基于氧化还原增强的热解玻璃碳传感器，用于超灵敏地同时检测硝酸盐和亚硝酸盐

《Talanta》：Redox-amplified pyrolytic glassy carbon sensor for ultrasensitive simultaneous detection of nitrate and nitrite

高灵敏度四电极电化学传感器通过CuNP和AuNP修饰的微流控平台实现硝酸盐和亚硝酸盐的同步检测，检测限分别达2 ppb和100 ppb，较传统方法提升两个数量级。

　　

周鹏|徐英明|崔天虹

明尼苏达大学机械工程系，明尼阿波利斯，MN，55455，美国

摘要

本研究报道了一种基于热解玻璃碳微结构的新四电极电化学传感器，用于超灵敏和同时检测硝酸盐和亚硝酸盐。与传统三电极传感器不同，该传感器在一个微流控平台上集成了铜纳米粒子（CuNP）修饰的工作电极和金纳米粒子（AuNP）修饰的辅助氧化电极，建立了一种创新的氧化还原放大机制，显著提高了检测灵敏度。通过系统优化电沉积和操作参数，该设备实现了高度可重复性和选择性的响应。值得注意的是，四电极配置对硝酸盐的检测限达到了2 ppb，对亚硝酸盐的检测限达到了100 ppb，比标准架构提高了两个数量级。此外，通过区分不同的氧化电位实现了硝酸盐和亚硝酸盐的同时定量。传感器的集成设计、放大策略和微流控兼容性共同实现了一个低成本、可重复使用且高性能的环境监测氮污染物的平台。

引言

硝酸盐（NO₃^?）和亚硝酸盐（NO₂^?）是广泛存在的无机氮污染物，主要来源于农业径流、牲畜废物和市政排放。它们在水生系统中的积累已成为一个紧迫的全球环境问题[1,2]。美国环境保护署（EPA）将饮用水中硝酸盐氮（NO₃^?-N）和亚硝酸盐氮（NO₂^?-N）的最大污染物水平（MCLs）分别设定为10 ppm和1 ppm[3]。然而，污染仍然普遍存在。美国地质调查局（USGS）的模型估计，大约2%的美国陆地地区的地下水中硝酸盐氮浓度超过了10 ppm，超过2000个社区供水系统的人群暴露在较高水平的硝酸盐氮中[4,5]。在欧洲，尽管有监管努力，仍有14.1%的地下水监测点报告硝酸盐氮浓度超过50 ppm的阈值，特别是在集约农业地区[6]。硝酸盐和亚硝酸盐暴露相关的健康风险已经得到充分证实。硝酸盐可以在体内还原为亚硝酸盐，后者可能形成强致癌物质N-亚硝基化合物或导致高铁血红蛋白血症，尤其是在婴儿和孕妇中[7]。根据美国国立卫生研究院（NIH）的数据，2017年至2020年间，6岁及以上的美国人群中尿硝酸盐（经肌酐校正）的95百分位数达到了110.3 mg/g，表明某些人群长期暴露于高浓度硝酸盐中[8]。此外，流行病学研究表明，即使低于当前监管限值的暴露也可能与胃肠道癌症、甲状腺功能障碍、出生缺陷和其他慢性健康问题的风险增加有关[9,10]。因此，开发具有高灵敏度和低检测限的便携式传感器对于环境监测和更好地保护人类健康至关重要。

目前用于检测水中硝酸盐和亚硝酸盐的分析技术主要包括紫外（UV）光谱法、离子色谱法（IC）和比色法[11,12]。UV光谱法通过220 nm附近的吸收来检测硝酸盐，但由于有机物质的干扰而选择性有限。IC具有高精度和多路复用能力，但需要昂贵的仪器和训练有素的操作员，限制了其便携性。基于Griess反应的比色法由于其简单性而被广泛用于亚硝酸盐检测，但硝酸盐的定量需要预先进行化学还原，使工作流程复杂化。虽然这些技术在实验室环境中可靠，但通常依赖于笨重的设备和集中分析，不适合实时、现场或资源受限的场景，如野外部署或家庭测试。

