基于羧基化多壁碳納米管修飾玻碳電極快速檢測氨基脲的研究

杜耕安

摘 要 基于羧基化多壁碳納米管修飾的玻碳電極（CMWCNTs/GCE），構(gòu)建了一種靈敏檢測氨基脲（SEM）的電化學(xué)傳感器。采用傅里葉變換紅外光譜、透射電子顯微鏡、電化學(xué)阻抗譜對修飾材料進行表征。結(jié)果表明，羧基化的多壁碳納米管出現(xiàn)羧基碳氧雙鍵的紅外特征峰，管徑明顯減小，長度變短，電化學(xué)阻抗值顯著減小。在 1 mol/L HAcNaAc緩沖液中，利用循環(huán)伏安法和時間電流曲線研究了SEM在CMWCNTs修飾電極上的電化學(xué)行為。SEM在修飾電極上呈現(xiàn)不可逆的氧化峰。與裸電極相比，氧化峰電流明顯增大。在最佳實驗條件 （pH 7.0，掃描速度為 0.1 V/s） 下，測得SEM在5.00×10mol/L （S/N=3）。在實際豬肝樣品檢測中加標回收率為92.8%～98.0%。

1 引 言

氨基脲（Semiicarbazide，SEM），又名氨基甲酰肼，化學(xué)式為CH5N3O。作為呋喃西林（Nitrofurazone，NF）的標志性代謝物，SEM可與動物體內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，在體內(nèi)殘留很長的時間，不但常被作為呋喃西林污染的標志，其具有的致癌和增強組胺毒性等生化毒性也受到越來越多的重視[1，2]。許多國家均禁止其用于養(yǎng)殖，并先后制定了相應(yīng)的殘留限量對食品進行嚴格的殘留監(jiān)控[3，4]。我國也制訂了相應(yīng)的國家標準，一些食品中的限量為0.5 μg/kg[5]，但因其廉價高效等特點，在動物源性食品中的殘留超標情況仍然時有發(fā)生[6，7]，因此，建立一種快速、高效、準確的檢測方法具有重要意義。

目前，硝基呋喃類藥物及其代謝產(chǎn)物的檢測主要采用紫外分光光度法、高效液相色譜法（HPLC）[8，9]、高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法（LCMSMS）[10～12]和免疫分析法[13，14]。其中，高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法因具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。但其成本較高、儀器昂貴、操作過程繁瑣、耗時也較長，無法滿足現(xiàn)場快速、高效檢測的要求，不利于實際檢測中的推廣應(yīng)用[15，16]。

電化學(xué)方法因具有響應(yīng)快速、使用方便、儀器簡單等優(yōu)點，適于現(xiàn)場分析檢測，并在食品中重金屬、抗生素、農(nóng)藥等檢測領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[17，18]。利用電化學(xué)方法檢測SEM的報道較少，Jin等[19]制備了SEM的單克隆抗體，基于L半胱氨酸自組裝技術(shù)和納米金吸附作用相結(jié)合的方法固定SEM抗體實現(xiàn)了對SEM的間接檢測，檢測限較低，但處理過程復(fù)雜。Zhang等[20]研究了SEM在石墨烯修飾電極上的伏安響應(yīng)，檢測范圍為4.0×10 mol/L。He等[21]在石墨烯片層上原位合成Fe3O4納米顆粒，構(gòu)建了一種靈敏檢測SEM的電化學(xué)傳感器，線性范圍為1.0×10mol/L。這兩種方法都實現(xiàn)了對SEM的直接測定，但靈敏度有待提高。多壁碳納米管（MWCNTs）由于其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電化學(xué)性能，被廣泛用于電化學(xué)檢測的研究[22～24]。在實際應(yīng)用中，常采用羧基化修飾的方式提高其分散性，但尚沒有將羧基化多壁碳納米管用于SEM檢測的報道。

本研究將多壁碳納米管經(jīng)混合強酸氧化處理后，在碳納米管表面及兩端引入含氧基團和表面空穴，有效改善了分散性，并為電化學(xué)反應(yīng)提供更多反應(yīng)位點，有效增強了電極電化學(xué)性能。以羧基化的多壁碳納米管（CMWCNTs）修飾玻碳電極（CMWCNTs/GCE），研究了SEM在此修飾電極上的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，CMWCNTs/GCE對SEM的氧化具有良好的電催化效應(yīng)，用于實際樣品中SEM的檢測，效果良好。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CHI660E電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）； 三電極系統(tǒng)： 裸玻碳電極（GCE）或者修飾電極為工作電極，鉑絲為對電極，飽和甘汞電極為參比電極； SB3200DT型超聲波清洗機（寧波新芝生物科技有限公司）； AR124CN型分析天平（奧豪斯儀器（上海）有限公司）。鹽酸氨基脲（SEM·HCl，分析純，賽默飛世爾科技（中國）有限公司）； 多壁碳納米管（MWCNTs，北京博宇高科新材料技術(shù)有限公司）； N，N二甲基甲酰胺（DMF，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）； 其它試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 實驗方法

