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    基于β—環(huán)糊精碳納米片修飾電極的伏安傳感器快速檢測(cè)磺胺嘧啶

    2018-05-30 11:33:16韋壽蓮利健文姚夙歐陽(yáng)壯魏承煬
    分析化學(xué) 2018年5期
    關(guān)鍵詞:環(huán)糊精

    韋壽蓮 利健文 姚夙 歐陽(yáng)壯 魏承煬

    摘 要 采用超聲電解的方法制備碳納米片(CNS),通過(guò)超聲分散法將β-環(huán)糊精(β-CD)負(fù)載在CNS上,再通過(guò)滴涂法將β-CD-CNS納米復(fù)合材料固載在玻碳電極表面,構(gòu)建磺胺嘧啶(SD)伏安傳感器。以差分脈沖溶出伏安法(DPSV)研究SD傳感器的電催化性能,考察和優(yōu)化了pH值、修飾量、掃描速度、攪拌速度和時(shí)間、沉積電位和時(shí)間等參數(shù)的影響。結(jié)果表明,β-CD-CNS納米復(fù)合材料在中性溶液對(duì)SD具有良好的催化活性,能顯著提高SD的電流響應(yīng)。在優(yōu)化的條件下,SD在+0.87 V產(chǎn)生一個(gè)靈敏的氧化峰,氧化峰電流ip(μA)與SD的濃度在0.05~13.5 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.999,檢出限為12.2 nmol/L(S/N=3)。本方法成功應(yīng)用于水和牛奶中SD殘留檢測(cè),加標(biāo)回收率為80.0%~102%,RSD≤5.2%。

    關(guān)鍵詞 磺胺嘧啶; 電化學(xué)檢測(cè); 碳納米片; β-環(huán)糊精; 差分脈沖溶出伏安法

    1 引 言

    磺胺嘧啶(Sulfadiazines,SD)是一種廣譜抗菌藥物,廣泛應(yīng)用于預(yù)防和治療人類、水產(chǎn)和動(dòng)物養(yǎng)殖等細(xì)菌感染[1,2]。如果濫用或不正確使用會(huì)導(dǎo)致SD在人體、水產(chǎn)品、動(dòng)物食品、環(huán)境中殘留并累積,危及人體健康。我國(guó)《無(wú)公害水產(chǎn)品中漁藥殘留限量》(NY5070-2002) 和《農(nóng)業(yè)部第235號(hào)公告-動(dòng)物性食品中獸藥殘留最大限量》規(guī)定水產(chǎn)品、動(dòng)物性食品中SD最高殘留限量(MRLs)為100 μg/kg[3,4]。因此,開(kāi)發(fā)快速、靈敏和低成本的檢測(cè)環(huán)境水域和動(dòng)物產(chǎn)品中SD殘留對(duì)保護(hù)公眾健康至關(guān)重要。

    目前已報(bào)道的用于SD殘留檢測(cè)的方法有很多,如高效液相色譜法(HPLC)[5,6]、毛細(xì)管電泳法[7,8]、流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法[9]、紫外光度法和熒光法[10,11]、免疫分析法[12]、電化學(xué)傳感器[13~17]等,其中HPLC和電化學(xué)傳感器應(yīng)用最廣泛。HPLC法選擇性高,靈敏、準(zhǔn)確可靠,但樣品前處理繁雜、分析速度慢、儀器昂貴、成本高。與其相比,電化學(xué)傳感器具有成本低、響應(yīng)快、靈敏、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì),更有利于復(fù)雜樣品SD殘留的快速檢測(cè)。為了提高電化學(xué)傳感器檢測(cè)SD的靈敏度和選擇性,很多納米材料特別是碳納米及其復(fù)合材料被用于修飾電極[18],但報(bào)道的納米材料成本高、制備過(guò)程復(fù)雜,制約了在SD檢測(cè)中的應(yīng)用。

