亚硝酸盐作为绿色植物的氮源,是广泛存在于人类环境中最普遍的含氮化合物,也是食品工业中常用的添加剂和防腐剂[1]。但是,亚硝酸盐可以与血红蛋白作用,Fe2+被氧化成Fe3+,形成高铁血红蛋白,失去正常的携带氧和释放氧的功能,导致组织缺氧,特别是中枢神经缺氧更为敏感,最终导致“蓝血症”[2]。亚硝酸盐还可以和胺类物质反应形成致癌的亚硝胺[3]。由于其潜在的毒副作用,世界卫生组织限定了饮用水中亚硝酸根离子的浓度为3mg/L[4]。近年来,我国90%的地下水都遭受了不同程度的污染,其中30%是由于硝酸盐和亚硝酸盐超标。因此,对亚硝酸盐进行灵敏而快速的检测已成为保护自然环境和保障公众身体健康很重要的研究工作,对饮用水及食品安全监测及提早发现病因具有重要的科学意义,也为构建新型传感器提出了更多更新的要求。
传统的检测方法主要包括色谱法[5]、化学荧光法[6]、分光光度法[7]和电化学检测法[8]等。其中,电化学法因具有仪器简单、分析速度快、灵敏度高及稳定性高等优点而迅速成为研究热点。电化学检测方法是利用在电压的作用下,亚硝酸钠会发生氧化反应,产生不同的响应电流,通过测定响应电流与浓度之间的线性关系来确定检测灵敏度、检测限等,常采用循环伏安法、差分脉冲伏安法、电流-时间曲线及交流阻抗等测试技术。普通的裸玻碳电极(GCE)对于低浓度的亚硝酸盐响应效果差、灵敏度低。因此,电化学检测亚硝酸盐的研究重点在于探索新型电极修饰材料以提高电极响应,从而降低分析物过电位,提高检测灵敏度。
电极的稳定性和重复性也是构建电化学传感器的关键,更是检验电极的实用性和可靠性的较重要环节。具有独特结构的纳米材料能显著提升电化学催化效果。导电性能良好的碳系材料,如富勒烯、石墨烯(Gr)、碳纳米管(CNTs)等,是一类非常优异的基底材料,近些年已经成为研究热点。其负载金属或氧化物纳米粒子、导电聚合物材料等有电催化活性物质后可进一步协同增强催化性能。
本文以复合电极基底,如碳基(富勒烯、Gr及CNTs等)及负载Au、Ag、Pd、CoNi合金及Cu、Fe金属氧化物等不同活性物质为分类,详细综述了近年来面向亚硝酸盐电化学检测的电极材料研究进展,以期为进一步寻求高效、廉价节能集约型电化学传感器开拓思路。
Liu等[9]制备了(C70)2-对叔丁基杯[6]芳烯复合材料,并将其修饰到玻碳电极(GCE)形成复合物薄膜,该电极对亚硝酸盐的还原有良好的电催化效果,(C70)2-对叔丁基杯[6]芳烯是一种很好的亚硝酸盐还原反应电子转移的介质,由于亚硝酸根离子的电还原通常需要较高的过电位,因此(C70)2-L薄膜的电催化行为的研究对于充分理解它的反应活性和应用具有重要的价值。Wu等[10]构建了基于锌卟啉-富勒烯衍生物(ZnP-C60)的新型无酶电化学传感器,该复合材料是通过构象计算和依据两种类型ZnP-C60衍生物(p-ZnP-C60和o-ZnP-C60)设计并合成。密度泛函理论(DFT)证实拥有弯曲构象的ZnPp-C60拥有更小的能隙和更好的电子传递能力,ZnPp-C60固定到四辛基溴化铵(TOAB)薄膜中并修饰到GCE上制备得到TOAB/ZnPp-C60/GCE,在0.5mol/L KCl溶液中的循环伏安(CV)检测显示,TOAB/ZnPp-C60/GCE拥有4个清晰分辨的准可逆还原峰,表明该电极具有电荷传递速度快和出色的无酶敏感度的特点,电极对于亚硝酸盐的电催化氧化的线性响应区间为2.0 μmol/L~0.164 mmol/L,检测限为1.44 μmol/L。
Jiang等[11]利用原位生长技术制备了生物功能化的Gr-金纳米粒子(AuNP)复合物。AuNP均匀分布在Gr薄片上,再将血红蛋白(Hb)固定在Gr-AuNP后构建用于检测亚硝酸盐的生物传感器。在0.1mol/L的PBS缓冲液中,该传感器在-0.134V处有一对清晰的氧化还原峰。该传感器具有线性响应范围宽(0.05~1000 μmol/L)、检测限低(0.01μmol/L)、灵敏性高(0.15 μA·(mmol/L)-1·cm-2)等优点,并适用于萝卜泡菜中的亚硝酸盐检测。Li等[12]使用AuNPs和磺化石墨烯(SG)复合修饰GCE (AuNPs/SG/GCE))作为亚硝酸盐安培传感器。相较于GCE、AuNPs/GCE和SG/GCE,该复合材料修饰电极有更高的峰值电流,说明该传感器对于亚硝酸盐的氧化有很好的电催化活性,而且一些常见离子和环境污染物对目标检测物都没有干扰。
