氧化石墨烯-自摻雜聚苯胺納米復(fù)合材料高靈敏檢測(cè)氯霉素

羅世忠， 趙金龍， 陳懷銀， 楊 濤*

(青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東青島 266042)

氯霉素(Chloramphenicol,CAP)是一種人工合成的具有較強(qiáng)殺菌能力的廣譜抗生素[1]，曾廣泛用于各種敏感菌感染的治療，但CAP會(huì)對(duì)人體的造血系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，引起不良反應(yīng)，甚至可引起不可逆的再生障礙性貧血，對(duì)人體的消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)有較強(qiáng)的毒副作用[2，3]。由于抗生素的濫用和制藥企業(yè)的隨意排放，水體中常檢測(cè)到CAP。目前檢測(cè)CAP的分析技術(shù)主要有表面等離子體共振[4]、高效液相色譜法[5]、光致化學(xué)發(fā)光法[6]、微生物法[7]、氣相色譜法[8]、電化學(xué)方法[9,10]等。相對(duì)于其它檢測(cè)方法，電化學(xué)法因具有檢測(cè)快速、操作簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而備受研究者的關(guān)注。Kor等人[11]用多壁碳納米管-十六烷基三甲基溴化銨-聚二苯胺修飾的玻碳電極(GCE)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CAP的高靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到2.0×10-9mol/L。此外，我們課題組制備了自摻雜聚苯胺(SPAN)-MoS2納米復(fù)合材料，該復(fù)合材料在CAP的電化學(xué)檢測(cè)中表現(xiàn)出了協(xié)同效應(yīng)[12]。近年來(lái)，石墨烯納米材料由于其具有較大的比表面積、較高的電化學(xué)催化活性和良好的穩(wěn)定性而作為載體材料被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建生物傳感器[13]。尤其是基底上具有由堆疊的站立石墨烯片組成的碳納米墻結(jié)構(gòu)吸引了極大的關(guān)注[14]。

本文利用液相剝離法制備了氧化石墨烯(GNO)-SPAN復(fù)合納米材料，這種方法借助交聯(lián)的磺酸化聚苯胺納米纖維(一種苯胺和間-氨基苯磺酸的共聚物[15])，在超聲的過(guò)程中同步嵌插，實(shí)現(xiàn)了GNO的分離和分散。超聲過(guò)程促進(jìn)了GNO團(tuán)聚體的分離，并且使SPAN擴(kuò)散進(jìn)入到堆疊的GNO中，此過(guò)程中SPAN充當(dāng)了層間距的增大劑。最終，得到了具有大面積、波紋狀的獨(dú)特的三維交聯(lián)的納米墻結(jié)構(gòu)。由于SPAN和GNO之間強(qiáng)烈的π-π*堆積作用和靜電排斥作用，這種三維結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，并且極大地提高了該復(fù)合材料的導(dǎo)電性和活性表面積。此外，該復(fù)合材料可以借助共軛作用很容易地吸附大量的CAP。這使得該GNO -SPAN納米復(fù)合材料在CAP的電化學(xué)分析檢測(cè)中獲得協(xié)同效應(yīng)，表現(xiàn)出較高的靈敏度、低的檢測(cè)限和良好的選擇性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI 660C電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器公司)，采用三電極系統(tǒng)：GCE及其修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對(duì)電極；JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)(日本,JEOL)；KQ-50E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；艾科浦超純水系統(tǒng)(重慶頤洋企業(yè)發(fā)展有限公司)；pHS-25型pH計(jì)(上海雷磁儀器廠(chǎng))。

石墨粉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；苯胺(天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng))；氨基苯磺酸(純度>98.0%，F(xiàn)luka)；十六烷基三甲基溴化銨(天津市博迪化工有限公司)；CAP(純度>98.0%，生工生物工程有限公司)；滅菌袋裝鮮牛奶(青島某超市)。pH=7.0的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)：分別準(zhǔn)確稱(chēng)取2.1250 g NaCl，1.3858 g Na2HPO4，0.1295 g NaH2PO4,用去離子水定容至250 mL。其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1復(fù)合材料的制備氧化石墨(GO)采用改進(jìn)的Hummers方法合成[16]。單純的GNO是通過(guò)在水相中剝離制得的，在超聲作用下，GO片層的間距逐漸加大，最后從GO本體上剝離下來(lái)形成層狀的GNO。SPAN參考文獻(xiàn)方法[17]制得。準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的GO和SPAN，定容到100 mL容量瓶中，超聲一段時(shí)間，得到0.1 g/L的GNO -SPAN溶液。