    碳納米片(CNS)擁有高的比表面積、納米級(jí)的厚度及優(yōu)越的電催化性能, 是一種理想的電化學(xué)修飾材料[19,20]。使用CNS作為電極修飾材料, 能夠?yàn)榇郎y(cè)物提供更多的附著位點(diǎn), 有利于提高檢測(cè)靈敏度。β-環(huán)糊精(β-CD)的結(jié)構(gòu)形似一個(gè)兩端開(kāi)放的“桶”, 內(nèi)部疏水, 外部的多羥基具有親水性, 可通過(guò)多種作用力與有機(jī)物形成包合物[21], 因而可增強(qiáng)碳納米材料在水相中的分散性, 提高有機(jī)物檢測(cè)的選擇性。本研究采用超聲電解方法制備CNS, 通過(guò)超聲分散方法將β-CD固載在CNS上, 制成β-CD-CNS/玻碳電極, 并采用差分脈沖溶出伏安法(Differential pulse stripping voltammetry, DPSV)研究了SD在電極上的電化學(xué)性質(zhì)以及影響檢測(cè)的參數(shù), 建立了一種快速、靈敏可靠的方法檢測(cè)水和牛奶中SD。

    2 實(shí)驗(yàn)部分

    2.1 儀器與試劑

    CHI660E電化學(xué)分析儀 (中國(guó)上海辰華儀器公司)、鉑絲電極、玻碳電極(Φ 3 mm)、飽和甘汞電極(飽和KCl)、JSM6510掃描電鏡(中國(guó)深圳市瑞盛科技有限公司);石墨棒(99.9%, 東莞市捷誠(chéng)石墨制品有限公司);磺胺嘧啶和β-環(huán)糊精(≥98%, 上海阿拉丁生化科技股份有限公司);純牛奶樣品均購(gòu)于超市。實(shí)驗(yàn)所用其它試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

    2.2 溶液的配制

    0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸(Cit)緩沖溶液:稱取38.428 g檸檬酸配成1 L 0.2 mol/L檸檬酸溶液, 與0.2 mol/L Na2HPO4溶液按比例配成不同pH值的緩沖液。

    1 mmol/L SD標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:準(zhǔn)確稱取0.0250 g SD, 以無(wú)水甲醇溶解并定容至100 mL。

    2.3 樣品的前處理

    水樣取自實(shí)驗(yàn)室管道自來(lái)水, 自水龍頭放水5 min后, 采集水樣直接測(cè)定。

    稱10.00 g牛奶于干凈研缽, 加6.0343 g硅藻土, 研磨30 s混合均勻。將乳液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯試管, 加入25 mL乙腈-水溶液(1000∶30, V/V), 渦旋振蕩1 min, 放于微波爐中高火模式下微波輻射1 min, 3000 r/min離心5 min[21], 收集上清液。沉淀物中加入25 mL乙腈, 搖勻, 微波輻射1 min, 3000 r/min離心5 min, 合并上清液, 于45℃水浴中, 氮?dú)饬鞔蹈伞?zhǔn)確加10.00 mL乙腈-水溶液超聲溶解 [21], 過(guò)0.22 μm濾膜, 棄去前2 mL濾液。取5.00 mL續(xù)濾液用, 0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸溶液(pH 6.0)稀釋1倍后進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)。

    2.4 β-CD-CNS/GC電極的制備

    以20 mm直徑碳棒為正極, 20 mm直徑鈦棒為負(fù)極, 在500 mL 2.5 μmol/L磷酸鹽緩沖液 (pH=7.0)中進(jìn)行恒電流電解, 電極間距為5 mm, 電流0.2 A, 超聲功率80 W電解3 h, 得到均勻分散的CNS溶液。取1.0 mL CNS溶液, 加入0.0011 g β-CD超聲分散30 min, 得到β-CD-CNS分散液[20]。

    玻碳電極(GC)用前在麂皮上以0.05 μm Al2O3進(jìn)行打磨, 再用純凈水超聲5 min, 自然晾干。用微型注射器將10 μL β-CD-CNS分散液滴涂在GC電極表面, 將電極置于紅外燈15 cm的高度下烘10 min, 得到β-CD-CNS/GC電極。

    2.5 檢測(cè)方法

    以β-CD-CNS/GC電極為工作電極,鉑絲電極作對(duì)電極,飽和甘汞電極作參比電極,在2.5×105 mol/L SD + 0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸溶液(pH 6.0)進(jìn)行DPSV掃描。掃描參數(shù):電位增量10 mV, 攪拌速度1600 r/min,攪拌時(shí)間60 s,沉積電位0.6 V,沉積時(shí)間60 s,振幅0.05 V,氮?dú)鈿夥障聹y(cè)定。

