靜電紡氮硫共摻雜碳納米纖維修飾電極用于電化學(xué)發(fā)光檢測鹽酸地芬尼多

程 昊, 李學(xué)暖， 李天昊， 覃丹鳳， 唐婷范， 王桂香， 李彥青*

(1.廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州 545006；2.泰山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，山東泰安 2710213；3.蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西南寧 530004)

鹽酸地芬尼多(Difenidol Hydrochloride，DH)在臨床上用于緩解或預(yù)防頭暈、惡心和嘔吐[1,2]，主要用于治療內(nèi)耳炎、前庭神經(jīng)炎和梅尼埃病[3]。近年來多有兒童誤食和成人自殺事件的發(fā)生，因此，建立快速檢測DH的方法具有重要意義。目前常用檢測DH的方法有高效液相色譜[4,5]、色譜-質(zhì)譜[6]、陰離子表面活性劑滴定[7]和微流控芯片[8]等方法。但這些方法均存在耗時(shí)、儀器昂貴、操作復(fù)雜、靈敏度低等缺點(diǎn)。

雜原子摻雜可以改善含碳材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，而通過靜電紡絲獲得的碳納米纖維(CNFs)是雜原子摻雜理想的載體[9,10]。與單原子摻雜相比，多原子共摻雜可以改善材料的導(dǎo)電性和電極表面的潤濕性，從而提高材料的綜合性能。電化學(xué)發(fā)光(Electrochemiclusing,ECL)既有化學(xué)發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)，也具有電化學(xué)的優(yōu)點(diǎn)[11]。該方法具有靈敏度高、線性范圍寬、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，受到各領(lǐng)域廣泛關(guān)注。已經(jīng)有研究表明，ECL[12]和毛細(xì)血管電泳電化學(xué)發(fā)光(CE-ECL)可用于DH的檢測。本實(shí)驗(yàn)以聚丙烯腈(PAN)為碳源，Na2S2O3為硫源，采用靜電紡絲和高溫碳化，制備氮硫共摻雜多孔碳納米纖維(N-S,SCNFs)，并將該材料修飾玻碳電極(GCE)用于ECL法檢測DH。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

RST系列電化學(xué)工作站(鄭州世瑞思儀器科技有限公司)，實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng)：GCE或其修飾電極為工作電極，飽和AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極；S4800冷場發(fā)射掃描電鏡(SEM)(日本，日立公司)；Tecnai G2 F20場發(fā)射透射電鏡(TEM)(美國，F(xiàn)EI公司)；ASAP2020M+C全自動(dòng)微孔物理化學(xué)吸附儀(BET)(美國，麥克儀器公司)；Smartlab-9KW X射線衍射儀(XRD)(日本，理學(xué)公司)；XploRA PLUS激光共焦拉曼光譜儀(日本，Horiba公司)。

5%Nafion，NaH2PO4，Na2HPO4·12H2O，Na3BO3·10H2O，H3BO3，KCl，K3[Fe(CN)6]，Na2S2O3，K4[Fe(CN)6]，聚丙烯腈(PAN)，實(shí)驗(yàn)所用試劑均購于Sigma-Aldrich試劑(上海)公司，均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 材料制備

將0.402 g Na2S2O3和10 mL DMF在室溫下攪拌12 h,然后將1.6 g PAN加入混合溶液中，繼續(xù)攪拌12 h,得到紡絲前驅(qū)體溶液。將該溶液裝入注射器中，靜電紡絲裝置的參數(shù)設(shè)置為：電壓17 kV;針尖與收集器之間的距離為10 cm;流速為1.0 mL·h-1；紡絲收集器的轉(zhuǎn)速為180 r·min-1。在其靜電紡絲參數(shù)設(shè)置下得到N,S -SCNFs，將N,S -SCNFs在空氣中以5 ℃·min-1的速率升溫至250 ℃,維持2 h后，在N2保護(hù)下以5 ℃·min-1的速率升溫至850 ℃進(jìn)行碳化，自然冷卻到室溫。得到的N,S -SCNFs用超純水洗滌除去Na+,60 ℃烘箱烘干，即得到純凈的N,S -SCNFs。

1.3 修飾電極制備

GCE依次用0.3、0.05 μm的Al2O3粉末在麂皮上拋光成鏡面，然后用超純水、乙醇、超純水交替進(jìn)行超聲清洗，N2吹干備用。稱取1.5 mg N,S -SCNFs粉末，將其溶于1.0 mL含有0.05%Nafion的異丙醇-超純水(1∶4，V/V)中，超聲5 min得到N,S -SCNFs混合懸濁液。取上述N,S -SCNFs混合懸濁液5 μL滴涂于裸GCE表面，室溫下靜置干燥，得到修飾電極，記作N,S -SCNFs/GCE。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1.5 電化學(xué)方法

本研究所有電化學(xué)測試均在三電極系統(tǒng)下進(jìn)行，采用循環(huán)伏安法，考察DH在100 μL的0.1 mol·L-1磷酸鹽緩沖溶液(PBS,pH=7.5)中的電化學(xué)行為。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

材料的透射電鏡(TEM)表征結(jié)果如圖1(a)、1(b)所示，CNFs和N,S -SCNFs都呈現(xiàn)均勻連續(xù)的纖維，并且表面光滑，外部形態(tài)沒有明顯的差異，說明N和S的摻雜可能發(fā)生在分子水平。由圖1(c)～1(f)可知，N和S均勻分布在材料中。