Yuan等[13]首先利用共价修饰方法将聚乙烯亚胺(PEI)连接到经过1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳酰二亚胺/N-羟基硫代琥珀酰亚胺(EDC/NHS)预修饰过的氧化石墨烯(GO)上,制备了PEI/GO/GCE,然后使用静电相互作用将已经被吸附的HAuCl4电还原为AuNPs,并组装到电极表面,制备了Au-PEI/GO/GCE。该电极中层层堆叠的结构,提高了电极的稳定性,对于亚硝酸盐的氧化和过氧化氢的还原都拥有很好的电催化效果。Jiao等[14]使用聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)同时作为还原剂和稳定剂,制备了Au-rGO/PDDA纳米复合材料,该方法快速简便,廉价易得。所构建的传感器电子迁移率高、对于亚硝酸盐电催化活性高。在优化条件下,氧化峰电流与亚硝酸盐浓度在0.05~8.5 μmol/L呈线性增长趋势,线性相关系数达到0.9964,差分脉冲伏安法(DPV)(S/N=3)表明检测限为0.04μmol/L。Wang等[15]设计合成了Gr-壳聚糖(CS)和AuNPs共修饰的GCE,可实现同时检测SO32-和NO2-,检测限分别为1μmol/L和0.25μmol/L (S/N=3),稳定性好,灵敏度高,经济简便。
Zhang等[16]构建了还原石墨烯/钯纳米复合材料(rGO-Pd)修饰的GCE,Pd的引入提高了电催化性能。在优化条件下,电极对于亚硝酸盐的线性检测范围为0.04~108 μmol/L,检测限为15.64 nmol/L。Yang等[17]以乙二胺(EG)为还原剂,一锅水热法同步还原GO和H2PtCl6制备了Pt-rGO纳米材料。CV测试表明,Pt-rGO提高了电子转移率和电极对亚硝酸盐的电催化活性,检测限低至0.1 μmol/L,灵敏度高达496.4 μA·(mmol/L)-1,且Pt-rGO拥有良好重现性、稳定性、抗干扰能力。Ikhsan等[18]利用大蒜萃取物作为还原剂和封盖剂,在日光下将AgNPs沉积到GO上形成GO-Ag纳米复合材料,可实现对亚硝酸盐的检测。
Li等[19]使用湿化学的方法构建了蠕虫状Au-Pd纳米合金。在聚乙二醇单月桂醚(Brij-35)作为生长导向剂、稳定剂和还原剂下,进一步将Au-Pd均匀固载到了rGO上,制备了Au-Pd/rGO复合材料。所构建的亚硝酸盐传感器线性响应范围宽至0.05~1000.0 μmol/L,检测限为0.02μmol/L (S/N=3),具有长时间稳定性和良好的重现性。Gholivand等[20]设计了一种含CoNi双金属合金纳米粒子的Gr纳米材料作为高选择性和敏感性的亚硝酸盐传感器。该传感器即使在干扰物质存在下,依然具有较高的选择性、出色的稳定性和抗污能力。
Zhang等[21]使用TiCl3作为GO还原剂,将TiCl3氧化为TiO2并沉积在同时被还原的GO上,形成TiO2/r-GO复合物,再经原位合成在TiO2薄片上生长出Ag NPs,TiO2成为连接rGO和Ag NPs的中间体,构建了一种三明治结构,该材料作为电极对于亚硝酸盐有出色的电催化性能。
Zhang等[22]通过两步电沉积将rGO和铜纳米枝晶(CuNDs)相继沉积到GCE上,制作了一种无酶亚硝酸盐传感器。该电极对于亚硝酸盐的还原表现了出色的电催化活性。与大多数电极不同,该电极的作用机理是将NO2-还原为NH3,增多的活性位点和CuNDs与rGO间的协同效应致使电极拥有良好的稳定性。
