酸活化增强石墨增材制造聚丙烯传感器用于法医和环境样本中对硫磷的检测

《Sensors & Diagnostics》：Acid-activation enhanced graphite additive manufactured polypropylene sensor for the detection of parathion in forensic and environmental samples

本文报道了一种新型3D打印电极的开发与应用，该电极由聚丙烯(PP)、炭黑(CB)和硝酸处理石墨(Gr(HNO3))构成，用于对硫磷(parathion)的电分析检测。研究表明，酸处理石墨的引入显著增强了电极的电化学性能。采用吸附溶出方波伏安法(SWAdSV)进行评估，该传感器展现出高灵敏度，检测限达0.17 nM，线性范围为20至100 μM，并在实际样品（如河水、尿液、唾液、玻璃体液和血清）中成功验证，回收率良好。这项工作凸显了定制化导电长丝在推动增材制造电化学传感器在环境和法医监测中实际应用的潜力。

　　

引言

对硫磷是一种广泛使用的农药，同时也是一种高毒性物质，其在环境和法医领域的原位(in situ)检测至关重要。传统的检测方法如气相色谱-质谱联用(GC-MS)、高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)和荧光光谱法虽然灵敏、可靠，但均属实验室技术，需要昂贵设备和专业人员，且样品前处理过程耗时耗力。电化学方法因其成本低、操作简单、易于实现实时分析而显示出解决这些问题的潜力。在各种电极中，丝网印刷电极(SPEs)和增材制造(Additive Manufacturing)电极由于其成本效益高、设计可定制和一次性使用的特点，与原位电分析具有极佳的协同作用。

熔融长丝制造(FFF)是常用的增材制造技术。商用导电长丝的性能常受限于较差的导电性和溶液渗透性。因此，研究人员开始开发定制的导电长丝。一种提高增材制造电极电化学性能的策略是结合石墨和炭黑，这可以增强导电性同时降低材料成本。进一步改善石墨性能的方法是通过电化学、热或化学处理进行活化。本研究探索了用硝酸对石墨组分进行化学活化，以改善定制导电长丝的性能。由于处理后石墨呈酸性，选择聚丙烯(PP)作为长丝的基础聚合物，以避免聚乳酸(PLA)易发生化学水解的问题。这种酸活化石墨聚丙烯长丝随后被应用于环境和法医样品中对硫磷的检测。

实验部分

化学品与样品

实验使用超纯水。对硫磷标准品溶于甲醇储备，使用时用相应支持电解质稀释。考察了不同pH值的Britton-Robinson(BR)缓冲液以及硝酸、盐酸、硫酸等作为支持电解质。还制备了合成尿液、人工唾液、人工玻璃体液等合成生物样品，并从当地河流采集了环境水样。

石墨改性

将石墨粉(Gr)用0.5 M硝酸(HNO₃)溶液处理过夜，经过滤、干燥后得到酸处理石墨(Gr(HNO₃))。

长丝生产

长丝组分按重量比为60% PP、20% CB和20% Gr(HNO₃)。组分在密炼机中于210°C混合5分钟，冷却造粒后，通过单螺杆挤出机在210°C下挤出成直径为1.75 mm的长丝。

电极的增材制造

使用Prusa i3 MK3S+ 3D打印机，采用FFF技术制造电极。打印参数包括：喷嘴温度245°C，挤出比160%，100%直线填充，层高0.15 mm，打印速度35 mm s^-1，热床温度110°C。电极设计为棒棒糖形状（直径5 mm的圆盘连接一个长8 mm、宽2 mm、厚1 mm的柄）。

物理化学表征

采用X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱对电极的物理化学性质进行了表征。XPS分析表明酸处理引入了更多的含氧官能团（如羧基、羟基、羰基）。SEM图像显示了电极表面的聚合物基质、炭黑结构和石墨薄片。拉曼光谱的I_D/I_G比值表明酸处理增加了石墨的结构缺陷。

电化学仪器与装置

伏安实验使用Autolab PGSTAT204恒电位仪，采用三电极体系：自制CB–Gr(HNO₃)/PP 3D打印电极为工作电极，镍铬丝为对电极，饱和Ag|AgCl为参比电极。每次测量前，工作电极在0.5 M NaOH中通过计时安培法（先+1.4 V后-1.0 V，各200秒）进行电化学活化。对硫磷检测采用吸附溶出方波伏安法(SWAdSV)，优化参数为：振幅70 mV，阶跃电位7 mV，频率25 Hz，预富集时间1分钟。

