用于海水微生物燃料電池原位監(jiān)測的新型伏安式pH傳感器

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標志碼（OSID）

A novel voltammetric pH sensor for in situ monitoring of

seawatermicrobialfuelcell

LI Yiwei1 ，SONG Jin'，LI Yunzhou2，WANG Juncheng2

（1.Institute of Biology，Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences），Jinan 250l03，China;2.InstituteofOcenographic Instrumentation，QiluUniversityofTechnolgy（Shandong AcademyofSiences），Qingdao2661China）

Abstract Ψ：Ψ Microbial fuelcels（MFCs）hold considerable potential in bioelectricity generationandbioremediation，and their operational processesare highlysensitive topHfluctuations.Therefore，onlinepHmonitoring iscrucialforoptimizing theperformance of MFCs.Existing pHmeters often fallshort in meting the specicdemandsassociated withonline pH

第3期 李一葦，等：氫鍵網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的伏安式pH傳感器用于海水微生物燃料電池原位監(jiān)測

monitoring.In thisstudy，wedesigneda novel voltammetricpHsensor basedon electrochemicalyin situ-synthesized graphene-modified screen-printed electrodes.Bysurfacecoupling withthe hydrogen-bondcarrer alizarin safirol SE，the sensor achieves excelent linearity in pH detection within the range of 4.0 to 9.0，with a sensitivity of 70.7mV per pH unit. The measurement cycle could be controlled within 15s .This study successfully demonstrated in situ long-term pH dynamic monitoring in aseawater-based MFC constructed using coastal activated sludge，yielding ideal results.Notably，the incorporationof the aforementioned hydrogen-bondcarier enhanced the proton difusion rateatthe graphene interface， therebyimproving theperformance of thevoltammetricpHsensor.Furthermore，this studyrevealedthe considerable potentialofthisstrategyforimproving thereferencesystem，whichisexpectedtofurthersubstantiallyenhancethelongtermsensingperformanceofthisstrategy.Inaddition，thisstrategyprovidesanewapproachforlong-terminsituonlinepH monitoring and thereby contribues to the future development of MFCs.

Key words ： microbial fuel cell;marine environment monitoring；voltammetric pHsensor；in situ continuous monitoring

面對化石燃料持續(xù)枯竭、氣候變化和污染物排放等挑戰(zhàn)，全球?qū)G色能源和無毒廢物處理技術(shù)的需求日益迫切。微生物燃料電池（microbial fuelcell，MFC）因其在生物電化學(xué)催化、消化海水中的生物/化學(xué)物質(zhì)并提取生物電方面的巨大潛力而備受矚目。MFC在去除有機物、金屬離子污染和有機染料污染等方面的應(yīng)用已成為未來海洋經(jīng)濟及綠色能源生產(chǎn)的趨勢。為了從海水基MFC模型中最大化獲益，電能產(chǎn)量和生物電化學(xué)催化活性是需要開發(fā)的首要兩大性能。前者通常涉及反應(yīng)器設(shè)計、電極材料、電解質(zhì)組成等方面的優(yōu)化。而后者則特別強調(diào)微生物的選擇及工作環(huán)境穩(wěn)定性的維持。MFC中所用微生物的生物電化學(xué)催化活性直接關(guān)系到海水中物質(zhì)的去除效率，并間接關(guān)系到發(fā)電效率[1-4]。在這些因素中，電解質(zhì)的酸度或pH 是決定生物電化學(xué)催化活性的主要因素。目前，基于玻璃泡 ΔpH 計的電位式測量技術(shù)是測量MFC 生化過程 ΔpH 值的標準方法。然而，玻璃泡電極在實際應(yīng)用，特別是在在線監(jiān)測中表現(xiàn)出許多缺點，包括易碎性、不穩(wěn)定性、堿誤差以及不可避免的重新校準需求[5-8]。MFC 過程通常具有厭氧、離子強度變化大和工作周期較長等特點，這對傳統(tǒng)方法構(gòu)成了挑戰(zhàn)。全固態(tài) ΔpH 傳感器無需內(nèi)部參考系統(tǒng)，雖然可以克服MFC的缺點[9]。但對于電位法設(shè)計而言，堿誤差和需要重新校準仍然是不可避免的問題[10-13]。

