负载爆米花状铜粒子的植酸掺杂碳纳米管网络用于Hg（II）的高灵敏检测

冯 通， 钟佳妙， 陈开茶， 赵红莉， 蓝闽波,2

（华东理工大学 1.化学与分子工程学院, 上海市功能性材料化学重点实验室；2.分析测试中心, 上海 200237）

重金属污染是最突出的环境问题之一，主要由采矿、污废排放和消费品重金属超标等人为因素造成[1]，往往会导致不可逆的环境恶化。汞（Hg）易于在生物体细胞中积累，从而导致严重的疾病或健康问题，如水俣病、认知障碍和肾损伤等[2]。我国生活饮用水卫生标准[3]和美国国家环境保护局饮用水水质准则[4]中规定 Hg 的含量阈值分别为 1 μg/L 和 6 μg/L。因此，实现环境中微量 Hg（II）灵敏且快速的检测具有十分重大的意义。

迄今为止，用于检测重金属离子的方法主要有原子吸收光谱法（AAS）[5]、电感耦合等离子体质谱法[6]、原子荧光光谱法[7]和比色法[8]等。虽然这些方法具有准确度和稳定性等优势，但是通常要求大型仪器和专业的测试人员，不适用于现场检测。与之相比，电化学方法提供了一种简单、快速、准确且成本较低的解决方案。其中，方波阳极溶出伏安法（SWASV）作为灵敏度很高的电化学技术，非常适用于重金属离子的检测。

碳纳米管（CNT）具有独特的力学性能、电子性能以及化学稳定性[9]，目前已广泛应用于传感器、储能材料、催化剂载体以及电子器件等领域。功能化的碳纳米管可以针对性地提高其用于电极修饰剂的性能。结合硫醇化壳聚糖（CS-SH）的碳纳米管复合材料对 Hg（II）具有很强的吸附能力[10]。苯硫酚共价功能化的单壁碳纳米管（SWCNT）可通过 Au-S 键固定在金电极表面，而纳米管侧壁上残留的硫醇基团可以选择性地吸附 Hg（II）[11]。此外，相关研究表明，在采用 SWASV 对 Hg（II）进行定量分析时，Cu（II）可作为一种增强剂来提高Hg（II）的信号响应[12-14]。

本文通过电沉积技术在丝网印刷碳电极（SPCE）上逐层修饰植酸掺杂碳纳米管网络（PACNTnet）和爆米花状铜粒子（Pop-shaped Copper particles, popCu），构建了一种 Cu（II）增强的 Hg（II）电化学传感器，系统性地评估了该传感器对 Hg（II）的检测性能，并以大米和茶叶等农产品作为实际样品进行应用评价。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

电化学工作站（Autolab M204 型，瑞士万通（中国）有限公司）；扫描电子显微镜（SEM，S-3400N 型，日本日立公司）；透射电子显微镜（TEM，JEM-1400型，日本电子株式会社）；能谱仪（Falion 60S 型，美国EDAX 公司）；激光显微拉曼光谱仪（InVia Reflex 型，英国雷尼绍公司）；电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS，NexION 2000 型，美国 Perkin Elmer 公司）。电化学测试均采用三电极体系：自制的 SPCE[15]及制备的修饰电极作为工作电极，铂丝电极（CHI115）和Ag/AgCl（CHI111）电极（上海辰华仪器有限公司）分别作为对电极和参比电极。

多壁碳纳米管（MWCNT，深圳市纳米港有限公司）；植酸（PA，w=70%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；CuSO4·5H2O（上海凌峰化学试剂有限公司）；盐酸（国药集团化学试剂有限公司）；硝酸、硫酸（西格玛奥德里奇贸易有限公司）；汞离子标准溶液（上海麦克林生化科技有限公司）。本文中所有试剂均为分析纯，未经纯化直接使用。实验用水均为超纯水，电阻率为18.2 MΩ·cm。

