負載爆米花狀銅粒子的植酸摻雜碳納米管網絡用于Hg（II）的高靈敏檢測

馮 通， 鐘佳妙， 陳開茶， 趙紅莉， 藍閩波,2

（華東理工大學 1.化學與分子工程學院, 上海市功能性材料化學重點實驗室；2.分析測試中心, 上海 200237）

重金屬污染是最突出的環境問題之一，主要由采礦、污廢排放和消費品重金屬超標等人為因素造成[1]，往往會導致不可逆的環境惡化。汞（Hg）易于在生物體細胞中積累，從而導致嚴重的疾病或健康問題，如水俁病、認知障礙和腎損傷等[2]。我國生活飲用水衛生標準[3]和美國國家環境保護局飲用水水質準則[4]中規定 Hg 的含量閾值分別為 1 μg/L 和 6 μg/L。因此，實現環境中微量 Hg（II）靈敏且快速的檢測具有十分重大的意義。

迄今為止，用于檢測重金屬離子的方法主要有原子吸收光譜法（AAS）[5]、電感耦合等離子體質譜法[6]、原子熒光光譜法[7]和比色法[8]等。雖然這些方法具有準確度和穩定性等優勢，但是通常要求大型儀器和專業的測試人員，不適用于現場檢測。與之相比，電化學方法提供了一種簡單、快速、準確且成本較低的解決方案。其中，方波陽極溶出伏安法（SWASV）作為靈敏度很高的電化學技術，非常適用于重金屬離子的檢測。

碳納米管（CNT）具有獨特的力學性能、電子性能以及化學穩定性[9]，目前已廣泛應用于傳感器、儲能材料、催化劑載體以及電子器件等領域。功能化的碳納米管可以針對性地提高其用于電極修飾劑的性能。結合硫醇化殼聚糖（CS-SH）的碳納米管復合材料對 Hg（II）具有很強的吸附能力[10]。苯硫酚共價功能化的單壁碳納米管（SWCNT）可通過 Au-S 鍵固定在金電極表面，而納米管側壁上殘留的硫醇基團可以選擇性地吸附 Hg（II）[11]。此外，相關研究表明，在采用 SWASV 對 Hg（II）進行定量分析時，Cu（II）可作為一種增強劑來提高Hg（II）的信號響應[12-14]。

本文通過電沉積技術在絲網印刷碳電極（SPCE）上逐層修飾植酸摻雜碳納米管網絡（PACNTnet）和爆米花狀銅粒子（Pop-shaped Copper particles, popCu），構建了一種 Cu（II）增強的 Hg（II）電化學傳感器，系統性地評估了該傳感器對 Hg（II）的檢測性能，并以大米和茶葉等農產品作為實際樣品進行應用評價。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

電化學工作站（Autolab M204 型，瑞士萬通（中國）有限公司）；掃描電子顯微鏡（SEM，S-3400N 型，日本日立公司）；透射電子顯微鏡（TEM，JEM-1400型，日本電子株式會社）；能譜儀（Falion 60S 型，美國EDAX 公司）；激光顯微拉曼光譜儀（InVia Reflex 型，英國雷尼紹公司）；電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS，NexION 2000 型，美國 Perkin Elmer 公司）。電化學測試均采用三電極體系：自制的 SPCE[15]及制備的修飾電極作為工作電極，鉑絲電極（CHI115）和Ag/AgCl（CHI111）電極（上海辰華儀器有限公司）分別作為對電極和參比電極。

多壁碳納米管（MWCNT，深圳市納米港有限公司）；植酸（PA，w=70%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；CuSO4·5H2O（上海凌峰化學試劑有限公司）；鹽酸（國藥集團化學試劑有限公司）；硝酸、硫酸（西格瑪奧德里奇貿易有限公司）；汞離子標準溶液（上海麥克林生化科技有限公司）。本文中所有試劑均為分析純，未經純化直接使用。實驗用水均為超純水，電阻率為18.2 MΩ·cm。

1.2 實驗方法

1.2.1 PACNTnet 的制備 首先參照文獻[16-17]對商品化的 MWCNT 進行酸化處理，然后根據我們之前的報道[18]制備PACNTnet，具體步驟為：將 120 mg酸化的MWCNT 超聲分散在 60 mL 超純水中，加入2.86 mL PA 水溶液，超聲 40 min 后轉移到特氟龍高壓反應釜中，于 180 ℃ 反應 12 h。待冷卻至室溫后，分別用超純水和乙醇洗滌數次，冷凍干燥得到產物，記為 1.0PACNTnet。改變 PA 的加入量，使用相同的方法制備了 0.5PACNTnet (PA 加入量為 1.43 mL) 和1.5PACNTnet（PA 加入量為 4.29 mL）。

