新型石墨炔電化學(xué)傳感器撲熱息痛的檢測

劉艷坤,胡世榮,楊 浩,楊 瀟,葉佳佳

（閩南師范大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,福建 漳州 363000）

撲熱息痛（對乙酰氨基苯酚）是一種常見的解熱鎮(zhèn)痛藥，由于因其對胃腸道刺激作用小，解熱鎮(zhèn)痛作用緩和持久，安全高效，在臨床上常用于感冒發(fā)燒、關(guān)節(jié)痛、神經(jīng)痛及偏頭痛、癌性痛及手術(shù)后止痛等[1-4].但是過量服用撲熱息痛會產(chǎn)生嚴(yán)重毒副作用[5]，因此準(zhǔn)確測定藥品中撲熱息痛的含量對于我們來講是迫切需要的，且具有重要的醫(yī)學(xué)意義.目前測定撲熱息痛的方法有很多，包括高效液相色譜法[6]、分光光度法[7]、紅外光譜法[8]、電化學(xué)傳感法[9]等方法.其中電化學(xué)傳感法由于其靈敏度高、線性測量范圍廣、操作簡單、成本低等優(yōu)勢成為快速檢測撲熱息痛的方法，具有良好的發(fā)展前景[10-11].

石墨炔(Graphdiyne,GDY)是一種新型的二維碳同素異形體，近年來受到越來越多的關(guān)注[12].石墨炔（GDY）其獨特的sp-sp2雜化碳原子，使其具有高度的π 共軛，規(guī)則的有序孔結(jié)構(gòu)和可調(diào)電子結(jié)構(gòu)，使得GDY 具有天然的帶隙和高速的載流子遷移率[13]，使其在氣體分離[14]、催化[15]、水處理[16]、濕度傳感器[17]、能源等領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.相比于其它碳材料，石墨炔優(yōu)秀的電化學(xué)性質(zhì)，用于電化學(xué)傳感器修飾，會使電化學(xué)傳感器表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的性能[18-23].

本工作合成了形貌較好的片層狀石墨炔，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、傅里葉紅外光譜儀（FTIR）和X 射線衍射儀（XRD）等儀器對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并將其用于修飾玻碳電極，構(gòu)建電化學(xué)傳感器，對撲熱息痛進(jìn)行定量分析檢測.實驗結(jié)果表明，Nafon/GDY 修飾的電化學(xué)傳感器對撲熱息痛具有良好的檢測性能，檢出限為4.38 μmol·L-1，在實際樣品的檢測中也表現(xiàn)出了良好的抗干擾性能，證明了該傳感器具有一定的潛在應(yīng)用價值.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660E 型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器公司；Tecnai G220型透射電子顯微鏡，美國FEI公司；PE-20型pH計，上海梅特勒托利多儀器有限公司；X射線衍射儀（Ultima IV，日本Rigaku公司）；KQ-250B型超聲波清洗儀，昆山市超聲儀器有限公司.

撲熱息痛，上海麥克林生化科技有限公司；六(三甲基硅基)乙炔基苯（HTMSiEB），鄭州阿爾法化工有限公司；無水乙醇（C2H5OH）、四甲基乙二胺（TMEDA）、吡啶、氯化鈉（NaCl）、磷酸二氫鈉（NaH2PO4)、磷酸氫二鈉（Na2HPO4）、氯化鉀（KCl）均購自廣東西隴化工有限公司；四丁基氟化銨（MTHF）、抗壞血酸（AA）、多巴胺（DA）、尿酸(UA)，阿拉丁試劑（上海）有限公司.實驗所用其它試劑均為分析純試劑，實驗用水為超純水.

1.2 實驗過程

石墨炔(GDY)的制備：依據(jù)李玉良等[24]介紹的方法，通過優(yōu)化實驗條件，制備石墨炔.取100 mg六（三甲基硅基）乙炔基苯于圓底燒瓶，溶于10 mL四氫呋喃，0 ℃、氮氣環(huán)境下攪拌至完全溶解，后加入0.2 mL四丁基氟化銨，繼續(xù)攪拌至混合均勻.處理后的溶液用乙酸乙酯稀釋一倍，飽和NaCl溶液洗滌，去除其雜質(zhì)，過濾后用無水MgSO4干燥，再過濾.將處理好的溶液置于真空干燥箱內(nèi)，真空室溫濃縮，烘干后的固體溶解于丙酮中.取用砂紙打磨光滑的1 cm×1 cm銅片兩個，在1∶1鹽酸中超聲5 min后放入三口燒瓶.架設(shè)冷凝裝置，向燒瓶加入20 mL 吡啶，通入氮氣，待水浴鍋溫度升至55 ℃，向燒瓶加入四丁基乙二胺2 mL，在避光條件，將事先溶解的固體逐滴加入三口燒瓶中.反應(yīng)至燒瓶中溶液蒸干，黑色產(chǎn)物附著于銅片，將其用丙酮、乙醇緩慢反復(fù)沖洗后，烘干即得到石墨炔（GDY）.

