一種檢測萊克多巴胺的復(fù)合碳納米材料修飾電化學(xué)傳感器

謝晶磊，曹小妹，尋 艷，陳 丹，何婧琳，曹 忠*

(1.長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，電力與交通材料保護(hù)湖南省重點實驗室，湖南長沙410004)

(2.湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長沙410081)

0 引言

萊克多巴胺（Ractopamine，RAC）是一種β-腎上腺素興奮劑，臨床上常用于治療支氣管哮喘、支氣管痙攣和肺氣腫[1]。20世紀(jì)80年代，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)使用RAC可以有效提高動物胴體的瘦肉率[2～3]，因而被非法應(yīng)用于畜牧飼養(yǎng)中。然而，RAC在動物體內(nèi)的殘留期較長，且具有一定的毒性，攝入后會對人體的心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有潛在危害[4～6]。RAC的濫用，不僅對人們的健康和生命安全造成了嚴(yán)重威脅，同時也影響了我國禽畜產(chǎn)品的出口貿(mào)易。因此，包括中國在內(nèi)的多國都嚴(yán)禁在動物性飼料中添加RAC，并對RAC在動物組織中的最大殘留限量（Maximal residue limits，MRL）做出了明確規(guī)定。其中，世界衛(wèi)生組織食品添加劑專家聯(lián)席委員會（JECFA）規(guī)定RAC在肝臟和肌肉中的MRL分別為40和10 μg/kg[7]。由此可見，研究和開發(fā)檢測動物組織中殘留的RAC的技術(shù)和方法對維護(hù)食品安全和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有極其重要的意義。

到目前為止，檢測動物組織中殘留的RAC的方法技術(shù)主要有：高效液相色譜[8]、液相色譜儀-質(zhì)譜聯(lián)用[9～10]、氣相色譜[11]、免疫法[12～13]和毛細(xì)管電泳[14]。這些方法雖然具有高準(zhǔn)確性和高靈敏度，但是這些方法需要大型分析儀器、操作過程復(fù)雜且檢測周期過長，無法滿足大量樣品的現(xiàn)場檢測。因此，有必要建立一種簡單和高效的方法來檢測RAC。其中，簡單高效的電化學(xué)分析法對檢測RAC更具優(yōu)勢，目前已有不少國內(nèi)外研究者進(jìn)行這方面的研究[15～17]。然而，單組份納米材料修飾電極對RAC的響應(yīng)靈敏度不高，還存在抗干擾能力較弱以及重現(xiàn)性差等缺點。

因此，為了建立一種更為快速靈敏的RAC電化學(xué)傳感器，該文將氧化石墨烯摻雜雙壁碳納米管并以Nafion為分散劑，成功地制備出均一且穩(wěn)定的GO/DWCNT-Nafion復(fù)合材料修飾電極。該復(fù)合材料修飾電極對RAC表現(xiàn)出了極強的電催化氧化效應(yīng)，氧化峰電流明顯增強。該方法操作簡單、靈敏度高、選擇性好，在食品安全檢測領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI760B型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司），BS124S電子天平 （北京賽多利斯儀器有限公司），KQ3200B超聲波清洗器（昆山市超聲儀器公司），95-2型磁力攪拌器（上海司樂儀器有限公司），CZ-500L-W型超純水制備儀 （北京國之源有限公司）。

鹽酸萊克多巴胺（C18H22NO3·HCl,RAC）購自于德國Ehrenstrorfer博士醫(yī)藥股份有限公司，氧化石墨烯（GO）、雙壁碳納米管（DWCNT）購買于南京吉倉納米科技有限公司，無水乙醇、氯化鋇、硫酸鋅、硝酸鋁、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、尿酸、抗壞血酸、葡萄糖、精氨酸、亮氨酸、半胱氨酸、丙氨酸及酪氨酸購自于上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，實驗用水為超純水，所用試劑均為分析純。