1.2.2 popCu/PACNTnet/SPCE 電化學傳感器的構建

如圖1 所示，首先，將上述制備的不同 PACNTnet分散在超純水中，分別配制成質量濃度為1 mg/mL的懸浮液。通過循環伏安法（CV）將材料沉積到SPCE 表面，具體參數如下：掃描范圍-1.5 ～ 0.5 V，掃描速率0.1 V/s，掃描圈數 10。沉積結束后，用超純水清洗電極，之后將電極靜置干燥，得到的修飾電極分別記為 0.5PACNTnet/SPCE、1.0PACNTnet/SPCE 和1.5PACNTnet/SPCE。

圖1 popCu/PACNTnet/SPCE 的構建示意圖Fig.1 Illustration of popCu/PACNTnet/SPCE construction

再通過恒電位沉積法進一步將 popCu 修飾到PACNTnet/SPCE 上，得到popCu/PACNTnet/SPCE 修飾電極。沉積液組成為 0.1 mol/L CuSO4和 0.5 mol/L H2SO4，沉積電位為 -1.5 V。同時通過設置沉積時間分別為 5、10、15 s 和 20 s 來研究 popCu 的沉積量對Hg（II）信號響應的影響。

1.2.3 電化學測試 通過 SWASV 對溶液中Hg（II）含量進行定量測試，使用 0.1 mol/L HCl 作為支持電解質。預富集階段沉積電壓為 -0.25 V，沉積時間為120 s，靜置時間為 15 s；溶出過程的電壓掃描范圍為-0.1～ -0.2 V，步進電位 5 mV，振幅為 25 mV，頻率為15 Hz。

電化學阻抗譜（EIS）和CV 法測試在 5 mmol/L K3Fe(CN)6和 0.1 mol/L KCl 的混合溶液中進行。EIS參 數：頻 率10-2～105Hz，電 壓 0.27 V，振幅 5 mV；CV 參數：掃描范圍 -0.2～0.6 V，掃描速率50 mV/s。

1.2.4 實際樣品分析 采用浸漬法進行樣品前處理，將市售大米或茶葉研磨至細小的顆粒，準確稱取 10 g置于燒杯中，加入 50 mL 1 mol/L HCl 溶液，浸泡后靜置，使固體充分沉降，取上層液體通過 0.22 μm 水系微孔濾膜過濾，最后取 25 mL 澄清的濾液用超純水定容至 250 mL，用來進行實際樣品加標回收實驗。

2 結果與討論

2.1 電極修飾材料的表征

采用TEM 對MWCNT 和PACNTnet 的微觀形貌進行表征，如圖2(a) 和圖2(b) 所示。MWCNT 前體直徑約為20 nm，長度各異但遠大于其直徑。與分散的 MWCNT 相比，PACNTnet 呈現出多孔聚集網絡狀結構，尺寸分布在 400～500 nm 范圍內。該結構由MWCNT 交織而成，是 PA 分子六原子環邊緣上的 6個磷酸基團與酸化 MWCNT 上的含氧官能團相互作用的結果。修飾電極的表面形貌通過SEM 來表征。圖2(c) 和 2(d)分別是放大倍數為 10 000 時 PACNTnet/SPCE 和 popCu/PACNTnet/SPCE 的表面形貌，可以看到 Cu 在該沉積條件下為爆米花狀納米顆粒。

圖2 MWCNT（a）和PACNTnet（b）的透射電子顯微鏡圖像；PACNTnet/SPCE（c）和 popCu/PACNTnet/SPCE（d）的掃描電子顯微鏡圖像Fig.2 TEM images of MWCNT (a) and PACNTnet (b); SEM images of PACNTnet/SPCE (c) and popCu/PACNTnet/SPCE (d)

通 過 能 譜 儀（EDS）表 征PACNTnet/SPCE 和popCu/PACNTnet/SPCE 的逐步構建過程。 PACNTnet/SPCE 的EDS 分析如圖3（a） 所示，主要元素組成包括 C、O 和 P，其質量分數分別為 80.28%、10.72% 和0.62%。popCu/PACNTnet/SPCE 的EDS 分析如圖3（b）所示，主要元素及其質量分數分別為 C 39.18%、O 23.40%、P 0.13%、Cu 14.66%。結果表明：在逐步電沉 積 的 過 程 中，PACNTnet 和 popCu 逐 步 修 飾 到SPCE 上，且 popCu 的沉積量較大。

