基于離子液體負載氮化硼復合材料的電化學傳感平臺檢測蘆丁

王麗思，周 娟

（海南師范大學 化學與化工學院，海南 ?？?571158）

蘆丁廣泛存在于槐花米、蕓香葉和蕎麥花等植物中，具有消炎、抗氧化、降血壓等功效，可預防疾病、延緩衰老，是一種天然的抗氧化劑，因此，對藥物中蘆丁含量的檢測具有重要的意義。目前，檢測蘆丁的方法有紫外分光光度法[1]、超高效液相色譜-串聯(lián)質譜法[2]、毛細管電泳電化學發(fā)光法[3]、分光光度法[4]、亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法[5]和電化學分析法[6-7]等。與其他方法相比，在確保準確度和可信度的前提下，電化學分析法具有前處理簡單、儀器便攜、靈敏度高、檢測限低的優(yōu)勢。

氮化硼（BN）是一種無機化合物，由等量的硼和氮原子組成。BN與結構相似的碳晶格等電子，因此以不同的晶體形式存在。在氮化硼晶型中，與石墨相對應的六角晶型最穩(wěn)定、最柔軟。BN納米片，即所謂的白色石墨烯，由數(shù)層六邊形BN平面組成，與石墨烯相比具有獨特的性能，包括寬能帶隙、電絕緣、紫外（UV）光致發(fā)光、高導熱性和穩(wěn)定性，抗氧化性和化學惰性高，因此被廣泛運用于氣體吸收和電化學等領域。Gong等制備了一種六方氮化硼納米片摻雜硫酸鹽功能化的四甲基乙二胺乙基硫酸鹽用于捕獲低濃度SO2[8]。林鎮(zhèn)峰等構建了BN-Au電化學傳感器，采用差分脈沖伏安法、循環(huán)伏安法等技術研究對乙酰氨基酚的電化學行為，并對其進行定量分析[9]。

室溫離子液體（room temperature ionic liquid，IL）是一種全部由離子組成的液體或有機熔融鹽，具有不易揮發(fā)、導電性好和電化學窗口寬的優(yōu)點，可作為電解液應用于高性能電池、太陽能電池和超級電容器，也可作為導電劑用于修飾電極的制備等。例如，朱曉丹等合成了聚離子液體（1-乙烯基-3-乙基咪唑溴化銨）功能化碳納米管負載鉑釕合金納米材料，以玻碳電極（GCE）為基底，構建了電化學傳感平臺用于檢測谷氨酸[10]。

本文利用六方氮化硼高比表面積和層狀特性對離子液體（鐵型丁基氯化吡啶離子液體）進行高分散性均勻負載，制備得到一種氮化硼負載離子液體的復合材料（[Fe-Bpy]@BN），并將其修飾于工作電極表面作為一種檢測蘆丁的電化學傳感平臺。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

CHI 660D 型電化學工作站，上海辰華儀器有限公司；JSM-7100F 型掃描電子顯微鏡（SEM），日本JEOL公司；電化學測試系統(tǒng)采用三電極裝置，其中，修飾GCE為工作電極（?=3 mm），Ag/AgCl 為參比電極，鉑絲電極為輔助電極，均購自武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司。

蘆丁標準品（滬試）、硼酸（H3BO3，滬試）、三聚氰胺（滬試）、丁基氯化吡啶（BPy Cl，Alfa）、三氯化鐵（滬試）均購自國藥集團化學試劑有限公司；蘆丁片購自?？谑兴幍?，由山西云鵬制藥有限公司生產；購買的所有試劑不經提純直接使用；實驗過程中均使用超純水。

1.2 材料合成

BN的合成步驟如下[9]：稱取0.618 4 g的H3BO3和6.306 0 g的三聚氰胺，混合均勻后，在80 ℃下蒸干，再轉移至管式爐中，在氬氣保護下以5 ℃/min的速率升溫至900 ℃，維持2 h，即得到白色的塊狀固體BN。

鐵型離子液體[Fe-BPy]的合成步驟如下[11]：在100 mL圓底燒瓶中加入等量的三氯化鐵和N-丁基吡啶氯化銨，在100 ℃下機械攪拌10 h，過濾后真空干燥，最終得到深棕色[Fe-BPy]。

[Fe-Bpy]@BN的合成步驟如下：稱取0.1、0.2和0.5 g的[Fe-Bpy]分別分散于5 mL正辛烷中，再分別加入0.1 g BN，于60 ℃下機械攪拌12 h，蒸干，所得材料標記為[Fe-Bpy]@BN、2[Fe-Bpy]@BN和5[Fe-Bpy]@BN。

修飾電極的制備過程如下：首先對GCE進行拋光、清洗處理，然后取8.0μL復合材料分散液（1.0 mg/mL水懸濁液）滴涂到基底電極的表面，自然晾干，記為x[Fe-Bpy]@BN/GCE。