1.2 GO/DWCNT-Nafion修飾電極的制備

稱取30 mg雙壁碳納米管，加入到盛有15mL濃HNO3溶液的圓底燒瓶中，油浴加熱并攪拌回流7 h后，冷卻至室溫并離心，去除上清液。將所得產(chǎn)物加入到10mL濃HCl中，超聲1 h后離心，去除上清液后用去離子水洗滌產(chǎn)物至中性。最后在100℃下真空干燥10 h，得到酸化的雙壁碳納米管，備用。取3 mg處理后的雙壁碳納米管與3 mg氧化石墨烯加入到12mL Nafion（0.1%）的無水乙醇溶液中，超聲分散，直至得到均一深棕色GO/DWCNT-Nafion分散液。移取5 μL GO/DWCNT-Nafion分散液，滴加在處理好的玻碳電極表面，待溶劑自然揮發(fā)干燥，用超純水沖洗電極表面去除結(jié)合不牢固的修飾物，制得GO/DWCNT-Nafion修飾電極。

1.3 萊克多巴胺的電化學(xué)檢測

使用電化學(xué)工作站，以GO/DWCNT-Nafion修飾的玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為對電極構(gòu)建常規(guī)的三電極體系，使用差分脈沖伏安法（DPV），在 pH=7.0 的PBS緩沖液中于-0.3 V下富集120 s后對不同濃度的 RAC 溶液 （1.0×10-8,5.0×10-8,1.0×10-7,2.5×10-7,5.0×10-7,7.5×10-7,1.0×10-6mol/L）進(jìn)行檢測，記錄其氧化峰電流值。每次檢測前，將GO/DWCNT-Nafion修飾電極置于PBS緩沖液中在0～1.2 V的范圍內(nèi)掃描循環(huán)伏安至穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 GO/DWCNT-Nafion修飾電極的表征

通過掃描電子顯微鏡（SEM）對裸玻碳電極（GCE）、氧化石墨烯-Nafion修飾電極 （GONafion/GCE）、氧化石墨烯/雙壁碳納米管-Nafion修飾電極（GO/DWCNT-Nafion/GCE）的表面形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看到裸玻碳電極（圖1A）的表面十分光滑平整；當(dāng)氧化石墨烯-Nafion修飾到電極上時，可以很直觀地觀察到氧化石墨烯的褶皺狀結(jié)構(gòu) （圖1B）；而在將氧化石墨烯與雙壁碳納米管參雜后，氧化石墨烯和雙壁碳納米管均勻分散在電極表面（圖1C）。氧化石墨烯與雙壁碳納米管的這種交疊結(jié)構(gòu)使得氧化石墨烯/雙壁碳納米管-Nafion修飾電極具有更大的比表面積，有利于增加萊克多巴胺分子的吸附量。

圖1 裸玻碳電極（A），GO-Nafion修飾電極（B），GO/DWCNT-Nafion修飾電極（C）的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of bare GCE(A),GO-Nafion/GCE(B),GO/DWCNT-Nafion/GCE(C)

2.2 萊克多巴胺在修飾電極上的差分脈沖伏安特性

將GO-Nafion修飾電極、DWCNT-Nafion修飾電極和GO/DWCNT-Nafion修飾電極分別對5.0×10-7mol/L的萊克多巴胺溶液進(jìn)行差分脈沖伏安實驗，結(jié)果如圖2所示。由圖2曲線a、b、c可知，GO/DWCNT-Nafion修飾電極對萊克多巴胺的氧化峰電流要明顯強于GO-Nafion修飾電極和DWCNT-Nafion修飾電極，說明GO/DWCNT-Nafion復(fù)合材料對萊克多巴胺氧化作用具有更強的電催化氧化效應(yīng)，這是由于GO和DWCNT之間更緊湊的空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電極表面在擁有更多的具有電化學(xué)活性區(qū)域以及更大的比表面積[18]，協(xié)同增強萊克多巴胺的電催化氧化。

2.3 pH的優(yōu)化

pH直接影響著萊克多巴胺在GO/DWCNTNafion修飾電極上的電化學(xué)行為。在pH值為2.0～9.0 的 PBS 緩沖液（0.01 mol/L）中，萊克多巴胺（2.0×10-7mol/L）的氧化峰電流和氧化峰電位隨pH值的變化關(guān)系如圖3所示。當(dāng)PBS緩沖液的pH值由2.0增加到7.0時，萊克多巴胺的氧化峰電流逐漸增大：當(dāng)緩沖液的pH=7.0時，萊克多巴胺的氧化峰電流達(dá)到最大值；而當(dāng)緩沖液的pH值超過7.0之后，氧化峰電流開始降低。因此，選擇pH=7.0的PBS緩沖體系檢測萊克多巴胺。

