中空介孔碳球修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極用于尼古丁的電化學(xué)檢測

趙紅莉，李小慶，施立波，劉 莉，藍(lán)閩波，張 乾

(1.華東理工大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237;2.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082)

中空介孔碳球修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極用于尼古丁的電化學(xué)檢測

趙紅莉1*，李小慶1，施立波1，劉 莉1，藍(lán)閩波1，張 乾2

(1.華東理工大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237;2.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082)

將一步法合成的中空介孔碳球(HMCS)修飾在絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)上，得到了用于尼古丁電化學(xué)檢測的新型電極(HMCS/SPCE)。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、粉末X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)以及拉曼光譜等方法對HMCS及修飾電極HMCS/SPCE進(jìn)行表征。由于HMCS具有較大的電化學(xué)活性面積和良好的導(dǎo)電性，修飾電極HMCS/SPCE對尼古丁表現(xiàn)出良好的電催化活性。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，電極HMCS/SPCE對尼古丁的檢測線性范圍為0～500 μmol/L，靈敏度為0.850 mA /(cm2·mmol·L-1)，檢出限為0.058 μmol/L。制備的傳感器具有重復(fù)性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可用于實(shí)際煙草樣品中尼古丁的檢測。

中空介孔碳球;絲網(wǎng)印刷碳電極;尼古丁;電化學(xué)傳感器

尼古丁(Nicotine，1-甲基-2-(3-吡啶基)吡咯烷)即煙堿，是一種在煙草中含量較高的生物堿。尼古丁具有一定的藥理學(xué)作用，它能作用于人腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使人情緒高漲，精神興奮。然而，長期過度攝入尼古丁將會產(chǎn)生諸多潛在危害，如可引發(fā)慢性堵塞性肺病、動脈粥樣硬化血管疾病等[1]。因此，對尼古丁的含量進(jìn)行定量檢測具有重要意義。

鑒于介孔碳在電化學(xué)傳感器應(yīng)用中表現(xiàn)出的良好性能，本文制備了中空介孔碳球修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極(HMCS/SPCE)，構(gòu)建了新型電化學(xué)傳感界面，用于尼古丁的電化學(xué)檢測。實(shí)驗(yàn)還制備了多壁碳納米管(MWCNT)修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極(MWCNT/SPCE)作為對照。結(jié)果表明，相比MWCNT/SPCE，HMCS/SPCE電極對尼古丁具有更高的檢測靈敏度，且構(gòu)建的傳感器重復(fù)性和穩(wěn)定性良好，可用于實(shí)際煙草樣品中尼古丁的檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI 1040B、CHI 660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，檢測裝置由三電極系統(tǒng)組成：修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極。S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM，日立公司，Japan);JEM-1400透射電子顯微鏡(TEM，JEOL公司，Japan);D/MAX-2550轉(zhuǎn)靶X射線多晶衍射儀(XRD，Rigaku Co.,Japan);ESCALAB-250Xi X射線光電子能譜(XPS，Thermo-Fisher，USA);InVia Reflex激光顯微拉曼光譜儀(Renishaw Co.,UK);ASAP2010比表面及孔徑分析儀(Micromeritics公司，USA);Agilent 7890A GC/5975C MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS，安捷倫公司，USA)。

尼古丁標(biāo)準(zhǔn)樣品(含量為98.54%，上海經(jīng)科化學(xué)有限公司)，配成1 mg/mL的尼古丁標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液用于檢測;正硅酸丙酯(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);多壁碳納米管(管徑10～20 nm，管長1～2 μm;深圳市納米港有限公司)。其余試劑均為分析純，未進(jìn)一步處理;實(shí)驗(yàn)用水為超純水(18.2 MΩ ·cm)。