圖3 PACNTnet/SPCE (a)和popCu/PACNTnet/SPCE (b)的能譜圖Fig.3 EDS spectra of PACNTnet/SPCE (a) and popCu/PACNTnet/SPCE (b)

通過CV 法和EIS 法研究了不同PA 摻雜量的PACNTnet/SPCE 在 5 mmol/L K3Fe(CN)6/0.1 mol/L KCl 混合溶液中的電化學行為。CV 表征結果如圖4(a) 所示，相較于裸 SPCE，碳納米管及其衍生材料修飾的電極表現出更明顯的氧化還原峰，很大程度上提高了電流信號。這是因為基于碳納米管的材料具有良好的電子傳輸能力。而且裸 SPCE、MWCNT/SPCE、0.5PACNTnet/SPCE 、 1.0PACNTnet/SPCE 和1.5PACNTnet/SPCE 的峰電位差△Ep（即圖中氧化峰和還原峰電位差值）分別為 432.1、183.1、168.5、156.2 mV 和 168.4 mV 的原因。 EIS 表征結果如圖4(b)所示。通過等效電路擬合得到SPCE、MWCNT/SPCE、0.5PACNnet/SPCE、 1.0PACNnet/SPCE、1.5PACNnet/SPCE 各修飾電極的電阻（Rct）分別為 756、263、188、113 Ω 和 180 Ω，這與 CV 的測試結果相符。兩組數據表明 MWCNT 和 PACNTnet 的修飾都能顯著降低SPCE 的電阻，然而對于 PA 不同摻雜量制備的PACNTnet，隨著原料中 PA 摻雜量的增加，修飾電極導電性先增大后減小，其中 1.0PACNTnet/SPCE 表現出最佳的導電性，因此后續實驗均基于 1.0PACNTnet/SPCE 展開。

圖4 裸 SPCE、MWCNT/SPCE、0.5PACNTnet/SPCE、1.0PACNTnet/SPCE 和 1.5PACNTnet/SPCE 循環伏安曲線（a）以及電化學阻抗譜圖（b）；MWCNT、0.5PACNTnet、1.0PACNTnet 和 1.5PACNTnet 的拉曼光譜圖（c）Fig.4 CV curves (a) and EIS plots (b) of bare SPCE, MWCNT/SPCE, 0.5PACNTnet/SPCE, 1.0PACNTnet/SPCE and 1.5PACNTnet/SPCE;Raman spectra of MWCNT, 0.5PACNTnet, 1.0PACNTnet and 1.5PACNTnet (c)

通過拉曼光譜進一步探究了 PA 摻雜量對PACNTnet 導電性的影響，結果如圖4(c) 所示。酸化MWCNT 及其衍生材料的 D 波段和 G 波段分別位于1 350 cm-1和 1 580 cm-1附近[19]，分別與碳的不規則結構和共軛C＝ C 在石墨晶體結構中的振動有關[20-21]。兩波段的積分強度比（ID/IG）通常用于表征石墨材料中的缺陷數量[22]，高的ID/IG值表明材料具有高度的無序性和大量的缺陷[23]，從而使得該材料具有更多的電子傳輸活性位點。由圖4(c) 計算得出，MWCNT、0.5PACNTnet、1.0PACNTnet 和 1.5PACNTnet 的ID/IG值分別為0.980 6、1.067 5、1.200 5 和 0.914 2。其中，1.0PACNTnet 的ID/IG值最大，表明它具有最高的缺陷程度和最多的電子傳輸活性位點，宏觀上表現為具有最好的導電性。這是因為在 PACNTnet 的制備過程中，PA 用量較小會導致反應不完全，有部分 MWCNT以游離形式存在。相反，過量的 PA 會覆蓋 MWCNT表面的含氧官能團，減少自組裝的活性位點，從而影響立體網絡結構的形成[24]。這也與 CV 和 EIS 表征結果相符。

2.2 測試條件優化

為了探究 popCu/PACNTnet/SPCE 用于電化學檢測 Hg（II）時的最佳測試條件，分別對支持電解質、沉積電位、沉積時間和 popCu 的沉積量進行了優化。

