硬模板法制備氮摻雜有序介孔碳修飾電極檢測鹽酸奈福泮

程 昊，樊靜靜，劉永逸，2*

（1．廣西柳州螺螄粉工程技術(shù)研究中心 廣西糖資源綠色加工重點實驗室 廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2．柳州市食品藥品檢驗所，廣西 柳州 545006；3．蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530004）

鹽酸奈福泮別名為鹽酸平痛新、肌舒平、苯甲氧氮辛因等。適用于術(shù)后止痛、癌癥痛、急性外傷痛，也用于急性胃炎、輸尿管結(jié)石等內(nèi)臟平滑肌絞痛等［1］。目前，測定鹽酸奈福泮的方法有非水滴定法［2］、紫外分光光度法［3］、高效液相色譜法［4］、微流控芯片非接觸電導(dǎo)檢測法［5］和PVC膜離子選擇電極法［6］等，方法均具有耗時、昂貴、操作繁瑣等缺點。電化學(xué)分析法測定鹽酸奈福泮因電極制備簡單、價格低廉以及分析速度快等優(yōu)點而被廣泛關(guān)注［7］。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新材料的開發(fā)取得了矚目成績，其中多孔碳材料因具有高導(dǎo)電率、高孔隙率以及極大的比表面積和良好的穩(wěn)定性等特性而受到廣泛關(guān)注。但隨著人類的需求越來越廣泛，純碳材料因親水性差、活性位點少等缺點已不能滿足人類的需求。表面改性可以提高碳材料的導(dǎo)電性。近年來，通過表面改性摻雜改善電極材料導(dǎo)電性的研究越來越多，目前研究最廣泛的是N原子摻雜［8－11］，如N摻雜碳納米纖維［12－13］、N摻雜石墨烯［14－15］、N摻雜碳納米管［16］等。由于含N介孔碳的導(dǎo)電性明顯強于不含N的介孔碳，且介孔碳的親水性與其表面含N基團(tuán)含量密切相關(guān)，即表面N含量越多，親水性越強，吸附藥物能力越強。因此，為了改善介孔碳材料的親水性，可引入N原子進(jìn)行N摻雜介孔碳［17］，以改變碳材料的表面性質(zhì)，提高介孔碳材料的導(dǎo)電性能［18－20］。

本研究分別以三聚氰胺（N=66．6%）、尿素（N=46．7%）和乙二胺（N=46．7%）為氮源，阿拉伯糖為碳源，介孔硅（SBA－15）為模板劑，采用硬模板法成功制備不同氮摻雜的介孔碳，通過加入N原子改善了修飾電極的電化學(xué)行為，增加了電極比表面積，從而提高了修飾電極對鹽酸奈福泮的響應(yīng)。通過材料表征以及性能測試，最后選擇最佳氮摻雜介孔碳構(gòu)建了一種靈敏檢測鹽酸奈福泮的電化學(xué)傳感器［21－22］。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

RST系列電化學(xué)工作站（鄭州世瑞思儀器科技有限公司），三電極系統(tǒng)：飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對電極，玻碳電極（GCE）為工作電極；S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡（SEM，日本日立公司）；Tecnai G2 F20場發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM，美國FEI公司）；Thermo escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀（XPS，美國賽默飛世爾科技公司）；ASAP2020M+C型全自動微孔物理化學(xué)吸附儀（BET，美國麥克儀器公司）；Smartlab－9KW型X射線衍射儀（XRD，日本理學(xué)公司）。

鹽酸奈福泮（中國藥品生物制品檢定所）；5%Nafion、磷酸二氫鈉、十二水合磷酸氫二鈉；、三聚氰胺、尿素、乙二胺（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；介孔硅（南京先豐納米材料科技有限公司）；所用試劑均為分析純，實驗用水均為超純水。

1.2 氮摻雜有序介孔碳的制備

（1）初步碳化：分別以三聚氰胺、尿素、乙二胺為氮源，阿拉伯糖為碳源，SBA－15為模板，加入硫酸后，攪拌均勻，90℃左右將水分蒸發(fā)，然后于160℃的烘箱中放置6 h，完成初步碳化。