1.2 中空介孔碳球(HMCS)的制備

HMCS的制備方法參照文獻(xiàn)[14]：6.92 mL正硅酸丙酯(TPOS，12 mmol)與140 mL 乙醇、20 mL水和6 mL氨水(25%)混合，室溫下攪拌15 min后，向混合液中加入0.8 g 間苯二酚和6.92 mL甲醛溶液(37%)，室溫下反應(yīng)24 h。所得產(chǎn)物依次用乙醇和水洗滌，50 ℃真空干燥。將干燥后的產(chǎn)物煅燒(700 ℃，5 ℃·min-1，氮?dú)獗Ｗo(hù)) 5 h，再與2 mol/L氫氧化鈉于80 ℃反應(yīng)3～4 h去除二氧化硅，洗滌干燥后即得產(chǎn)物HMCS。

1.3 多壁碳納米管(MWCNT)的酸處理

稱取1 g MWCNT，加入30 mL濃硝酸和30 mL濃硫酸，超聲混合，80 ℃下攪拌回流2 h。冷卻后，溶液用1 000 mL水稀釋，靜置過夜。傾去上清液，剩余混合物離心、抽濾、洗滌至中性，產(chǎn)物于50 ℃下真空干燥得到酸化的MWCNT[15]。

1.4 電極的修飾

實(shí)驗(yàn)室自制的絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)作為工作電極，與鉑電極、Ag/AgCl電極構(gòu)成三電極系統(tǒng)，于0.5 mol/L硫酸溶液中循環(huán)伏安掃描40圈，電位窗口為1.5～2.0 V。活化后的SPCE電極用水清洗，干燥后待用。

將合成的HMCS和酸化的MWCNT分別配成1 mg/mL的溶液，取10 μL滴涂于處理過的SPCE電極表面，室溫干燥，得到的修飾電極分別記為HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE，待用。

1.5 實(shí)際樣品的制備

購得兩種不同品牌的香煙，按如下方法處理：取出卷煙煙草，在40 ℃下干燥2～3 h。稱取0.4 g 煙草樣品于40 mL乙醇中，超聲分散3 h，過濾，所得濾液為尼古丁實(shí)際樣品溶液，于4 ℃下保存待用。

1.6 電化學(xué)測試方法

循環(huán)伏安法(CV)、計(jì)時電流法(I～t)和計(jì)時電量法(Q～t)在CHI 1040B電化學(xué)工作站上進(jìn)行。電極材料的電化學(xué)行為以及對尼古丁的定性測試采用CV 方法;修飾電極對尼古丁的定量測試采用I～t法，在特定的電位下，每隔50 s向5 mL 磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH 7.4)中連續(xù)加入一定量的尼古丁，直至飽和;電極修飾材料的電化學(xué)活性面積測試采用Q～t法，在含有1 mol/L KCl的0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中測試并計(jì)算。電化學(xué)交流阻抗譜(EIS)在CHI 660D電化學(xué)工作站上進(jìn)行，在含有0.1 mol/L KCl 的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的制備及表征

圖1C為MWCNT和HMCS的XRD圖，圖中MWCNT在2θ值為26°處的特征峰對應(yīng)為(002)晶面，為碳納米材料的石墨化結(jié)構(gòu)[16];而HMCS的XRD圖則無明顯的峰，表明該材料為無定型碳。圖1D為材料的拉曼表征結(jié)果，由圖可知，MWCNT和HMCS的拉曼圖譜均有1個明顯的D和G峰，出峰位置分別在1 350.71、1 597.91 cm-1處。D峰是碳材料中的缺陷或不規(guī)則結(jié)構(gòu)，G峰是拉曼活性E2g切線模式，主要是由于單晶石墨片相鄰的碳原子向相反方向移動形成的振動模式，表明D峰和G峰的相對強(qiáng)度之比和石墨化碳的缺陷位點(diǎn)相關(guān)[17]。由計(jì)算結(jié)果可知，HMCS的ID/IG值為1.510，高于MWCNT的值0.911 2，表明合成的HMCS的邊緣缺陷比MWCNT多，具有更好的導(dǎo)電性，更有利于電子傳遞[18]。

