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摘要
本研究开发了一种基于多壁碳纳米管(MWCNTs)和金纳米粒子(AuNPs)修饰纳米通道(阳极氧化铝AAO膜)的电化学传感器,并结合丝网印刷电极(SPCE),用于粮食中痕量镉离子(Cd2+)和铅离子(Pb2+)的检测。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对AuNPs-MWCNTs@AAO膜表面形貌和结构进行了表征,同时采用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)评估电化学性能。优化后的检测条件为:AAO膜超声处理10 min、缓冲溶液pH5.5、溶出电压−1.2 V、溶出时间180 s。在0.1~10.00 μg/L浓度范围内,Cd2+和Pb2+的氧化峰电流与浓度呈现良好的线性关系,决定系数R2分别为0.9903和0.9993,检出限分别为0.23 μg/L和0.11 μg/L。传感器对常见干扰金属离子具有较好的选择性,即使在其浓度为100倍时,Cd2+和Pb2+的电流响应变化仍不超过5%。在重复性、重现性和长期稳定性方面,传感器表现出良好的可靠性,氧化还原峰电流的相对标准偏差(RSD)分别为2.5%和2.3%。该传感器制备简便,性能可靠,能够为粮食中痕量重金属离子的检测提供有效的技术支持。
重金属污染,是当前全球粮食安全和环境保护的重大挑战。尤其是铅(Pb2+)和镉(Cd2+)的积累,因其高毒性和不可降解性,在生物体内易富集并通过食物链传递,严重威胁生态系统和人类健康。铅离子的长期暴露会引发神经系统损伤、认知功能下降,尤其对儿童影响显著,而镉离子在人体中积累则可能导致骨痛病、肾功能损伤以及致癌风险。这些重金属离子以无机化合物形式存在于环境中,高迁移性和生物可利用性使得传统的污染控制手段难以有效监测和清除。因此,开发高灵敏度、强选择性的检测方法以检测粮食中痕量的铅和镉离子,对于保障粮食安全和公众健康具有重要现实意义。
随着重金属离子检测技术的迅速发展,传统方法如X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子发射光谱法(ICP-OES)、原子吸收光谱法(FAAS)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等,尽管具备高灵敏度和精确性,但由于依赖昂贵设备、复杂的样品前处理和繁琐操作,难以满足现场快速检测需求,限制了其在粮食安全中的应用。相比之下,电化学传感器因其成本低、操作便捷、快速响应等优点,成为重金属检测中的研究热点。多壁碳纳米管(MWCNTs)和金纳米粒子(AuNPs)作为优异的纳米材料,在电化学检测中表现出良好的前景。MWCNTs具有高导电性、大比表面积和稳定的化学性质,能够增强电子传输和离子吸附,从而提高传感器的灵敏度;AuNPs则因其优异的电催化性能和生物相容性,可在电极表面形成稳定修饰层,进一步提高检测选择性。纳米通道技术的引入,通过限制效应和传质效应,增强信号放大作用,从而提升传感器的灵敏度和选择性。研究表明,纳米通道电化学传感器在霉菌毒素、食源性致病微生物、农药残留和抗生素等食品污染物检测中,已显示出较高的灵敏度和特异性。然而,粮食基质中常含有多种干扰物,现有传感器在选择性、抗干扰性和长期稳定性方面仍面临挑战,限制了其实际应用中的推广。因此,开发一种纳米通道电化学传感器,用于粮食中痕量重金属的高效检测,已成为研究中的关键问题。
本研究开发了一种基于MWCNTs和AuNPs修饰的AAO纳米通道电化学传感器,并将其应用于粮食中痕量Pb2+和Cd2+的检测。该纳米通道传感器结合了MWCNTs的高导电性和AuNPs的电催化特性,旨在提升检测的灵敏度和选择性。通过优化电极结构和检测参数,使其在复杂的粮食基质中实现对重金属离子的有效检测。本研究为粮食中痕量重金属离子的检测提供了一个有前景的技术平台,同时拓展了电化学传感器在食品安全检测中的应用潜力。
结果与分析
2.1 AuNPs-MWCNTs@AAO膜的表征
图1 展示了原始AAO膜的表面形貌及其经过MWCNTs和AuNPs修饰后的复合结构,同时通过TEM图进一步表征了AuNPs-MWCNTs复合材料的微观形貌和分布特性。图1a显示了未修饰AAO膜的表面形貌。AAO膜呈现出高度有序的纳米孔结构,孔径均匀(平均直径为200 nm),孔洞排列紧密且规则,形成六边形阵列,展现了优异的模板特性。这种有序的孔洞结构为后续MWCNTs和AuNPs的修饰提供了理想的物理支撑和均匀的分布基础。图1b为经过MWCNTs和AuNPs修饰后的AAO膜的表面形貌。图像中可见MWCNTs与AuNPs均匀分布于AAO膜表面,形成了高度集成的复合结构。MWCNTs的网络结构可以增强表面的导电性并为AuNPs的负载提供了更多的附着位点。修饰后的AAO膜表面比原始AAO膜致密和均匀,验证了修饰过程的成功。这种均匀的复合结构为电化学传感提供了稳定的结构基础。图1c为AuNPs-MWCNTs纳米复合悬浊液的TEM图像。图像显示,AuNPs以纳米颗粒的形式均匀分散在MWCNTs的表面和周围,形成了高度集成的复合体系。
