杀螟硫磷(Fenitrothion，简写为FT)，化学名称为O，O-二甲基-O-(3-甲基-4-硝基苯基)硫代磷酸酯，系有机磷类杀虫剂，具有触杀和胃毒作用，杀虫谱广，被广泛用来防治咖啡潜叶蝇、蝗虫、小麦臭虫等害虫^{[1, 2]}。但其大量使用将会导致自然水域受到这些有毒性的农药残留的污染，同时还会残留在果蔬农作物中，这些残留物会长久地存在于土壤里，对人体及动物的危害很大，食品安全也受到了很大的威胁。FT会抑制神经系统乙酰胆碱酯酶的活性^[3]，因此我们称其为抗胆碱酯酶虫剂。这种抑制作用将导致人体出现一系列神经症状，如头晕、恶心、呕吐、身体无力的中毒现象，重者可能导致抽搐、呼吸困难，最后呼吸麻痹而死。因此，在环境监测中，对FT的检测变得尤为重要。

目前，对于有机磷农药尤其是FT的检测有很多不同的方法，例如气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)、质谱分析法(MS)、免疫分析法(IA)等^[4-6]。这些方法尽管检测结果精确，但是存在价格昂贵、检测过程繁琐、对检测人员的素质要求高、不宜在现场操作等弊端^[7]。因此，非常需要一种简易且平价的检测FT的传感设施。电化学生物传感器作为一种简单易建立的传感器，具有成本低、易操作、检出限低、灵敏度高的优点，已经成为一种能快速检测农药残留的很有前途的方法^[8]。极谱法检测FT残留已有相关报道^[9]，该方法中汞的毒性是不能被忽视的问题，而且得到的还原电流非常小，为毫微安培级。近些年，有较多关于运用电化学酶传感器、分子印迹传感器等检测FT、毒死蜱等有机磷杀虫剂残留的文献报道^[10-12]，这些方法的检出限都很低，但是存在选择性有限、固定化生物材料易失活且成本高、稳定性及重现性差等问题^[13]，仍不适合广泛采用。

在之前的工作中，我们已经了解到Ag纳米粒子是金属纳米粒子的一种，制备简易，而且具有比表面积大、催化活性高等特点^{[14, 15]}。Fe₃O₄纳米粒子是最常见的磁性纳米粒子之一，其在信息存储、医药、电子、诊断、生物医学等领域被广泛运用。但是Fe₃O₄纳米粒子容易被氧化，其比表面积大，容易聚集，从而导致其磁性低、分散性差。于是人们尝试使用聚合物或无机外壳如金属或氧化物来修饰裸磁性纳米粒子^{[16, 17]}。本文将Ag壳组装到Fe₃O₄纳米粒子的表面，形成壳核结构的银包Fe₃O₄纳米复合物(简写成Fe₃O₄@Ag)^[18-20]；然后通过Ag-N吸附作用将Fe₃O₄@Ag纳米粒子组装到壳聚糖(CS)修饰的玻碳电极(GCE)表面(简写为Fe₃O₄@Ag-CS-GCE)，构建了FT电化学传感器，研究了其电化学和电催化行为，建立了FT测定的电分析新方法。

FT(甲醇溶解)标准品购于百灵威科技有限公司；AgNO₃和柠檬酸二氢钠购于Sigma公司；FeCl₂·4H₂O、FeCl₃·6H₂O等试剂购于上海化学试剂有限公司试剂一厂；其他化学试剂均为分析纯，实验用水均为石英亚沸水。不同pH的磷酸盐缓冲液(PBS)由0.10mol/L Na₂HPO₄和0.10mol/L NaH₂PO₄混合配制获得。壳聚糖(92.5%脱乙酰作用，南通双林试剂公司)用0.05mol/L的盐酸溶解成2.0mg/mL的溶液。

所有电化学实验均在CHI660电化学工作站(上海辰华公司)上进行。实验采用三电极系统：饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为对电极，修饰玻碳电极作为工作电极。所有测量均在25±2℃的环境下进行。在实验前，所有的溶液要通高纯度的氮气至少20min。EIS在开路电位下，使用瑞士万通的AUTOLAB PGSTAT 302N型电化学工作站，在5.0mmol/L的K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆ (1:1)含0.1mol/L KCl的溶液中进行测量，扫描频率范围为0.01-10000 Hz。

利用共沉淀法制备核心磁性纳米粒子(Fe₃O₄)，其中Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ) 溶液的摩尔比为0.5^[16]。Ag壳是通过以柠檬酸三钠同时作为还原剂和稳定剂，将Ag⁺还原吸附于Fe₃O₄纳米粒子的表面所获得。过程如下：将4mL浓度为40mmol/L的上述Fe₃O₄纳米粒子溶于20mL 34mmol/L的柠檬酸三钠溶液，混合超声分散15min，然后将溶液滴加到沸腾的4mmol/L AgNO₃(250mL)溶液中，剧烈搅拌，反应30min后形成棕褐色的胶体溶液。经磁铁分离及高速离心获得Fe₃O₄@Ag纳米复合物。与纯的Fe₃O₄纳米粒子溶液相比，获得的复合纳米粒子溶液分散更均匀，4℃下保存1个月不会发生团聚。

GCE分别用粒度1.0、0.3和0.05 μm的铝粉在粗砂纸和细砂纸上打磨，然后用麂皮将其抛光，用石英亚沸水冲洗干净。将清洁干净的GCE放入2.0mg/mL CS溶液中，用安培法在-2.0V处电沉积5min，在室温下晾干。在4℃下，把电极浸在Fe₃O₄@Ag纳米粒子中30min后取出，用亚沸水冲洗电极周围及表面，得到Fe₃O₄@Ag-CS-GCE(制备过程见图 1)。