1.2 实验方法

1.2.1 PACNTnet 的制备 首先参照文献[16-17]对商品化的 MWCNT 进行酸化处理，然后根据我们之前的报道[18]制备PACNTnet，具体步骤为：将 120 mg酸化的MWCNT 超声分散在 60 mL 超纯水中，加入2.86 mL PA 水溶液，超声 40 min 后转移到特氟龙高压反应釜中，于 180 ℃ 反应 12 h。待冷却至室温后，分别用超纯水和乙醇洗涤数次，冷冻干燥得到产物，记为 1.0PACNTnet。改变 PA 的加入量，使用相同的方法制备了 0.5PACNTnet (PA 加入量为 1.43 mL) 和1.5PACNTnet（PA 加入量为 4.29 mL）。

1.2.2 popCu/PACNTnet/SPCE 电化学传感器的构建

如图1 所示，首先，将上述制备的不同 PACNTnet分散在超纯水中，分别配制成质量浓度为1 mg/mL的悬浮液。通过循环伏安法（CV）将材料沉积到SPCE 表面，具体参数如下：扫描范围-1.5 ～ 0.5 V，扫描速率0.1 V/s，扫描圈数 10。沉积结束后，用超纯水清洗电极，之后将电极静置干燥，得到的修饰电极分别记为 0.5PACNTnet/SPCE、1.0PACNTnet/SPCE 和1.5PACNTnet/SPCE。

图1 popCu/PACNTnet/SPCE 的构建示意图Fig.1 Illustration of popCu/PACNTnet/SPCE construction

再通过恒电位沉积法进一步将 popCu 修饰到PACNTnet/SPCE 上，得到popCu/PACNTnet/SPCE 修饰电极。沉积液组成为 0.1 mol/L CuSO4和 0.5 mol/L H2SO4，沉积电位为 -1.5 V。同时通过设置沉积时间分别为 5、10、15 s 和 20 s 来研究 popCu 的沉积量对Hg（II）信号响应的影响。

1.2.3 电化学测试 通过 SWASV 对溶液中Hg（II）含量进行定量测试，使用 0.1 mol/L HCl 作为支持电解质。预富集阶段沉积电压为 -0.25 V，沉积时间为120 s，静置时间为 15 s；溶出过程的电压扫描范围为-0.1～ -0.2 V，步进电位 5 mV，振幅为 25 mV，频率为15 Hz。

电化学阻抗谱（EIS）和CV 法测试在 5 mmol/L K3Fe(CN)6和 0.1 mol/L KCl 的混合溶液中进行。EIS参 数：频 率10-2～105Hz，电 压 0.27 V，振幅 5 mV；CV 参数：扫描范围 -0.2～0.6 V，扫描速率50 mV/s。

1.2.4 实际样品分析 采用浸渍法进行样品前处理，将市售大米或茶叶研磨至细小的颗粒，准确称取 10 g置于烧杯中，加入 50 mL 1 mol/L HCl 溶液，浸泡后静置，使固体充分沉降，取上层液体通过 0.22 μm 水系微孔滤膜过滤，最后取 25 mL 澄清的滤液用超纯水定容至 250 mL，用来进行实际样品加标回收实验。

2 结果与讨论

2.1 电极修饰材料的表征

采用TEM 对MWCNT 和PACNTnet 的微观形貌进行表征，如图2(a) 和图2(b) 所示。MWCNT 前体直径约为20 nm，长度各异但远大于其直径。与分散的 MWCNT 相比，PACNTnet 呈现出多孔聚集网络状结构，尺寸分布在 400～500 nm 范围内。该结构由MWCNT 交织而成，是 PA 分子六原子环边缘上的 6个磷酸基团与酸化 MWCNT 上的含氧官能团相互作用的结果。修饰电极的表面形貌通过SEM 来表征。图2(c) 和 2(d)分别是放大倍数为 10 000 时 PACNTnet/SPCE 和 popCu/PACNTnet/SPCE 的表面形貌，可以看到 Cu 在该沉积条件下为爆米花状纳米颗粒。

图2 MWCNT（a）和PACNTnet（b）的透射电子显微镜图像；PACNTnet/SPCE（c）和 popCu/PACNTnet/SPCE（d）的扫描电子显微镜图像Fig.2 TEM images of MWCNT (a) and PACNTnet (b); SEM images of PACNTnet/SPCE (c) and popCu/PACNTnet/SPCE (d)

