使用改性氧化石墨实现自由站立式微电化学传感器的自组装，用于农业硝酸盐检测

《Microchemical Journal》：Self-assembly of free-standing microelectrochemical sensor using modified graphite oxide for agricultural nitrite detection

　　金明月|刘媛|陈月文|杨伊楠|杨芳婷
江苏大学物理与电子工程学院，镇江市212013，中华人民共和国

**摘要**
开发高性能柔性微电化学传感器对于多种应用至关重要，包括农业亚硝酸盐检测。然而，由于信号保真度与极化之间的固有权衡，同时实现高灵敏度、微型化和制备简便性仍然具有挑战性。本文通过策略性地调控电化学剥离的氧化石墨烯（EGO）中的氧基金团，解决了这些相互冲突的需求。具体而言，从图案化的EGO片材自组装成独立的薄膜作为电极。工作电极通过热退火 EGO 来降低其氧含量，这一过程产生了丰富的活性位点，同时抑制了背景电流，从而获得了 1290.18 μA mm?1 cm?2 的高灵敏度和 0.011 μM 的超低检测限。同时，原始的 EGO 作为结合的对电极/准参比电极（QRE），保持了优化的氧化还原活性以实现高效的电子转移。这种协同设计使得无需外部参比电极即可实现简单的双电极微传感器配置，具备宽动态范围、快速响应以及对常见土壤干扰离子的优异选择性。该传感器在真实农田土壤提取物中的回收率达到了 97.1–101.2%，验证了其在农业现场监测中的实际应用价值。该集成平台结合了简便的制备工艺和卓越的分析性能，为便携式土壤亚硝酸盐监测和农业现场应用提供了巨大潜力。

**引言**
亚硝酸盐是土壤氮循环中的关键中间体，也是农业生态系统健康状况的敏感指标 [1]。作为含铵肥料的关键转化产物，土壤中亚硝酸盐的过量积累表明氮化过程失衡，可能导致地下水污染，并通过食物链形成致癌的 N-亚硝胺。因此，实时监测土壤中的亚硝酸盐对于优化肥料利用 [2]、防止农业非点源污染以及确保作物质量安全至关重要 [2]。然而，传统的比色方法需要实验室基础设施和漫长的程序，限制了农场的精细化施肥决策。开发低成本、高性能的传感器以实现实时土壤亚硝酸盐监测，对精准农业 [3]、环境监测 [5]、食品安全、生态完整性、生物医学等领域至关重要 [3,4]。电化学传感器通过特定电极表面的反应将亚硝酸盐浓度直接转换为电信号，提供了一种高效且灵敏的替代方案 [6,7]。根据 IUPAC 的指南，电化学传感器的性能评估基于灵敏度、选择性和生物兼容性等指标 [6]。最近，在农业土壤监测的电化学传感研究中，研究人员利用循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）或电流-时间曲线（i-t）实现了亚硝酸盐的现场检测，当代测量科学强调严格的多种技术验证协议以确保可靠的现场应用 [8]。在农场测试过程中，需要增强来自亚硝酸盐氧化的法拉第信号，同时最小化复杂土壤基质的背景电流，以确保精确施肥指导的合理读数（图 1a），正如最近在具有挑战性的基质中亚硝酸盐检测方面的进展所证明的那样 [9]。此外，为了提高亚硝酸盐的准确定量，增强选择性能以进行全面土壤肥力评估 [10]，稳定电位并缩小农业样品中干扰物质的峰宽也很重要（图 1b, 11）。对于实际农业应用 [12]，传统的高三电极配置（如丝网印刷）会增大整体体积，并受到复杂土壤基质和现场条件的限制。因此，双电极架构对于简化设备以便现场部署至关重要（图 1c [13]）。此外，为了满足现场兼容性，包括微型化、柔性化和可贴合农业基质的格式（例如粘附在作物叶片上或插入土壤基质中），需要柔性独立的微传感器（图 1d）。理想的电化学传感器应产生高信噪比和选择性的信号输出，以实现准确快速的亚硝酸盐检测，并且需要双电极配置和灵活的参数以适应实际农业应用 [12]。

