基于Pd/g-C3N4-SWCNTs的雌二醇電化學(xué)傳感器構(gòu)建及應(yīng)用研究

鄭志祥，王 玫，李 江，宮 雪，王春明

(1.甘肅省證據(jù)科學(xué)技術(shù)研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅政法學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.寧夏醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,寧夏 銀川 750004；3.蘭州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

內(nèi)分泌干擾物(EDCs) 是一種可以干擾人體和動(dòng)物的內(nèi)分泌系統(tǒng)的外源性化學(xué)物質(zhì)，現(xiàn)已引起各界的廣泛關(guān)注。EDCs可以破壞人體內(nèi)激素平衡，直接威脅人類的生存。2002年簽署的《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》中，首批確定具有持久性污染的12種環(huán)境激素之一就是雌二醇(E2)。E2是雌效應(yīng)最強(qiáng)的天然甾體雌激素，在很低濃度下(0.1 ng/L)即可表現(xiàn)出極強(qiáng)的生物效應(yīng)[1-2]。E2可通過食物鏈在生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行生物富集，并蓄積在機(jī)體脂肪組織內(nèi)[3]，造成人體臟器損害，并誘發(fā)乳腺癌、前列腺癌、生殖障礙等疾病[4-5]。因此，E2被歐盟水框架指令列為優(yōu)先控制的污染物之一[6]。然而，仍有一些養(yǎng)殖場(chǎng)為了經(jīng)濟(jì)效益而違規(guī)使用激素等促進(jìn)生長的添加劑以提高養(yǎng)殖效率和畜禽瘦肉比[7]，加劇了E2在人體和生物體內(nèi)的富集及對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞作用。為了跟蹤和監(jiān)控E2的污染程度，迫切需要建立靈敏、快速、低成本的測(cè)定方法。目前測(cè)定E2的方法主要有液相色譜法[8]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[9]、氣相色譜-質(zhì)聯(lián)用法[10]等，但這些方法往往需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理、耗費(fèi)時(shí)間且儀器昂貴。與上述方法相比，電化學(xué)檢測(cè)方法因其靈敏度高、儀器簡單、反應(yīng)速度快、成本低等特點(diǎn)在環(huán)境分析中備受關(guān)注。然而，E2在裸玻碳電極上的氧化還原信號(hào)較弱，為了改善E2在電極表面的電催化活性和抗干擾能力，已有各種材料用于電極的修飾，并將其用于E2的電化學(xué)檢測(cè)。如Song等[11]采用聚絲氨酸修飾玻碳電極用于E2的檢測(cè)，Han等[12]采用新型磁性分子印跡傳感膜材料制備修飾電極用于E2的檢測(cè)。

在眾多功能化材料中，氮化碳由于具有豐富的π電子而備受關(guān)注。其中，作為氮化碳5種同素異形結(jié)構(gòu)[13]之一的類石墨相氮化碳(g-C3N4)，由于其優(yōu)異的電催化性能而引起了人們的特別關(guān)注。g-C3N4作為一種新型非金屬半導(dǎo)體材料，因具有電子傳遞速率快、比表面積大、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、載荷子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，而在電化學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景[14-16]。為了進(jìn)一步提高g-C3N4的催化性能和導(dǎo)電性能，可通過在其表面修飾金屬或者非金屬納米材料，如Cu[17]、Fe[18]、Pt[19]、AgNi[20]、氧化石墨烯[21]、碳納米管(CNTs)[22]等實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大作用。其中CNTs具有豐富的離域π鍵結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電子學(xué)性能、良好的吸附能力和導(dǎo)電性能、較大的比表面積和長徑比及較多的催化活性位點(diǎn)[23-25]。已有文獻(xiàn)報(bào)道了g-C3N4-CNTs復(fù)合材料的制備及其在太陽能電池中的應(yīng)用[26-27]。然而，通過固體研磨-熱聚合法制備g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料并用于E2的電化學(xué)檢測(cè)未見報(bào)道。

本文利用三聚氰胺(MAM)和單壁碳納米管(SWCNTs)為前體通過固體研磨-熱聚合法制備了g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料，然后負(fù)載Pd納米粒子合成Pd/g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料，并將其用于E2的電化學(xué)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Pd/g-C3N4-SWCNTs納米復(fù)合材料對(duì)E2的電化學(xué)氧化具有良好的催化作用，可用于構(gòu)建電分析檢測(cè)E2的新型傳感材料，并有望用于實(shí)際飼料樣品中E2的快速檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