電極制備：玻碳電極表面用1.0、0.3、0.05 μm 的鋁粉依次打磨處理，使其電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；依次用超純水、乙醇、超純水清洗，用氮氣吹干玻碳電極表面.將1 mg 石墨炔（GDY）超聲均勻分散于1 mL 的乙醇中，用移液槍準(zhǔn)確移取分散溶液滴于預(yù)先處理的玻碳電極（GCE）表面.待玻碳電極晾干后，滴加3 μL Nafion在GDY修飾電極表面，烘箱25 ℃烘干備用.

撲熱息痛的電化學(xué)檢測：采用三電極系統(tǒng)，工作電極為玻碳電極（GCE）或修飾電極(Φ=3 mm)，參比電極為飽和氯化銀電極（Ag/AgCl），輔助電極為鉑絲電極.檢測底液為0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液（PBS，pH=7），富集電壓為0.3 V，富集時間70 s.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 材料的表征與分析

圖1(a)與圖1(b)分別為GDY 的掃描電鏡圖和高分辨透射電鏡圖，從圖中我們可以看到GDY 的片層結(jié)構(gòu)，證明制得了具有良好形貌的薄層狀GDY；圖1(c)是GDY的XRD光譜圖，在20°出有一明顯的強(qiáng)特征峰，表征結(jié)果與文獻(xiàn)[25]報道相符；圖1(d)是對材料進(jìn)行紅外光譜表征得到的譜圖，我們可以看出2 140 cm-1處出現(xiàn)了碳碳三鍵的特征吸收峰，在1 620、1 550、1 400 cm-1有中等強(qiáng)度的尖銳吸收峰，可以判斷為苯環(huán)的特征吸收峰，2 950 cm-1處出現(xiàn)了強(qiáng)度較大的吸收峰，推測為六乙炔基苯上未能發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)的≡C-H.

圖1 SEM、TEM、FTIR和XRD表征圖Fig.1 SEM,TEM,FTIR and XRD characterization diagram

2.2 修飾電極的CV測試

采用循環(huán)伏安法（CV）探究不同修飾電極對于撲熱息痛的電化學(xué)響應(yīng)，測定條件為掃描速率為0.1 V/s；測定電壓范圍為0.1～0.7 V；測試溶液為0.10 mmol·L-1撲熱息痛的0.1 mol·L-1的PBS（pH=7）.分別使用GCE、MWCNTs/GCE、GO/GCE 和Nafion/GDY/GCE 通過循環(huán)伏安法(CV)法進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖2所示，在裸電極GCE上出現(xiàn)的氧化還原峰并不明顯，MWCNTs/GCE電極無明顯信號響應(yīng)，GO/GCE電極有稍明顯的電化學(xué)響應(yīng)，但與Nafion/GDY/GCE相比，信號強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如，這表明了Nafion/GDY電化學(xué)傳感器對撲熱息痛檢測響應(yīng)更好.圖3為撲熱息痛在修飾電極上的反應(yīng)機(jī)理及修飾電極示意圖.

圖2 GCE、MWCNTs/GCE、GO/GCE、Nafion/GDY/GCE在含0.1mmol撲熱息痛的PBS(pH=7)中的CV曲線圖Fig.2 CV curves of GCE,MWCNTs/GCE,GO/GCE,Nafion/GDY/GCE in PBS(pH=7)containing 0.1 mmol paracetamol

圖3 Nafion/GDY修飾玻碳電極示意圖及撲熱息痛在傳感器上反應(yīng)機(jī)理Fig.3 Schematic diagram of Nafion/GDY modified glassy carbon electrode and reaction mechanism of paracetamol on the sensor

2.3 pH值的影響

如圖4A所示，通過差分脈沖伏安法(DPV)探究檢測PBS緩沖溶液pH對于撲熱息痛在Nafion/GDY/GCE電極上的電化學(xué)響應(yīng)行為.結(jié)果表明，撲熱息痛在緩沖溶液pH 值從4 增加到7 的過程中，峰電流隨著pH值增加而增加，在pH值由7增加到9的過程中，隨著pH值的增加而減小，在緩沖溶液pH值為7時，峰電流最大，因此我們采取pH值為7的PBS緩沖溶液進(jìn)行接下來的電化學(xué)實驗.