Radhakrishnan等[4]通过水热反应一步制备了Fe2O3/rGO复合材料,该材料为一种片状、具有大有效表面的结构,能有效提高电极和亚硝酸盐间的电荷转移效率,提升检测灵敏度。Bharath等[23]使用高能机械球磨法制备了具有低混乱度的rGO纳米片,然后使用溶剂热方法在此rGO上固载了Fe3O4NPs,制备了Fe3O4-rGO-GCE传感器。该电极对于亚硝酸盐的电流响应因高比表面积和Fe3O4具有电催化氧化活性得以提升,检测限低至0.03μmol/L,灵敏度高达202.5μA·(mmol/L)-1。Teymourian等[24]利用磁性Fe3O4/rGO传感器实现了对H2O2、NADH、乳酸盐、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)、亚硝酸盐等一系列物质的检测。
Xu等[25]构建了PDDA功能化的rGO修饰电极(PDDA-rGO),电极制备简便,只需要30min。PDDA-rGO拥有出色的分散性和稳定性,PDDA的引入大大增加了电催化活性,检测亚硝酸盐时重复性优异。Cui等[26]通过交替浸泡吹干的简便方法,实现了PDDA-rGO和酞菁钴(CoTsPc)自组装薄膜的制备。该材料对亚硝酸盐有很好的电催化效果,电极有长达70d的稳定性,这些特性来源于PDDA-rGO好的分散性及固定性。郑冬云等[27]分别使用滴涂法和电聚合的方法将GO及聚香兰素(PVN)修饰到GCE的表面,形成了纳米多孔的三维网状结构。该结构疏松的修饰膜降低了其单体的给质子能力,利于亚硝酸根的富集,增大氧化还原反应的电流,增加电催化活性,提高了电极灵敏度。
Liu等[28]将4-二茂铁乙炔基苯胺(FEPA)共价修饰到GO表面(FEPA-GO),然后使用CS将其固载到GCE上制备了复合电极,导电性和相容性大大提高,亚硝酸盐在电极上的响应电流大大提高。这也开拓了一种新的二茂铁功能化的石墨烯基电化学传感器(图 1)。黄娜等[29]使用Sonogashira交叉偶联等反应制备了一种二茂铁乙炔衍生物(Fe-NH2),并将该产物与Gr-CS复合得到了Gr-CS/Fe-NH2复合材料。该电极因含有二茂铁共轭单元而拥有很好的电化学特性,对NaNO2线性响应范围为1×10-7~1.5×10-4 mol/L,检测限低至4×10-8 mol/L。
Afkhami等[30]使用一步电沉积的方法,通过控制电压制备了AuNPs/多壁碳纳米管(MWCNTs)/碳糊电极(CPE)。该电极结合了AuNPs/MWCNTs和CPE的优点,比单独使用其中一种具有更高的电流峰值。且常见离子和一些有机环境污染物对其检测都没有干扰。Lin等[31]利用电沉积技术,将ZnO薄膜和AuNPs层层沉积到MWCNTs/GCE上,构建了Au/ZnO/MWCNTs/GCE复合电极,具有较好的亚硝酸盐的电化学检测效果。
Pham等[32]利用电化学沉积方法在单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜上生长Pd NPs制备复合电极用于对亚硝酸盐的检测。研究表明,海胆状Pd纳米复合材料的响应电流是球状复合材料的1.5倍。在优化条件下,海胆状的PdNPs/SWCNT修饰电极的检测限为0.25 μmol/L,并具有很好的抗干扰能力。
Mani等[33]利用Gr表面残留的含氧基团作为Fe NPs生长的活性位点,构建了Fe NPs固载的Gr-MWCNTs复合材料(Gr-MWCNTs/FeNPs),并用于亚硝酸盐的检测。结果表明,GR-MWCNTs/FeNPs/GCE在高浓度的普通离子和生物干扰物质存在的条件下,仍具有良好的选择性(图 2)。
Qu等[34]分两步构建了一种亚硝酸盐传感器。首先,使用电聚合法将半胱氨酸固载到MWCNTs上,然后通过静电相互作用将PDDA包覆的Fe3O4 NPs固定到电极上。在优化条件下,电极对于亚硝酸盐的氧化有良好电催化活性,线性响应区间为7.49×10-6~3.33×10-3 mol/L,检测限为8.46×10-7mol/L (S/N=3)。Meng等[35]使用电沉积法将CoOx NPs固载到MWCNTs上,并将该复合材料修饰到GCE上。该电极对亚硝酸盐有出色的电催化活性,这主要是由于CoOx/MWCNTs拥有极大的表面积和良好的导电性,在对亚硝酸盐的氧化过程中能够增加电极和亚硝酸盐之间的电子转移效率。
