基于碳黑-石墨相氮化碳纳米复合材料的克百威印迹电化学传感器开发及其在橙汁样品中克百威检测的应用

《Foods》：Development of Carbofuran Imprinted Electrochemical Sensor Based on Carbon Black–Graphitic Carbon Nitride Nanocomposite and Carbofuran Detection in Orange Juice Samples

　　

摘要专业翻译 克百威（Carbofuran, CAR）是一种毒性极强的氨基甲酸酯类杀虫剂，对环境和人类健康均构成严重威胁，因此亟需高灵敏度的分析方法用于食品基质中该类农药的检测。本研究提出了一种用于CAR检测的新策略，展示了分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers, MIPs）与碳黑-石墨相氮化碳（Carbon Black–Graphitic Carbon Nitride, CB-g-C3N4）纳米复合材料之间的协同效应。通过将MIPs的高亲和力特异性识别能力与CB-g-C3N4平台优异的电化学传感性能相结合，所开发的方法显著提高了农药分析中的灵敏度和选择性。在将玻碳电极（Glassy Carbon Electrode, GCE）用CB-g-C3N4纳米复合材料修饰后，通过循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）构建了CAR印迹传感界面。电聚合过程在含有100.0 mM吡咯（Pyrrole, Py）作为功能单体和25.0 mM CAR作为模板分子的溶液中进行。这种受控的电化学沉积促进了选择性MIP层的形成，有效地在纳米复合材料修饰的表面上提供了特异性识别位点。在优化条件下，该传感器表现出从1.0 × 10?9 M到5.0 × 10?8 M的线性动态范围。此外，检测限（Limit of Detection, LOD）计算为3.0 × 10?10 M，突显了该传感器的高灵敏度及其监测农药痕量残留的适用性。为评估所提出的电化学传感器的实际应用价值，研究人员在橙汁样品中考察了其性能。分析结果显示回收率接近100%，证实了该传感器在复杂食品基质中有效运行的能力。

论文解读文章

一、研究背景与意义

克百威（Carbofuran, CAR）是一种高效但毒性极强的氨基甲酸酯类杀虫剂，在棉花、玉米、小麦、水稻及多种蔬菜等大宗经济作物的农业害虫管理中应用广泛。尽管杀虫效力突出，CAR具有高水溶性（0.70 g L^?1）、显著的抗降解能力和在土壤及水环境中的高迁移性，使其易于进入食物链并在其中累积。在生物体内，约80.0%的CAR母体化合物被迅速代谢为3-羟基克百威，超过5.0%转化为3-氧代克百威。即使在痕量浓度下，CAR及其有毒代谢产物也能抑制胆碱酯酶活性，损害内分泌和神经系统功能，对人类健康、野生动物种群和生态系统完整性构成重大风险。尽管CAR已在多国被禁用，但仍在农业生产中持续使用。世界卫生组织（WHO）已提出饮用水中CAR的指导值为0.007 mg L^?1。传统检测方法如高效液相色谱法、分光光度法和荧光分析法虽精度高，但存在成本高、样品前处理复杂、无法实现快速现场检测等显著缺陷。因此，开发低成本、高灵敏、可实时监测的电化学传感器成为迫切需求。本研究正是基于这一背景，旨在通过纳米材料与分子印迹技术的协同整合，构建一种兼具高灵敏度与高选择性的CAR电化学检测平台。

二、研究内容与主要结论

研究人员开发了一种基于CB-g-C₃N₄纳米复合材料与分子印迹聚合物（MIPs）协同作用的电化学传感器，用于CAR的精准定量检测。该传感器以玻碳电极（GCE）为基底，通过滴涂法修饰CB-g-C₃N₄纳米复合材料，再以吡咯（Py）为功能单体、CAR为模板分子，通过循环伏安法（CV）电聚合构建印迹识别层。在优化条件下，传感器表现出1.0 × 10^?9 M至5.0 × 10^?8 M的线性检测范围，检测限（LOD）低至3.0 × 10^?10 M。在橙汁实际样品中，回收率接近100%，并与标准气相色谱-质谱联用（GC-MS）方法无显著统计学差异，验证了传感器的实际应用可靠性。该研究为食品基质中痕量农药残留的快速检测提供了新的技术方案，兼具高灵敏度、高选择性、良好稳定性和环境友好性。

