-1

由圖5可見，pH值從4.0-7.0，NaNO2的響應電流隨pH值增大而增大，pH 7.0時最大；隨后pH增大，響應電流則減小。這可能是由于在酸性環境中，NO2-容易轉變為NO和NO3-，導致NO2-濃度降低，氧化峰電流隨之減小[15]。pH>7時，電流減小可能由于電極上的微環境改變而造成的。后面實驗選擇PBS電解質溶液pH=7。NaNO2氧化峰位置隨體系pH值增大出現負移趨勢，其氧化峰電位和pH值線性關系式為：

pa(V) = 1.118 - 0.049 5 pH（=0.996 9）。

圖6為pH=7.0的PBS緩沖體系中，掃描速度對NaNO2氧化峰電流的影響。

圖6 Au-CDs/GCE電極在不同掃速下循環伏安圖

注：插圖為NaNO2氧化峰電位值與掃描速率對數的線性關系

由圖6可見，在20~100 mV?s-1范圍內，Au-CDs/GCE在含有NaNO2的PBS溶液中的循環伏安圖。NaNO2氧化峰電流隨掃描的速度增大而增大，且呈線性關系，線性方程為：

p(μA) = -1.924 5 - 0.040 2(mV?s-1)，

相關系數R=0.994，表明NaNO2在電極表面受吸附控制。

NaNO2氧化峰電位值和lg之間存在線性關系，其關系為（2=0.998）：

pa(V)=0.074 6 lg(mV?s-1)+0.715

根據Laviron方程式[16]：

可計算出NO2-氧化反應的轉移電子數約為2，與實際反應方程式相符。

2.4 線性范圍和檢測限

在最佳實驗條件下，采用計時電流法對不同濃度NaNO2進行檢測，如圖7所示。

連續加入濃度逐漸增大的NaNO2溶液，在0.5 μM-1 000 μM范圍內，響應電流持續出現階躍且和NaNO2濃度呈良好線性關系：

Δp(μA) = -0.445 2 + 0.091(μmol?L-1)

相關系數=0.999 3，靈敏度為0.091，檢測限為0.08 μmol?L-1（S/N=3）。

圖7 Au-CDs /GCE 電極檢測NaNO2的電流時間曲線（掃速100 mV?s-1）

注：插圖為電流差值和濃度的線性關系。

對比不同電極對NaNO2的線性范圍和檢測限，如表1所示。

由表1可見，本文傳感器有更寬的線性范圍和較低的檢測限。

表1 不同修飾電極對亞硝酸鹽的檢測性能比較

2.5 干擾實驗

在實際的亞硝酸鹽檢測體系中，一些可能共存的電活性物質會產生干擾。為此采用計時電流法，在最佳實驗條件下，研究了20倍濃度的硫酸鎂、硝酸鉀、氯化鈣、碳酸鈉、硫酸銨和葡萄糖等的加入對電化學信號的影響，結果無明顯現象，說明此傳感器具有較好的抗干擾能力。

2.6 傳感器的重現性與穩定性

采用循環伏安法測量了5根平行電極在NaNO2濃度為1.0 mmol?L-1時的電化學響應電流，相對標準偏差為4.20%。表明此傳感器具有較好的重現性。將傳感器置于4 ℃冰箱中保存10天，測得電化學信號的相對標準偏差為8.2%，說明此傳感器具有良好的穩定性。

2.7 實際樣品檢測

利用此傳感器檢測某湖水中的亞硝酸鹽的含量，檢測結果為6.201 μmol?L-1；利用國家標準分光光度法對同一樣品進行檢測，所得結果為6.002 μmol?L-1，說明此傳感器對實際樣品的檢測準確性較高。

表2 傳感器的回收率試驗

表2為采用標準加入法測得的回收率實驗結果，平均回收率為100.8%，表明此傳感器用于實際樣品的檢測的可靠性。

3 結論

采用水熱法制得碳點，以碳點作為還原劑直接制得了碳點-金納米復合材料（Au-CDs）。此材料具有良好的水溶性和分散性，利用滴涂法將此材料固定在玻碳電極表面，制得的Au-CDs/GCE電極對亞硝酸鹽表現出良好的檢測性能。此傳感器制備簡單，重現性和穩定性好，抗干擾能力強，線性范圍寬，可用于實際樣品的檢測。

[1] Greer F R, Shannon M. Infant methemoglobinemia: The role of dietary nitrate in food and water[J]. Pediatrics, 2005, 116(3): 784-6.

[2] Jay B F, Francis B S. The determination of nitrite: a critical review[J]. Anal Chem, 2008, 15(3): 283-313.

[3] Ojani R, Raoof J B, Zarei E. Electrocatalytic reduction of nitrite using ferricyanide; Application for its simple and selective determination[J]. Electrochimica Acta, 2006, 52(3): 753-759.

