硫化鉍/石墨烯修飾電極檢測(cè)豆芽中的6-芐氨基嘌呤

王德響，段禹，孔大彬，王洪，胡民康，張津銘，李勝男，陽(yáng)軍，楊文，杜海軍，*

（1.貴州民族大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.喀什大學(xué)新疆特色藥食用植物資源化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，新疆喀什 844006；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，貴州貴陽(yáng) 550006）

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（plant growth regulator，PGRs）被廣泛應(yīng)用于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[1-2]、抵抗生物和非生物危害[3]、調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、限制雜草生長(zhǎng)[4]和植物自我修復(fù)[5]等方面。6-芐氨基嘌呤（6-benzylaminopurine，6-BA）作為第一個(gè)人工合成的細(xì)胞分裂素，近年來(lái)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。6-BA 能促進(jìn)細(xì)胞分裂、加速果實(shí)生長(zhǎng)、促進(jìn)芽的形成、提高坐果率和產(chǎn)量[7]。然而，過(guò)度使用6-BA 可刺激和損傷上呼吸道、黏膜、眼睛和脛骨，并可引發(fā)厭食和嘔吐等癥狀[6]。中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部已禁止6-BA 作為食品添加劑使用，因此，迫切需要一種快速、簡(jiǎn)單、可靠的檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)食品和環(huán)境樣品中的6-BA 殘留[8]。

目前測(cè)定6-BA 的方法主要有紫外-可見(jiàn)分光光度法[8]、高效液相色譜法[9]、酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法[10]、表面增強(qiáng)拉曼（Raman）光譜[11]和熒光分析[12]。然而，這些方法存在許多局限性，如儀器昂貴、試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、需要操作人員有熟練的技術(shù)[6]。與上述方法相比，電化學(xué)方法具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用潛力[13-14]。

電化學(xué)檢測(cè)的關(guān)鍵是修飾電極材料的工作性能，近年來(lái)，納米材料及其復(fù)合材料由于其優(yōu)異的化學(xué)、電學(xué)、物理、機(jī)械、光學(xué)和生物學(xué)性能，在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們極大的興趣[15]，Bi2S3是一種很有前景的n型半導(dǎo)體，具有直接帶隙（1.3 eV），自由電子比空穴多，以電子為主要載流子。由于其豐富的天然資源、良好的光伏特性和環(huán)境兼容性，在電化學(xué)領(lǐng)域引起了研究人員的極大興趣[16]，已經(jīng)應(yīng)用于光催化[17]、生物傳感器[18]、超級(jí)電容器[19]等領(lǐng)域，對(duì)Bi2S3性能開(kāi)發(fā)方面的研究也得到越來(lái)越多的關(guān)注。但由于Bi2S3導(dǎo)電性差，需要引入一種基底材料來(lái)提高電化學(xué)性能。碳基材料因其豐富的表面化學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出寬泛的可調(diào)性，具有很好的催化性能[20]。石墨烯（graphene，Gr）作為碳材料家族的一員，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、大的比表面積和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是環(huán)境應(yīng)用的理想候選材料[21]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣體傳感器[22]、光學(xué)傳感器[23]和電化學(xué)傳感器[24]等領(lǐng)域。

本研究采用水熱法制備棒狀Bi2S3，將Bi2S3與Gr超聲復(fù)合，制備出Bi2S3-Gr 的復(fù)合材料，構(gòu)建Bi2S3-Gr/GCE 電化學(xué)傳感器對(duì)6-BA 進(jìn)行靈敏檢測(cè)，并對(duì)豆芽采用加標(biāo)回收法進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，本研究對(duì)于探索新型的高效、靈敏、準(zhǔn)確的6-BA 檢測(cè)技術(shù)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

石墨烯：深圳市圖靈進(jìn)化科技有限公司；硝酸鉍（五水）（分析純，≥99.0%）：四川西隴科學(xué)股份有限公司；硫脲（分析純，99.0%）、乙二醇（分析純，98.0%）：阿拉丁試劑（上海）有限公司；6-BA（＞99.0%）：南京奧多福尼生物科技有限公司。試驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