    3 結(jié)果與討論

    3.1 修飾電極的形貌

    圖1是CNS和β-CD-CNS分別滴涂在玻碳電極后的SEM圖。從圖1A觀察到CNS的形貌呈錯(cuò)落的片狀, 重疊的納米片間形成縫隙。在CNS中加入β-CD后, 可觀察到許多粒狀晶體附著在CNS表面(圖1 B), 說(shuō)明β-CD吸附在CNS表面的相容性較好。

    3.2 電化學(xué)行為

    β-CD-CNS/GC電極或GC電極在0.2 mol/L Na2HPO4-Cit緩沖液(pH 6.0)進(jìn)行DPSV檢測(cè)的曲線如圖2a所示,未觀察到氧化還原峰。

    而GC電極(圖2b)和β-CD-CNS/GC電極(圖2c)分別在2.5×105 mol/L SD Na2HPO4-Cit緩沖液(pH 6.0)中進(jìn)行DPSV檢測(cè),在0.87 V均出現(xiàn)一個(gè)明顯的SD氧化特征峰,且在β-CD-CNS/GC電極上產(chǎn)生的氧化峰電流遠(yuǎn)大于GC電極上產(chǎn)生的峰電流,說(shuō)明β-CD-CNS對(duì)SD有很好的催化氧化作用。這可能得益于碳納米片大的比表面積,為β-CD-CNS/GC電極表面富集SD提供豐富的吸附位點(diǎn),進(jìn)而提高了反應(yīng)過(guò)程中電子的傳遞效率,加快反應(yīng)速率,使得SD在電極表面更容易被氧化,從而達(dá)到放大峰電流的效果。

    3.3 修飾電極制備條件優(yōu)化

    3.3.1 β-CD濃度的影響 制作負(fù)載不同濃度β-CD的碳納米片/GC電極, 按2.5節(jié)的方法對(duì)SD進(jìn)行DPSV檢測(cè), 考察β-CD濃度對(duì)電極性能的影響。由圖3可知, 隨著β-CD濃度的增大, SD氧化峰電流先升高后降低, 在β-CD濃度為1.0 mmol/L達(dá)最大。添加β-CD后, 可能由于其“空腔”結(jié)構(gòu), 對(duì)含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的SD有包合吸附作用, 提高了SD在電極表面的富集量, 從而提高了峰電流。但β-CD濃度過(guò)高, 可能會(huì)在碳納米片上占據(jù)過(guò)多的位點(diǎn), 降低了CNS的性能, 從而增大電極阻力, 妨礙電子的有效傳輸, 導(dǎo)致氧化峰電流降低。且修飾材料因β-CD濃度太大而脫落, 故β-CD最優(yōu)濃度為1.0 mmol/L。

    3.3.2 β-CD-CN滴涂量的影響 分別將2、4、6、8、10和12 μL β-CD-CNS溶液滴加到玻碳電極表面制成修飾電極, 按2.5節(jié)方法對(duì)SD進(jìn)行DPSV檢測(cè), 考察β-CD-CNS修飾量對(duì)電極性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 隨滴涂量增加, SD氧化峰電流迅速增大, 說(shuō)明β-CD-CNS/GC電極對(duì)磺胺嘧啶具有很好的電催化活性。

    當(dāng)?shù)瓮苛繛?2 μL時(shí),SD氧化峰電流稍有降低,可知10 μL滴涂量的電極達(dá)到飽和狀態(tài)(ip=2.755 μA),繼續(xù)增大滴涂量反而會(huì)削弱電極對(duì)SD的響應(yīng)效率。實(shí)驗(yàn)選擇10 μL為最佳滴涂量。