结果与讨论

酸处理石墨及打印电极的物理化学表征

XPS和拉曼光谱结果证实，硝酸处理成功在石墨表面引入了含氧官能团，提高了亲水性和反应活性。制备的CB–Gr(HNO₃)/PP长丝表现出良好的柔韧性和导电性（10 cm长度电阻为425 ± 32 Ω），其导电性优于一些文献报道的定制长丝。电极打印性能良好。

增材制造电极的电化学表征

使用外球氧化还原探针[Ru(NH₃)₆]³⁺和内球探针[Fe(CN)₆]^4?/3?对电极进行表征。扫描速率研究表明电极过程受扩散控制。CB–Gr(HNO₃)/PP电极的异相电子转移速率常数(k⁰)为2.3 × 10^-3cm s^-1，略高于未处理石墨电极(2.0 × 10^-3cm s^-1)。电化学活性面积分别为0.36 cm²和0.39 cm²。循环伏安和电化学阻抗谱(EIS)均表明，酸处理石墨电极具有更快的电子转移动力学和更低的电荷转移电阻(R_CT)。

对硫磷的电分析测定

对硫磷的电化学行为

在不同pH值的BR缓冲液中研究对硫磷在CB–Gr(HNO₃)/PP电极上的电化学行为。对硫磷显示出一个准可逆过程(O₁/R₂)和一个不可逆还原过程(R₁)。这些过程的峰电位随pH值升高而负移，表明质子参与了电极反应。在pH > 7.0（接近对硫磷的pK_a值7.07）时未观察到氧化还原过程。最终选择0.1 M硝酸(pH 2.0)作为支持电解质。扫描速率研究表明对硫磷的氧化还原过程受扩散和吸附混合控制。根据Laviron方程估算O₁/R₂过程涉及2个电子。

使用CB–Gr(HNO₃)/PP电极通过SWAdSV检测对硫磷

在优化条件下（振幅70 mV，阶跃电位7 mV，频率25 Hz，预富集时间1分钟），该方法的重复性（同一电极测量10次）和重现性（不同电极测量3次）良好，峰电位和峰电流的相对标准偏差(RSD)分别小于3%和4%。在20至100 μM浓度范围内，峰电流与对硫磷浓度呈良好的线性关系。酸处理石墨电极的灵敏度(0.057 μA μM^-1)是未处理石墨电极(0.023 μA μM^-1)的2.5倍。CB–Gr(HNO₃)/PP电极的理论检测限(LOD)和定量限(LOQ)分别为0.17 nM和0.56 nM，低于未处理电极(0.48 nM和1.62 nM)。Langmuir等温线和矩形盒模型估算表明，CB–Gr(HNO₃)/PP电极的真实表面积更大，这解释了其更高的灵敏度。虽然理论检测限很低，但校准曲线的最低测量浓度为10 μM，表明该方法更适用于对硫磷浓度较高的法医场景（报道的中毒案例浓度范围为8.3至68.6 μM）。

实际样品中对硫磷的电分析测定

干扰实验表明，抗坏血酸(AA)、草酸(OA)和咖啡因(CAF)在实验条件下不产生氧化还原过程，柠檬酸(CA)和尿酸(UA)的氧化峰电位与对硫磷的峰电位相距较远，不影响对硫磷的选择性检测。将该方法应用于加标70 μM对硫磷的合成生物样品（尿液、唾液、血清、玻璃体液）和河水样品中，回收率分别为105.5%、76.9%、87.6%、102.9%和91.5%。除唾液样品因基质复杂回收率较低外，其他样品回收率接近100%，表明该方法受基质影响小，适用于法医和环境中对硫磷的检测。

结论

本研究成功开发了一种基于酸活化石墨的增材制造电极(CB–Gr(HNO₃)/PP)，用于高灵敏度、高选择性检测对硫磷。与传统的CB/石墨电极相比，酸处理石墨的引入显著改善了电极的电化学性能。结合SWAdSV技术，该方法在多种实际样品中表现出良好的分析性能，为环境和法医样品中对硫磷的快速检测提供了一种有前景的解决方案，也展示了定制化长丝开发在推动增材制造电化学传感应用方面的潜力。