相比之下，基于伏安法的全固態(tài) ΔpH 傳感器在克服上述缺點方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。與電位法不同，伏安式pH傳感器依賴于電極表面的動力學(xué)過程，可以避免活化處理和反復(fù)校準的麻煩。因此伏安式pH傳感器是在線pH檢測的首選。通常，伏安式 ΔpH 傳感器可通過質(zhì)子偶聯(lián)電子轉(zhuǎn)移（proton coupled electron transfer，PCET）過程實現(xiàn)[11-12]。醌類化合物經(jīng)典的 2e^-/2H⁺ 電化學(xué)過程可利用Marcus機制描述，因此可通過能斯特方程實現(xiàn)和量化pH[14-15]。據(jù)報道，蒽醌、兒茶酚和 _N-/O -雜環(huán)衍生物是良好的伏安法pH傳感指示劑材料[16-20]。其最主要的挑戰(zhàn)是在低緩沖條件下維持 PCET動力學(xué)特征。我們推測，在有限的緩沖條件下，可通過外部引入分子間/分子內(nèi)氫鍵來維持醌類結(jié)構(gòu)的PCET動力學(xué)特征。其可能的機制是通過額外引入的氫鍵網(wǎng)絡(luò)增強電化學(xué)界面的質(zhì)子擴散過程。然而，基于醌類的伏安法傳感器通常存在穩(wěn)定性下降、活性喪失和電極中毒的問題。這需要進行復(fù)雜的化學(xué)工程和表面改性，而由于復(fù)雜電化學(xué)動力學(xué)的敏感性，這類操作可能會導(dǎo)致能斯特響應(yīng)特征的畸變。

本研究設(shè)計了一種全固態(tài)伏安式pH傳感器，該傳感器實現(xiàn)了面向MFC 電解液的長時原位在線監(jiān)測。選擇電化學(xué)原位合成石墨烯衍生物作為 pH 敏感的電化學(xué)指示劑，利用其自身所攜帶基團的PCET活性功能實現(xiàn)電化學(xué) ΔpH 響應(yīng)。研究表明，石墨烯界面表現(xiàn)出經(jīng)典的醌型PCET過程，從而可以通過伏安法測量實現(xiàn)pH 的量化。為優(yōu)化其相應(yīng)線性及定量范圍，利用一種典型的氫鍵載體——茜素衍生物茜素番紅花醇 SE（alizarin saffirol SE，AS），來增強石墨烯界面的PCET過程。通過這種新型傳感器，實現(xiàn)了對MFC 中 pH 的實時動態(tài)原位監(jiān)測。該傳感器不依賴外源性 pH 指示分子，從而避免了復(fù)雜的表面修飾。利用石墨烯表面的化學(xué)穩(wěn)定性，實現(xiàn)了穩(wěn)定的 pH 傳感。同時，該傳感器的制備過程簡便、省力、經(jīng)濟高效。

材料、儀器與方法

1.1 實驗材料與儀器

單水合磷酸二氫鉀（ KH₂PO₄ ，質(zhì)量分數(shù) 99.0% ）、氫氧化鉀（KOH）、鹽酸（HCI，質(zhì)量分數(shù) 37% ）、鐵氰化鉀 ，質(zhì)量分數(shù) 99.5% ）、三水合鐵氰化鉀 （K₄[Fe（CN）₆]?3H₂O ，質(zhì)量分數(shù) 99.0% ）、磷酸（ H₃PO₄ ，質(zhì)量分數(shù) 99.0% ）、石墨粉（C，800目，質(zhì)量分數(shù) 99.95% ）、氯化銨（ NH₄Cl ，質(zhì)量分數(shù) 99.5% ）、碳酸氫鈉 NaHCO₃ ，質(zhì)量分數(shù) 99.8% ）、二水合氯化鈣（ CaCl₂?2H₂O ，質(zhì)量分數(shù) 99.0% ）、七水合硫酸鎂（ MgSO₄?7H₂O ，質(zhì)量分數(shù) 99.5% ）、三水合磷酸氫二鉀（ K₂HPO₄?3H₂O ，質(zhì)量分數(shù) 99.0% ）氯化鉀（KCl，質(zhì)量分數(shù) 99.0% ）氯化亞鐵（ FeCl₂ ，質(zhì)量分數(shù) 99.5% ）無水D- （+） -葡萄糖（ C₆H₁₂O₆， ）、十二烷基磺酸鈉（ C₁₂H₂₅NaO₃S，SDS ）均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，并在未進行額外處理的情況下直接使用。所有實驗均使用去離子水（DI水，電阻率 ?18MΩ?cm） 。磷酸鹽緩沖溶液（PBS）通過將 13.61gKH₂PO₄ 粉末溶解于 1000mL 水中制備成 100mmol/L 的儲備溶液。使用前，將其稀釋至濃度為 10mmol/L ，并用新制備的 0.4mol/LKOH 溶液調(diào)節(jié)pH 至所需值。