然而，这些性能和制备目标很难实现。简而言之，为了提高高灵敏度的信噪比，需要增强来自活性位点亚硝酸盐氧化的法拉第信号（[14]），同时抑制非法拉第电流（由伪电容 [15]、双电层电容（EDLC）和副反应 [16] 等引起）。为了增强法拉第信号，必须确保电极界面上活性位点的有效电子转移，从而增强亚硝酸盐的氧化还原反应。这一过程需要导电支架 [17]，但这可能会引入伪电容和 EDLC 等背景信号，从而增加背景噪声（图 1e）。此外，快速检测土壤亚硝酸盐需要土壤提取物中的高效质量传输和亚硝酸盐的即时氧化还原转化。尽管旋转盘电极等流体动力学技术可以增强机械研究中的质量传输信号，但静态批次测量对于实用的现场可部署传感器仍然至关重要 [18]。这一过程不可避免地会导致吸附的土壤有机物（如腐殖酸、富里酸）和电化学副产物的积累，加剧极化并减缓反应速度。这导致了分析物检测与电极污染之间的权衡效应，使得高精度电位测量变得困难（图 1f）。通常采用双电极微传感器来简化基于现场的农业监测传感器配置 [4]。然而，对电极必须在大范围内承受高电流以促进亚硝酸盐转化，而工作电极表面则需要超低背景电流。这种固有的不匹配使得双电极设备的微型化变得复杂（图 1g）。此外，用于农业应用的柔性传感器通常通过涂层方法制备成复合薄膜，并添加粘合剂，但这些粘合材料会损害微电极图案的精度，引入诸如毛刺或拖痕等表面缺陷。机械灵活性（以适应土壤基质或作物表面）与结构精度（以确保可重复的电化学性能）之间的矛盾需求，使得柔性微电极的制备变得极具挑战性（图 1h）。基于石墨烯的柔性电热材料最近作为有前景的平台出现，它们利用高热导率实现精确的图案化，同时保持机械适应性，为集成传感设备提供了设计思路 [19]。因此，实现高性能亚硝酸盐检测需要协调活性位点和导电添加剂的优化、亚硝酸盐在土壤提取物中的扩散、检测灵敏度与电流收集之间的平衡，以及自组装过程和微尺度精度的设计。

基于碳材料及其改性的电极可能解决这些不足 [20]。碳因其低成本、易于生产、宽电位窗口和电化学惰性而适用于电极制备。此外，碳基材料可以通过工程化设计展现出特定性能，包括自结合能力、热导率、电荷传输、丰富的活性位点和背景信号抑制。具体而言，通过改性，碳材料可以在晶格内生成丰富的活性位点，显著增强界面反应动力学，并为亚硝酸盐氧化产生强烈的法拉第响应。最近的表面电化学研究进一步阐明了含氧功能团和碳缺陷位点在促进亚硝酸盐吸附和电子转移中的作用 [21]。此外，通过脱氧，高度有序的石墨结构在宽电位窗口内表现出低伪电容，显著降低了背景噪声。尽管二维导电酞菁基 MOFs 在亚硝酸盐检测方面表现出优异的催化活性，但它们需要复杂的合成过程并会长期降解，这促使人们开发无金属的简化碳替代品 [22]。“低背景”和“高响应”的协同效应使得优化的石墨结构成为高灵敏度和稳定亚硝酸盐传感器的理想电极材料（图 1i）。尽管氮掺杂的石墨烯-MOF 纳米催化剂表现出有希望的电催化性能，但其在连续极化下的结构降解突显了热稳定碳缺陷位点的优势 [23]。此外，碳材料可以通过改性创造出具有支架结构的形态工程表面，促进微尺度质量传输和快速电子传输路径，从而实现快速电子传输、快速离子扩散和反应动力学的协同增强，优化了亚硝酸盐检测与电极污染抵抗之间的平衡。因此，优化的碳是构建高性能 [24]、快速响应电化学传感器的理想工作电极（图 1j）。此外，通过调控含氧基团，碳材料可以引入氧化还原活性位点以提高电流收集能力（图 1k），从而实现对电极和准参比电极功能的集成。此外，通过改性，石墨结构可以自组装成有序排列，形成无需粘合剂的均匀薄膜 [25, 26]，这种平衡了成膜能力和机械适应性，实现了柔韧性和精确的微图案化 [28]。这些特性使得优化的石墨结构成为结合了机械适应性和易于制造的理想电极（图 1l）。最近关于亚硝酸盐定量方法的基准研究进一步明确了碳基传感器在当前分析领域的竞争力 [29]。总之，具有高导电性、低背景电流、可调表面活性和高效离子扩散的优化碳材料为高灵敏度、选择性和简化配置的电化学传感器提供了潜力。同时，它们的机械柔韧性和易于加工特性使其适合用于农业亚硝酸盐检测的柔性微传感器。