雌二醇(E2)、Na2PdCl4購于Aladdin 公司，單壁碳納米管(SWCNTs)購于深圳市碳納米港，三聚氰胺(MAM)及其他試劑均購于天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;所有試劑均為分析純，除碳納米管之外，其他試劑在使用前均未進(jìn)行純化處理；所有溶液均使用二次去離子水進(jìn)行配制；所有電化學(xué)測(cè)試前均通氮?dú)獬? min。200KV/JEM-2010(HR)透射電子顯微鏡(日本電子公司)，TENEOR 37紅外光譜儀(德國布魯克公司)，D/max-2400型X衍射分析儀(日本理學(xué)公司)，Agilent 1220 高效液相色譜儀(美國安捷倫公司)，CHI660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)。

1.2 g-C3N4-SWCNTs的制備

取0.12 g羧基化處理的單壁碳納米管和2.50 g 三聚氰胺置于瑪瑙研缽中研磨1.5 h，再將混合物置于石英坩堝中，用鋁塑包封，以5 ℃/min升溫至520 ℃保持4.0 h，再以5 ℃/min降至室溫，得到g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料，制備過程如圖1所示。其他不同比例的復(fù)合物的制備方法同上。

圖1 g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料的合成示意圖Fig.1 Schematic illustration of the synthetic procedure for g-C3N4-SWCNTs

1.3 Pd/g-C3N4-SWCNTs的制備

1.4 Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE的制備

將玻碳電極在金相砂紙上用1.0 μm和0.05 μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，依次在丙酮、水中超聲清洗后，將處理好的玻碳電極于室溫下自然晾干。取Pd/g-C3N4-SWCNTs粉末加入水超聲分散，得到1 mg/mL的分散液。取8 μL上述的分散液滴涂于處理好的電極表面(其8 μL用量是基于5.0 m mol/L[Fe(CN)6]3-/4-作為探針進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試得到的最優(yōu)用量)，在室溫條件下晾干備用。

1.5 DPV法與HPLC法測(cè)定E2方法學(xué)上的顯著性差異比較

為進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器的潛在使用價(jià)值，采用高效液相色譜法測(cè)定樣品中E2含量進(jìn)行對(duì)照，并運(yùn)用SPSS19.0進(jìn)行兩種方法的統(tǒng)計(jì)分析，以比較二者在方法學(xué)上是否存在顯著性差異。其中HPLC的色譜條件為：色譜柱：TOSOH TSKgel-ODS柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流動(dòng)相：45%乙腈-55%水；流速：1.0 mL/min；檢測(cè)波長：280 nm。樣品處理：稱取雞飼料樣品5.0 g，準(zhǔn)確加入25 mL乙醇浸泡24 h，取其上清液以 5 000 r/min的速度離心5 min，用0.22 μm濾膜過濾后備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的形貌及結(jié)構(gòu)表征

圖2為g-C3N4-SWCNTs和Pd/g-C3N4-SWCNTs的表面形貌圖。從g-C3N4-SWCNTs的SEM圖中可觀察到許多絲綢樣層狀納米片狀結(jié)構(gòu)(圖2A)，表明SWCNTs并未影響g-C3N4的結(jié)構(gòu)。g-C3N4-SWCNTs的TEM圖中可觀察到其柔紗狀薄片結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可觀察到SWCNTs分散在g-C3N4的表面(圖2B)。Pd/g-C3N4-SWCNTs的SEM(圖2C)和TEM(圖2D)圖均表明，Pd納米粒子已均勻地分散在g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料表面。

考察了SWCNTs、g-C3N4、g-C3N4-SWCNTs和Pd/g-C3N4-SWCNTs的XRD衍射光譜(圖3A)。從圖3A可知，碳納米管有兩處衍射峰，分別位于26.4°和47.3°處，衍射峰對(duì)應(yīng)于六角形石墨結(jié)構(gòu)的(002)和(100)晶面[29]；純g-C3N4樣品有2個(gè)明顯的衍射峰位于13.0°和27.3°處，分別對(duì)應(yīng)于g-C3N4(JCPDS 87-1526)卡片中的(100)和(002)衍射面，屬于石墨相晶系，其中位于13.0°處的特征峰屬于Melon類物質(zhì)的特征峰，位于27.3°的特征峰為芳香類化合物典型的層間堆垛峰。這兩處衍射峰與文獻(xiàn)報(bào)道的g-C3N4相一致[30]。然而，在g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料中無明顯的SWCNTs衍射峰，可能因?yàn)樨?fù)載的SWCNTs量較少。而Pd/g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料可觀察到在40.1°、47.3°和68.3°處多了3個(gè)衍射峰，其分別對(duì)應(yīng)于面心立方體晶體結(jié)構(gòu)的(111)、(200)和(220)晶面，為Pd粒子的衍射峰。

