基于MWCNTs修饰多孔还原氧化石墨烯的茶叶中杀螟硫磷残留高灵敏稳定电化学检测

《Journal of Food Composition and Analysis》：Highly sensitive and stable electrochemical detection of fenitrothion residues in tea samples based on MWCNTs-modified holey reduced graphene oxide

　　

研究人员构建了基于HrGO/MWCNTs的电化学传感器，用于灵敏检测杀螟硫磷（fenitrothion，FT）。通过HrGO（holey reduced graphene oxide，多孔还原氧化石墨烯）与MWCNTs（multi-walled carbon nanotubes，多壁碳纳米管）之间的协同效应增强电催化活性。该传感器表现出良好的重现性、强抗干扰能力和优异稳定性。该传感器显示出宽线性范围（0.008–10.0 μM）和超低检出限（limit of detection，LOD；6.6 nM）。

茶（Camellia sinensis）是全球流行饮品，具有抗氧化和神经保护等健康特性。为稳定茶叶产量并保证品质，广谱高效有机磷农药杀螟硫磷（fenitrothion，FT）被广泛用于害虫防治。但过量及不当施用会导致FT在茶叶中残留，带来食品安全风险和生态危害；FT暴露可不可逆损伤人类中枢神经系统，并对鸟类、哺乳动物和水生生物具有高毒性。尽管欧洲已禁用FT，但许多地区仍可使用，全球对最大残留限量（maximum residue limits，MRLs）有严格规定。因此，亟需高灵敏、高效、可靠的分析方法监测茶叶中FT残留，以保障食品安全和生态环境健康。传统气相色谱、气相色谱-质谱和高性能液相色谱可用于FT痕量检测，但电化学传感器因响应快、成本低、易小型化、灵敏度高等优点成为竞争性替代。然而，FT本身电化学活性差，且纳米材料基底存在信号不稳定问题，限制了实际传感性能。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）具有丰富表面含氧官能团和良好溶液分散性，但电导率低；还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）可恢复sp²共轭碳域并提高电导率，但易自堆叠。多孔还原氧化石墨烯（holey reduced graphene oxide，HrGO）通过面内纳米孔提供离子扩散和质量传输通道，暴露丰富边缘活性位点并缓解堆叠，但仍会聚集。多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）导电性和机械稳定性优异，可促进界面电子转移，但水分散性差。GO与MWCNTs复合可实现互补，但MWCNTs修饰HrGO用于传感的研究较少，HrGO面内孔与一维多壁碳纳米管共同撑开二维HrGO片并防止堆叠的独特作用尚未被明确认识。研究人员因此提出“双间隔物”网络，并首次构建基于HrGO/MWCNTs纳米复合材料的高性能电化学传感器，用于茶样中超灵敏FT残留检测；HrGO由H₂O₂诱导GO成孔氧化后经抗坏血酸钠绿色还原制得，复合材料滴涂于玻碳电极（glassy carbon electrode，GCE）。该研究通过标准加入法检测加标白茶、红茶和绿茶，并与HPLC比较，得出传感器具有宽线性范围、超低检出限、良好重现性、抗干扰和长期稳定性，在食品安全与生态环境健康监测方面具有重要意义。

研究方法概括：研究人员先以H₂O₂诱导GO成孔氧化，再用抗坏血酸钠还原制备HrGO；将HrGO与MWCNTs超声复合，滴涂于GCE构建传感界面。采用方波伏安法（square wave voltammetry，SWV）、电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）、计时库仑法（chrono-coulometry，CC）、循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）和计时电流法（chronoamperometric，CA）评估电化学行为、活性面积、动力学和扩散系数；用高效液相色谱-紫外检测（high-performance liquid chromatography-ultraviolet detection，HPLC-UV）验证准确性。真实样品为当地市场购买的白茶、红茶和绿茶，按GB 23200.13–2016经乙腈均质、离心和膜过滤后直接测定。

3.1 物理表征：通过TEM观察GO、HrGO、MWCNTs和HrGO/MWCNTs形貌，GO呈典型褶皱少层堆叠，HrGO呈多孔结构，MWCNTs呈交织管状聚集；复合材料中MWCNT束被拆散并由HrGO均匀包裹，HrGO片更薄，表明强界面相互作用。Raman显示HrGO的I_D/I_G（1.12）高于GO（0.81），证实H₂O₂氧化刻蚀成孔；HrGO/MWCNTs的I_D/I_G为1.13，说明界面相互作用增强并产生更多结构边界和界面缺陷。静置四个月后，HrGO/MWCNTs仍保持均匀分散，归因于HrGO与MWCNTs间协同π–π堆叠。