所有電化學(xué)實驗均在電化學(xué)工作站（上海辰華，CHI-760e）上使用 SPE 內(nèi)置的三電極系統(tǒng)進行。使用掃描電子顯微鏡（SEM，日立，X-650）進行形態(tài)學(xué)研究。

1.2 全固態(tài) pH 敏感電極的制備

使用銀漿（NTST60B，中科納通電子科技有限公司，中國）、碳漿（C2030519P4，Gwent Electronic MaterialsLtd.，英國）和絕緣涂層（CR-18T-CK，Asahi Chemical Research Laboratory CO.，LTD.，日本）制備絲網(wǎng)印刷電極（SPE），分別構(gòu)成碳工作電極、碳對電極和銀偽參比電極。通過尼龍網(wǎng)版（200目）將圖案轉(zhuǎn)移到PET基板上進行印刷。經(jīng)過熱固化過程（ ^90C，90min ）后，將整片料片切割成單個SPE片。根據(jù)文獻[21]中的方法制備電化學(xué)原位合成石墨烯修飾電極。全固態(tài) pH 敏感電極的制備分為3步，總體制備流程：（1）將SPE的工作區(qū)域浸入 pH=7.0 的含 0.1mol/LKCl 及質(zhì)量分數(shù) 0.1% SDS 的PBS中，施加 1.6V 的恒定電位（vs. Ag/AgCl 參比電極）一次性處理 200s ，電流密度 ?60mA?cm^-2 ;（2）在0.1 mol/L PBS（ pH=7.0AA 中于 -2.0V 下恒電位處理120s ，形成電化學(xué)原位合成石墨烯修飾SPE，記為rGO-SPE；（3）在rGO-SPE上滴涂 5μL0.5mmol/L 的AS溶液，直至自然干燥，置于 90^°C 下熱處理 8h 后待用;將電極浸入含 0.1mmol/L AS和 0.06mol/L 乙酸的0.1 mol/L KCl 溶液中進行 1.4V 下恒電位處理 220s ，取出潤洗后浸入含 0.1mol/L KCl 的PBS中以 0.1V/s 在-1＼～1V間進行20次連續(xù)循環(huán)伏安（CV）掃描，形成 AS/rG0–SPE 。以 SPE 按照相同的方法制備得AS/SPE。見圖1所示。

1.3 微生物燃料電池設(shè)置

1.3.1 采樣

使用壓入式采樣器從煙臺周邊沿海區(qū)域采集沉積物樣本（ E121^°74^′36^′′ N37^°45^′42^′′） ，丟棄沉積物表面的污泥（ ）后，將剩余樣本收集在無菌聚乙烯（PE）袋中。采樣時間以及采樣點的化學(xué)/物理特性列于表1。

1.3.2 培養(yǎng)基的制備

精確稱量 0.4gNH₄Cl，1.0gNaHCO₃，0.5gCaCl₂?2H₂O，0.4gM₉SO₄?7H₂O，0.11gK₂HPO₄ ·3H2O、0.4gKCl，1.3gFeCl₂ 和 6g 葡萄糖，將所有粉末溶解于 1000mL 老化海水中，磁力攪拌直至完全溶解。老化海水采自采樣點處海平面下 2m 深處。