图 1 不同阶段样品的电子显微镜表征图
Figure 1. Electron microscopy characterization of samples at different stages
注:(a)原始AAO膜SEM图(5000×),(b)修饰后AAO膜SEM图(5000×),(c)AuNPs-MWCNTs复合材料TEM图(5 nm)。
图2展示了修饰前(a)和修饰后(b)AAO膜的XRD图谱。修饰前的XRD谱图(a)显示了AAO的典型特征峰。修饰后的XRD谱图(b)在38.2°和64.6°处出现了显著增强的衍射峰,对应AuNPs的(111)和(220)晶面反射,这些衍射峰与AuNPs的面心立方(FCC)晶体结构相符,且在38.2°和64.6°位置上通常出现,这是AuNPs的典型特征反射峰,验证了AuNPs的成功修饰。XRD图谱中未观察到MWCNTs的特征峰,这可能是MWCNTs在AAO膜表面均匀分布、浓度较低或与其他强信号重叠所致。
图 2 不同状态下的AAO膜X射线衍射(XRD)图
Figure 2. X-ray diffraction (XRD) pattern of AAO membrane in different states
注:(a)原始AAO膜;(b)AuNPs-MWCNTs修饰后的AAO膜;箭头标记XRD图谱中的特征峰,位于38.2°和64.6°。
2.2 AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极的电化学表征
图3展示了未经修饰的SPCE电极和AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极在3 mmol/L铁氰化钾溶液中的CV曲线。与SPCE相比,AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极的氧化和还原峰电流显著增加,且峰形更加对称,表明该修饰电极具有更高的电催化活性和电子传输效率。这种性能的提升可归因于MWCNTs、AuNPs和AAO纳米通道的协同作用。
图 3 修饰电极的 CV 图谱
Figure 3. CV spectra of modified electrode
注:a:菌株MAL070的单菌落形态;b:菌株MAL070的菌体形态。
在AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极结构中,AAO的纳米通道为MWCNTs和AuNPs提供了高度有序的支撑基底和高效的电子传导路径。AAO纳米通道的有序孔道结构增强了电解质离子的传质效率,有助于改善电极的电化学反应速率。纳米通道结构有效增加了电极的电化学活性面积,从而提高了其电催化能力。
进一步对比了SPCE和AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极在不同电位范围内的循环伏安曲线,结果表明,AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE在相同电压范围内显示出更高的峰电流。基于Randles-Sevcik公式计算,得出AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极的电化学活性表面积为2.9×10−4 cm2,而SPCE的活性表面积为1.0×10−4 cm2,即AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极的电化学活性面积是SPCE的2.9倍。进一步表明MWCNTs、AuNPs和AAO纳米通道的协同修饰有效提升了电极的电化学活性和电子传输性能。
根据Randles-Sevcik公式(1)计算电化学活性面积如下:
式中:Ip代表峰电流(A);A为电极的电化学活性面积(cm2);n为电子数;F为法拉第常数(96485 C/mol);v为扫描速率(V/s);D为扩散系数(cm2/s);C为电活性物质的浓度(mol/cm3);T为开尔文温度(273.15 K);R为通用气体常数(8.314 J/mol·K)。
因此,AAO纳米通道的有序结构、MWCNTs的导电网络以及AuNPs的高催化活性共同作用,赋予了AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极优异的电化学响应性能。这种复合结构的设计策略有效提升了电极的电化学活性面积和电子传输效率,使其在重金属离子检测等高灵敏度电化学传感应用中具有潜在的应用价值。
图4展示了不同扫描速率(20、40、60、80、100和120 mV/s)下AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极的CV曲线。随着扫描速率的增加,氧化峰和还原峰的电流显著上升,表明该电极在高扫描速率下具有良好的电化学响应。这符合扩散控制电极过程的典型特征。
图 4 不同扫描速率下的 CV 图谱
Figure 4. CV of different scanning rate