3.2 电化学行为与电化学表征：SWV在0.1 M磷酸缓冲液（pH 7.0）中10 μM FT下显示还原峰电流从裸GCE的7.159 μA、GO/GCE的11.65 μA、HrGO/GCE的13.05 μA、MWCNTs/GCE的43.74 μA增至HrGO/MWCNTs/GCE的70.05 μA，表明协同增强电催化活性。EIS得电荷转移电阻（charge transfer resistance，R_ct）分别为124、1544、59、106和38 Ω，HrGO/MWCNTs/GCE最低；CC得电化学活性表面积（electrochemical active surface area，EASA）分别为0.0672、0.0393、0.0871、0.0739和0.111 cm²，复合电极最大。GO因含氧基团破坏sp²共轭且堆叠覆盖电极，R_ct最高、EASA最小。复合物中HrGO面内孔暴露边缘位点并促进FT积累，MWCNTs提供高导电一维网络并防止堆叠，形成三维互连网络，协同增强FT还原。

3.3 实验条件优化：在10.0 μM FT下优化MWCNTs与HrGO质量比、负载体积、孵育时间和pH。质量比从2:5增至6:5时峰电流升高，超过6:5下降，选择6:5，即0.3 mg/mL MWCNTs与0.25 mg/mL HrGO；负载体积5 μL最佳；孵育5 min达吸附饱和；pH 7.0信号最大。

3.4 动力学与氧化还原机制研究：CV显示约?0.70 V处不可逆还原峰R₁，反向无氧化峰；峰电流Ip与扫描速率平方根v^1/2线性，Ip(μA)=?399.1v^1/2+40.62（R²=0.9966），表明扩散控制。Laviron拟合Ep=?0.03299ln v?0.5465（R²=0.9994），涉及四电子转移。连续CV表明–NO₂先经4电子4质子还原为–NHOH，后者可逆2电子2质子氧化为–NO，–NO再可逆还原回–NHOH；FT扩散系数为3.47×10^?5 cm² s^?1，高于已有研究。

3.5 HrGO/MWCNTs/GCE对FT的电化学检测：SWV显示两个线性范围0.008–1.0 μM和1.0–10 μM，低浓度回归方程Ip=?17.72c+0.01271（R²=0.9942），高浓度Ip=?6.378c?11.27（R²=0.9970）；转折点1.0 μM处两方程电流差约0.34%，影响可忽略。双线性归因于FT或其中间体在电极表面吸附/积累使高浓度斜率降低，但整体仍主要扩散控制。LOD为6.6 nM，低于多数已报道FT电化学传感器和茶叶中MRL（0.5 mg/kg，1.8 μM）。

3.6 重现性、干扰和长期稳定性：七个独立电极检测10 μM FT的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）为2.9%；加入200倍KCl、MgSO₄、MnCl₂，20倍维生素C、维生素B₆，500倍赖氨酸、谷氨酸、果糖、咖啡因和柠檬酸后峰电流无明显变化；15天储存期间信号几乎保持初始值。但同一电极重复使用第二次峰电流显著下降，表明FT及其中间体造成表面污染，故传感器为一次性应用。

3.7 实际茶样中FT检测的应用：用标准加入法检测白茶、红茶和绿茶，回收率分别为90.93%–100.9%（RSD 0.9%–3.3%）、92.12%–100.8%（RSD 1.6%–4.8%）和95.36%–99.79%（RSD 0.5%–4.6%），与HPLC-UV结果吻合，表明实际应用潜力。

讨论与结论总结：该工作表明HrGO/MWCNTs复合材料整合了HrGO的孔结构、边缘活性位点、缓解堆叠能力与MWCNTs的高导电和一维支撑作用，形成扩大的有效电活性面积、改善电导、丰富表面活性位点和高稳定性，从而协同放大FT响应。局限是表面污染限制重复性；未来拟重新设计抗污染修饰电极，并将平台集成便携式丝网印刷电极（screen-printed electrodes，SPE），在界面原位聚合分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymer，MIP）层以提高复杂茶基质中选择性，实现快速现场筛查。研究结论翻译如下：研究人员构建了一种基于HrGO/MWCNTs纳米复合材料的新型高性能电化学传感器，用于灵敏检测茶样中的FT残留。HrGO与MWCNTs的整合赋予修饰电极增大的有效电活性表面积、改善的电导率、丰富的表面活性位点以及高稳定性。HrGO和MWCNTs之间的协同效应显著放大了对FT的电化学响应信号，实现了两个线性浓度范围0.008–1.0 μM和1.0–10.0 μM内的超灵敏稳定FT检测，检出限低至6.6 nM。此外，该传感器表现出良好重现性、突出抗干扰能力和优异长期稳定性。最重要的是，该传感器已成功应用于商业白茶、绿茶和红茶样品中FT残留的定量，获得满意回收率和低相对标准偏差，验证了其在复杂真实食品基质中可靠和常规监测FT残留的巨大实际潜力。然而，表面污染限制了该传感器对FT检测的重复性。在未来的研究中，研究人员旨在重新设计修饰电极，使其对FT具有高效电催化能力并具有稳健抗污染能力。此外，研究人员将重点关注将该HrGO/MWCNTs平台整合到便携式SPE中，并通过在传感器界面原位聚合MIP层来增强其在复杂茶基质中对FT的选择性，最终实现快速现场筛查。