Sigma300 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）：德國(guó)蔡司公司；XPERT PRO X 射線衍射（x-ray diffraction，XRD）：荷蘭帕納科公司；雷尼紹微型拉曼光譜儀：美國(guó)賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司；CHI660E 電化學(xué)工作站：上海辰華儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 棒狀Bi2S3的制備

棒狀Bi2S3的制備參照文獻(xiàn)[25]，將0.077 g Bi（NO3）3·5H2O 和0.061 g 硫脲溶解于80 mL 乙二醇/水（體積比1∶3）的混合溶液中，放在磁力攪拌器上勻速攪拌1 h，將得到的混合物轉(zhuǎn)移到100 mL 特氟龍內(nèi)襯不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，并在180 ℃下保持18 h。待反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜冷卻至室溫，將得到的黑色沉淀物用超純水和無(wú)水乙醇交替離心（20 ℃，8 000 r/min，5 min）洗滌7 次，最后放入烘箱中80 ℃干燥10 h，得到純凈的Bi2S3材料。

1.3.2 Bi2S3-Gr 材料的制備

把0.001 5 g Bi2S3和0.002 0 g Gr 置于離心管中，加入0.5 mL N，N-二甲基甲酰胺（N，N-dimethylformamide，DMF）溶液，混合均勻后放入超聲波清洗機(jī)中超聲2 h，獲得穩(wěn)定的Bi2S3-Gr 懸浮液。

1.3.3 修飾電極的制備

將玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE）依次在含有0.3、0.5 μm Al2O3粉末的拋光絨布上打磨至鏡面，超聲清洗3 min，清洗干凈后用氮?dú)獯蹈蓚溆谩Ｈ缓笥靡埔簶屢迫?.5 μL Bi2S3-Gr 懸浮液均勻滴加到玻碳電極表面，之后轉(zhuǎn)移到紅外干燥箱中進(jìn)行干燥，冷卻到室溫后備用。

1.3.4 電化學(xué)測(cè)試

采用三電極體系，Bi2S3-Gr/GCE 為工作電極，Pt 電極為對(duì)電極，Ag/AgCl 電極（3 mol/L KCl）為參比電極，檢測(cè)設(shè)備為CHI660E 電化學(xué)工作站，采用循環(huán)伏安法（cyclic voltammetry，CV）、線性掃描伏安法（linear scanning voltammetry，LSV）和差分脈沖伏安法（differential pulse voltammetry，DPV）進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)所用緩沖溶液為0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer solution，PBS）；電極測(cè)試液為5 mmol/L 的鐵氰化鉀溶液。

1.3.5 樣品預(yù)處理

取20 g 新鮮豆芽樣品洗滌干燥后，放入坩堝中進(jìn)行研磨，之后加入10 mL 乙腈，然后在離心機(jī)中8 000 r/min 高速離心3 min，用0.22 μm 水相濾膜將上清液過(guò)濾，收集過(guò)濾后的液體，標(biāo)記備用。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Origin 2021 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制，采用MDI Jade 6 擬合XRD 圖譜、ChemDraw 2021 繪制分子結(jié)構(gòu)式。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料的表征

對(duì)Gr、Bi2S3、Bi2S3-Gr 進(jìn)行微觀形貌的表征，SEM表征圖如圖1所示。

圖1 Gr、Bi2S3、Bi2S3-Gr 的SEM 表征圖Fig.1 SEM images of Gr，Bi2S3，and Bi2S3Gr

由圖1a 可知，Gr 為層狀結(jié)構(gòu)且具有很多褶皺，這為Bi2S3的負(fù)載提供了有利場(chǎng)所。圖1b 是水熱法制備的Bi2S3，呈現(xiàn)棒狀且形貌結(jié)構(gòu)清晰，顆粒均勻，與文獻(xiàn)所描述的形貌一致[25]。從圖1c 中可以看到Gr 的表面負(fù)載了大量的Bi2S3納米棒，Bi2S3納米棒均勻地生長(zhǎng)在Gr 之上，表明復(fù)合材料的成功制備。

利用XRD、拉曼光譜對(duì)材料進(jìn)一步表征，結(jié)果如圖2所示。

圖2 Gr、Bi2S3、Bi2S3-Gr 的XRD 和Raman 圖譜Fig.2 XRD and Raman patterns of Gr，Bi2S3，and Bi2S3-Gr