2 結果與討論

2.1 電鏡表征結果

所合成的BN、[Fe-Bpy]@BN、2[Fe-Bpy]@BN和5[Fe-Bpy]@BN的SEM圖如圖1所示。從圖1（A）中可知，BN為多層片狀結構；通過1∶1的質量比負載室溫離子液體[Fe-Bpy]后，BN的表面有IL存在并形成有孔隙的復合材料（圖1-B）；通過1∶2的質量比負載室溫離子液體[Fe-Bpy]后，[Fe-Bpy]有效地將BN進行分散，BN在[Fe-Bpy]之間均勻分布形成有序的結構（圖1-C）；通過1∶5的質量比負載室溫離子液體[Fe-Bpy]后，發(fā)現(xiàn)離子液體有明顯的聚集行為并完全將BN包埋（圖1-D）。

圖1 BN(A)、[Fe-Bpy]@BN(B)、2[Fe-Bpy]@BN(C)和5[Fe-Bpy]@BN(D)的SEM圖Figure 1 SEM images of BN(A)，[Fe-Bpy]@BN(B)、2[Fe-Bpy]@BN(C)and 5[Fe-Bpy]@BN(D)

2.2 蘆丁的電化學行為

圖2為不同修飾電極在蘆丁水溶液中的循環(huán)伏安掃描圖，表1為不同修飾電極的電流響應值。從圖表中可知，蘆丁水溶液在GCE電極上有一對對稱的氧化還原峰（曲線c），修飾BN后（曲線b），氧化峰和還原峰電流（分別用Ipa、Ipc表示）降低，說明BN的導電性不理想。修飾離子液體（IL）后（曲線d），氧化峰電流與裸電極電流相近。修飾不同量的[Fe-Bpy]@BN后，存在氧化還原峰，但[Fe-Bpy]@BN的氧化峰電流較低（曲線a），2[Fe-Bpy]@BN/GCE具有很強的氧化峰電流(曲線e)，5[Fe-Bpy]@BN/GCE具有較大的背景電流和氧化還原峰電流（曲線f）。因此，過量[Fe-Bpy]負載會增大修飾電極的電容電流，不利于考查蘆丁的電化學行為，本文后續(xù)選用2[Fe-Bpy]@BN/GCE修飾電極為工作電極。

圖2 不同修飾電極在50.0 μmol/L蘆丁水溶液中的循環(huán)伏安曲線（a:[Fe-Bpy]@BN/GCE;b:BN/GCE;c:GCE;d:IL/GCE;e:2[Fe-BPy]@BN/GCE;f:5[Fe-Bpy]@BN/GCE）Figure 2 Cyclic voltammetry curve of different modified electrode in 50.0 μmol/L rutin(a:[Fe-Bpy]@BN/GCE;b:BN/GCE;c:GCE;d:IL/GCE;e:2[Fe-BPy]@BN/GCE;f:5[Fe-Bpy]@BN/GCE)

表1 蘆丁在不同修飾電極上的電流響應Table 1 The peak current of rutin on different modified electrodes

2.3 溶液pH值的影響

支持電解質的pH值對體系的影響如圖3所示。隨著pH值的增大，氧化還原峰電流隨之增大，當pH值為4.0時，氧化峰電流達到最大；pH值繼續(xù)增大，氧化還原峰電流逐漸減?。▓D3-A）。因此，體系最佳pH值為4.0。同時，隨著體系pH 值的增大，氧化還原峰電位向負方向移動，且式電位與pH 值呈線性關系（圖3-B），線性方程為E0′(V)= -0.0570 pH+ 0.657,R2= 0.9935，說明該反應過程有質子參與。斜率為57 mV/pH，接近理論值（59 mV/pH），說明該電極反應過程為等質子等電子的反應過程。

圖3 (A)不同pH值下50.0 μmol/L蘆丁在2[Fe-Bpy]@BN/GCE上的CV曲線(a～h的pH值分別為1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)；(B)式電位與pH值的關系Figure 3 (A)Cyclic voltammetric curves of 50.0 μmol/L rutin at different pH on 2[Fe-Bpy]@BN/GCE(pH of a～h:1.5,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0);(B)The relationship of E0'vs.pH

2.4 掃速的影響

圖4（A）為不同掃速下蘆丁的循環(huán)伏安曲線，隨著掃速的增大，氧化還原峰電位隨之增大，氧化峰電位向正反向移動，還原峰電位向負方向移動，半峰寬增大，背景電流增大。圖4（B）表明，掃速與氧化還原峰電流呈線性關系（其中還原峰電流為負值僅代表方向），可以表示為：Ipa=2.67v+2.25，R2=0.994 6；Ipc=-9.80v-1.16，R2=0.997 4。該結果表明，電極表面為動力學控制過程（吸附控制過程）。如圖4（C）所示，在相對大的掃速范圍內，氧化還原峰電位與lnv呈線性關系，方程可表示為：Epa= 0.015lnv+ 0.50，R2= 0.988 6；Epc=0.011lnv+0.42，R2=0.965 5。根據(jù)Laviron方程，計算得到電子傳遞系數(shù)α為0.58，轉移電子數(shù)n為2.06，電子轉移速率常數(shù)ks為0.64/s。