（2）二次碳化：將（1）所得到的產(chǎn)物溶于水中，然后加入氮源、碳源和硫酸，重復(fù)（1）的操作，完成二次碳化。

（3）在惰性氣體的保護(hù)下，900℃保持4 h，完成整個碳化過程。得到的二氧化硅/碳復(fù)合產(chǎn)物用5%HF溶液除去二氧化硅，得到3種氮摻雜有序介孔碳（N－CMK－3），其中三聚氰胺為氮源合成的氮摻雜有序介孔碳命名為N1－CMK－3（N1），尿素為氮源的命名為N2－CMK－3（N2），乙二胺為氮源的命名為N3－CMK－3（N3）。

1.3 材料表征

采用S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的形貌；采用Tecnai G2 F20場發(fā)射透射電子顯微鏡確定孔道；采用Smartlab－9KW型X射線衍射儀分析樣品的晶態(tài)和結(jié)構(gòu)；采用ASAP2020M+C型全自動微孔物理化學(xué)吸附儀測定樣品的比表面積、孔容及孔徑；采用Thermo escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀確定樣品的元素形態(tài)。

1.4 基于氮摻雜介孔碳電化學(xué)傳感器的制備

依次用0．3、0．05μm氧化鋁粉末將玻碳電極在麂皮上進(jìn)行拋光，使其成為光滑的鏡面，并依次用水、無水乙醇、水各超聲10 s，N2吹干，即得裸玻碳電極。

將2．0 mg N－CMK－3粉末分散于1 mL分散液中（0．5%Nafion，水∶異丙醇=4∶1），用超聲儀超聲混合30 min得到2．0 mg/mL N－CMK－3分散液。用移液槍取上述制得的N－CMK－3分散液6μL滴于玻碳電極表面，自然晾干后得到N－CMK－3修飾的玻碳電極（N－CMK－3/GCE）。

1.5 鹽酸奈福泮的電化學(xué)測定

用一定pH值的磷酸鹽緩沖液（PBS）為電解液，配制不同濃度的鹽酸奈福泮，轉(zhuǎn)移至10 mL電解池中。以N－CMK－3/GCE為工作電極，插入三電極系統(tǒng)，進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，記錄電流值。實驗在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮摻雜介孔碳的表征

分別對合成的3種N－CMK－3材料（N1、N2、N3）進(jìn)行SEM和TEM掃描（圖1）。由SEM圖可觀察到，3種材料為典型的棒狀結(jié)構(gòu)，且其表面呈蜂窩狀，使其比表面積大幅度增加（圖1A～C）。通過對比，可很明顯地觀察到，圖1A比圖1B、C有著更明顯的孔隙結(jié)構(gòu)和較為整齊的棒狀結(jié)構(gòu)。由TEM圖可以看出，材料顯示出有序的條紋狀和豐富的孔道結(jié)構(gòu)（圖1D～F）。這些孔道之前由介孔硅占據(jù)，經(jīng)HF刻蝕后，介孔硅被刻蝕掉，孔道顯現(xiàn)出來。通過對比，可觀察到圖1D較圖1E、F有更清晰、均一的孔道。故選擇含氮量高的三聚氰胺為最佳摻雜源用于合成氮摻雜有序介孔碳。

圖1 N1，N2，N3的SEM（A～C）及TEM圖（D～F）Fig.1 SEM（A－C）and TEM（D－F）images of N1，N2 and N3 A，D：N1；B，E：N2；C，F(xiàn)：N3

圖2A及插圖為3種制備材料的氮氣吸附/脫附等溫曲線及孔徑分布圖，表1為制備材料的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。從圖中可以看出相對壓力在0．5～1．0范圍內(nèi)，3種材料均有明顯的回滯環(huán)，說明這些材料均含有介孔，且以N1的回滯環(huán)最大，其相應(yīng)的比表面積及介孔孔容最大，而N3的回滯環(huán)，以及相應(yīng)的比表面積與介孔孔容均最小。說明隨著N含量的增加，材料的比表面積和孔容也隨之增大，其中以三聚氰胺摻雜的介孔碳比表面積最大，具有更好的吸附能力。

表1 制備的碳材料的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Textural parameters of the obtained carbon materials

圖2B為3種制備材料的XRD譜圖。結(jié)果顯示材料在2θ為23°和43°處均出現(xiàn)較寬的衍射峰，為無定型碳材料結(jié)構(gòu)的特征。在23°附近的衍射峰表明碳材料具有部分石墨化的特征，在43°附近出現(xiàn)較小的衍射峰，表明碳材料與掃描電鏡圖所描述的典型的蠕蟲狀或者蜂窩狀結(jié)構(gòu)的特征一致。