1.3.3 雙室微生物燃料電池設(shè)計

本研究采用傳統(tǒng)的“H\"型雙室MFC。雙室MFC由兩個 500mL 的容器構(gòu)成，兩個容器頂部均裝有硅膠涂層蓋子。以丙酮、乙醇和去離子水超聲預(yù)處理過的石墨片（ 4cm×4cm ）作為陽極，一半插入陽極室底部的海洋沉積物（深度 2cm ）中，并使用硅橡膠將其與銅導(dǎo)線連接。導(dǎo)線穿過蓋子上的孔，孔用硅膠密封以保持厭氧條件。兩個室通過一個包含質(zhì)子交換膜（PEM，面積 9cm² ）作為分隔器的管體相連。陽極通過外部連接到一個 1kΩ 的電阻，該電阻再連接到另一塊預(yù)處理過的石墨片（ 4cm×4cm ）作為陰極。向陽極室中加入人工培養(yǎng)基（ 400mL ），并向陰極室中加入相同量含 的人工培養(yǎng)基。上述培養(yǎng)基均使用經(jīng)過 0.22μm PTFE超濾膜過濾的老化海水配制。

1.4 微生物的分離與鑒定

采用FastDNA °ledcirc SPIN 試劑盒從陽極碳電極上的生物膜中提取了總DNA。隨后，使用正向引物5^′ -GTGNCAGCMGCCGCGG- 3^′ 及反向引物 5^′ -GGNTACCTTGTTACG- 3^′ ，對16SrRNA基因片段進行了PCR擴增。使用BLAST將共識序列提交到NCBIGenBank 數(shù)據(jù)庫進行分析。利用MEGA-7.0軟件，采用鄰接法（neighbor-joiningmethod）進行系統(tǒng)發(fā)育分析。

2 方法與結(jié)果

2.1 電極的物理化學(xué)和電化學(xué)特性

為了研究界面在電化學(xué)處理和化學(xué)修飾前后的變化，我們首先捕獲了電極的形態(tài)變化情況。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示了SPE（圖2（a））上的典型石墨復(fù)合材料形貌。對于rGO-SPE（圖2（b）），觀察到層狀結(jié)構(gòu)，且復(fù)合材料本征形貌消失，這表明石墨烯薄膜已牢固附著在 SPE表面。GO 是一種高度親水的材料，容易從SPE表面脫落，且其高電化學(xué)阻抗對傳感器的性能不利。經(jīng)過電化學(xué)還原后，GO轉(zhuǎn)化為還原氧化石墨烯（rGO），在 SPE上形成牢固附著、疏水且高度導(dǎo)電的層，有助于改善傳感器性能[22]。在 AS/rG0. SPE（圖2（c））上，與圖2（b）中的圖像相比，未觀察到明顯變化，這表明AS的分子摻雜對rGO-SPE的形態(tài)影響甚微。因此，AS對傳感器性能的影響似乎不是通過改變界面結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的。圖2（d）與圖2（e）分別展示了rGO-SPE和AS/rGO-SPE的X射線能譜分析曲線。從譜圖曲線可以明顯看出，rGO-SPE僅顯示石墨及GO所含的C和O元素，而經(jīng)歷化學(xué)修飾后AS/rGO-SPE則顯示出AS所特有的S和N元素，說明AS已經(jīng)牢固結(jié)合于rGO-SPE 表面。

我們對所制備電極的基本電化學(xué)特性進行了分析。圖3（a）展示了電極的循環(huán)伏安圖，其中顯示了3種電極對含有2.0mmol/L 老化海水的響應(yīng)。所有電極均對鐵氰化離子表現(xiàn)出可逆響應(yīng)。SPE的陽極峰電位 （E_pa ）和陰極峰電位 （E_pc） 之間的絕對差值 ΔE 為 277mV 。相比之下，rGO-SPE 和AS/rGO-SPE的 ΔE 分別降低至 77mV 和 84mV 。同時，rGO-SPE 和 AS/rG0–SPE 的峰電流強度均比原始態(tài)SPE有顯著增加。這表明 rG0 修飾電極的電化學(xué)動力學(xué)更快，得益于電化學(xué)活性表面積的改善和高固有的電化學(xué)催化活性[2324]。根據(jù)Randles-Sevcik方程[25」，SPE、 rGO -SPE和AS/rGO-SPE的電化學(xué)活性表面積分別計算為0.016、0.044、0.039cm² 。這一特性對于伏安法 pH 傳感器的開發(fā)具有極大優(yōu)勢。