圖2 MWCNT和HMCS的XPS總圖(A)， MWCNT(插圖B)與 HMCS(插圖C)中C1s的分峰圖Fig.2 XPS spectra of MWCNT and HMCS(A); high-resolution XPS of C1s in MWCNT(insert B) and HMCS(insert C)

2.2 修飾電極的電化學(xué)表征

采用CV掃描以及EIS法對修飾電極的電化學(xué)性能進(jìn)行表征。圖3A為在含有0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中對修飾電極進(jìn)行CV掃描(電位窗口-0.2～0.7 V，掃速20 mV/s)的曲線圖。由圖所示，修飾電極MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的峰電流遠(yuǎn)大于裸電極SPCE，這表明碳納米材料的修飾能夠極大地增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性能。HMCS/SPCE電極的峰電流大于MWCNT/SPCE電極，說明HMCS的導(dǎo)電性優(yōu)于MWCNT。圖3B為電極SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的EIS圖。通過比較圖中半圓的大小可知，3種電極的電阻由大到小依次為SPCE、MWCNT/SPCE和 HMCS/SPCE，證明HMCS的導(dǎo)電性好于MWCNT。電極材料的導(dǎo)電性是實(shí)現(xiàn)尼古丁電化學(xué)檢測的關(guān)鍵因素，這是因?yàn)榱己玫膶?dǎo)電性有利于尼古丁電化學(xué)反應(yīng)過程中的電子更快地轉(zhuǎn)移，從而提高檢測的靈敏度。

圖4 電極SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的Q～t圖Fig.4 Q-t plots of the bare SPCE, MWCNT/SPCE and HMCS/SPCE 0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]containing 1 mol/L KCl;potential window:-0.1～0.3 V;the time of sample interval:1.0×10-5 s;insert：relationship between Q and t1/2

使用計(jì)時電量法(Q～t)檢測修飾電極的有效活性面積。由Anson公式[22]Q=Qdl+Qads+2nFACD1/2π-1/2t1/2計(jì)算溶解常數(shù)D。

式中Qdl為雙電層電量，Qads為法拉第電量，n為參與反應(yīng)的電子數(shù)，A為電活性面積，C為電解質(zhì)的總濃度，D為溶解常數(shù)。在含有1 mol/L KCl的0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中，經(jīng)計(jì)算D值為7.6×10-6cm2/s。圖4為SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的Q～t圖，經(jīng)數(shù)據(jù)換算后得到圖4中的插圖，由圖4插圖的斜率計(jì)算HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE、SPCE 的電活性面積分別為：12.04、1.496、0.167 8 cm2，HMCS/SPCE的電活性面積最大，遠(yuǎn)高于其他兩種電極。電活性面積大使得材料與待測物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的活性位點(diǎn)增多，從而有利于提高對待測物質(zhì)的檢測性能。

2.3 尼古丁的電化學(xué)檢測

采用HMCS/SPCE電極對尼古丁進(jìn)行電化學(xué)定性檢測，結(jié)果表明，未加入尼古丁時，溶液的CV曲線無明顯的氧化峰，向溶液中加入50 μmol/L尼古丁后，在電位為+0.6 V時，尼古丁開始發(fā)生氧化，在+0.8 V時出現(xiàn)1個明顯的氧化峰。對比SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE對50 μmol/L尼古丁的CV 響應(yīng)可知，HMCS/SPCE修飾電極對尼古丁的電化學(xué)響應(yīng)遠(yuǎn)大于另兩種電極。

為了進(jìn)一步研究尼古丁在HMCS/SPCE修飾電極上的電化學(xué)行為，在pH 7.4的PBS 溶液中加入50 μmol/L尼古丁，于不同掃速下(10～100 mV/s)進(jìn)行CV掃描。由結(jié)果可知電流的響應(yīng)值隨著掃速的增加而增大，通過計(jì)算+0.60 V處峰電流Ip與掃描速率v的關(guān)系發(fā)現(xiàn)兩者呈正相關(guān)，表明尼古丁在該電極上的檢測過程為表面控制過程。