首先對比了恒電位沉積時間為15 s 時popCu/PACNTnet/SPCE 在4 種常見支持電解質（HCl（0.1 mol/L）、HNO3（0.1 mol/L）、HAc-NaAc（0.1 mol/L，pH 5.0）和 PBS（0.1 mol/L，pH 5.0）[25-26]）中 對 50 μg/L Hg（II）的信號響應，結果如圖5(a)所示。在 0.1 mol/L HCl 和 0.1 mol/L HNO3這類強酸性條件下，均出現了Cu（II）和 Hg（II）的溶出峰，不同溶液中出峰位置有差異。這是因為在電化學體系中，電荷傳輸是由電解質完成的[27]，而且不同的支持電解質提供了不同的離子強度和導電能力[28]，其中 HCl 溶液中兩峰的分離度和信號響應大小明顯好于 HNO3。這是由于支持電解質中氯離子的存在可以引發Hg(II)氧化還原偶的催化作用[29]，從而提高Hg（II）的溶出電流信號。因此選用 HCl（0.1 mol/L）作為支持電解質。

圖5 不同支持電解質（a）、沉積電位（b）和沉積時間（c）對 popCu/PACNTnet/SPCE 檢測 2 μg/L Hg（II）信號響應的影響；Cu 的沉積時間對 popCu/PACNTnet/SPCE 檢測 1 μg/L Hg（II）信號響應的影響（d）Fig.5 Effect of different supporting electrolytes (a), deposition potential (b) and deposition time (c) on the response of popCu/PACNTnet/SPCE to 2 μg/L Hg(II); Effect of the deposition time of Cu on the response of popCu/PACNTnet/SPCE to 1 μg/L Hg(II) (d)

沉積電位直接影響重金屬離子在電極表面的還原，是溶出伏安法檢測重金屬離子最重要的參數之一。如圖5(b) 所示，在沉積電壓由 -0.15 V 降低至-0.35 V 的過程中，信號響應先增大后減小，在 -0.25 V處出現峰值。另一個參數沉積時間直接決定富集到電極表面的待測離子量，會對信號響應產生顯著影響，如圖5(c) 所示，隨著沉積時間從 30 s 增加到 150 s，信號響應出現遞增的趨勢，在120 s 時達到峰值，之后趨于穩定。因此將富集過程的參數設置為沉積電壓 -0.25 V、沉積時間 120 s。

不同 Cu（II）沉積時間的 popCu/PACNTnet/SPCE，信號響應均大于 PACNTnet/SPCE，說明Cu 離子的存在會放大 Hg（II）的溶出信號[30]。為探究測試體系中Cu 含量對信號響應的影響，通過控制恒電位沉積的時間來優化 popCu 的沉積量。比較了恒電位沉積時間分別為 0、5、10、15 s 和 20 s 時，popCu/PACNTnet/SPCE 對 1 μg/L Hg（II）的信號響應，如圖5(d)所示。在5～20 s 的沉積時間范圍內，信號響應先逐漸增大，在 15 s 時達到峰值，而后又開始降低。這是由于當體系中 Cu 的含量過高時，溶出過程 Cu（II）和 Hg（II）兩個溶出峰之間的分離度較差，嚴重影響 Hg（II）信號響應的積分計算[14]。因此選擇沉積時間為 15 s，后續實驗均在該條件下制備 popCu/PACNTnet/SPCE。

2.3 Hg（II）的電化學檢測

基于上述實驗，在制備的 popCu/PACNTnet/SPCE上采用 SWASV 對 Hg（II）進行定量檢測。圖6 所示為popCu/PACNTnet/SPCE 對質量濃度為0.02、0.1、0.2、1、2 μg/L 的 Hg（II）的方波溶出伏安曲線（a）及其線性回歸曲線（b）。Cu（II）和 Hg（II）分別在-0.04 V和 0.2 V 附近出現溶出峰信號。在Hg（II）質量濃度為 0.02 ～ 2 μg/L 范圍內，峰電流信號與質量濃度呈現良好的線性關系，對應的線性方程為y= 5.51x+9.28（R2=0.998），靈敏度為 5.51 μA/(μg·L-1)，檢出限（LOD）低至 0.012 μg/L（S/N= 3，其中S為信號響應，N為基線噪聲），表明基于 popCu/PACNTnet/SPCE 修飾電極的Hg（II）電化學傳感器完全能夠滿足國家生活飲用水標準對 Hg（II）含量的檢測要求。此外，對比了其他幾種文獻報道的電化學傳感器對 Hg（II）的檢測性能，如表1 所示，可以看出，本文中popCu/PACNTnet/SPCE得到的檢出限更有優勢，且絲網印刷電極的制作成本也更低。