通 过 能 谱 仪（EDS）表 征PACNTnet/SPCE 和popCu/PACNTnet/SPCE 的逐步构建过程。 PACNTnet/SPCE 的EDS 分析如图3（a） 所示，主要元素组成包括 C、O 和 P，其质量分数分别为 80.28%、10.72% 和0.62%。popCu/PACNTnet/SPCE 的EDS 分析如图3（b）所示，主要元素及其质量分数分别为 C 39.18%、O 23.40%、P 0.13%、Cu 14.66%。结果表明：在逐步电沉 积 的 过 程 中，PACNTnet 和 popCu 逐 步 修 饰 到SPCE 上，且 popCu 的沉积量较大。

图3 PACNTnet/SPCE (a)和popCu/PACNTnet/SPCE (b)的能谱图Fig.3 EDS spectra of PACNTnet/SPCE (a) and popCu/PACNTnet/SPCE (b)

通过CV 法和EIS 法研究了不同PA 掺杂量的PACNTnet/SPCE 在 5 mmol/L K3Fe(CN)6/0.1 mol/L KCl 混合溶液中的电化学行为。CV 表征结果如图4(a) 所示，相较于裸 SPCE，碳纳米管及其衍生材料修饰的电极表现出更明显的氧化还原峰，很大程度上提高了电流信号。这是因为基于碳纳米管的材料具有良好的电子传输能力。而且裸 SPCE、MWCNT/SPCE、0.5PACNTnet/SPCE 、 1.0PACNTnet/SPCE 和1.5PACNTnet/SPCE 的峰电位差△Ep（即图中氧化峰和还原峰电位差值）分别为 432.1、183.1、168.5、156.2 mV 和 168.4 mV 的原因。 EIS 表征结果如图4(b)所示。通过等效电路拟合得到SPCE、MWCNT/SPCE、0.5PACNnet/SPCE、 1.0PACNnet/SPCE、1.5PACNnet/SPCE 各修饰电极的电阻（Rct）分别为 756、263、188、113 Ω 和 180 Ω，这与 CV 的测试结果相符。两组数据表明 MWCNT 和 PACNTnet 的修饰都能显著降低SPCE 的电阻，然而对于 PA 不同掺杂量制备的PACNTnet，随着原料中 PA 掺杂量的增加，修饰电极导电性先增大后减小，其中 1.0PACNTnet/SPCE 表现出最佳的导电性，因此后续实验均基于 1.0PACNTnet/SPCE 展开。

图4 裸 SPCE、MWCNT/SPCE、0.5PACNTnet/SPCE、1.0PACNTnet/SPCE 和 1.5PACNTnet/SPCE 循环伏安曲线（a）以及电化学阻抗谱图（b）；MWCNT、0.5PACNTnet、1.0PACNTnet 和 1.5PACNTnet 的拉曼光谱图（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)

通过拉曼光谱进一步探究了 PA 掺杂量对PACNTnet 导电性的影响，结果如图4(c) 所示。酸化MWCNT 及其衍生材料的 D 波段和 G 波段分别位于1 350 cm-1和 1 580 cm-1附近[19]，分别与碳的不规则结构和共轭C＝ C 在石墨晶体结构中的振动有关[20-21]。两波段的积分强度比（ID/IG）通常用于表征石墨材料中的缺陷数量[22]，高的ID/IG值表明材料具有高度的无序性和大量的缺陷[23]，从而使得该材料具有更多的电子传输活性位点。由图4(c) 计算得出，MWCNT、0.5PACNTnet、1.0PACNTnet 和 1.5PACNTnet 的ID/IG值分别为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电子传输活性位点，宏观上表现为具有最好的导电性。这是因为在 PACNTnet 的制备过程中，PA 用量较小会导致反应不完全，有部分 MWCNT以游离形式存在。相反，过量的 PA 会覆盖 MWCNT表面的含氧官能团，减少自组装的活性位点，从而影响立体网络结构的形成[24]。这也与 CV 和 EIS 表征结果相符。