在这项工作中，我们使用电化学剥离方法制备了改性的氧化石墨烯（EGO），然后用它构建了独立微传感器的工作电极和对电极。具体而言，EGO 片材在 35°C 下自组装成独立薄膜，然后使用激光切割器将其图案化为互补电极配置。工作电极随后在 500°C 下进行选择性退火 [31, 32]，未退火区域作为对电极。退火过程将氧含量从 19.66 at.% 降低到 8.4 at.%，并生成了碳纳米簇，使得 rEGO 具有低背景电流（约 1.4 μA cm?2，比 EGO 的约 2.0 mA cm?2 低三个数量级）和丰富的活性位点 [33]。优化的 rEGO 工作电极表现出高灵敏度（1290.18 μA mm?1·cm?2）和优异的选择性（来自 100 倍过量 NO??、SO?2?、Ca2? 和其他常见农业土壤干扰离子的干扰可以忽略不计）。该微传感器实现了 0.011 μM 的超低检测限，宽线性范围涵盖五个数量级（6 × 10?? 至 7 × 10?3 M），并在 5 秒内快速响应。同时，EGO 对电极确保了高效的电流收集，提供了约 24 倍更高的电荷存储容量（1750 s 对比 70 s 放电时间）和六倍更高的比电容（约 180 F/g 对比约 25 F/g），这归功于其优化的氧基金团提供了氧化还原活性位点。基于这种协同设计，电化学传感器配置简化为无需外部参比电极的双电极系统。这种独立微传感器结合了简便的制备工艺和高性能，显示出在便携式农业亚硝酸盐检测和现场土壤监测方面的巨大潜力。

**材料与试剂**
实验中使用的所有化学品，包括 NaNO?、NaNO?、Na?SO?、CaCl?、NaCl、KCl、KNO?、Zn(NO?)? 和 Co(NO?)?，均为分析级，可直接使用。磷酸盐缓冲溶液（PBS，0.1 M，pH 7.4）使用 Na?HPO?·12H?O 和 NaH?PO?·2H?O 制备。所有溶液均使用去离子水配制。

**仪器与表征**
材料表征：表面化学和成分通过傅里叶变换红外光谱（FTIR，Thermo Scientific Nicolet iS50）在特定范围内进行分析。

**微电化学传感器制备示意图**
图 2 展示了用于农业亚硝酸盐检测的高性能 EGO 基微电化学传感器的制备过程示意图。EGO 使用改良的电化学剥离方法制备（图 2a），在其表面产生了适当的含氧功能团（例如羧基、羟基），如先前报道的那样（图 2e）。由于氧化基金团的优化，EGO 可以在水介质中形成具有高电导率的稳定胶体（图 2）。

**结论**
为了解决微电化学传感器中的权衡效应，我们提出通过调节 EGO 的氧基金团是一种可行的解决方案。通过降低氧含量（从 19.66 at.% 降至 8.4 at.%），获得了高灵敏度（1290.18 μA·mm?1·cm?2）和超低检测限（0.011 μM）的工作电极；通过维持适当的氧含量水平，获得了具有高效电流收集能力的 QRE（提供约 24 倍更高的电荷存储容量和六倍的比电容）。

**作者贡献声明**
金明月：写作 – 审稿与编辑、原始草稿编写、可视化、验证、调查、正式分析、数据管理、概念化。
刘媛：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取。
陈月文：正式分析。
杨伊楠：软件开发、数据管理。
杨芳婷：方法学研究、调查。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。