圖2 不同修飾電極在5.0×10-7mol/L的萊克多巴胺溶液中的差分脈沖伏安圖Fig.2 DPV curves of GO-Nafion/GCE(a),DWCNTNafion/GCE(b)and GO/DWCNT-Nafion/GCE(c)in phosphate buffer solution(0.1 mol/L,pH=7.0)containing 5.0×10-7mol/L RAC

2.4 萊克多巴胺的定量檢測

在pH=7.0的PBS緩沖液中于-0.3 V下富集120 s后，使用GO/DWCNT-Nafion修飾電極檢測不 同 濃 度 的 萊 克 多 巴 胺 （1.0×10-8,5.0×10-8,1.0×10-7,2.5×10-7,5.0×10-7,7.5×10-7,1.0×10-6mol/L），結(jié)果如圖4所示。萊克多巴胺的電信號隨著其濃度的增長而逐漸增強，峰電流與萊克多巴胺濃度在 1.0×10-8mol/L～1.0×10-6mol/L 范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性方程為ip(μA)=9.319c(μmol/L)+0.147，相關(guān)系數(shù) r=0.998 1，檢測限為 5.4×10-9mol/L（S/N=3）。 這說明該電化學(xué)傳感器對于萊克多巴胺具有較好的電催化氧化響應(yīng)。

圖3 不同pH對檢測2.0×10-7mol/L萊克多巴胺的影響Fig.3 Effects of pH on the detection of 2.0×10-7mol/L RAC

圖4 GO/DWCNT-Nafion修飾電極對不同濃度萊克多巴胺的差分脈沖伏安圖（A）及其響應(yīng)電流與萊克多巴胺濃度的校正曲線(B)Fig.4 Typical DPV curves(A)of different concentrations of RAC and corresponding calibration curve(B)

2.5 選擇性的考察

為了考察該方法對RAC檢測的選擇性，以常見生物體內(nèi)的常見分子和結(jié)構(gòu)相似的化合物干擾物進(jìn)行差分脈沖伏安測試（圖5）。固定萊克多巴胺的濃度為2.0×10-7mol/L，含有1 000倍濃度的 Ba2+、Zn2+、Al3+，100 倍濃度的尿酸、 抗壞血酸、葡萄糖、精氨酸、亮氨酸、丙氨酸和半胱氨酸的共存均對萊克多巴胺的檢測無干擾；同倍濃度的克倫特羅對萊克多巴胺的檢測有較小的干擾，響應(yīng)電流上升了約9.1%；100倍濃度的酪氨酸有一定的干擾性，響應(yīng)電流提高了75.3%，當(dāng)酪氨酸的濃度降到25倍時，對萊克多巴胺的檢測無影響。

3 結(jié)論

該文將雙壁碳納米管和氧化石墨烯超聲分散于Nafion溶液中，成功的制備了均一的GO/DWCNT-Nafion復(fù)合納米材料修飾玻碳電極。與GO-Nafion修飾電極和DWCNT-Nafion修飾電極相比，GO/DWCNT-Nafion修飾電極對萊克多巴胺表現(xiàn)出了強的催化氧化效應(yīng)，響應(yīng)電流明顯增強。在pH=7.0的PBS緩沖液中于-0.3 V下富集120 s后，GO/DWCNT-Nafion修飾電極對萊克多巴胺在 1.0×10-8～1.0×10-6mol/L 的范圍內(nèi)有著良好的線性響應(yīng)，檢測限為 5.4×10-9mol/L，且選擇性好，表明該傳感器在食品安全檢測領(lǐng)域中具有實際應(yīng)用價值。

圖5 干擾物效應(yīng)柱狀圖.萊克多巴胺的濃度為 2.0×10-7mol/L，Ba2+、Zn2+、Al3+的濃度為 2.0×10-4mol/L，尿酸、抗壞血酸、葡萄糖、精氨酸、亮氨酸、丙氨酸和半胱氨酸的濃度為2.0×10-5mol/L，克倫特羅濃度為2.0×10-7mol/LFig.5 Effect of interfering substance on the modified electrode.The concentration of RAC is 2.0×10-7mol/L,and Ba2+,Zn2+,and Al3+are 2.0×10-4mol/L,uric acid,ascorbic acid,glucose,L-leucine,L-cysteine,L-alanine,and L-tyrosine are 2.0×10-5mol/L,and CLB is 2.0×10-7mol/L

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