新兴的硝酸盐和亚硝酸盐检测传感技术包括电化学传感器[13]、光纤探针[14]、表面增强拉曼光谱（SERS）[15]和场效应晶体管（FETs）[16]。其中，基于MEMS的电化学传感器因其高灵敏度、小尺寸和适合野外部署而受到越来越多的关注。这些传感器通过测量NO₃^?（在负电位下还原）和NO₂^?（在正电位下氧化）的电化学反应过程中产生的氧化还原电流来工作[17,18]。性能很大程度上取决于电极材料和表面设计，最近的研究集中在纳米结构材料上以提高灵敏度和选择性。例如，Pt和Au纳米材料具有优异的催化活性，但成本较高[19]。基于碳的材料如还原氧化石墨烯（rGO）和碳纳米管提供了高导电性和可调表面[20]。铜纳米粒子（CuNPs）对硝酸盐^?的还原特别有效，玻璃碳-CuNP电极的检测限可低至1.2 μM[21]。对于亚硝酸盐^?，低过电位氧化是优选的，rGO或金属氧化物如MnO₂和Cu多孔材料表现出良好的性能[22,23]，AuNPs已成为有效的亚硝酸盐^?检测修饰剂，可实现低至30 nM的检测限[24]。

由于硝酸盐和亚硝酸盐的频繁共存及其在氮循环中的互补作用，同时检测它们变得越来越重要。传统方法通常涉及单独或顺序分析，增加了复杂性并限制了时间分辨率。最近的进展旨在将双检测能力集成到单个平台中，例如使用差分脉冲伏安法（DPV）或方波伏安法（SWV）的双电位电化学传感器，以及结合电化学和比色模块的微流控系统[25,26]。虽然这些策略提高了集成度，但在避免信号干扰和确保复杂基质中的稳定性方面仍存在挑战，突显了需要强大的实时传感解决方案。

基于辅助氧化电极的氧化还原放大策略因其能够显著提高灵敏度和降低检测限而受到广泛关注。这种方法引入了一个辅助电极，在工作电极的电化学过程中促进相反的氧化还原反应，将反应产物重新转化为反应物。这种连续再生增强了电子转移速率并提高了检测电流[27,28]。在硝酸盐和亚硝酸盐检测的情况下，辅助电极上不同的氧化电位提供了通过调节辅助电极电位来选择性地放大每个信号的机会。这使得在统一的传感器平台上同时识别和定量两种分析物成为可能。

受此概念的启发，我们开发了一种四电极双模式电化学传感器，包括一个工作电极（用于还原）、一个辅助氧化电极（具有可调电位）、一个参比电极和一个对电极，所有这些电极都是使用热解玻璃碳制造的。为了提高分析物的特异性反应性，工作电极和辅助电极分别用CuNPs和AuNPs进行了修饰，以检测NO₃^?和NO₂^?。实验结果表明，在优化条件下，该系统对NO₃^?和NO₂^?具有高灵敏度、优异的选择性和重复性。这些发现突显了该传感器在实际环境应用中的低成本、高通量和原位监测潜力。

材料与试剂

本研究中使用的所有试剂均为分析级。负性光刻胶SU-8 3050和KMPR 1005购自Kayaku Advanced Materials, Inc.（美国马萨诸塞州韦斯特伯勒）。石墨烯溶液来自剑桥大学。银/氯化银浆购自Creative Materials, Inc.（美国马萨诸塞州艾尔）。硫酸钠、硝酸钠、亚硝酸钠、醋酸、醋酸钠、氯金酸、铁氰化钾等试剂也均来自相应供应商。

热解玻璃碳/石墨烯电极的表征

使用EDS分析了SU-8 3050在热解前后的元素组成，如图2所示。作为典型的有机光刻胶，SU-8主要由碳和氧组成。因此，图2a和b显示了这两种元素的均匀且丰富的分布。直方图（图2e）中的定量分析表明，碳是主要成分，占87.8%，而氧占剩余的12.2%。

结论

在本研究中，我们开发了一种基于热解玻璃碳的四电极电化学传感器，用于超灵敏和同时检测硝酸盐和亚硝酸盐。该系统在一个微流控平台上集成了CuNP修饰的工作电极和AuNP修饰的辅助氧化电极，利用氧化还原放大显著提高了检测灵敏度。通过优化CuNP沉积电位和时间，以及对工作电极的仔细控制

CRediT作者贡献声明

周鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，项目管理，方法学，数据分析，概念化。徐英明：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法学，数据分析。崔天虹：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本工作的部分内容在明尼苏达纳米中心进行，该中心得到了国家科学基金会通过国家纳米协调基础设施网络（NNCI）的支持，授予编号为ECCS-1542202的奖项。部分工作在明尼苏达大学的表征设施进行，该设施部分得到了NSF通过MRSEC（授予编号DMR-2011401）和NNCI（授予编号ECCS-2025124）项目的支持。本工作还得到了