    3.4 傳感器測(cè)定條件優(yōu)化

    3.4.1 底液及pH值 探究2.5×105 mol/L SD在濃度均為0.2 mol/L的HCl、H2SO4、NaAc(pH 6.0)、Na2HPO4-Cit(pH 6.0)、磷酸鹽溶液(pH 7.0)等底液中的電化學(xué)響應(yīng)。由圖4可見(jiàn),以H2SO4、HCl為底液,SD的氧化峰電位和背景電流高,峰形不對(duì)稱,延伸長(zhǎng)(圖4a和4e);以NaAc、磷酸鹽溶液為底液,SD的氧化峰電位低,但背景電流高,峰形延伸長(zhǎng)(圖4c和4b);以Na2HPO4-檸檬酸溶液為底液,SD的氧化峰電位和背景電流低,峰形對(duì)稱尖銳(圖4d),故選0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液為底液??疾觳煌琾H值Na2HPO4-Cit溶液對(duì)SD電化學(xué)響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)SD的氧化峰電位隨pH值減小而不斷正移,峰形不斷變寬,說(shuō)明溶液的H+濃度對(duì)峰電位和峰形有很大影響,同時(shí)發(fā)現(xiàn)SD的峰電流隨pH值增加而增大,在pH 6.0時(shí)達(dá)到最大,此后隨pH值增加而減小,說(shuō)明有H+參與電極反應(yīng)。以SD氧化峰電位對(duì)pH值進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)在pH 3.0~8.0范圍內(nèi)與峰電位呈現(xiàn)線性關(guān)系, Ep=0.033pH +1.065(r=0.9965),根據(jù)能斯特方程:E=0.059znpH+EΘ計(jì)算出SD氧化反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)子(z)的數(shù)目和電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)之比(z/n=0.5),即每轉(zhuǎn)移2個(gè)電子就有1個(gè)質(zhì)子參與到電極反應(yīng)[22],原因是磺胺嘧啶結(jié)構(gòu)中苯環(huán)上的酰胺基被氧化所致[15], 可能涉及以下反應(yīng):

    3.4.2 掃描速率 為進(jìn)一步探究SD電極反應(yīng)性質(zhì), 采用循環(huán)伏安法考察掃描速率對(duì)SD氧化峰電流的影響。1.0×105 mol/L SD在0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸溶液(pH 6.0)的循環(huán)伏安曲線上, 0.9 V附近出現(xiàn)一個(gè)氧化峰, 沒(méi)有相應(yīng)的還原峰, 表明SD在β-CD-CNS/GC電極上的電化學(xué)反應(yīng)不可逆;且隨掃描速率增大, SD的氧化峰電流增加, 峰電位正移。以SD的峰電流ip(μA)對(duì)掃描速率v(V/s)進(jìn)行擬合, 得到SD的峰電流與掃描速率的線性關(guān)系為ip =91.77v + 10.44 (R=0.994)。SD的峰電流與掃描速率成正比, 說(shuō)明磺胺嘧啶在β-CD-CNS/GC電極表面的氧化過(guò)程受電極反應(yīng)速度控制。

    3.4.3 電位增量 采用DPSV檢測(cè), 考察電位增量對(duì)2.5×105 mol/L SD氧化峰電流的影響。結(jié)果表明, 隨電位增量增大, SD的氧化峰電流逐漸增大, 峰電位正移, 10 mV時(shí)峰電流達(dá)最大, 故電位增量選擇10 mV。

    3.4.4 攪拌速率與時(shí)間 采用DPSV檢測(cè),考察不同攪拌速度下β-CD-CNS/GC電極在2.5×10

    Symbolm@@ 5 mol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液(pH 6.0)的峰電流。結(jié)果表明,隨攪拌速度增加,SD峰電流迅速增大,1600 r/min時(shí)峰電流達(dá)最大,此后隨攪拌速度增大峰電流有所下降。可能攪拌加快了SD分子的擴(kuò)散速率,增大碰撞幾率,提高了SD在電極表面的富集量,達(dá)到增大響應(yīng)電流的效果,但轉(zhuǎn)速過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致電極表面吸附的SD部分脫落,從而使峰電流降低。

    探究攪拌時(shí)間對(duì)SD氧化峰電流的影響, 發(fā)現(xiàn)不攪拌, SD氧化峰電流低。隨攪拌時(shí)間延長(zhǎng), SD峰電流迅速升高, 60 s時(shí)峰電流最大。說(shuō)明攪拌60 s, SD在電極表面富集達(dá)到飽和, 繼續(xù)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間, SD的峰電流反而減小, 可能是持續(xù)攪拌會(huì)引起電極表面SD脫附。因此攪拌時(shí)間選擇60 s。

    3.4.5 沉積電位 考察了不同沉積電位富集對(duì)SD峰電流的影響。結(jié)果表明,當(dāng)沉積電位從0 V到0.6 V變化時(shí), SD的氧化峰電流逐漸升高,在0.6 V時(shí)達(dá)到最大值。繼續(xù)增大沉積電位,峰電流降低,可能由于SD在修飾電極表面的氧化電位范圍0.7~0.9 V,沉積電位過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致SD在測(cè)定前在電極表面氧化,導(dǎo)致響應(yīng)電流降低。由于沉積和攪拌同時(shí)進(jìn)行,沉積時(shí)間也是60 s。從沉積過(guò)渡到檢測(cè)需要靜置。隨靜置時(shí)間由2 s增大至10 s,SD的氧化峰電流稍降低,故靜置時(shí)間選擇2 s。