圖3（b）為電極在老化海水中的響應(yīng)。在對照組中，SPE 除了約在 -800mV 處的極譜波外，未顯示其他可識別的峰形，這可能是由于石墨上典型的氧還原反應(yīng)（ORR）[26]。這表明原始態(tài) SPE 或純石墨表面缺乏ΔpH 響應(yīng)性的PCET活性基團而無法表現(xiàn)出相應(yīng)伏安活性。而在實驗組中：在rGO-SPE上，約在 -160mV 處出現(xiàn)了一對新的可逆峰，表明在 rG0 界面上容易發(fā)生可逆的氧化過程。這一現(xiàn)象在已有研究中亦有報道，并認為是石墨材料上形成的電化學(xué)活性含氧基團所形成[2]。對于AS/rGO-SPE，該峰對更清晰，峰電流強度增加， ΔE 值略有減小。這表明 AS/rG0–SPE 的電化學(xué)動力學(xué)比rGO-SPE又有所提升。此外，還發(fā)現(xiàn)約在-650mV 處出現(xiàn)另一對可逆峰，這可解釋為AS被引入電極界面所致。同時可以看出， 在 pH4.0 和7.0的條件下該可逆峰的式量電位分別為 -160mV 和 -320mV 附近，顯示出 rG0 上的可逆氧化還原過程對pH 的依賴性特征。

2.2 通過AS-rGO/SPE進行異位pH監(jiān)測

通過方波伏安法（SWV）研究了AS/rGO-SPE對不同 pH 的響應(yīng)。圖4展示了在不同 pH 的海水環(huán)境中rGO-SPE和AS/rGO-SPE的SWV響應(yīng)情況。兩種電極均表現(xiàn)出 E_pc 值隨著 ΔpH 增大而發(fā)生負向移動的規(guī)律（圖4（a）和圖4（b））。這與相關(guān)研究中報道的現(xiàn)象相似[-1，21]，表明 PCET活性是任何伏安式pH指示劑發(fā)揮作用的前提條件。rGO-SPE在酸性環(huán)境下， E_pc（y） 與 pH（x） 的相關(guān)性遵循近似的能斯特響應(yīng)模式，回歸方程為 （ R²=0.947 ）（圖4（c））。然而該線性關(guān)系在超過中性范圍時的 ΔpH 條件下出現(xiàn)了變化， E_pc-pH 的關(guān)系變化為為 y=-29.5x-450.0 （ R²=0.984 ），表明在偏堿性條件下電極PCET動力學(xué)過程開始變慢。這主要是由于海水環(huán)境中，緩沖容量有限且海水在正常條件下偏堿性，對于PCET過程均一性的維持不利。圖4（b）為AS/rGO-SPE對 pH 梯度的SWV響應(yīng)。除了由 rG0 產(chǎn)生的峰外，還可以清晰地識別出一組具有相同 E_pc-pH 變化模式的新峰，這可歸因于AS。與先前報道有所不同[16，28-29]，我們所捕捉到的是一條分段曲線，而非能斯特響應(yīng)。這極有可能也是由于本實驗實在低緩沖性海水環(huán)境中進行，導(dǎo)致AS的PCET動力學(xué)途徑由均一式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植绞剿隆５啾戎拢?rGO 的響應(yīng)模式遵循理想的能斯特模式，具有 E_pc-pH 相關(guān)性（圖4（d），回歸方程 。該響應(yīng)特征適用于在 pH4.0～9.0 范圍內(nèi)、低緩沖條件下的海水環(huán)境 pH 伏安測定，說明由于AS的引入使 AS/rG0–SPE 的伏安式 ΔpH 響應(yīng)均一性顯著優(yōu)于 rGO-SPE 。該效應(yīng)可通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)增強界面質(zhì)子擴散的機制解釋：AS分子通過分子間氫鍵形成質(zhì)子傳遞通道，降低了質(zhì)子轉(zhuǎn)移的活化能，從而加速了PCET動力學(xué)。這一過程符合 Marcus理論中質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移的能壘降低模型[15，28]。通過這種方式，可以改善表面質(zhì)子擴散，通過提升 rG0 界面的質(zhì)子傳遞速率和通量進而加快其界面PCET過程[28]。

注： （a）rG0-SPE 在 pH4.0～9.0 的老化海水中的 SWV 響應(yīng)及由其生成的 E_pc-pH 關(guān)系曲線（c），（b）AS/rGO-SPE在 pH4.0～9.0 的老化海水中的SWV響應(yīng)及由其生成的 E_pc -pH關(guān)系曲線 （d） 。圖4rGO-SPE 和 在 pH4.0～9.0 老化海水中的SWV響應(yīng)及 E_pc-pH 關(guān)系曲線Fig.4SWV responses of rGO-SPE and AS/rGO-SPE in seawater under different pH conditions.