圖5 不同濃度尼古丁在電極上的計(jì)時電流響應(yīng)Fig.5 Chronoamperometric responses of different electrodes 0.1 mol/L PBS,pH 7.4;potential window：+0.8 V vs.Ag/AgCl

在對尼古丁進(jìn)行定量檢測前，對檢測電位和溶液的pH值進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，檢測電位為+0.8 V、溶液pH值為7.4時，尼古丁的響應(yīng)達(dá)到最大。因此，實(shí)驗(yàn)選擇安培檢測尼古丁的優(yōu)化條件為：檢測電位+0.8 V，pH 7.4。在此條件下，得到不同濃度尼古丁在電極SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE上的計(jì)時電流響應(yīng)(圖5)。計(jì)算得到電極HMCS/SPCE對尼古丁檢測的線性范圍為0～500 μmol/L(r2=0.997)，而MWCNT/SPCE和SPCE對尼古丁檢測的線性范圍分別為0～450 μmol/L和0～250 μmol/L。電極HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE和SPCE對尼古丁檢測的靈敏度分別為0.850、0.395、0.123 mA/(cm2·mmol·L-1)，對應(yīng)的檢出限分別為0.058、0.08、0.20 μmol/L。這些結(jié)果證明了由HMCS修飾的電極能夠?qū)崿F(xiàn)尼古丁的良好檢測，其原因如下：①HMCS的導(dǎo)電性好。根據(jù)尼古丁在電極上發(fā)生氧化反應(yīng)的機(jī)理[2]可知，尼古丁的氧化主要是其吡咯烷上發(fā)生N-甲基羥基化作用，伴隨著兩個電子的轉(zhuǎn)移，HMCS良好的導(dǎo)電性能夠加快電極反應(yīng)速度，提高檢測靈敏度;②電極HMCS/SPCE的電活性面積大。尼古丁的氧化反應(yīng)發(fā)生在電極界面上，電極的電活性面積大，則能提供更大的反應(yīng)界面，從而實(shí)現(xiàn)尼古丁的高靈敏檢測。

2.4 實(shí)際樣品的檢測

表1 實(shí)際煙草樣品中尼古丁的檢測

a.samples were diluted for 125 times with 0.1 mol/L PBS(pH 7.4) before electrochemical detection with HMCS/SPCE;b.samples were detected directly without any dilution before the detection by GC-MS

采用構(gòu)建的傳感器對煙草中尼古丁的濃度進(jìn)行分析，并與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果如表1所示。GC-MS測得尼古丁的濃度分別為723.6 μmol/L和213.8 μmol/L，用HMCS/SPCE檢測結(jié)果為732.5 μmol/L和230.0 μmol/L，兩種測試方法所得結(jié)果相近，表明本文所構(gòu)建的HMCS/SPCE電化學(xué)傳感器適用于尼古丁的檢測。

3 結(jié) 論

本文采用一步法合成了中空介孔碳球(HMCS)，用其修飾絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)，構(gòu)建了用于檢測尼古丁的新型電極(HMCS/SPCE)?；贖MCS材料的良好導(dǎo)電性和大的活性面積，制備的傳感器HMCS/SPCE可實(shí)現(xiàn)對尼古丁的高靈敏檢測，且具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性;所構(gòu)建的傳感器能夠?qū)?shí)際煙草樣品中的尼古丁含量進(jìn)行檢測。

[1] Bastida G,Beltrán B.WorldJ.Gastroenterol.,2011,17:2740-2747.

[2] Suffredini H B,Santos M C,De Souza D,Codognoto L,Homem-de-Mello P,Honório K M,Silva A B F,Machado S A S,Avaca L A.Anal.Lett.,2005,38:1587-1599.

[4] Highton L,Kadara R O,Jenkinson N,Logan Riehl B,Banks C E.Electroanalysis,2009,21:2387-2389.

[5] Sims M J,Rees N V,Dickinson E J,Compton R G.Sens.Actuators:B,2010,144:153-158.