2.2 Pd/g-C3N4-SWCNTs的電化學(xué)行為表征

對(duì)比g-C3N4/GCE、g-C3N4-SWCNTs/GCE及Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE在5.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl中的循環(huán)伏安行為。結(jié)果表明，與g-C3N4和g-C3N4-SWCNTs修飾電極相比，探針分子在Pd/g-C3N4-SWCNTs修飾電極上的催化氧化反應(yīng)峰電流有一定程度增大。由此表明Pd/g-C3N4-SWCNTs能有效地提高電極表面與探針分子[Fe(CN)6]3-/4之間的電子轉(zhuǎn)移速率。這可能歸因于Pd納米粒子和SWCNTs的良好催化性能和導(dǎo)電性能，而g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料獨(dú)特的電子特性則為其提供了更多的活性位點(diǎn)，從而增加了電子傳導(dǎo)速率和催化性能。

2.3 E2在Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE上的電化學(xué)行為

在PBS(pH 2.5)中，采用循環(huán)伏安法研究了4種不同電極(g-C3N4/GCE、g-C3N4-SWCNTs/GCE、Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE、GCE)對(duì)E2的電化學(xué)行為。Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE在不含E2的空白支持電解質(zhì)中無明顯響應(yīng)，在含有0.5 mmol/L的E2溶液中，4種不同電極均呈現(xiàn)一個(gè)明顯的氧化峰，表明修飾電極對(duì)E2具有良好的電催化作用。E2在g-C3N4/GCE、g-C3N4-SWCNTs/GCE、Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE上的響應(yīng)電流分別為1.58、2.12、2.78 μA，其中E2在Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE上的響應(yīng)電流明顯大于在g-C3N4/GCE、g-C3N4-SWCNTs/GCE上的響應(yīng)電流，這可能歸因于Pd納米粒子和SWCNTs良好的催化性能和導(dǎo)電性能，而g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料獨(dú)特的電子特性則為其提供了更多的活性位點(diǎn)，從而增加了電子傳導(dǎo)速率和催化性能。以上結(jié)果表明，Pd/g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料提高了電極表面的電催化能力和電子傳遞能力，與“2.2”結(jié)果一致。

2.4 掃描速率的影響

電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可以通過掃描速率對(duì)氧化峰電流的影響來表征。圖4A為Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE修飾電極在E2溶液中于不同掃描速率下氧化峰電流的變化。結(jié)果顯示，在掃描速率20～100 mV/s范圍內(nèi)，E2的氧化峰電流隨著掃描速率的增加而增大，且其氧化峰電流與掃描速度的平方根成正比，其線性方程為：Ipa(μA)=0.372+0.324ν1/2(mV/s)，r=0.994(圖4A插圖)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，E2在Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE上的電極過程為擴(kuò)散控制過程。

2.5 pH值的影響

考察了不同pH值支持電解質(zhì)溶液對(duì)E2電化學(xué)行為的影響。在pH 2.5～10.5的PBS中，E2在Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE上的循環(huán)伏安行為如圖4B所示。由圖可知，在此pH范圍內(nèi)，E2的氧化峰電位隨著溶液pH值的增加而負(fù)移，表明質(zhì)子參與了雌二醇的電化學(xué)氧化過程，且溶液pH值與E2的氧化峰電位間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性方程為：Epa(V)=1.041-0.060 pH，r=0.996。方程的斜率為-60 mV/pH，接近理論值-59 mV/pH，表明雌二醇在Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE上的電催化氧化過程為等電子等質(zhì)子過程，其轉(zhuǎn)移數(shù)為1[33]。從圖4B插圖還可以看出，氧化峰電流的最大值出現(xiàn)在pH 2.5處。因此，實(shí)驗(yàn)選擇pH 2.5的0.1 mol/L PBS作為體系的支持電解液。