Gligor等[36]制备了聚甲苯胺蓝和SWCNT修饰GCE (poly-TBO-SWCNT/GCE)用于对亚硝酸盐的电催化氧化。SWCNT的加入大大提高了电极对于亚硝酸盐电催化氧化的响应。Kuralay等[37]利用电聚合技术制备了聚乙烯二茂铁/MWCNTs (PVF+/MWCNTs)修饰的一次性铅笔石墨电极。该电极检测亚硝酸盐快速、成本低、可信度高。Deng等[38]通过电聚合方法将硫堇(TH)聚合到CNTs修饰的GCE表面,构建了聚硫堇(PTH)/CNT/GCE电极。PTH作为亚硝酸盐电催化还原的介质极大地提高了响应电流,此外,CNTs可以提高电极和亚硝酸盐间的电荷转移效率。对亚硝酸盐的检测限为1.4×10-6mol/L,并且,电极响应时间短、稳定性高和抗干扰能力好。Rajalakshmi等[39]利用FMWCNTs-ATT聚合物复合材料修饰电极能够使亚硝酸盐氧化峰的电压值降低,同时峰值电流是裸玻碳电极峰值电流的2倍,这是由于FMWCNTs提供了高的比表面积,亚硝酸根在多孔网状的p-ATT之间和材料有很强的静电相互作用。除此之外,在3300倍浓度的常见干扰离子存在的条件下,该复合材料修饰电极也会对亚硝酸钠选择性的氧化,检测限为0.2nmol/L。Liu等[40]使用简便的微波促进的还原反应制备了PDDA功能化的Gr/双壁碳纳米管纳米复合材料(PDDA-Gr/DWCNT),该电极可以提高针对亚硝酸盐氧化的电催化活性。在优化条件下,线性响应区间为0.07~3000 μmol/L,检测限为0.03μmol/L (S/N=3)。
Turdean等[41]构建了肌红蛋白(My)-SWCNT复合材料修饰的石墨电极。研究表明,My的固载对于NO2-离子的还原有积极作用。Zhang等[42]使用铟锡氧化物(ITO)涂覆的石英基板分别浸泡于聚醚酰亚胺(PEI)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)中得到PEI/PSS前驱体膜,然后将该前驱体薄膜数次交替浸泡在PDDA和P2W17V-CNTs胶体中,通过静电层层自组装技术制备了Dawson结构的α2-K7P2VW17O62·18H2O (P2W17V)和CNTs复合材料。CNTs和P2W17V的协同作用可提高电子转移效率和电催化活性。
Zhou等[43]使用离子液体N-辛基吡啶六氟磷酸盐(OPFP)和SWCNT构建了一种OPFP-SWCNT复合修饰电极。该电极电子转移效率得到提升,显著降低了亚硝酸盐氧化的超电势,线性范围达到了1.0 μmol/L~12.0 mmol/L,检测限为0.1 μmol/L。
Yang等[44]构建了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)功能化的GO/MWCNTs修饰的GCE,该电极不仅对DA、AA、UA和NO2-等有很好的电催化活性,而且降低了超电势、提高了响应电流,使得该电极可以同时检测上述4种物质。
Palanisamy等[45]使用电化学活化的石墨(EAG)来修饰丝网印刷碳电极(SPCE)用于检测亚硝酸盐,与电化学活化的SPCE和石墨/SPCE电极相比,使用EAG修饰的SPCE电极对于亚硝酸盐的峰值电流的提升和氧化反应超电势的降低有很明显的效果。在优化条件下,对亚硝酸盐的线性响应区间为0.1μmol/L~16.4mmol/L,检测限为38nmol/L。在一些常见的离子还有具有生物共活性的干扰物质存在下,该电极也显示出高的选择性。Yang等[46]使用微波促进的还原反应将醋酸钯在石墨粉末中还原从而合成了以石墨为基底的含Pd纳米复合材料(Pd/Grp)。和以活性炭以及SiO2为基底的Pd NPs固载的GCE相比,以石墨粉为基底的电极材料对于亚硝酸盐的氧化反应拥有更好的电催化活性。