為了進一步驗證AS/rGO-SPE較rGO-SPE的性能演變是否由PCET動力學(xué)變化引起，我們重點研究了掃描速率對rGO產(chǎn)生的電化學(xué)行為的影響。圖5（a）和5（c）給出了rGO-SPE在不同掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）響應(yīng)以及相應(yīng)的峰電流與掃描速率平方根的相關(guān)性圖。基于這些曲線，確定了 I_p 與掃描速率平方根之間的對數(shù)相關(guān)性。而 I_p 與掃描速率之間的線性相關(guān)性則表明是典型的電子轉(zhuǎn)移控制動力學(xué)。然而，對于AS/rGO-SPE， I_p -掃描速率平方根的相關(guān)性在高掃描速率區(qū)域變?yōu)榫€性模式（圖5（b）和5（d））。這意味著，AS/rG0 -SPE上的PCET過程變?yōu)榱藬U散控制。在伏安式 pH 傳感的情況下，似乎只有界面質(zhì)子傳導(dǎo)效率成為電化學(xué)動力學(xué)的限制步驟。考慮到rGO-SPE和AS/rGO-SPE在純電子轉(zhuǎn)移過程中的電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)狀態(tài)幾乎沒有顯著差異（圖3a），可以得出結(jié)論，電化學(xué)動力學(xué)的變化主要是由兩個界面上質(zhì)子擴散條件的變化所致。Chu等[30]通過原位掃描隧道顯微鏡（STM）實驗對光化學(xué)反應(yīng)的影響直接驗證了氫鍵網(wǎng)絡(luò)類似作用。其實驗表明，形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)的界面具有顯著更高的反應(yīng)活性，反之則反應(yīng)活性較低。此結(jié)果間接支持了氫鍵網(wǎng)絡(luò)通過促進質(zhì)子轉(zhuǎn)移增強界面PCET速率的假設(shè)。同時，該研究采用路徑積分分子動力學(xué)（PIMD）和非絕熱分子動力學(xué)（NAMD）模擬，揭示了氫鍵網(wǎng)絡(luò)中量子質(zhì)子運動（如質(zhì)子離域化）對界面PCET過程的增強機制。理論結(jié)果與STM實驗數(shù)據(jù)互為補充，為氫鍵網(wǎng)絡(luò)的作用提供了多尺度證據(jù)，可作為本研究的間接佐證。

隨后，我們對海洋環(huán)境中的常見干擾物對AS/rGO-SPE可能造成的干擾情況進行了系統(tǒng)性評估。對于一般情況而言，鹽度差異、溶氧（DO）水平浮動、氧化還原活性物種、有機物污染物等是常見海洋污染源，并會對伏安式pH傳感結(jié)果造成一定干擾。我們記錄了正常海水含有不同類型和不同濃度干擾源的AS/rGO-SPE pH定量結(jié)果，利用2.2部分所建立的回歸曲線分別換算不含（ Δ?pH₀ ）和含有干擾源（ Δ?pH_int ）時的輸出 pH ，并計算其差值作為衡量依據(jù)。分析結(jié)果如表2所示，對于不同水平的鹽度、DO、硫化物、有機污染物（對氨基酚，pAP），AS/rGO-SPE的pH定量誤差基本控制在0.1以內(nèi)，說明常見海洋環(huán)境干擾因素幾乎不影響其 ΔpH 定量性能