2.6 示差脈沖法測(cè)定E2

采用示差脈沖法(DPV)對(duì)雞飼料和豬飼料兩種基質(zhì)樣中的E2含量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果如圖5A所示，隨著E2濃度的不斷增大，E2在0.80 V處的氧化峰電流隨之增大，且氧化峰電流大小與兩種基質(zhì)中的E2濃度均在5～150 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，其線性方程為：Ipa(μA)=0.834 7+0.007 0CE2(r=0.990)，檢出限(S/N=3)為1.7 μmol/L。采用DPV法對(duì)50 μmol/L的E2進(jìn)行10次連續(xù)測(cè)定，氧化峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.2%，表明該修飾電極對(duì)E2測(cè)定具有良好的重現(xiàn)性。將該電極放置于4 ℃條件下保存3周后，E2在修飾電極上的氧化峰電流降至初始值的93.8%，表明該修飾電極具有良好的穩(wěn)定性。

2.7 干擾研究

2.8 分析應(yīng)用

本文選擇飼料為樣品，以考察該傳感器在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的可能性。分別取20.0 g雞飼料和豬飼料，加至100 mL乙醇中浸泡24 h，取上清液過濾后備用。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行加標(biāo)回收率測(cè)定，每個(gè)濃度平行測(cè)定5次，測(cè)得其加標(biāo)回收率為98.6%～107%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.3%～3.3%(見表1)。將本方法與文獻(xiàn)方法進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，本傳感器用于實(shí)際飼料樣品中E2檢測(cè)時(shí)，其線性范圍更寬，且無需對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的前處理。

表1 飼料樣品中E2的檢測(cè)結(jié)果(n=5)

表2 本方法與文獻(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的比較Table 2 Performance comparison of the proposal sensor for E2 detection with the other reported sensors

BPIDS:1-butyl-3-[3-(N-pyrrolyl)propyl] imidazoliumdodecyl sulfate/ glassy carbon electrode;Fe3O4-MIP/SPCE:Fe3O4-magnetic molecularly imprinted polymer/screen printed carbon electrode;RGO-DHP:reduced graphene oxide-dihexadecylphosphate/glassy carbon electrode

2.9 DPV法與HPLC法測(cè)定E2方法學(xué)上的顯著性差異比較

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器的潛在使用價(jià)值，本文采用高效液相色譜法對(duì)樣品中E2的含量進(jìn)行測(cè)定。在優(yōu)化色譜條件下，以E2的濃度(x)為橫坐標(biāo)，峰面積(y)為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，得到E2的線性方程為：y=146 984x-51 270(r=0.999 9)，線性范圍為3.4～54.4 mg/L(12.5～200 μmol/L)。分別稱取陰性豬飼料和雞飼料各5.0 g，共6份，分別準(zhǔn)確加入濃度為272 mg/L的E2對(duì)照品溶液55.0 μL和50.0μL，各3份，對(duì)樣品進(jìn)行前處理，測(cè)定E2含量，計(jì)算其回收率，并將其測(cè)定結(jié)果與本文所建立的方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表 3所示。從表中可看出，兩種方法用于飼料樣品中E2檢測(cè)時(shí)的回收率和RSD差別在方法學(xué)誤差的范圍內(nèi)。

表3 飼料樣品中雌二醇的檢測(cè)結(jié)果Table 3 Determination results of E2 in the feedstuff samples

運(yùn)用SPSS19.0對(duì)DPV法與HPLC法測(cè)定雌二醇的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，通過F檢驗(yàn)測(cè)得的P值為0.120(大于0.05)，說明方差齊；t檢驗(yàn)測(cè)得的P值為0.975(大于0.05)，說明兩種方法測(cè)定結(jié)果的均值無顯著性差異。由此表明Pd/g-C3N4-CNTs納米復(fù)合材料作為一種新型的催化材料所構(gòu)建的電化學(xué)傳感器可用于實(shí)際樣品中E2的檢測(cè)。

3 結(jié) 論

本文采用固體研磨-熱聚合法制備了新型的g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料，利用自組裝法負(fù)載金屬Pd納米粒子，進(jìn)而制備了新型電化學(xué)傳感器Pd/g-C3N4-SWCNTs/GCE，并將該傳感器用于飼料樣品中E2的分析檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)Pd/g-C3N4-SWCNTs復(fù)合材料可有效提高電子傳遞速率和電導(dǎo)率，且對(duì)E2具有響應(yīng)迅速、靈敏度高、選擇性好和線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該傳感器與HPLC對(duì)E2分析檢測(cè)時(shí)，在方法學(xué)上無顯著性差異。因此，Pd/g-C3N4-SWCNTs電化學(xué)傳感器有望用于食品、水體及飼料等中環(huán)境激素類污染物的檢測(cè)。