圖2 N－CMK－3的N2吸/脫附等溫線（A），XRD圖譜（B）及XPS圖譜（C～F）Fig．2 N2 adsorption/desorption isotherm（A），XRD pattern（B），XPS spectra（C－F）of N－CMK－3 inset：BJH pore size distribution of N－CMK－3

采用XPS對N－CMK－3的元素組成和化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行研究。由圖2C可見，在284．77、400．86、532．36 eV處出現(xiàn)了3個特征峰，這些原子軌道分別對應(yīng)C1s、N1s、O1s［23］。N1s特征峰的出現(xiàn)表明N原子已成功地?fù)诫s到N－CMK－3骨架上。由圖2D可知，高分辨率N1s顯示兩種類型的氮鍵能分別位于398．8 eV和401．1 eV處，它們分別對應(yīng)吡啶N和石墨N。如圖2E所示，觀察到C1s能譜可以擬合成5個顯著的峰，分別位于284．33、285．34、284．80、286．84、284．85 eV。這5個峰分別歸屬于C―C鍵，C―O鍵，C―N鍵，C====N====鍵以及C====C鍵，這表明N元素與C元素形成了化學(xué)鍵。印證了在N2氛圍中，經(jīng)高溫煅燒的N和C之間形成了化學(xué)鍵，產(chǎn)生的石墨N和吡啶N與C原子連接，優(yōu)化被分析物的表面吸附性能，提高了電荷傳遞速率，增加了材料和電解液之間的浸潤性［24－25］。

2.2 鹽酸奈福泮在不同電極上的電化學(xué)行為

為了研究不同修飾電極對鹽酸奈福泮的電化學(xué)行為，將N－CMK－3/GCE（N1/GCE、N2/GCE、N3/GCE）、CMK－3/GCE和裸GCE電極在含2．0×10－6mol/L鹽酸奈福泮的PBS（pH 4．5）中進(jìn)行循環(huán)伏安（CV）檢測。如圖3所示，相比于裸電極，CMK－3/GCE和N－CMK－3/GCE對鹽酸奈福泮的電流響應(yīng)明顯增加，說明修飾在電極上的材料對鹽酸奈福泮的電化學(xué)催化效果明顯。其中NCMK－3/GCE比CMK－3/GCE的氧化峰電流值增加更明顯，且以N1/GCE的氧化峰電流最高，峰形更好，說明N元素的存在增加了介孔碳的比表面積，能促進(jìn)材料對鹽酸奈福泮的催化作用，且隨著N源中N元素的增多，使得碳材料中N含量增加親水性增強，其吸附藥物的能力也越強。故以最佳氮摻雜介孔碳（N1）為主，構(gòu)建了一種靈敏檢測鹽酸奈福泮的傳感器。比較圖中的N1/GCE和N1*/GCE，可以很明顯地觀察到氮摻雜介孔碳在含有鹽酸奈福泮溶液中的電流值比無鹽酸奈福泮溶液的電流值明顯增加，說明材料對鹽酸奈福泮具有很好的電化學(xué)響應(yīng)。

圖3 GCE、CMK－3/GCE及N－CMK－3/GCE在含2．0×10－6 mol/L鹽酸奈福泮的PBS中的循環(huán)伏安曲線，以及N1/GCE在PBS中的循環(huán)伏安曲線（N1*/GCE）Fig．3 CVcurves of bare GCE、CMK－3/GCE and N－CMK－3/GCE in PBS containing 2．0×10－6 mol/L nefopam hydrochlo?rid，and CVcurve of N1－CMK－3 in PBS（N1*/GCE）curve（1－6）：CMK－3/GCE，GCE，N1*/GCE，N3/GCE，N2/GCE，N1/GCE

2.3 實驗條件的優(yōu)化

為了獲得最佳實驗條件，采用CV考察了修飾劑用量、緩沖溶液pH值以及掃描速率對氧化峰電流的影響。

研究表明，當(dāng)N1修飾液的濃度一定時，其滴涂量對同一濃度鹽酸奈福泮溶液的氧化峰電流影響很大。由圖4A可知，當(dāng)?shù)瓮苛吭?～7μL范圍時，隨著滴涂量的增大，氧化峰電流信號增加幅度較大，當(dāng)?shù)瓮苛吭黾拥?μL時，氧化峰電流的信號達(dá)到最大值，之后氧化峰電流逐漸減小。這是由于隨著N1滴涂量的增加，電極反應(yīng)的有效表面積不斷增加，從而導(dǎo)致氧化峰電流增加，然而電極的有效表面積有限，修飾膜過厚，阻礙了鹽酸奈福泮的傳質(zhì)與電極之間的電子傳遞。因此，實驗選擇6μL為最佳滴涂量。