1.2.2修飾電極的制備GCE打磨如文獻(xiàn)方法[18]。將上述配制好的GNO -SPAN懸濁液，超聲一定時(shí)間。取20 μL 0.1 moL/L GNO -SPAN懸浮液均勻涂布在上述處理過(guò)的GCE電極表面，在空氣中自然晾干后得到GNO -SPAN/GCE。為了方便對(duì)比，以類(lèi)似的方法制備了GNO/GCE和SPAN/GCE。

1.2.3電化學(xué)檢測(cè)將不同材料的修飾電極在CAP溶液中進(jìn)行差分脈沖伏安(DPV)掃描，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：電壓范圍：-0.4～-1.0 V，振幅：0.05 V，脈沖寬度：0.05 s，采樣周期：0.0167 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料表征

圖1為GNO、SPAN和GNO -SPAN的掃描電鏡(SEM)圖像。由圖1A可以看出GNO表面比較光滑并且有少許的褶皺。而SPAN為均勻的納米纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖1B)。在超聲作用下，當(dāng)SPAN扦插到GNO納米片層中時(shí)，該GNO -SPAN復(fù)合材料(圖1C)不僅呈現(xiàn)出SPAN的納米纖維形貌，還存在直立的GNO納米墻結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出均一的、大面積的、波紋狀的形貌。該GNO -SPAN納米復(fù)合材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其擁有更大的比表面積、更高的導(dǎo)電性能和電催化活性。

圖1 GNO(A)、SPAN(B)、GNO -SPAN(C)的掃描電鏡(SEM)圖像Fig.1 SEM images of GNO (A),SPAN (B) and GNO -SPAN (C)

圖2 不同修飾電極在1.0×10-4 mol/L CAP溶液中的DPV圖Fig.2 DPVs of 1.0×10-4 mol/L CAP at GNO -SPAN/GCE (a),GNO/GCE (b),SPAN/GCE (c) and bare GCE (d)

2.2 修飾電極的電化學(xué)表征

實(shí)驗(yàn)用1.0×10-4mol/L CAP作為檢測(cè)目標(biāo)溶液，采用差分脈沖伏安法(DPV)，考察了不同修飾電極催化CAP的電化學(xué)行為。不同修飾電極在1.0×10-4mol/L CAP溶液中掃描的DPV圖見(jiàn)圖2。相較于GNO/GCE(曲線(xiàn)b)、SPAN/GCE(曲線(xiàn)c)以及裸GCE(曲線(xiàn)d)，GNO -SPAN/GCE電極(曲線(xiàn)a)顯示出最強(qiáng)的還原信號(hào)。這說(shuō)明GNO -SPAN材料可以促進(jìn)電極表面和CAP之間的電子傳遞，主要?dú)w因于GNO -SPAN所擁有的特殊的芳環(huán)結(jié)構(gòu)和負(fù)電荷性，可以吸附有共軛結(jié)構(gòu)的、帶正電荷的CAP。同時(shí)，這也體現(xiàn)了在CAP的電化學(xué)檢測(cè)中SPAN和GNO之間具有極好的協(xié)同作用。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