插图中的线性拟合曲线表明,氧化峰和还原峰的峰电流与扫描速率之间呈现出高度线性关系,其拟合方程分别为y=2.08857x+120.13333(R2=0.96838)和y=−5.91143x−172.53333(R2=0.93492)。这种良好的线性关系表明,峰电流主要受扩散过程控制。根据Randles-Sevcik方程推导,扩散控制条件下的峰电流 Ip与扫描速率 v的平方根成正比:
式中:Ip 为峰电流(μA);k为常数;v为扫描速率(mV/s)。
实验结果中的线性拟合关系与此理论模型高度一致。随着扫描速率的提高,扩散层厚度减小,反应物可以更快速地到达电极表面,导致峰电流显著增加。然而,在更高扫描速率下,氧化峰和还原峰的位置出现了轻微偏移,这通常归因于扩散层未能在高扫描速率条件下充分建立,导致反应物浓度梯度的变化,从而影响电化学过程的动力学响应。这种偏移现象反映了扩散层厚度与扫描速率的不匹配,进一步证明了该电极过程的扩散控制特性。因此,AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极在循环伏安测试中表现出典型的扩散控制行为。实验结果验证了Randles-Sevcik理论模型的适用性,表明该电极在高灵敏度电化学检测中的潜力。
图5为SPCE和AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极在3 mmol/L铁氰化钾溶液中的EIS曲线。SPCE电极具有较大的Rct,修饰了MWCNTs和AuNPs的AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极相比SPCE电极表现出更小的Rct,这与图3中的CV曲线相一致,表明其具有更高的电化学活性和更快的电子转移速率。其中R1代表溶液电阻,R2代表电荷转移电阻,W代表Warburg阻抗,C1代表双电层电容。图谱表明AuNPs和MWCNTs的联合修饰显著降低了电极的电荷转移电阻,提升了电化学性能。
图 5 不同修饰电极电化学阻抗图谱
Figure 5. EIS of different modified electrodes
2.3 AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极检测条件优化
2.3.1 AAO膜的亲水性优化
图6中展示了在0.25% NaOH溶液中经不同时间超声处理后,AAO膜的接触角变化。未处理的AAO膜显示出较高的接触角(76.1°),表明其表面具有显著的疏水性。经过2 min和4 min的超声处理后,接触角分别减小至74.3°和73°,变化较小。随着处理时间延长至6 min,接触角显著减小至45.5°,表明表面亲水性大幅提高。继续延长处理时间至8 min和10 min,接触角进一步减小至38.5°和35.8°,AAO膜表面亲水性进一步增强。超声处理有效提高了AAO膜的亲水性,且亲水性随着处理时间的增加而显著提升。超声时间达12 min时,AAO膜会发生溶解,导致其多孔结构遭到破坏。因此,最佳超声处理时间为10 min,可以有效保持AAO膜的结构稳定性,并通过调节其表面润湿性为电化学传感器的应用提供支持。
图 6 不同超声处理时间下AAO膜的水接触角变化
Figure 6. Water contact angle variation of AAO membranes under different ultrasonic treatment times
2.3.2 缓冲溶液pH对Pb2+和Cd2+检测的影响
图 7 不同pH对Pb2+和Cd2+检测的影响
Figure 7. Effect of different pH on the detection of Pb2+ and Cd2+
2.3.3 溶出电压对Pb2+和Cd2+检测的影响
图8为在不同溶出电压下,AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极对Cd2+和Pb2+的SWSV响应。随着溶出电压从−0.8 V增加到−1.6 V,电流峰值先增大后减小,最大峰值出现在−1.2 V时,表明该电压下电极对目标离子的电化学反应最为有效。插图进一步量化了这一现象,描绘了Cd2+和Pb2+峰电流随溶出电压的变化趋势。Pb2+的峰电流在−1.2 V时达到最大值,而Cd2+的峰电流在各电压下变化相对平缓,仅在−1.2 V处出现最高值。这表明在−1.2 V溶出电压条件下,电极对Pb2+和Cd2+具有最佳的检测灵敏度和选择性。
图 8 不同溶出电压对Pb2+和Cd2+检测的影响
Figure 8. Effect of different stripping voltages on the detection of Pb2+ and Cd2+
注:插图为溶出电压对峰电流趋势的影响。
2.3.4 碳源浓度对菌株产酶的影响
图9中展示了在不同溶出时间下,AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极对Cd2+和Pb2+的SWSV响应。随着溶出时间从90 s增加到210 s,电流峰值呈现先增大后减小的趋势,最大峰值出现在180 s时,表明在此溶出时间下,电极对目标离子的电化学反应最为有效。插图描绘了Cd2+和Pb2+峰电流随溶出时间的变化趋势。Pb2+的峰电流在180 s时达到最大值,而Cd2+的峰电流在不同溶出时间下变化相对平缓,在180 s处出现最高值。在210 s时,电流下降可能是由于溶出时间过长,导致析出离子重新溶解或电极表面被其他副产物覆盖,从而降低了检测灵敏度。这表明在180 s的溶出时间条件下,电极对Pb2+和Cd2+具有最佳的检测灵敏度和选择性。