圖4 修飾劑用量（A）及pH值（B）對體系峰電流強度的影響Fig．4 Effects of modifier amount（A）and pH value（B）on peak current values of the system

以PBS為電解質(zhì)，研究了2．0×10－6mol/L鹽酸奈福泮在不同pH值緩沖液中的電化學(xué)行為。如圖4B所示，在pH 3．5～6．0的范圍內(nèi)，隨著pH值的增加，氧化峰電流先增大后減小。在pH4．5時，N1/GCE檢測鹽酸奈福泮的氧化峰電流達(dá)到最大。因此，實驗選擇pH 4．5為最佳pH值。

在0．01～0．1 V/s范圍內(nèi)，研究了掃描速率對2．0×10－6mol/L鹽酸奈福泮氧化峰電流的影響。結(jié)果顯示，鹽酸奈福泮的氧化峰電流（I）隨著掃描速率（v）的增加而增加，氧化峰電位有正移的趨勢，且兩者呈良好的線性關(guān)系，線性方程為I=278v+0．89，r2=0．997。表明鹽酸奈福泮在N1修飾電極表面受吸附控制。結(jié)合信噪比和峰形，選擇最佳掃描速率為0．05 V/s。

2.4 修飾電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性

在pH 4．5的PBS中，用同一根N1/GCE對2．0×10－6mol/L鹽酸奈福泮重復(fù)測量數(shù)十次，測得氧化峰電流的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1．2%，證明N1/GCE具有良好的穩(wěn)定性。同時制備6根N1/GCE，測得其對2．0×10－6mol/L鹽酸奈福泮的氧化峰電流的RSD為0．92%，說明N1/GCE具有良好的重現(xiàn)性。

2.5 線性范圍與檢出限

在最優(yōu)條件下，利用循環(huán)伏安法探究了不同濃度鹽酸奈福泮的氧化峰電流響應(yīng)情況。結(jié)果顯示，隨著鹽酸奈福泮濃度的增加，氧化峰電流增大，且氧化峰電流（I）與鹽酸奈福泮濃度（C，mol/L）在1．0×10－8～5．0×10－6mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為I=3．52C+6．08（r2=0．992），檢出限（S/N=3）為5．3×10－9mol/L。

2.6 回收率實驗

為評價該方法在檢測實際樣品中的應(yīng)用，利用修飾電極對鹽酸奈福泮片中的鹽酸奈福泮含量進(jìn)行電化學(xué)檢測。取5片鹽酸奈福泮片研磨混勻，稱取1片的質(zhì)量，溶于水中超聲提取，配制成濃度為1．0×10－5mol/L的溶液，在最佳條件下檢測，并加入5個濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行加標(biāo)回收實驗，每濃度平行檢測3次，測得加標(biāo)回收率為95．9%～100%，表明本文提供的方法可用于實際樣品的檢測。

2.7 干擾實驗

在最佳條件下，利用循環(huán)伏安法考察了常見干擾物對檢測2．0×10－6mol/L鹽酸奈福泮的影響，相對測量誤差控制在±5%以內(nèi)。實驗結(jié)果表明1 000倍的K+、SO2-4，100倍的Zn2+、Cl－，50倍的Mg2+，25倍的蔗糖、葡萄糖、抗壞血酸，20倍的Ca2+、CO2-3對測定不產(chǎn)生干擾。表明所制備的N1/GCE的選擇性較好。

3 結(jié) 論

將采用模板法制備的N－CMK－3材料通過滴涂法制備N－CMK－3/GCE修飾電極，并用于檢測鹽酸奈福泮。材料表征和性能測試結(jié)果顯示以三聚氰胺為氮源摻雜介孔碳材料的效果最佳。研究表明表面N含量越高，親水性越強，藥物吸附能力越強，因此為改善介孔碳材料的親水性，應(yīng)進(jìn)行N摻雜介孔碳。