三、关键技术与方法概述

本研究主要采用以下核心技术方法：其一，通过热聚合法以三聚氰胺为前驱体在600 °C下制备石墨相氮化碳（g-C₃N₄）纳米材料，再与碳黑（CB）按50%:50%摩尔比在乙基纤维素-松油醇粘结溶液中机械研磨混合，制得CB-g-C₃N₄纳米复合材料。其二，采用滴涂法将纳米复合材料修饰于玻碳电极表面，构建CB-g-C₃N₄/GCE。其三，以循环伏安法在含100.0 mM吡咯和25.0 mM CAR的溶液中进行电聚合，经20圈扫描构建分子印迹聚合物层，随后用1.0 M NaCl溶液洗脱模板分子，形成具有特异性识别空腔的MIP/CB-g-C₃N₄/GCE传感器。其四，采用方波伏安法（SWV）进行CAR定量检测。表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）和X射线衍射（XRD）。橙汁样品购自土耳其超市，经离心取上清液后用磷酸盐缓冲液（pH 7.0）按1:100稀释后进行检测。

四、研究结果

4.1 CB-g-C₃N₄纳米复合材料表征

通过FTIR光谱验证了g-C₃N₄的化学结构，在811 cm^?1处观察到s-三嗪环单元的典型特征峰，1240-1459 cm^?1区域归属于C-N键伸缩振动，1549和1629 cm^?1为C=N伸缩特征，3000-3400 cm^?1宽峰表明N-H和O-H伸缩模式的存在。拉曼光谱中1235 cm^?1处的谱带与蜜勒胺聚合相关，981 cm^?1信号证实s-三嗪结构单元的存在。SEM图像显示g-C₃N₄呈平坦波浪状纳米片形貌，无团聚现象。EDX分析表明纯g-C₃N₄的碳氮比为0.85，CB的引入使碳含量显著增加。

4.2 CB和CB-g-C₃N₄修饰电极的电化学表征

CV和电化学阻抗谱（EIS）分析显示，CB/GCE比裸GCE表现出更强的阳极和阴极峰，归因于CB的高电导率和快速电子转移能力。CB-g-C₃N₄/GCE显示出更强的电化学峰，源于CB与g-C₃N₄的协同效应。CAR洗脱后的MIP/CB-g-C₃N₄/GCE峰强度低于CB/GCE和CB-g-C₃N₄/GCE，证实聚合物层的有效沉积。EIS测得各电极的电荷转移电阻（Rct）分别为：裸GCE为70.0 ± 0.81 Ω，CB/GCE为30.0 ± 0.73 Ω，CB-g-C₃N₄/GCE为20.0 ± 0.90 Ω，CAR洗脱后的MIP电极为45 ± 0.43 Ω。MIP电极在CAR洗脱后Rct降低，表明识别位点的形成促进了界面电子转移。

4.3 CAR印迹聚合物在CB-g-C₃N₄/GCE上的构建

电聚合过程中，+0.70 V处的电化学信号随扫描圈数增加持续下降，至第20圈趋于稳定，表明聚合物层成功形成。SEM显示MIP电极表面呈多孔结构，具有可及的识别空腔，而NIP电极表面均匀无纳米空腔。

4.4 条件优化

pH优化实验表明，阳极峰电位随pH升高向负方向移动，回归方程为Ep (V) = ?0.0403 pH + 0.7063（R² = 0.9993），表明CAR的电化学氧化涉及等比例的电子和质子转移，即质子耦合电子转移机制，主要通过酚基的一个电子和一个质子转移进行。峰电流在pH 4.0至7.0范围内递增，pH 7.0时达到最大值，故选择pH 7.0为最佳介质。单体与模板分子浓度比优化确定100.0 mM Py和25.0 mM CAR为最优配比。电聚合扫描圈数优化确定20圈为最佳，超过20圈导致聚合物层过厚而降低灵敏度。洗脱时间优化确定20 min为最佳模板去除时间。