由圖2a 可知，Bi2S3的XRD 圖譜在2θ=15.66°、17.57°、22.38°、23.71°、24.92°、25.00°、25.20°、27.37°、28.64°、31.81°、32.94°、35.58°、39.05°、39.91°、40.05°、45.53°、46.46°、52.60°、52.75°出現(xiàn)了衍射峰，分別對(duì)應(yīng)Bi2S3（標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF#84-0279）的（002）、（012）、（022）、（110）、（013）、（111）、（031）、（102）、（023）、（122）、（130）、（024）、（104）、（114）、（034）、（200）、（143）、（135）、（231）晶面，說(shuō)明制備的Bi2S3材料純度高、無(wú)雜質(zhì)。從Bi2S3-Gr 復(fù)合材料的XRD 圖譜中可以看出，復(fù)合材料不僅含有Bi2S3的特征峰還包含Gr 的特征峰，說(shuō)明Bi2S3很好地負(fù)載于Gr。由圖2b 可知，Gr 材料在1 350（D 帶）、1 575 cm-1（G 帶）處出現(xiàn)兩個(gè)特征峰。D帶是源于Gr 的結(jié)構(gòu)缺陷，而G 帶源于Gr 的sp2碳原子六方平面振動(dòng)[26]。純Bi2S3的拉曼光譜在231 cm-1處有1 個(gè)短峰，與Ag 光學(xué)聲子相對(duì)應(yīng)，并且由于高的體積比，965 cm-1峰的存在可能與表面聲子模式有關(guān)[25]。Bi2S3-Gr 復(fù)合材料的Raman 圖譜不僅含有Gr的兩個(gè)特征峰，還包含了Bi2S3的特征峰，再次表明復(fù)合材料的成功制備。

2.2 修飾電極的電化學(xué)行為分析

利用CV 對(duì)不同材料修飾的電極進(jìn)行電化學(xué)表征，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of different modified electrodes

由圖3 可知，裸電極和Bi2S3修飾電極對(duì)6-BA 幾乎沒(méi)有電流響應(yīng)，是由于裸電極對(duì)6-BA 的催化能力比較弱，Bi2S3為半導(dǎo)體，導(dǎo)電能力差[25]。Gr/GCE、Bi2S3-Gr/GCE 均對(duì)6-BA 有很好的電流響應(yīng)，且Bi2S3-Gr/GCE 的峰電流值最大，為18.40 μA，是Gr/GCE（5.83 μA）的3.16 倍，說(shuō)明Bi2S3與Gr 協(xié)同作用提升了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，增加電催化活性位點(diǎn)的數(shù)量[25]，提高了電極性能。其中，Bi2S3-Gr/GCE 的電化學(xué)性能最好，表明Bi2S3-Gr 是最適合作為6-BA 檢測(cè)的電極修飾材料。此外，所有的修飾電極都只出現(xiàn)氧化峰，說(shuō)明反應(yīng)為不可逆反應(yīng)。

2.3 試驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.3.1 Bi2S3-Gr 質(zhì)量比的優(yōu)化

為探究Bi2S3-Gr 復(fù)合材料的最佳質(zhì)量比，固定石墨烯的質(zhì)量（2.0 mg），探究Gr 與Bi2S3不同質(zhì)量比（2.0∶0.2、2.0∶0.5、2.0∶1.0、2.0∶1.5、2.0∶2.0、2.0∶2.5）對(duì)6-BA 峰電流的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 Bi2S3 添加量對(duì)6-BA 峰電流的影響Fig.4 Effect of Bi2S3 addition on 6-BA peak current

由圖4 可知，隨著B(niǎo)i2S3質(zhì)量的不斷增加，6-BA 的峰電流值先增大后減小，可能是由于Bi2S3的添加改善了石墨烯的電化學(xué)性能，但是過(guò)量的Bi2S3會(huì)占據(jù)Gr的活性位點(diǎn)，降低電化學(xué)性能。因此，Gr 與Bi2S3的最佳質(zhì)量比為2.0∶1.5。

2.3.2 pH 值、掃描速度的優(yōu)化

考察pH 值（4.5～7.0）、掃描速度（50～400 mV/s）對(duì)6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 電極上的電化學(xué)響應(yīng)的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 pH 值和掃速對(duì)6-BA 電化學(xué)行為的影響Fig.5 Effect of pH and sweep speed on the electrochemical behavior of 6-BA