圖1 CNFs(a)和N,S -SCNFs(b)的透射電鏡(TEM)圖；N,S -SCNFs中C(c)、N(d)、O(e)、S(f)分布圖Fig.1 TEM images of CNFs (a) and N,S -SCNFs (b);Distribution diagram of C(c),N(d),O(e),and S(f) in N,S -SCNFs

N,S -SCNFs的X射線衍射(XRD)圖如圖2(a)所示，在2θ=24°、43°處的兩個(gè)衍射峰分別對(duì)應(yīng)石墨結(jié)構(gòu)(002)面和非晶碳結(jié)構(gòu)(101)面，表明N,S -SCNFs為石墨化程度較低的非晶碳材料。用N2吸附-脫附法對(duì)N,S -SCNFs的孔結(jié)構(gòu)和比表面積進(jìn)行了表征，如圖2(b)所示(插圖為孔徑分布曲線)。所有樣品的等溫線均屬于類型Ⅰ，即在相對(duì)較低的壓力下比較陡峭，之后為幾乎水平的平臺(tái)，這證明N,S -SCNFs中主要分布的是微孔結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樵谔蓟^程中PAN分解出CO2、N2O、H2O等氣體從而導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。根據(jù)BET法計(jì)算了孔體積和比表面積，CNFs的比表面積為94 m2·g-1，總孔容為0.04 cm3·g-1；N,S -SCNFs的比表面積為264.26 m2·g-1，總孔容為0.11 cm3·g-1，明顯高于CNFs。材料拉曼檢測如圖2(c)所示，在1 330 cm-1和1 590 cm-1處出現(xiàn)了兩個(gè)峰，分別為由缺陷引起的sp3碳振動(dòng)的D帶和由sp2石墨碳振動(dòng)的G帶。通常以ID/IG來表示材料的無序程度，N,S -SCNFs的強(qiáng)度比為1.23，說明N,S -SCNFs有較高的無序性.

圖2 N,S -SCNFs 的XRD譜圖(a)、N2吸-脫附等溫線((插圖)BJH孔徑分布圖)(b)和拉曼光譜圖(c)Fig.2 XRD pattern(a),N2 adsorption-desorption isotherm and BJH pore size distribution curve (inset)(b) and Raman spectra (c) of N,S -SCNFs

圖和的電化學(xué)(EC)(a)和電化學(xué)發(fā)光(ECL)曲線(b)Fig.3 EC (a) and ECL (b) curves of at concentration 3.0×10-5 mol·L-1

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

圖4 3.0×10-5 mol·L-1濃度下在不同電極上的循環(huán)伏安(a)和ECL(b)曲線Fig.4 Cyclic voltammetry (a) and ECL(b) curves of at 3×10-5 mol·L-1 concentration on different electrods

2.4 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

圖5 (a)N,S -SCNF修飾量對(duì)ECL強(qiáng)度的影響；(b)緩沖溶液類型和pH值對(duì)ECL強(qiáng)度的影響 (n=3)Fig.5 (a) The influence of N,S -SCNF volume on the ECL intensity of N,S -SCNF;(b)The influence of buffer solution type and pH value on ECL intensity (n=3)

2.5 線性方程的建立

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，考察了DH在N,S -SCNFs/GCE上的ECL行為。如圖6所示，ECL強(qiáng)度隨DH濃度的增加而增加，在5.0×10-7～3.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)，ECL強(qiáng)度與DH的濃度呈良好的線性關(guān)系[15]，線性方程為：y=5.71x+359.98(R2=0.9980)，檢出限(S/N=3)為2.89×10-8mol·L-1。將該方法與其他檢測DH的方法相比(表1)，本文方法具有較寬的線性范圍和較低的檢出限。

表1 不同檢測DH的方法比較

圖6 不同濃度DH的電致化學(xué)發(fā)光圖(n=3)Fig.6 The ECL responses of the different concentrations of difenidol (n=3)

2.6 修飾電極的選擇性、重現(xiàn)性和重復(fù)性

2.7 實(shí)際樣品檢測

將5片鹽酸地芬尼多片研磨、超聲溶于超純水并稀釋后，得到濃度為1.0×10-5mol·L-1的DH溶液。最佳條件下，對(duì)樣品溶液中DH的含量進(jìn)行加標(biāo)測試。如表2所示，回收率在98.00%到103.11%之間，證明了該修飾電極可用于DH的分析檢測。

表2 樣品測定結(jié)果及回收率試驗(yàn)

3 結(jié)論

本文采用N,S -SCNFs/GCE修飾電極，用于鹽酸地芬尼多的ECL檢測。實(shí)驗(yàn)考察了鹽酸地芬尼多在N,S -SCNFs/GCE上的電化學(xué)行為和ECL行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最優(yōu)檢測條件下，ECL信號(hào)值與鹽酸地芬尼多濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，并且靈敏度高、檢出限較低。將該傳感器用于實(shí)際樣品檢測，加入回收率在98.00%～103.11%之間。此方法為鹽酸地芬尼多的檢測提供了新的研究思路，也拓寬了ECL的應(yīng)用范圍。