Liu等[47]使用一种类石墨烯的二维Ti3C2基纳米材料MXene-Ti3C2固载上Hb构建了无电子媒介生物传感器。MXene-Ti3C2是一种出色的对于氧化还原蛋白有生物相容性的固载基底,而且能够使蛋白质有很好的生物活性和稳定性。由于MXene-Ti3C2有高的比表面积和导电率,Hb的直接电子转移效率大大提高,对亚硝酸盐检测的线性响应区间为0.5~11800 μmol/L,检测限为0.12μmol/L,性能良好。因此,MXene-Ti3C2是一种极具潜力的酶固载基底。Saadati等[48]将端氨基离子液体(NH2-IL)共价修饰到氮化钛NPs上,并使用该材料作为基底完成了Hb的固载,得到了TiNnp/NH2-IL/Hb修饰材料,其制备过程如图 3所示。GC/TiNnp/NH2-IL/Hb电极对于亚硝酸盐的还原反应有良好的电催化效果,响应速度快,稳定性高。
Micić等[49]通过聚苯胺(PANI)盐纳米材料碳化的方法制备了具有电催化氧化活性的含氮碳纳米材料。棱面位点、官能团以及孔结构是影响电化学催化行为的主要参数。它是一种极具吸引力的简便廉价电极材料。Ning等[50]通过化学还原的方法成功将Ag NPs固载到聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子上。由于PAMAM含有大量的终端基团,使得Ag NPs稳定均匀地固载到PAMAM表面。Ag-PAMAM修饰的GCE对于亚硝酸盐拥有出色的电催化性能,在pH为6.0的磷酸缓冲液中电极的线性响应区间为4.0μmol/L~1.44mmol/L,电极灵敏度高,响应时间短至3s,检测限为0.4μmol/L,可检测自来水和牛奶中的亚硝酸盐。
Pan等[51]通过自组装的方法(又叫剥层/重堆法)将α-ZrP纳米片和锰卟啉分子组装到一起制备了α-ZrP/MnTMPyP层状纳米复合材料(图 4),该复合材料薄膜对于亚硝酸盐的氧化有着出色的电催化活性,氧化峰的电流与扫描速率的平方根呈线性关系,表明电催化过程是受亚硝酸盐扩散控制的,检测限为5.3×10-5 mol/L (S/N=3),线性响应区间为1.5×10-4~4.76×10-3mol/L。Rameshkumar等[52]基于Ag NPs沉积的胺功能化SiO2球构建了可同时检测硝基苯衍生物和亚硝酸盐离子的电化学传感器。Yuan等[53]使用溶剂热法合成了一种稳定的三维铜基金属有机骨架(Cu-MOF),并通过吸附和电还原法使Au微球沉积到MOF的表面得到Au/Cu-MOF/CPE修饰电极。Au的固载加快了电化学反应的电子传递速率,降低了亚硝酸盐的氧化反应电势。该电极拥有检测限低、线性区间宽、稳定性好等优势,应用前景广阔。
快速、灵敏、精确并高选择性的检测亚硝酸盐对于降低健康风险,预警环境危害等具有重要的现实意义。电化学传感器的研制也成为科研工作者一项迫切的任务。碳材料的快速发展为构建高活性催化电极提供了几乎不可替代的基体。依托于导电纳米材料基底,再辅以活性物质的负载将更大程度地协同增强催化活性,提高检测效果。已报道的体系中,首选引入复合电极中的活性物质是贵金属Au、Ag、Pd及CoNi合金等,这势必导致电极造价较高、对生物活性物质潜在的纳米毒性等缺点。在对检测效果影响不大的前提下,以廉价金属Cu、Fe及氧化物代替贵重金属势必成为趋势,这将更多有利于传感器的商业化拓展。另外,对一些分散性不好的材料体系,常常将一些成膜性良好的物质,如Nafion、CS等作为电极材料和电极间的“胶水”来提升电极稳定性。但由于其不导电性,需在电极的构建过程中考察掺杂量的优化配比与性能的关系。除碳系纳米材料作为基底外,还可利用包括原位生长、电聚合、电还原、化学还原、溶剂热、自组装、共价与非共价修饰、微波促进、静电吸附、湿化学等各种合成技术,发展具有优异性能的特异性基底材料,这也将更加有利于高性能电化学传感器的快速发展。