TEM可以直接表征纳米粒子的形貌特征。图 2是Fe₃O₄@Ag和Fe₃O₄纳米粒子的TEM图。Fe₃O₄纳米粒子的粒径在15nm左右，表面包裹Ag壳以后，粒径增加到20nm，说明Ag成功地覆盖在Fe₃O₄微粒上。从图 2(a)中还可以看出微粒外的Ag包的厚度均匀且连续，说明Ag粒子较为均匀地吸附于Fe₃O₄微粒表面。

研究表明，柠檬酸稳定的银胶在408nm处有紫外吸收^[15]。从图 3可以发现，Fe₃O₄纳米粒子在紫外可见区域没有任何吸收峰。而Fe₃O₄@Ag纳米复合粒子则在430nm处有一吸收峰，吸收峰位置较银纳米粒子略有红移。据文献报道^[21]，发生红移与银壳的厚度有关。通过UV-Vis光谱可以证明Fe₃O₄@Ag外壳中银的存在。

图 4为在含有5.0mmol/L Fe(CN)₆^3-/4-(1:1)溶液中裸的GCE、CS修饰的GCE和Fe₃O₄@Ag/CS修饰的GCE的电化学阻抗谱。相对裸玻碳电极，经CS修饰的GCE的阻抗明显增加，表明CS起了阻碍电子传递的作用，使电子转移更加困难。当经过CS修饰的GCE修饰上Fe₃O₄@Ag后，电子转移阻力降低，原因可能是Fe₃O₄@Ag纳米粒子起到电子转移隧道作用，更容易发生电子转移。

图 5显示不同浓度的FT在修饰电极的循环伏安(CV)响应曲线。从图中可以看出，加入FT时，Fe₃O₄@Ag-CS-GCE在pH 4.0 PBS中于-0.65V的电位上出现了1个不可逆的还原峰，并且峰高随着浓度的增加而增高，这说明修饰电极对FT有良好的响应。这是因为FT里的硝基在还原成羟胺的时候，发生了电子转移^[22]，随着FT的不断加入，还原峰电流在不断增加。

图 6(a)是修饰电极在同浓度FT、不同pH下的CV图。图(b)和(c)分别是由图(a)得到的不同pH的PBS对峰电流和峰电位的影响。从图中可以看出，当pH由小增大时，峰电位发生负移，pH每增加1，平均有60.9mV的电位移动。而且在pH4.0的情况下，峰电流的值最大。因此，我们推断FT质子化形式的还原反应在酸性介质下发生。在之后的实验中，均选择pH4.0的PBS作为支持电解质。但根据文献报道，pH、应用电位等对电流的影响并不是简单的单方向性的^{[23, 24]}。本实验发现，当pH大于7以后，电流值出现升高，可能是因为分析检测时采用电位高于平衡电位则产生电化学极化，导致产物活化能降低，反应速率增大，电流增大。

图 7(a)显示了Fe₃O₄@Ag-CS-GCE在pH4.0的PBS中，不同扫速情况下对FT电化学响应的CV图。当扫速在10-140 mV/s时，在修饰电极上FT的还原峰电流随着扫速的增大而呈线性增加。图 7(b)是FT的还原峰电流(i_p)与扫速(v)的线性关系，得到线性方程如下：

i_p(μA)=1.54+0.018υ (mV/s) (n=10,R=0.997)

这说明在修饰电极上，FT的反应是一个吸附控制过程。当扫描电位在-1.0-0.4 V之间时，获得一个还原峰，式量电位(E^0’)为-0.67V。该式量电位(E^0’)与扫速(v)是基本相互独立的，说明在这个扫速的范围内，电子传递的动力学很好。根据Laviron’s方程：

${E_p} = {{RT} \over {\alpha nF}}log{{{k_0}RT} \over {\alpha nF}} - {{RT} \over {\alpha nF}}logv$

通过E_p∝logυ的斜率，可以估算出n =3.79(反应过程的电子数)

综上所述，得知FT的还原反应过程为3.79(≈ 4)个电子，根据上述pH实验的结果，可以推测出是4个质子参与过程。

推测FT在该修饰电极上的反应式如下：

R-NO₂+4e^-+4H⁺→R-NHOH+H₂O

图 8显示在电磁搅拌条件下，连续加入不同浓度FT后得到的时间电流曲线。往pH 4.0 PBS溶液中每次加入1.74×10^-7 mol/L FT，该传感器迅速响应，在5s内实现90%的稳定电流。通过研究发现，FT在1.74×10^-7 -3.27×10^-4mol/L浓度范围内，峰电流与浓度成良好的线性关系，检出限为5.7×10^-8mol/L(S/N=3)，此时的线性回归方程为i(μA)=0.38+1.20×c_FT，R²=0.9871。

本研究还测定了几种常见的干扰物质对FT检测的干扰。将等浓度的FT(5.30×10^-6mol/L)与辛硫磷、抗坏血酸、尿酸、多巴胺、FeCl₂、FeCl₃和NaNO₂混合，如图 9所示，除辛硫磷(phoxim)以外，其他物质均无电化学响应。辛硫磷的响应峰电位在-0.63V处，对FT的检测也没有影响。此外，实验结束后，将修饰好的电极清洗并浸泡在pH4.0的0.1mol/L的PBS中放置在冰箱中，保持4℃的潮湿环境，存放2周后，检测发现反应电流只下降了8.0%，显示了良好的稳定性。

本文成功地合成了Fe₃O₄@Ag核壳结构纳米粒子，并将其修饰在GCE上实现了对FT检测。该传感器具有较宽的线性范围和较低的检出限，有望应用于环境中FT残留的快速检测。