2.2.1 羧基化多壁碳納米管的制備 采用混酸液相氧化法[25]對MWCNTs進行處理。在80 mL濃HNO3濃H2SO4（1∶3，V/V）混酸溶液中，加入1.0 g MWCNTs，超聲振蕩24 h進行氧化，直至溶液呈均一黑色懸浮液。過0.02 μm 聚碳酸酯濾膜后，用水沖洗沉淀，直至濾液呈中性。將經(jīng)過處理的MWCNTs進行真空干燥（100℃，4 h），得到CMWCNTs。

2.2.2 修飾電極的制備 玻碳電極用金相砂紙打磨，然后依次在麂皮上用1.0、0.3和0.05 μm的Al2O3拋光粉拋光成鏡面，用丙酮溶液和水超聲清洗干凈。移取2 μL 0.01 g/mL CMWCNTs DMF懸液，滴加到GCE表面，紅外燈下干燥，即得到CMWCNTs/GCE。

2.2.3 電化學(xué)檢測 循環(huán)伏安法測量在1mol/L的HAcNaAc緩沖液中進行，電位掃描范圍為1.0 V，掃速為 0.1 V/s。（含0.1 mol/L KCl）溶液中進行，頻率范圍為0.1～100 kHz，振幅為5 mV。電流時間曲線在pH 7.0的溶液中進行。

2.2.4 實際樣品制備 將適量新鮮豬肝（購于本地超市）絞碎，稱取1.0 g樣品于離心管中，加入5 mL甲醇水溶液（1∶1，V/V），勻漿1 min，10000 r/min離心5 min，棄去上清液。沉淀中加入2 mL 0.2mol/L HCl，同時加入SEM標準溶液，使終濃度分別為0.2、0.4 和0.6 μmol/L。渦旋振蕩1 min，置于37℃恒溫箱中反應(yīng)16 h。用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)至pH 7.0，加入2 mL乙酸乙酯，振蕩10 min后，10000 r/min離心10 min，收集乙酸乙酯層，并定容至2 mL，待測。endprint

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外光譜（FTIR）表征

MWCNTs和CMWCNTs粉末的紅外光譜圖如圖1所示。CMWCNTs在1711.02 cm處出現(xiàn)羧基碳氧雙鍵的特征峰，與文獻[23]報道一致，說明MWCNTs在用混酸處理后，表面引入了羧基基團，能夠改善MWCNTs的分散性和溶解性。

3.2 透射電鏡（TEM）表征

MWCNTs和CMWCNTs的透射電鏡如圖2所示，與MWCNTs相比，CMWCNTs的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的變化，如管徑明顯減小、長度變短、頂端出現(xiàn)開口等，此結(jié)果與文獻[26]報道一致。CMWCNTs較MWCNTs具有更大的比表面積，能夠提供更多的反應(yīng)位點。

3.3 交流阻抗（EIS）分析

交流阻抗法是表征電極表面修飾狀態(tài)、研究電極過程動力學(xué)的常用手段。圖3中電化學(xué)阻抗曲線在高頻區(qū)出現(xiàn)的圓弧，其半圓直徑相當于電極的電子傳遞電阻（Rct）。裸GCE的Rct≈200 Ω（曲線a），曲線b為MWCNTs/GCE的交流阻抗圖，

電極上修飾MWCNTs后， GCE的Rct≈100 Ω，顯著減小。與MWCNTs/GCE和裸GCE相比，CMWCNTs/GCE的阻抗值降為約50 Ω（曲線c），說明CMWCNTs提供了更多的反應(yīng)位點，促進電極表面的電子傳遞，具有更高的電催化性能和更好的電子傳遞性能。

3.4 對SEM的電化學(xué)響應(yīng)

裸GCE、MWCNTs/GCE和CMWCNTs/GCE在0.01 mol/L SEM溶液中進行循環(huán)伏安掃描。如圖4所示，裸GCE在不含SEM的空白樣溶液中，未出現(xiàn)氧化峰（曲線a）； 在 0.01 mol/L SEM溶液中，在0.730 V左右出現(xiàn)SEM不可逆氧化峰（曲線b），與文獻[17]報道一致。與裸 GCE相比，MWCNTs/GCE（曲線c）的氧化峰電流升高，但電位發(fā)生正移，說明MWCNTs的催化效果并不明顯； 而CMWCNTs/GCE（曲線d）的氧化峰電流與裸GCE相比增加約45%，并且電位負移0.12 V，表明GCE經(jīng)過CMWCNTs修飾后，電催化效率升高。以上結(jié)果與紅外光譜、透射電鏡、交流阻抗譜表征結(jié)果一致。