表1 不同電化學傳感器對 Hg（II）檢測性能的比較Table 1 Performance comparison of different electrochemical sensors for the determination of Hg (II)

圖6 popCu/PACNTnet/SPCE 對不同質量濃度的Hg（II）的方波溶出伏安曲線（a）及其線性回歸曲線（b）Fig.6 SWASV curves of popCu/PACNTnet/SPCE with different mass concentrations of Hg(II) (a); Calibration curve for determination of Hg(II) (b)

在重金屬電化學檢測中，選擇性是評價電化學傳感器性能的重要因素之一。因此，在 100 倍濃度的干擾離子（Pb（II）、Cd（II）、Cr（VI）、As（III）、Ni（II）、Co（II））存在的條件下，研究了popCu/PACNTnet/SPCE用于1 μg/L Hg（II）檢測的抗干擾能力，結果如圖7(a)所示，各種干擾離子對 Hg（II）檢測的影響很小。即使在高濃度混合離子干擾的情況下，popCu/PACNTnet/SPCE 對 Hg（II）的信號響應與無干擾條件下的差異也很小，可忽略不計，表明該電化學傳感器對 Hg（II）的檢測具有良好的抗干擾能力。

圖7 popCu/PACNTnet/SPCE 的抗干擾性（a）、重現性（b）和長期穩定性（c）測試Fig.7 Anti-interference (a), repeatability (b) and long-term stability (c) experiment of popCu/PACNTnet/SPCE

為了評估 popCu/PACNTnet/SPCE 的重現性，在相同條件下制備了 10 根修飾電極，分別記錄它們對0.2 μg/L Hg（II）的信號響應，結果如圖7(b) 所示。10次檢測獲得的電流信號差異較小，相對標準偏差（RSD）為 2.14%，說明該傳感器具有良好的重現性。

為了研究 popCu/PACNTnet/SPCE 的長期穩定性，測試了同一批電極在 15 d 內對 1 μg/L Hg（II）的信號響應，每 3 d 測試一次，結果如圖7(c) 所示。在0 ～ 12 d內，電流波動較小，RSD 為 0.93%。第 15 d 電流出現明顯下降，減小至原來的 88.43%，這可能是部分修飾材料從 SPCE 表面脫落導致。結果說明，popCu/PACNTnet/SPCE 在 12 d 內具有良好的穩定性。

2.4 實際樣品分析

為了驗證popCu/PACNTnet/SPCE 傳感器在實際樣品檢測中的可行性，以大米和茶葉為實際樣品進行加標回收實驗。選取 0.2 μg/L 和 1.0 μg/L 兩個質量濃度作為 Hg（II）的標準加入量，加標回收結果如表2 所示。不同加入量在大米和茶葉浸漬液中的回收率都在98.0%～115.0% 范圍內，RSD 均小于 5%。此外，通過 ICP-MS 技術進行對照，經直接浸漬法處理的大米和茶葉樣品中 Hg（II）的質量濃度分別為0.16 μg/L 和 0.31 μg/L；加入 0.2 μg/L Hg（II）標液后，ICP-MS 測量值分別為 0.35 μg/L和 0.51 μg/L，與表2中采用電化學方法得到的測量值相近，計算誤差分別為 3.93% 和 4.04%，在可接受范圍內。以上結果表明基于 popCu/PACNTnet/SPCE 的 Hg（II）電化學傳感器具有良好的準確性和實際應用的潛力。

表2 實際樣品加標回收實驗Table 2 Spike recovery experiment of real samples

3 結 論

（1）采用逐步電沉積的方式先后通過 CV 法和恒電位法將 PACNTnet 和 popCu 修飾到 SPCE 表面，成功構建了基于 popCu/PACNTnet/SPCE 的 Hg（II）電化學傳感器。

（2）該傳感器在Hg（II）質量濃度為0.02～2 μg/L 的范圍內表現出良好的線性關系，檢出限低至 0.012 μg/L，同時具有良好的抗干擾能力、重現性和長期穩定性。

（3）加標回收實驗和 ICP-MS 對比實驗結果表明此傳感器可應用于大米、茶葉等農產品中 Hg（II）的高靈敏檢測。