2.2 测试条件优化

为了探究 popCu/PACNTnet/SPCE 用于电化学检测 Hg（II）时的最佳测试条件，分别对支持电解质、沉积电位、沉积时间和 popCu 的沉积量进行了优化。

首先对比了恒电位沉积时间为15 s 时popCu/PACNTnet/SPCE 在4 种常见支持电解质（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 对 50 μg/L Hg（II）的信号响应，结果如图5(a)所示。在 0.1 mol/L HCl 和 0.1 mol/L HNO3这类强酸性条件下，均出现了Cu（II）和 Hg（II）的溶出峰，不同溶液中出峰位置有差异。这是因为在电化学体系中，电荷传输是由电解质完成的[27]，而且不同的支持电解质提供了不同的离子强度和导电能力[28]，其中 HCl 溶液中两峰的分离度和信号响应大小明显好于 HNO3。这是由于支持电解质中氯离子的存在可以引发Hg(II)氧化还原偶的催化作用[29]，从而提高Hg（II）的溶出电流信号。因此选用 HCl（0.1 mol/L）作为支持电解质。

图5 不同支持电解质（a）、沉积电位（b）和沉积时间（c）对 popCu/PACNTnet/SPCE 检测 2 μg/L Hg（II）信号响应的影响；Cu 的沉积时间对 popCu/PACNTnet/SPCE 检测 1 μg/L Hg（II）信号响应的影响（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)

沉积电位直接影响重金属离子在电极表面的还原，是溶出伏安法检测重金属离子最重要的参数之一。如图5(b) 所示，在沉积电压由 -0.15 V 降低至-0.35 V 的过程中，信号响应先增大后减小，在 -0.25 V处出现峰值。另一个参数沉积时间直接决定富集到电极表面的待测离子量，会对信号响应产生显著影响，如图5(c) 所示，随着沉积时间从 30 s 增加到 150 s，信号响应出现递增的趋势，在120 s 时达到峰值，之后趋于稳定。因此将富集过程的参数设置为沉积电压 -0.25 V、沉积时间 120 s。

不同 Cu（II）沉积时间的 popCu/PACNTnet/SPCE，信号响应均大于 PACNTnet/SPCE，说明Cu 离子的存在会放大 Hg（II）的溶出信号[30]。为探究测试体系中Cu 含量对信号响应的影响，通过控制恒电位沉积的时间来优化 popCu 的沉积量。比较了恒电位沉积时间分别为 0、5、10、15 s 和 20 s 时，popCu/PACNTnet/SPCE 对 1 μg/L Hg（II）的信号响应，如图5(d)所示。在5～20 s 的沉积时间范围内，信号响应先逐渐增大，在 15 s 时达到峰值，而后又开始降低。这是由于当体系中 Cu 的含量过高时，溶出过程 Cu（II）和 Hg（II）两个溶出峰之间的分离度较差，严重影响 Hg（II）信号响应的积分计算[14]。因此选择沉积时间为 15 s，后续实验均在该条件下制备 popCu/PACNTnet/SPCE。

2.3 Hg（II）的电化学检测

基于上述实验，在制备的 popCu/PACNTnet/SPCE上采用 SWASV 对 Hg（II）进行定量检测。图6 所示为popCu/PACNTnet/SPCE 对质量浓度为0.02、0.1、0.2、1、2 μg/L 的 Hg（II）的方波溶出伏安曲线（a）及其线性回归曲线（b）。Cu（II）和 Hg（II）分别在-0.04 V和 0.2 V 附近出现溶出峰信号。在Hg（II）质量浓度为 0.02 ～ 2 μg/L 范围内，峰电流信号与质量浓度呈现良好的线性关系，对应的线性方程为y= 5.51x+9.28（R2=0.998），灵敏度为 5.51 μA/(μg·L-1)，检出限（LOD）低至 0.012 μg/L（S/N= 3，其中S为信号响应，N为基线噪声），表明基于 popCu/PACNTnet/SPCE 修饰电极的Hg（II）电化学传感器完全能够满足国家生活饮用水标准对 Hg（II）含量的检测要求。此外，对比了其他几种文献报道的电化学传感器对 Hg（II）的检测性能，如表1 所示，可以看出，本文中popCu/PACNTnet/SPCE得到的检出限更有优势，且丝网印刷电极的制作成本也更低。