2.3.3 檢出限分析

在pH5 的PBS 緩沖溶液中，利用DPV 法對(duì)0.5～100 μmol/L 濃度范圍的6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 電極進(jìn)行測(cè)定，電流響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同濃度的6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 上的電流響應(yīng)Fig.7 Current response of different concentrations of 6-BA on Bi2S3-Gr/GCE

由圖7a 可以看出，隨著6-BA 濃度的增加，峰電流值也逐漸增大。由圖7b 可知，6-BA 在0.5～100 μmol/L濃度范圍內(nèi)，濃度與峰電流值呈很好的線性關(guān)系，擬合關(guān)系為y=0.05x-0.16，R2=0.992。計(jì)算出檢出限為2.7×10-7mol/L，表明所開(kāi)發(fā)的Bi2S3-Gr/GCE 電化學(xué)傳感器有很好的檢測(cè)性能。

2.4 重復(fù)性與重現(xiàn)性分析

采用CV 法對(duì)Bi2S3-Gr/GCE 傳感器的重復(fù)性與重現(xiàn)性進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 Bi2S3-Gr/GCE 的重復(fù)性、重現(xiàn)性結(jié)果Fig.8 Repeatability and reproducibility results for Bi2S3-Gr/GCE

在含50 μmol/L 6-BA 的PBS 緩沖溶液中放入同一根電極，連續(xù)掃描15 次，觀察峰電流的變化，由圖8a 可知，6-BA 的氧化峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）為3.52%。利用同樣的方法制備7 根Bi2S3-Gr/GCE 電極，對(duì)6-BA 進(jìn)行檢測(cè)，觀察峰電流值變化，由圖8b 可知，RSD 為4.31%，說(shuō)明構(gòu)建的Bi2S3-Gr/GCE 傳感器具有較好的重復(fù)性和重現(xiàn)性。

2.5 抗干擾分析

為了評(píng)價(jià)所制備電極的抗干擾能力，利用CV 法探究干擾物對(duì)Bi2S3-Gr/GCE 檢測(cè)6-BA 的影響，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 Bi2S3-Gr/GCE 選擇性分析Fig.9 Bi2S3-Gr/GCE selectivity analysis

由圖9 可知，在最優(yōu)條件下，50 μmol/L 的激動(dòng)素、1 250 μmol/L 的（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Sr2+、Cl-、NO3-）離子溶液、2 500 μmol/L 的葡萄糖均對(duì)6-BA 的檢測(cè)無(wú)明顯干擾，說(shuō)明所制備的Bi2S3-Gr/GCE 傳感器具有良好的抗干擾能力。

2.6 實(shí)際樣品檢測(cè)

利用構(gòu)建的Bi2S3-Gr/GCE 傳感器對(duì)豆芽中的6-BA 進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 豆芽中6-BA 的回收率Table 1 Recovery of 6-BA from bean sprouts

由表1 可知，預(yù)處理的豆芽樣品中未檢測(cè)出6-BA，加入5、8、10、20、30 μmol/L 標(biāo)準(zhǔn)溶液后進(jìn)行檢測(cè)，回收率為92.75%～112.10%，RSD 為7.68%～13.88%，表明該傳感器具有較好的檢測(cè)能力，可用于實(shí)際檢測(cè)。

3 結(jié)論

本文基于Bi2S3納米粒子和Gr 復(fù)合材料構(gòu)建了一種選擇性好、靈敏度高的電化學(xué)傳感器，并將該傳感器用于檢測(cè)豆芽中6-BA 的含量。該傳感器在0.5～100 μmol/L 范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，最低檢測(cè)限為2.7×10-7mol/L。6-BA 在Bi2S3-Gr/GCE 上的電化學(xué)反應(yīng)受擴(kuò)散控制，期間有2 個(gè)電子參與反應(yīng)。該傳感器不僅具有較好的重復(fù)性與重現(xiàn)性，還具有良好的穩(wěn)定性，常見(jiàn)干擾物不會(huì)對(duì)6-BA 的檢測(cè)造成影響，以上結(jié)果表明，該傳感器具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。