GNO -SPAN納米復(fù)合材料由一定比例的GO和SPAN混合并同步超聲所得。因此該復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和電催化能力主要由GNO/SPAN的比例和超聲時(shí)間所決定。分別對(duì)比了不同GO-SPAN比例和不同超聲時(shí)間的GNO -SPAN對(duì)CAP的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)GO-SPAN比例為1∶2時(shí)，GNO -SPAN/GCE對(duì)CAP的電化學(xué)信號(hào)最大，這主要是由于SPAN和GNO在超聲過(guò)程中嵌插得比較均勻，形成了大面積的波紋狀GNO -SPAN納米復(fù)合材料。分別選擇超聲時(shí)間為10、20、30、40、50 min試驗(yàn)，隨著超聲時(shí)間的增加，CAP的還原峰電流也相應(yīng)增大，當(dāng)超聲時(shí)間為30 min時(shí)，CAP的電化學(xué)信號(hào)最強(qiáng)。這主要是由于隨著超聲過(guò)程的進(jìn)行，SPAN逐漸嵌插在GNO片層中，在超聲30 min時(shí)，形成的GNO -SPAN納米復(fù)合材料具有最大的表面積。因此最佳的超聲時(shí)間為30 min，GO-SPAN比例為1∶2，此時(shí)該復(fù)合材料對(duì)CAP的檢測(cè)最為靈敏，溶出峰電流最大。

圖3 PBS溶液pH值與CAP還原峰電流曲線(xiàn)關(guān)系圖Fig.3 Plots of the peak current of 1.0×10-4 mol/L CAP versus different pH values of PBS

圖4 不同濃度CAP溶液的DPV圖Fig.4 (A) DPVs for the determination of different CAP concentrations;(B) Calibration plots of the reduced peak current versus different concentrations of CAP.Error bars are the standard deviation of three replicates.c(from a to g):100,50,10,5,1,0.5,0.1 μmol/L.

選擇pH值的變化范圍為5.0到9.0進(jìn)行試驗(yàn)。從圖3可以看出，當(dāng)pH值從5.0變化到7.0時(shí)，CAP的還原峰電流不斷增加。在pH達(dá)到7.0時(shí)，峰電流達(dá)到最大值。隨著pH值的進(jìn)一步增加，峰電流反而減小。這可能是因?yàn)?，堿性環(huán)境不利于還原過(guò)程中的電子傳遞。因此，pH值7.0為最佳值。

2.4 不同濃度CAP的檢測(cè)

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)一系列不同濃度的CAP進(jìn)行DPV法測(cè)定。從圖4可以看出隨著CAP的濃度的增加，其還原峰電流強(qiáng)度也會(huì)隨之增大。圖4內(nèi)插圖為CAP濃度與其電流強(qiáng)度的曲線(xiàn)圖，從中可以得出：在1.0×10-7～1.0×10-4mol/L濃度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系，其線(xiàn)性方程為:ip= 0.0635c+1.3412(R2=0.9958)，檢測(cè)限為9.4×10-8mol/L。

2.5 選擇性實(shí)驗(yàn)

考察了共存物對(duì)CAP檢測(cè)的干擾[19]。結(jié)果顯示，在相對(duì)誤差不超過(guò)±5%的情況下，500倍的尿酸、頭孢氨芐、環(huán)丙沙星、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Co2+，100倍的金霉素、阿莫西林、葡萄糖、抗壞血酸、Fe3+、Ba2+、Cu2+、Cd2+，50倍的對(duì)氯苯酚、2,4-二硝基苯酚、2,6-二甲基對(duì)硝基苯酚對(duì)1.0×10-6mol/L CAP的檢測(cè)不產(chǎn)生干擾。

2.6 牛奶中CAP的檢測(cè)

我們采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對(duì)牛奶樣品中的CAP含量進(jìn)行了測(cè)定[11]，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，該方法在實(shí)際樣品的檢測(cè)中具有較好的準(zhǔn)確性。

表1 牛奶樣品中檢測(cè)CAP的結(jié)果

3 結(jié)論

制備了新的GNO -SPAN納米復(fù)合材料，并用于CAP的電化學(xué)分析檢測(cè)。由于GNO片層與交聯(lián)的SPAN之間強(qiáng)烈的π-π*堆積作用和靜電排斥作用，GNO -SPAN納米復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和電化學(xué)催化活性。借助于復(fù)合材料的協(xié)同作用以及對(duì)CAP良好的吸附作用，實(shí)現(xiàn)了CAP的高靈敏檢測(cè)。該方法具有優(yōu)異的選擇性和良好的回收率，可以用于實(shí)際樣品中CAP的檢測(cè)。