表1 不同电化学传感器对 Hg（II）检测性能的比较Table 1 Performance comparison of different electrochemical sensors for the determination of Hg (II)

图6 popCu/PACNTnet/SPCE 对不同质量浓度的Hg（II）的方波溶出伏安曲线（a）及其线性回归曲线（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)

在重金属电化学检测中，选择性是评价电化学传感器性能的重要因素之一。因此，在 100 倍浓度的干扰离子（Pb（II）、Cd（II）、Cr（VI）、As（III）、Ni（II）、Co（II））存在的条件下，研究了popCu/PACNTnet/SPCE用于1 μg/L Hg（II）检测的抗干扰能力，结果如图7(a)所示，各种干扰离子对 Hg（II）检测的影响很小。即使在高浓度混合离子干扰的情况下，popCu/PACNTnet/SPCE 对 Hg（II）的信号响应与无干扰条件下的差异也很小，可忽略不计，表明该电化学传感器对 Hg（II）的检测具有良好的抗干扰能力。

图7 popCu/PACNTnet/SPCE 的抗干扰性（a）、重现性（b）和长期稳定性（c）测试Fig.7 Anti-interference (a), repeatability (b) and long-term stability (c) experiment of popCu/PACNTnet/SPCE

为了评估 popCu/PACNTnet/SPCE 的重现性，在相同条件下制备了 10 根修饰电极，分别记录它们对0.2 μg/L Hg（II）的信号响应，结果如图7(b) 所示。10次检测获得的电流信号差异较小，相对标准偏差（RSD）为 2.14%，说明该传感器具有良好的重现性。

为了研究 popCu/PACNTnet/SPCE 的长期稳定性，测试了同一批电极在 15 d 内对 1 μg/L Hg（II）的信号响应，每 3 d 测试一次，结果如图7(c) 所示。在0 ～ 12 d内，电流波动较小，RSD 为 0.93%。第 15 d 电流出现明显下降，减小至原来的 88.43%，这可能是部分修饰材料从 SPCE 表面脱落导致。结果说明，popCu/PACNTnet/SPCE 在 12 d 内具有良好的稳定性。

2.4 实际样品分析

为了验证popCu/PACNTnet/SPCE 传感器在实际样品检测中的可行性，以大米和茶叶为实际样品进行加标回收实验。选取 0.2 μg/L 和 1.0 μg/L 两个质量浓度作为 Hg（II）的标准加入量，加标回收结果如表2 所示。不同加入量在大米和茶叶浸渍液中的回收率都在98.0%～115.0% 范围内，RSD 均小于 5%。此外，通过 ICP-MS 技术进行对照，经直接浸渍法处理的大米和茶叶样品中 Hg（II）的质量浓度分别为0.16 μg/L 和 0.31 μg/L；加入 0.2 μg/L Hg（II）标液后，ICP-MS 测量值分别为 0.35 μg/L和 0.51 μg/L，与表2中采用电化学方法得到的测量值相近，计算误差分别为 3.93% 和 4.04%，在可接受范围内。以上结果表明基于 popCu/PACNTnet/SPCE 的 Hg（II）电化学传感器具有良好的准确性和实际应用的潜力。

表2 实际样品加标回收实验Table 2 Spike recovery experiment of real samples

3 结 论

（1）采用逐步电沉积的方式先后通过 CV 法和恒电位法将 PACNTnet 和 popCu 修饰到 SPCE 表面，成功构建了基于 popCu/PACNTnet/SPCE 的 Hg（II）电化学传感器。

（2）该传感器在Hg（II）质量浓度为0.02～2 μg/L 的范围内表现出良好的线性关系，检出限低至 0.012 μg/L，同时具有良好的抗干扰能力、重现性和长期稳定性。

（3）加标回收实验和 ICP-MS 对比实验结果表明此传感器可应用于大米、茶叶等农产品中 Hg（II）的高灵敏检测。