2.3 海水基微生物燃料電池中的原位pH監(jiān)測

對于MFC的在線 pH 測量，一個關(guān)鍵性能是長期穩(wěn)定性。這在海水基MFC中尤為重要，因為海水基MFC 通常需要數(shù)天甚至數(shù)周才能完成整個生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，如基于甲烷生成的碳循環(huán)[31]。因此，我們研究了AS/rGO-SPE在在線和連續(xù)傳感模式下持續(xù)工作 14d 的穩(wěn)定性。觀察發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng) 3～6d 后電極表面出現(xiàn)肉眼可觀的微生物膜發(fā)展，說明出現(xiàn)海洋微生物的定植。實驗完成后，通過對原位微生物膜的采樣鑒定發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)勢微生物的16SrRNA序列同Geobacteraceae相似度 gt;97% ;構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，待鑒定菌株與Geobactermetallireducens、Geobacter sulfurreducens 聚集在同一分支，Bootstrap值為 95% 。可認定優(yōu)勢微生物為Geobactersp.Geobacteraceae 類屬于厭氧、革蘭氏陰性、鐵還原細菌，具備天然的胞內(nèi)外電子轉(zhuǎn)移通路，是一類經(jīng)典產(chǎn)電微生物，也是一種被應(yīng)用于MFC 的經(jīng)典微生物[32-33]。

為了進一步驗證 AS/rG0 -SPE作為微生物燃料電池（MFCs）新型在線 ΔpH 傳感器的可行性，我們研究了其在真實海水基MFC結(jié)構(gòu)中的性能，如圖6a所示。經(jīng)過 ^18h 的連續(xù)檢測，陽極室的 ΔpH 變化通過SWV記錄下來（見圖6b）。在實驗的第 18h ，向陽極室中注入了約 5mL 的 0.5mmol/L 的氫氧化鈉（NaOH）溶液，以產(chǎn)生 pH 的跳變。作為對照（見圖6c），另一個相同的電池系統(tǒng)在沒有加人NaOH的情況下平行運行。相應(yīng)的數(shù)值結(jié)果根據(jù)2.2中回歸方程計算得出。在兩組電池中， pH 在前 ^18h 內(nèi)持續(xù)降低，計算出的 pH 顯示出良好的一致性，表明AS/rGO-SPE具有理想的穩(wěn)定性。微小的差異可能源于兩個獨立發(fā)酵系統(tǒng)之間的細微差別。當加人NaOH溶液時，傳感器成功捕捉到了這一變化。AS/rGO-SPE 能夠可靠地以在線方式反映厭氧 MFC過程中的 pH 動態(tài)變化。

圖6（b）和（c）中的結(jié)果清楚地顯示了由rGO和AS 的電化學(xué)還原產(chǎn)生的兩個可識別的SWV峰。在測試期間，來自 rG0 的 I_pc 和 E_pc 值沒有明顯變化。可以檢測到基線偏移和AS 的 I_pc 收縮的變化，這可解釋為電極表面的持續(xù)水化和非牢固結(jié)合的AS分子的損失。作為對比，還提供了商品玻璃泡 pH 計的結(jié)果（圖6（d））。結(jié)果表明，AS/rGO-SPE能在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生相對穩(wěn)定的 ΔpH 傳感讀數(shù)，而玻璃泡則無法穩(wěn)定地再現(xiàn)真實結(jié)果。顯然，AS/rGO-SPE是MFC在線pH定量的更合適選擇。

為進一步探索AS/rGO-SPE在真實海洋環(huán)境下的工作性能穩(wěn)定性情況，將 AS/rGO-SPE 電極與進口玻璃泡pH計電極一同于未經(jīng)過任何處理的海水中進行連續(xù)監(jiān)測，維持（ 25±1.5）^°C 條件測試 30d ，測試結(jié)果見圖 7a 。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃泡 pH 計的穩(wěn)定性同MFC測試情況類似，經(jīng)歷5＼～10d開始出現(xiàn)不穩(wěn)定情況;不同的是，AS/rGO-SPE也開始表現(xiàn)出明顯的長時工作不穩(wěn)定性——電極連續(xù)工作約5d后開始出現(xiàn)明顯的漂移，在 30d 內(nèi) ΔpH 讀數(shù)漂移量積累至 1.1pH 水平。分析可以發(fā)現(xiàn)，玻璃泡 pH 計和AS/rGO-SPE表面經(jīng)過連續(xù)海水測試電極表面均出現(xiàn)明顯的微生物膜沉積，說明長時海水環(huán)境在線監(jiān)測的生物污損情況嚴重性。然而，不同的是在MFC中也同樣存在大量微生物膜沉積情況，卻未觀察到類似情況。因此，作者將注意力同樣放在兩套體系中的參比系統(tǒng)上。取2套標準 Ag/AgCl（3mol/LKCl） 電極，分別同玻璃泡 ΔpH 計的參比支路和AS/rGO-SPE構(gòu)成測試回路，在相同的海水監(jiān)測條件下進行 30d 連續(xù)測試。記錄二者間開路電位得如圖7b的結(jié)果。從曲線可以判斷，玻璃泡 pH 計的參比電位在測試周期內(nèi)幾乎未發(fā)生變化。然而，AS/rGO-SPE出現(xiàn)了顯著的電位漂移，這說明其 Ag 偽參比電極的指示電位在連續(xù)海水原位監(jiān)測條件下會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。