图 9 不同溶出时间对Pb2+和Cd2+检测的影响
Figure 9. Effect of different stripping times on the detection of Pb2+ and Cd2+
注:插图为溶出时间对峰电流趋势的影响。
2.4 AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE传感器性能评价
2.4.1 AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电化学传感器对镉Cd2+、Pb2+检测方法的建立
如图10所示,随着Cd2+和Pb2+浓度的增加,电极的SWSV方法检测到的峰电流明显增强,且二者的浓度与峰电流之间呈现出良好的线性关系。通过Origin软件拟合,得到了以下线性回归方程:Cd2+的线性方程为Ip=7.5819C+20.853,Pb2+的线性方程为Ip=15.797C+44.418,均在0.1~10 μg/L的范围内,决定系数分别为R2=0.9903和R2=0.9993。这表明在所测浓度范围内,电极对Cd2+和Pb2+的响应均具有较好的线性相关性。进一步计算表明传感器对 Cd2+ 和 Pb2+ 的检出限(LOD,S/N=3)分别为 0.23 μg/L 和 0.11 μg/L;对应的定量限(LOQ,S/N=10)分别为 0.767 μg/L 和 0.367 μg/L,验证了该电极在低浓度范围内对痕量重金属离子的高灵敏度和可靠性。同时,为了进一步验证本研究方法的性能优势,表1对比了本工作与部分已报道方法在Cd2+和Pb2+检测方面的关键指标差异,结果显示本方法在检测限和线性范围方面具有明显优势。
图 10 AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极对不同浓度Cd2+和Pb2+的SWSV响应
Figure 10. SWSV response of AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE electrodes to different concentrations of Cd2+ and Pb2+
注:(a)不同浓度Cd2+和Pb2+的SWSV曲线;(b)Cd2+和Pb2+峰电流与浓度的线性关系图。
表 1 AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极与其它电化学检测方法比较
Table 1. Comparison of AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE electrode with other electrochemical detection methods
2.4.2 氮源浓度对菌株产酶的影响
采用SWSV方法研究AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极的选择性,在浓度为2 μg/L Cd2+和Pb2+的缓冲溶液中加入100倍浓度的常见干扰金属离子(如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cu2+和Zn2+),测定溶出峰电流以评估电极的选择性。图11结果显示,尽管存在这些干扰离子,电极对Cd2+和Pb2+的电流信号变化不明显,且氧化还原峰保持良好分辨,说明该电极具有较高的选择性,能够有效区分Cd2+和Pb2+。此外,加入不同浓度的干扰离子后,Cd2+和Pb2+的电流响应与无干扰时的响应相比变化不超过5%,进一步验证了电极对这两种金属离子的高选择性。
图 11 干扰物质对修饰电极检测Cd2+和Pb2+ 的影响
Figure 11. Influence of interfering substances on the detection of Cd2+ and Pb2+ by the modified electrode
2.4.3 重复性、稳定性与重现性
使用SWSV方法对AuNPs-MWCNTs@AAO/Ag/SPCE电极的重复性、稳定性和重现性进行了研究。在含有2 μg/L Cd2+和Pb2+的溶液中,对相同修饰的电极进行8次重复测试,检测出的氧化还原峰电流的相对标准偏差为2.5%,表明电极具有良好的重复性。通过对电极在20 d内的电化学响应进行测定,结果显示,电极在此期间对Cd2+和Pb2+的电流响应保持在初始响应的85%左右,表明电极在长期使用中的稳定性良好。此外,通过对8根平行制备的电极进行分析,检测出的电流响应的RSD为2.3%,证明了电极在检测Cd2+和Pb2+时的重现性良好。
2.4.4 NaCl浓度对菌株产酶的影响