[4] Jiang L Y, Wang R X, Li X M, et al. Electrochemical oxidation behavior of nitrite on a chitosan-carboxylated multiwall carbon nanotube modified electrode[J]. Electrochem Commun, 2005, 7(6): 597-601.

[5] Pasquali C E, Hernando L P F A, Alegr?a J S D. Spectrophotometric simultaneous determination of nitrite, nitrate and ammonium in soils by flow injection analysis[J]. Anal Chim Acta, 2007, 600(1): 177-182.

[6] Lagalante A F, Greenbacker P W. Flow injection analysis of imidacloprid in natural waters and agricultural matrixes by photochemical dissociation, chemical reduction, and nitric oxide chemiluminescence detection [J]. Anal Chim Acta, 2007, 590(2): 151-158.

[7] Kodamatani H, Yamazaki S, Saito K, et al. Selective determination method for measurement of nitrite and nitrate in water samples using high-performance liquid chromatography with post-column photochemical reaction and chemiluminescence detection[J]. J Chro- matogr A, 2009, 1216(15): 3163-3167.

[8] Ferreira I, Silva S. Quantification of residual nitrite and nitrate in ham by reverse-phase high performance liquid chromatography/diode array detector[J]. Talanta, 2008, 74(5): 1598-1602.

[9] Ramdance-Terbouche C A, Terbounche A, Djebbar S, et al. Electrochemical sensors using modified electrodes based on copper complexes formed with algerian humic acid modified with ethylenediamine or triethylene- tetramine for determination of nitrite in water[J]. Talanta, 2014, 119(15): 214-225.

[10] Mani V, Dinesh B, Chen S M, Saraswathi R. Direct electrochemistry of myoglobin at reduced graphene oxide-multiwalled carbon nanotubes-platinum nano- particles nanocomposite and biosensing towards hydrogen peroxide and nitrite[J]. Biosens Bioelectron, 2014, 53(15): 420-427.

[11] Yuan B Q, Xu C Y, Liu L, et al. Polyethylenimine- bridged graphene oxide-gold film on glassy carbon electrode and its electrocatalytic activity toward nitrite and hydrogen peroxide[J]. Sens Actuators B, 2014, 198(31): 55-61.

[12] S Zhu, Y Song, X Zhao. The photoluminescence mechanism in carbon dots (graphene quantum dots, carbon nanodots, and polymer dots): Current state and future perspective[J]. 納米研究, 2015, 8(2): 355-381.

[13] Chen B, Li F, Li S, et al. Large scale synthesis of photoluminescent carbon nanodots and their applica- tion for bioimaging[J]. Nanoscale, 2013, 5(5): 1967- 1971.

[14] Qitong H, Hanqiang Z, Shirong H, et al. A sensitive and reliable dopamine biosensor was developed based on the Au@carbon dots-chitosan composite film[J]. Bio- sensors & Bioelectronics, 2014, 52(7): 277-280.

[15] Brylev O, Sarrazin M, Roue L, Belanger D. Nitrate and nitrite electrocatalytic reduction on Rh-modified pyrolytic graphite electrodes[J]. Electrochim Acta, 2007, 52(21): 6237-6247.

[16] Laviron E. General expression of the linear potential sweep voltammogram in the case of diffusionless electrochemical systems[J]. Journal of Electro-analy- tical Chemistry, 1979, 101(1): 19-28.

Determination of Nitrite by Carbon Quantum Dots-Gold Nanocomposite Modified Electrode

BU Xiao-yang1, ZHENG Xiu1, LI Li2

(1. School of Pharmacy, Wannan Medical College, Wuhu 241002, China; 2. Department of Chemistry and Materials Science, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China)

Carbon quantum dots were prepared by hydrothermal method, and the chloroauric acid was reduced by using carbon dots as a reducing agent to prepare carbon quantum dot-gold nanocomposites, which was modified on the surface of glassy carbon electrode by drop-coating method to construct an electrochemical biosensor. The electrochemical behavior of the electrode sensor was investigated by cyclic voltammetry, alternating current impedance and chronoamperometry. The results show that this sensor has good electrocatalytic activity for nitrite and can eliminate the interference of other electroactive substances. Under optimal conditions, the NaNO2concentration in the range of 0.5 μM-1 000 μM has a good linear relationship, Δp(μA)=-0.445 2 +0.091(μmol?L-1) with a correlation coefficient of=0.999 3, and the detection limit was 0.08 μmol?L-1(S/N=3).

carbon dots; gold nanomaterials; electrochemical sensors; nitrite

O661

A

1009-9115(2019)06-0001-05

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.06.001

國家自然科學基金項目（21375002），安徽省大學生創新創業訓練項目（201810368076），皖南醫學院中青年科研基金項目（WK201804）

2019-05-17

2019-09-20

卜曉陽（1987-），女，安徽馬鞍山人，碩士，實驗師，研究方向為分析化學。

（責任編輯、校對：琚行松）