铁氧化物-还原氧化石墨烯纳米复合材料修饰电极在真实水样中亚硝酸盐的电化学检测

本研究开发了一种基于铁氧化物-还原氧化石墨烯（ION-rGO）纳米复合材料修饰的丝网印刷碳电极（SPCE），用于高灵敏度检测真实水样中的亚硝酸盐（NO2?）。通过电化学阻抗谱（EIS）分析，传感器在0.1 nM至10 μM范围内呈现线性响应，检测限低至17.3 pM，兼具优异稳定性与抗干扰能力，为环境水质监测提供了创新解决方案。

　　

1 引言

亚硝酸盐（NO₂^?）因农业和工业滥用对环境和健康构成严重威胁，世界卫生组织（WHO）规定饮用水中限值为65 μM。传统检测方法如色谱法和光谱法存在设备昂贵、操作复杂等缺陷，而电化学传感凭借低成本、高灵敏度等优势成为研究热点。石墨烯及其衍生物还原氧化石墨烯（rGO）因其卓越电催化性能被广泛关注，但其疏水性限制了应用。本研究通过将rGO与铁氧化物纳米颗粒（ION）结合，构建了ION-rGO纳米复合材料，利用ION的Fe(II)/Fe(III)氧化还原活性与rGO的高导电性协同提升传感性能。

2 结果与讨论

2.1 结构与形貌分析

X射线衍射（XRD）显示ION呈立方反尖晶石结构（晶格参数8.34 ?），拉曼光谱证实rGO的D/G峰强度比升高，表明复合材料缺陷增多。透射电镜（TEM）显示ION均匀负载于rGO片层上，形成高比表面积复合结构。

2.2 电化学性能

CV与EIS研究：ION-rGO修饰的SPCE在[Fe(CN)₆]^3?/4?探针中电荷转移电阻（R_ct）降至2.37 kΩ，较裸电极（4.65 kΩ）显著降低，证实电子传输效率提升。
动力学特性：扫描速率实验表明亚硝酸盐氧化为扩散控制过程，转移系数αn_a=0.558，提示双电子转移机制。
pH优化：pH 6.5时氧化电流最大，因H⁺参与反应（NO₂^? + H₂O → NO₃^? + 2H⁺ + 2e^?）。

2.3 亚硝酸盐检测性能

EIS分析显示R_ct与NO₂^?浓度对数呈线性关系（R²=0.998），检测限达17.3 pM，远低于WHO标准。表1对比显示其性能优于文献报道的Ag/TiO₂/rGO等传感器。

2.4 稳定性与抗干扰性

5天内电流响应衰减仅0.87%，且对KNO₃、Na₂SO₄等100倍浓度干扰物无显著响应（图7）。

2.5 实际水样检测

加标回收率95.2%~102.4%（表2），验证了传感器在真实环境中的适用性。

3 结论

ION-rGO/SPCE传感器通过协同催化效应实现了亚硝酸盐的超灵敏检测，其低成本、易制备和稳定性为水质监测提供了实用工具。

4 实验方法

材料合成：共沉淀法制备ION-rGO，超声辅助分散；电极修饰：优化4 μL沉积量（pH 8，1.2 g L^?1）；表征：XRD、TEM、拉曼光谱联合分析；电化学测试：CV与EIS在PBS（pH 6.5）中完成，使用PalmSens 4工作站。

（注：全文数据与结论均源自原文实验，未添加主观推断。）