为进一步验证方法的可靠性,实验选取大麦和小麦两种实际样品,在3个不同浓度梯度(2、4、6 µg/L)下进行加标实验。通过加标回收率评估检测方法效果,并通过内标法进行测定。结果见表2,铅和镉的回收率在88.7%~104.5%之间,标准差范围在2.15%~5.2%(n=3)之间,表明该检测方法的精密度和准确性符合实验要求。与传统方法相比,该方法在低检测限下显示出较高的灵敏度和精密度。本研究所用的电化学传感器具有较低的设备成本,适用于现场快速检测,在资源有限或需要现场检测的情况下具有潜在应用价值。
表 2 三种浓度金属离子的加标回收率及精密度(n=3)
Table 2. Standard recovery and precision of three concentrations of metal ions (n=3)
基于AuNPs和MWCNTs修饰的AAO纳米通道电化学传感器在本研究中实现了对粮食中Cd2+和Pb2+的灵敏电化学检测。在优化的检测条件下,该传感器对Cd2+和Pb2+在0.1~10.00 μg/L浓度范围内具有良好的线性响应,检测限分别为0.23 μg/L和0.11 μg/L,满足痕量重金属检测的要求。通过纳米材料的协同修饰纳米通道AAO,增强了电极的电化学活性面积和电子传输效率,提高了电化学信号的灵敏度与选择性。实验结果表明,该传感器对常见干扰金属离子具有较强的抗干扰能力,且在高浓度干扰物存在时,电流响应变化不超过5%。此外,传感器表现出良好的重复性和长期稳定性,重复性和重现性RSD分别为2.5%和2.3%。与传统方法相比,该传感器具有成本低、操作便捷等优势,适用于粮食中痕量重金属的快速检测。然而,复杂基质中某些干扰物可能对检测结果产生影响。未来研究将着重优化电极的修饰技术和结构设计,以提高抗干扰性和耐用性,扩大该技术在食品安全检测领域的应用潜力。
Citation: HU Wei, ZHOU Yurong, JIANG Donglei, et al. Nanochannel Electrochemical Sensor Based on Multi-walled Carbon Nanotubes and Gold Nanoparticles for Heavy Metal Detection in Grains[J]. Science and Technology of Food Industry, 2025, 46(15): 324−333. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2024100005.
基金项目:国家自然科学基金面上项目(32172297);重点研发计划课题(BE2023358);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD);江苏省现代农业重点项目(BE2022317, BE2023358);黑龙省自然科学基金项目(LH2024C072)。
通信作者简介
王立峰,博士,教授,博导,南京财经大学对外联络处处长。王立峰教授致力于粮油食品资源高值化利用技术研究,着重于全谷物食品加工特性、营养评价研究,探索杂粮中酚类化合物功能作用的评估及机理,利用食品组分中蛋白(肽)预防糖尿病、肥胖等代谢综合征。第一或通讯作者身份在Ultrasonics Sonochemistry,Journal of Agricultural and Food Chemistry,Food Hydrocolloids,Food & Function,Journal of Functional Foods等杂志发表SCI/EI论文50余篇,在《中国农业科学》、《中国食品学报》等CSCD核心期刊发表论文30余篇。授权国家发明专利20余件,公开国家发明专利40余件。参与起草国家粮油行业标准2项。主要社会兼职为中国粮油学会常务理事,中国食品科学技术学会青年委员会副秘书长,中国粮油学会食品分会副会长,江苏省食品学会监事。同时担任科技部、教育部、农业部,国家自然科学基金等项目评审专家,《食品工业与科技》、《食品研究与开发》杂志编委,以及Journal of Agricultural and Food Chemistry,Food Hydrocolloids,Food Chemistry,Journal of Functional Food,Food & Function等杂志审稿专家。王立峰教授入选江苏省现代农业(小麦)产业技术体系岗位科学家,先后荣获中国食品科学技术学会杰出青年奖,全国优秀粮油科技工作者以及中国粮油学会科学技术奖一等奖,江苏省高校技术发明二等奖,南京市自然科学优秀论文二等奖。先后入选首批“全国粮食行业青年拔尖人才”(国家粮食和物资储备局),江苏省“333”工程中青年科学技术带头人(江苏省委组织部),江苏省“六大人才高峰计划”B 层次培养对象(江苏省人社厅),江苏省“双创博士”计划人选(江苏省科技厅),江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师(江苏省教育厅),江苏省优秀硕士论文指导教师(江苏省教育厅)。
(以上信息来自南京财经大学官网)
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