圖4 (A)不同掃速下50.0 μmol/L蘆丁在2[Fe-Bpy]@BN/GCE上的循環(huán)伏安曲線；(B)氧化還原峰電流與掃速的關系；(C)氧化還原峰電位與lnv的關系Figure 4 (A)Cyclic voltammetric curves of 50.0 μmol/L rutin at different scan rate on 2[Fe-Bpy]@BN/GCE;(B)The relationship of peak current vs.v;(C)The relationship of peak potential vs.lnv

2.5 富集時間和富集電位的影響

由2.4節(jié)可知電極界面反應過程為吸附控制，因此本節(jié)進一步討論反應前富集時間和富集電位對蘆丁電化學行為的影響。如圖5（A）所示，在循環(huán)伏安曲線掃描前，設置富集電位為0 V，富集時間分別設置為0、30、60、90、120、150、200、300、400、500 s，氧化峰電流隨富集時間的增加而增加，富集時間大于200 s后氧化峰電流隨富集時間增大不明顯，因此200 s為最佳富集時間。如圖5（B）所示，在循環(huán)伏安曲線掃描前，設置富集時間為200 s，富集電壓分別設置為-0.3、-0.2、-0.1、0.0、0.1、0.2、0.3、0.4 V，富集電壓為0.2 V時氧化峰電流為最大值，因此最佳富集電壓為0.2 V。

圖5 （A）富集時間對氧化峰電流的影響；（B）富集電位對氧化峰電流的影響Figure 5 The effect of accumulation times(A)and potential(B)with anodic current

2.6 檢測范圍和檢出限

利用所構建的基于2[Fe-Bpy]@BN/GCE 的電化學傳感平臺檢測蘆丁，采用差分脈沖伏安法建立標準曲線，如圖6所示。結果表明，該電化學傳感平臺對蘆丁的檢測范圍為0.05～350.0μmol/L，在0.05～80.0μmol/L范圍內，標準曲線方程為Ipa=0.042 3C-0.001 3，R2=0.955 0；在80.0～350.0μmol/L范圍內，標準曲線方程為Ipa=0.005 6C-2.486，R2=0.952 3；檢測限為0.017μmol/L（3σ）。與其他文獻值相比（見表2），本工作具有較寬的檢測范圍和較低的檢測限。

表2 不同蘆丁電化學傳感平臺的參數(shù)Table 2 Parameters of various electrochemical sensors for rutin

圖6 （A）不同濃度蘆丁的差分脈沖伏安曲線；（B）蘆丁濃度與氧化峰電流的標準曲線Figure 6 (A)Differential pulse voltammetry curves of various concentrations rutin;(B)Calibration curve of rutin concentration and oxidation peak current

2.7 共存物質的影響

為進一步研究蘆丁檢測體系常見共存物質對定量檢測的影響，在含50.0μmol/L 蘆丁的磷酸緩沖溶液（pH=4.0）中加入不同的干擾物質，檢測蘆丁的濃度。結果表明，本工作構建的電化學傳感平臺具有較好的選擇性（見表3）。

表3 常見干擾物質的種類及對檢測體系的影響Table 3 Species of common interfering substances and their effects on detection system

2.8 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性分析

對修飾電極進行重現(xiàn)性試驗。取1 支電極重復檢測6 次，得到氧化峰電流的相對標準偏差（RSD）為2.72%；6 支電極平行測試，氧化峰電流的RSD 為3.93%；在冰箱中保存14 d 后，蘆丁的氧化峰電流下降1.24%。結果表明該電化學傳感平臺在檢測蘆丁時具有良好的重現(xiàn)性和循環(huán)穩(wěn)定性。

2.9 實際樣品檢測

為了驗證2[Fe-Bpy]@BN/GCE 蘆丁電化學檢測平臺的實用性，采用該系統(tǒng)對蘆丁片的含量進行定量檢測，并進行回收率分析。取3片蘆丁藥片碾碎，在瑪瑙研缽中磨成細粉，用乙醇進行抽提，進一步用無水乙醇將澄清黃色溶液定容至100 mL，從中取40μL加入到10 mL pH 4.0的磷酸緩沖溶液中，檢測蘆丁的含量（三次平行試驗）。采用標準加入法驗證回收率，結果如表4 所示，回收率在98.0%～100.3%之間，RSD 小于5%。

表4 蘆丁片中蘆丁含量的測定（n = 3）Table 4 Determination of rutin concentration in rutin tablets (n=3)

3 結論

采用煅燒法制備層狀BN，采用機械混合法制備丁基氯化吡啶鐵離子液體，采用浸漬法將離子液體負載在氮化硼上，合成了x[Fe-Bpy]@BN復合材料。將合成的復合材料用于電化學傳感平臺的構建，進一步考察確定了修飾電極制備的最佳條件（pH值為4.0，富集時間為200 s，富集電位為0.2 V），并將該平臺用于蘆丁的定量檢測，檢測范圍為0.05～350.0μmol/L，檢測限為0.017μmol/L。該平臺應用于實際樣品的檢測具有良好的回收率，并表現(xiàn)出良好的選擇性和循環(huán)穩(wěn)定性。