量化分析則發(fā)現(xiàn) 30d 內(nèi)玻璃泡 pH 計參比支路的電位浮動不超過 ±10mV ，說明其參比電位穩(wěn)定，造成長時積累性 pH 測量結(jié)果漂移的主要原因應(yīng)來自玻璃膜泡的生物污損等問題；而 的 Ag 偽參比支路在30d內(nèi)則出現(xiàn)了約 -81mV 的積累性電位漂移，經(jīng)過2.2部分建立的標準曲線換算，與圖7（a）中曲線記錄到的 pH 的積累性 pH 測量結(jié)果漂移量接近，說明AS/rGO-SPE在海水環(huán)境下的積累性漂移主要來自其偽參比系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。上述結(jié)果說明， rGO 作為伏安式 pH 探針用于海水基MFC的長時 pH 在線監(jiān)測具備一定的可行性，其工作性能穩(wěn)定可靠。但是，傳統(tǒng) Ag 偽參比電極不適于海水環(huán)境的長時應(yīng)用。

3 討論與結(jié)論

本研究利用電化學(xué)原位合成的方法在碳電極表面原位修飾石墨烯衍生物rGO，并利用其上所攜帶的PCET活性基團作為電化學(xué)pH指示劑開發(fā)了一種用于海水基MFC 連續(xù)在線pH監(jiān)測的伏安式傳感器。為適應(yīng)未來海洋監(jiān)測的復(fù)雜、腐蝕性、高壓等作業(yè)條件，采用絲網(wǎng)印刷工藝制備了全固態(tài)2D電極作為海洋伏安式pH傳感器基礎(chǔ)器件。利用良好氫鍵載體AS在 rG0 界面構(gòu)建快速質(zhì)子傳遞通路，使得 rG0 界面質(zhì)子轉(zhuǎn)移速率提高并獲得均一性 PCET動力學(xué)特征，有效保障伏安式pH傳感的寬線性特征。表征發(fā)現(xiàn)該電極AS/rGO-SPE表現(xiàn)出良好的 pH 分辨靈敏度和寬范圍線性區(qū)，響應(yīng)靈敏，抗干擾能力理想等性能特征。利用該設(shè)計方案，研究成功將藍本電極AS/rGO-SPE應(yīng)用于海水基MFC的長時在線監(jiān)測中并獲得理想測試結(jié)果。

但是，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng) Ag 基偽參比電極式絲網(wǎng)印刷方案會造成全固態(tài)伏安式pH電極的長時電位漂移現(xiàn)象，進而影響其在真實海洋環(huán)境下的長時穩(wěn)定性。雖然有該缺陷，但全固態(tài)式 pH 電極和2D化設(shè)計路線對于伏安式傳感器以及海洋 pH 傳感器的意義非凡，不應(yīng)因此放棄。我們建議，在未來的工作中可通過兩套路線探索該問題的解決方法：其一是發(fā)展新型全固態(tài)參比電極。尋找合適的有機分子母核結(jié)構(gòu)作為傳統(tǒng)金屬基偽參比電極的替代是一種理想的技術(shù)策略，借助高速發(fā)展的高分子及超分子技術(shù)，以及離子-電子雙功能導(dǎo)體聚合物設(shè)計策略，有望實現(xiàn)該新型參比電極的研制。其二是借助比率式策略，尋找合適的非PCET活性電化學(xué)探針，對每次的 pH 伏安式傳感結(jié)果進行實時動態(tài)校正，從而實現(xiàn)全程免標定分析效果，達到長時穩(wěn)定性目標。

總之，發(fā)展碳納米材料基伏安式pH傳感器是未來MFC及海洋分析領(lǐng)域中極具前途的新型傳感技術(shù)方向，有望為長時在線監(jiān)測帶來新的發(fā)展動能。

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