圖4 撲熱息痛DPV圖和峰電流與pH之間關(guān)系圖Fig.4 Paracetamol DPV plot and relationship between peak current and pH

2.4 差分脈沖伏安法（DPV）定量檢測撲熱息痛

差分脈沖伏安法（DPV）具有高靈敏度和低檢測線的特點，在最佳條件下，探究濃度與電流的關(guān)系.如圖5所示，撲熱息痛氧化峰電流隨著撲熱息痛濃度由10 μmol·L-1到100 μmol·L-1增加呈線性增加趨勢，線性測量范圍為10～100 μmol·L-1，線性相關(guān)關(guān)系：I(μA)=0.11 C(μmol·L-1)+16.141 6(R2=0.987 9)，在三倍的信噪比下，該電化學(xué)傳感器檢測撲熱息痛的檢測限為4.38 μM.對比其他文獻(xiàn)報道，該傳感器檢測限并非最低，但仍然有較好的應(yīng)用前景.

圖5 修飾電極測試不同濃度的撲熱息痛關(guān)系圖Fig.5 Modified electrode testing different concentrations of paracetamol

2.5 干擾性研究

抗干擾能力是評價電化學(xué)傳感器好壞的重要標(biāo)準(zhǔn).在撲熱息痛（AC）的日常檢測中可能會存在一些干擾物質(zhì)，比如抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)、多巴胺(DA)、NaCl 等無機(jī)鹽等.如圖6所示，對Nafion/GDY/GCE電化學(xué)傳感器測定時可能存在的干擾物質(zhì)進(jìn)行研究.添加撲熱息痛20倍濃度干擾物質(zhì)，電化學(xué)傳感器對撲熱息痛的響應(yīng)依舊良好，這表明該傳感器在對撲熱息痛檢測時具有優(yōu)秀的抗干擾能力.

圖6 Nafion/GDY/GCE電化學(xué)傳感器抗干擾研究Fig.6 Research on anti-interference of Nafion/GDY/GCE electrochemical sensor

2.6 重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

電化學(xué)傳感器的可重復(fù)性和穩(wěn)定性是衡量傳感器好壞的重要指標(biāo).圖7A 選取了5 根同等條件下制備的修飾電極對撲熱息痛進(jìn)行電化學(xué)檢測，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.51%，該傳感器有較好的重現(xiàn)性.為了研究該電化學(xué)傳感器的穩(wěn)定性，每隔五天對0.1 mmol·L-1的撲熱息痛進(jìn)行間斷性的檢測，如圖7B，通過25天的測試，其響應(yīng)信號為初始信號值的96.1%.還實驗表明該傳感器重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好.

圖7 電極穩(wěn)定性和重現(xiàn)性研究Fig.7 Electrode stability and reproducibility studies

2.7 實際樣品檢測

為了評估構(gòu)建電化學(xué)傳感器的實用性，在最佳的實驗條件下，對處理過的血清與尿液，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行測定其中撲熱息痛的濃度.如表1所示，該電化學(xué)傳感器檢測血清樣品中撲熱息痛回收率在99.10%～102.10%(n=5)之間，尿液樣品中撲熱息痛回收率在98.0%～101.10%(n=5)之間，說明該傳感器在實際樣品的檢測過程中具有較好的表現(xiàn).

表1 Nafion/GDY/GCE在實際樣品中的測定結(jié)果Tab.1 Determination results of Nafion/GDY/GCE in actual samples

3 結(jié)論

本文通過改良方法制備納米片層狀石墨炔，并通過多種表征手段對其進(jìn)行表征，將Nafion/GDY 材料修飾玻碳電極，用于構(gòu)建檢測撲熱息痛的電化學(xué)傳感器，與多壁碳納米管和氧化石墨烯相比，在穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和線性范圍上表現(xiàn)更好，同時其具有良好的抗干擾能力.此外，該撲熱息痛電化學(xué)傳感器在檢測實際樣品時結(jié)果令人滿意，有望應(yīng)用于撲熱息痛的檢測.