4.5 传感器灵敏度

在最优条件下，MIP/CB-g-C₃N₄/GCE对1.0至50.0 nM浓度范围的CAR表现出优异的SWV响应，线性回归方程为y (μA) = 0.3003 × (C_CAR, nM) ? 0.0287。定量限（LOQ）为1.0 × 10^?9 M，检测限（LOD）为3.0 × 10^?10 M。与文献报道的其他CAR检测方法相比，该传感器灵敏度更优，归因于CB的高比表面积和优异导电性促进了快速电子转移，以及g-C₃N₄的富氮骨架提供了丰富的活性位点，增强了与CAR分子的π-π堆积和氢键相互作用。

4.6 回收率验证

在橙汁样品中进行回收率实验，结果接近100.00%。与标准GC-MS方法对比，经Kruskal-Wallis检验无显著统计学差异（KW_tabulated > KW_calculated, p > 0.05），证实了传感器的可靠性。标准加入法得到的线性方程为y (μA) = 0.3011 × (C_CAR, nM) ? 0.183，与直接校准曲线斜率高度一致，进一步证实了传感器的特异性。

4.7 选择性、稳定性与重现性

在10.0 nM CAR及等摩尔浓度的多巴胺（DOP）、抗坏血酸（AA）和杀螟硫磷（FEN）干扰物存在下，MIP电极对CAR的选择性系数（k）分别为DOP、AA和FEN的10.0、15.0和30.0倍，相对选择性系数（k′）为3.00至5.00，印迹因子（IF）为30.00，显著高于结构类似物的IF值（DOP: 6.00, AA: 6.67, FEN: 10.00），证实分子印迹过程成功创建了高亲和力识别空腔。长期稳定性测试表明，传感器在七周后仍保留约99.04%的初始峰电流信号。20个独立制备传感器的相对标准偏差（RSD）为0.93%，表明制造过程具有优异的重现性。

4.8 耐用性与稳健性

经Wilcoxon检验，两名不同分析人员对10.0 nM CAR进行六次重复分析的检测结果无显著统计学差异（T_calculated > T_tabulated, p > 0.05），证实了电极的耐用性。在pH 6.9至7.1的微小波动条件下，传感器保持稳定的分析性能，无显著偏差，证实了其稳健性。

4.9 MIPs传感器数学分析与热力学

应用Langmuir、Freundlich和Langmuir-Freundlich三种等温线模型拟合吸附数据。Langmuir和Langmuir-Freundlich模型均表现出高相关系数（R² > 0.99），解离常数（K_D）范围为40.00-45.45 nM，表明聚合物表面含有对CAR具有高亲和力的特异性结合空腔。Langmuir-Freundlich模型的非均质性因子表明结合位点的能量分布以单层吸附机制为主，但存在轻微非均质性。在25 °C下，由Langmuir等温线耦合常数（K_A）计算的标准吉布斯自由能（ΔG°）约为?42.1 kJ/mol，表明CAR分子与聚合物空腔的结合是自发的且热力学高度有利，涉及氢键等化学性质的强相互作用。

4.10 绿色度评价

采用绿色分析程序指数（GAPI）和分析绿色度度量（AGREE）评估方法的绿色特征。AGREE得分为0.91（满分1.0），表明该方法高度符合绿色分析化学原则。蓝色适用性指标（BAGI）评估进一步确认了该传感器的实际应用可行性。

五、结论

本研究成功开发了一种基于CB-g-C₃N₄纳米复合材料的电化学传感器，用于CAR的精准定量检测。该传感器表现出1.0 × 10^?9 M至5.0 × 10^?8 M的线性动态范围和3.0 × 10^?10 M的低检测限。在橙汁样品中的回收率实验结果显示回收率持续接近100.0%。通过与标准GC-MS方法的对比分析，两种技术之间无显著统计学差异，验证了传感器的准确性。该传感器具有良好的选择性、长期稳定性和制造重现性，是一种可靠的CAR检测分析工具。该电化学传感器可进一步推广应用于更多实际样品，用于常规食品控制分析。