    3.5 線性范圍和檢出限

    在最優(yōu)的條件下, 分別對(duì)濃度為0、0.050、0.25、0.75、1.5、4.5、9.0和13.5 μmol/L SD標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行DPSV掃描(圖5), 以測(cè)得的氧化峰電流ip(μA)對(duì)相應(yīng)的SD濃度c(μmol/L)進(jìn)行線性擬合(圖6), 得到SD的線性方程為ip =0.2437c-0.0209 (r=0.999), 線性范圍為5.00×108~ 1.35×105 mol/L, 檢出限(S/N=3)為12.2 nmol/L。按2.3節(jié)處理牛奶樣品, 牛奶中SD的檢出限為6.11 μg/kg, 農(nóng)業(yè)部第235號(hào)公告《動(dòng)物性食品中獸藥殘留最大限量》規(guī)定牛奶中SD最高殘留限量為100 μg/kg[4] , 本方法可滿足環(huán)境和食品中痕量SD檢測(cè)要求。

    3.6 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

    在優(yōu)化條件下, 以同一支β-CD-CNS/GC電極對(duì)5 μmol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液(pH 6.0)連續(xù)進(jìn)行10次DPSV掃描, 結(jié)果表明, SD峰電流的RSD=0.03%;制備5支β-CD-CNS/GC電極, 對(duì)5 μmol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液(pH 6.0)進(jìn)行DPSV掃描, 5支電極測(cè)得的峰電流的RSD=2.5%;將β-CD-CNS/GC電極于4℃儲(chǔ)存2周, 1周后峰電流響應(yīng)減少了1.2%, 2周后峰電流響應(yīng)減少了2.7 %, 表明β-CD-CNS/GC電極具有良好的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。

    3.7 干擾物的影響

    批量制備β-CD-CNS/GC電極。在最優(yōu)條件下, 考察常見(jiàn)共存物質(zhì)對(duì)5 μmol/L SD檢測(cè)的干擾, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 2000倍Cl, 1000倍Na+、K+和Ca2+, 250倍SO24、Mg2+和葡萄糖, 100倍甘氨酸和尿素, 50倍氯霉素, 30倍抗壞血酸, 20倍組氨酸以及3倍多巴胺分別共存時(shí), 測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差<±5.0%, 說(shuō)明除多巴胺外, 其它物質(zhì)對(duì)測(cè)定沒(méi)有顯著干擾, 制備的修飾電極對(duì)SD檢測(cè)具有高的選擇性。這可能是因?yàn)槎喟桶放cSD結(jié)構(gòu)較類似, 氧化電位較接近。

    3.8 樣品分析

    樣品按2.3方法處理后, 用β-CD-CNS/GC電極于最佳條件下進(jìn)行DPSV測(cè)試, 同時(shí)采用GB/T 21316-2007液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜法[22]對(duì)每個(gè)樣品平行測(cè)定3次, 結(jié)果見(jiàn)表1。本方法和國(guó)標(biāo)方法均未在自來(lái)水和牛奶中檢出SD。對(duì)所檢樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn), 加標(biāo)濃度分別為0.25、0.50和1.00 μmol/L, 自來(lái)水和牛奶的加標(biāo)回收率為80.0%~102.0%, RSD≤5.2%。如表2總結(jié)所示, 傳感器簡(jiǎn)便快速、線性范圍寬、靈敏度高、準(zhǔn)確可靠, 可應(yīng)用于實(shí)際樣品中SD殘留分析。

    4 結(jié) 論

    采用超聲電解和超聲分散的方法制備碳納米片和β-CD-CNS材料,在玻碳電極表面采用滴涂法制備β-CD-CNS/GC電極,研究了SD在電極上的電化學(xué)行為,建立了檢測(cè)SD的傳感器方法。此方法成本低、快速、靈敏度高,重現(xiàn)性和抗干擾能力強(qiáng),適于復(fù)雜樣品SD殘留的快速檢測(cè)。

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