3.5 pH值優(yōu)化考察pH值對循環(huán)伏安響應(yīng)的影響。從圖5a可見，在pH 3.0～7.0范圍內(nèi)，SEM的氧化峰電流隨pH值升高而增大； 當pH=7.0時，氧化峰電流達到最大值。這可能是因為當pH較低或較高時，影響了溶液中SEM質(zhì)子化的程度。因此選擇pH=7.0為最佳值。從圖5b可見，峰電位隨著pH值增大而發(fā)生負移，說明質(zhì)子參加了SEM的電化學(xué)氧化反應(yīng)，在pH 3.0～7.0范圍內(nèi)，峰電位于pH值呈線性變化關(guān)系，斜率為E/pH=

3.6 掃描速度的影響

考察了溶液pH=7.0時，掃描速度對測定1.0×102 mol/L SEM的影響。在20～160 mV/s的范圍內(nèi)，氧化峰電流與掃描速度的平方根呈線性關(guān)系，線性方程為IP（A）=2.78×10相關(guān)系數(shù)r=0.975，表明SEM在CMWCNTs/GCE表面上的反應(yīng)主要受擴散控制影響。隨著掃描速度增大，氧化峰電位不斷正移，且與掃速的自然對數(shù)在20～160 mV/s范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，其線性方程為

圖4 不同電極在 0.01 mol/L SEM在1 mol/L NaAcHAc （pH 6.0）溶液中的循環(huán)伏安圖，掃速： 0.1 V/s. a： 空白對照； b： 裸GCE； c： MWCNTs/GCE； d： CMWCNTs/GCE

Fig.4 Cyclic voltammograms of different electrodes in 1 mol/L NaAcHAc （pH 6.0） containing 0.01 mol/L semiicarbazide （SEM）， scan rate： 50 mV/s； a，blank control； b： bare GCE； c： MWCNTs/GCE； d： CMWCNTs/GCE

圖5 0.01 mol/L SEM在不同pH下的循環(huán)伏安響應(yīng)中峰電流與峰電位的變化（pH依次為： 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10）， 掃速為0.1 V/s； a，氧化峰電流的變化； b，峰電位的變化

Fig.5 Variation of peak current and potential of cyclic voltammetry response for 0.01 mol/L SEM at different pH value （pH： 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10） . scan rate is 0.1 V/s. a， variation of peak current； b， variation of peak potential

圖6 不同濃度SEM的電流時間圖，每隔30 s加入，工作電位0.55 V； 插圖為SEM濃度與峰電流的線性關(guān)系圖. pH=7

Fig.6 Typical amperometric signals obtained at different concentrations of SEM at pH 7.0. Addition interval is 30 s， working potential is 0.55 V. Inset is linear relationship between SEM concentration and peak current

EP（V）=0.660+0.062lnv（V/s），相關(guān)系數(shù)為r=0.992。根據(jù)Tafel方程，對擴散控制的不可逆過程，該直線斜率與RT/（1α）nF相等，假定α=0.5（對于不可逆反應(yīng)， α=0.5[27]），計算求得n=0.828，轉(zhuǎn)移電子數(shù)取整數(shù)n=1，表明SEM在該電極上的反應(yīng)是單電子過程。

3.7 方法的分析性能

采用電流時間曲線法，在最優(yōu)條件下，測定不同濃度SEM對CMWCNTs/GCE電極的響應(yīng)，如圖6所示，氧化峰電流隨SEM濃度的增加而增大，在5.00×10 mol/L（S/N=3）。與其它檢測SEM的方法相比較，本方法的檢測范圍較寬，且檢出限低（表1），表明CMWCNTs/GCE的靈敏度和電催化活性相對較高。

3.8 共存物的影響分析

采用循環(huán)伏安法對0.01 mol/L SEM溶液進行了測定，分別考察了100倍的葡萄糖、蔗糖等有機物和150倍的MgSO4、KCl、NH4Cl、CaCl2、NaCl等無機物對電流響應(yīng)信號的影響。結(jié)果表明，在用修飾電極CMWCNTs/GCE檢測SEM時，以上物質(zhì)共存時的響應(yīng)信號的偏差均小于5%，即對檢測結(jié)果無顯著影響，表明CMWCNTs/GCE測定SEM時具有較好的抗干擾能力。

3.9 實際樣品分析

基于三電極工作系統(tǒng)，以CMWCNTs/GCE對豬肝實際樣品進行檢測。如表2所示，豬肝樣品中未檢出SEM，3個水平的加標回收率為92.8%～98.0%，表明本方法具有良好的實用性。

4 結(jié) 論

本研究制備了CMWCNTs/GCE修飾電極，建立了檢測SEM 的電化學(xué)方法。結(jié)果表明： CMWCNTs較大的比表面積和優(yōu)越的導(dǎo)電性能，可有效地促進SEM與電極之間的電子傳遞，具有較高的催化效應(yīng)和靈敏度，在實際樣品的分析中得到了滿意的結(jié)果，具有良好的應(yīng)用前景。endprint