[6] Xiong H Y,Zhao Y F,Liu P,Zhang X H,Wang S F.Microchim.Acta,2010,168:31-36.

[7] Goodarzi Z,Maghrebi M.J.Nanostruct.Chem.,2015,5:237-242.

[8] Xiao H,Sun L,Yan H,Wang W,Liu J,Yan Q,Chao L,Xie Q,Wen J,Yin D.Anal.Methods,2015,7:1147-1153.[9] Ndamanisha J C,Guo L P.Anal.Chim.Acta,2012,747:19-28.

[10] Ndamanisha J C,Guo L P.Bioelectrochemstry,2009,77:60-63.

[11] Jia N,Wang Z Y,Yang G F,Shen H B,Zhu L Z.Electrochem.Comm.,2007,9:233-238.

[12] Zhou M,Ding J,Gou L P,Shang Q K.Anal.Chem.,2007,79:5328-5335.

[13] Liu L,Zhao H L,Shi L B,Lan M B.Electrochim.Acta,2017,227:69-76.

[14] Zhang H,Noonan O,Huang X,Yang Y,Xu C,Zhou L,Yu C.ACSNano,2016,10:4579-4586.

[15] Kim S D,Kim J W,Im J S,Lee Y S.J.FluorineChem.,2007,128:60-64.

[16] Liu M S,Lin C C,Huang I T,Wang C C.Int.Commun.HeatMass,2005,32:1202-1210.

[17] Zhou M,Guo J,Guo L P,Bai J.Anal.Chem.,2008,80:4642-4650.

[18] Zhong J H,Zhang J,Jin X,Liu J Y,Li Q,Li M H,Cai W,Wu D Y,Zhan D,Ren B.J.Am.Chem.Soc.,2014,136:16609-16617.

[19] Gong H,Kim S T,Lee J D,Yim S.Appl.Surf.Sci.,2013,266:219-224.

[20] Zhou J H,Sui Z J,Zhu J,Li P,Chen D,Dai Y C,Yuan W K.Carbon,2007,45:785-796.

[21] Han J,Xu G,Ding B,Pan J,Dou H,Macfarlane D.J.Mater.Chem.A,2014,2:5352-5357.

[22] Niu X H,Lan M B,Zhao H L,Chen C.Anal.Chem.,2013,85:3561-3569.

Electrochemical Detection of Nicotine Using Screen-printed Carbon Electrodes Modified with Hollow Mesoporous Carbon Spheres

ZHAO Hong-li1*,LI Xiao-qing1,SHI Li-bo1,LIU Li1,LAN Min-bo1,ZHANG Qian2

(1.School of Chemistry and Molecular Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;2.Shanghai Tobacco Group Co.,Ltd.Shanghai 200082,China)

A novel modified electrode(HMCS/SPCE) was developed to electrochemically detect nicotine based on screen-printed carbon electrodes(SPCE) modified with hollow mesoporous carbon spheres(HMCS) synthesized through one step process.HMCS and HMCS/SPCE were characterized by scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM),X-ray diffraction(XRD),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and Raman spectrometry.Due to the superior electrical conductivity and high electrochemical active sites of HMCS,nicotine was significantly electro-oxidized on the interface of HMCS/SPCE.The proposed sensor provided linear responses upon nicotine in the concentration range of 0-500 μmol/L.The sensitivity was 0.850 mA/(cm2·mmol·L),and the limit of detection was calculated to be 0.058 μmol/L.With a favourable reproducibility and a good stability,the sensor could be used to detect nicotine in cigarette samples accurately.

hollow mesoporous carbon sphere;screen-printed carbon electrodes;nicotine;electrochemical sensor

2017-03-09；

2017-04-12

上海市科委國際合作項(xiàng)目(16520710800)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.08.009

O657.1;O629.3

A

1004-4957(2017)08-0998-06

*通訊作者：趙紅莉，博士，副研究員，研究方向：電化學(xué)傳感器，Tel:021-64250557,E-mail:honglizhao@ecust.edu.cn