纳米介孔氧化硅对雌二醇的氧化增敏效应及其电化学检测研究

张小军，王凤冉，吴康兵

(华中科技大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430074)

1992年，Beck等首次报道了一类以硅铝酸盐为基质的有序介孔氧化硅材料—M41S(the mobile composition material 41 series)[1].这种新材料一经诞生，便引起了国际物理学、化学及材料学界的高度关注，并得到迅猛发展.介孔材料又称介孔分子筛，是孔道介于2～50 nm之间的一类多孔材料.由于具备连续可调的纳米孔道、稳定且易于掺杂的骨架、大的比表面和易于修饰的内表面等诸多优异性能，介孔材料已在化学化工、能源与环境、生物技术等众多领域取得了广泛的应用[2～5].从电化学传感检测原理上分析，这些优异性能预示着介孔材料将有可能成为一类新颖的敏感材料.Lin等[6]系统比较了介孔二氧化钛和纳米二氧化钛的电化学传感特性，研究结果表明介孔二氧化钛由于具备特殊的纳米孔道，因而其电化学响应面积和电子交换速率更高，是一类比纳米材料更加优秀的电极敏感材料.目前，介孔材料已成功用于铅、镉、铜等重金属离子[7]、硝基苯[8]、氯酚[9]、双酚A[10]、肾上腺素[11]、尿酸[12]、儿茶酚[13]、黄嘌呤[14]和橘皮苷[15]等的电化学检测.

本文以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为定向模板，正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，在NaOH溶液中合成出纳米介孔二氧化硅，然后与导电石墨混合均匀，制成修饰碳糊电极.利用K3[Fe(CN)6]电化学探针分子，比较了介孔二氧化硅修饰碳糊电极和裸碳糊电极的响应表面积与电子交换速率常数，结果表明介孔二氧化硅修饰电极不仅响应面积大，而且电子转移更快.在此基础上，以雌二醇为检测对象，研究了介孔二氧化硅对雌二醇的电化学氧化增敏效应，优化了测试条件，建立了一种灵敏、快速简便的雌二醇电分析新方法.

图1 介孔二氧化硅的扫描电镜图

1 实验部分

1.1 试剂

雌二醇购自Sigma公司，溶于乙醇配制成1.0×10-2mol/L的标准液，于4℃下保存.十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸四乙酯、光谱纯石墨粉、石蜡油、K3[Fe(CN)6]、NaOH、抗坏血酸、苯酚、对硝基苯酚和对氨基苯酚从国药集团化学试剂有限公司购买，多巴胺和尿酸从Sigma公司购买.

1.2 仪器

电化学测量在EC 550电化学工作站(武汉高仕睿联科技有限公司)上进行，实验采用常规三电极工作系统.工作电极为介孔二氧化硅修饰碳糊电极，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂丝.扫描电子显微镜照片(SEM)由Sirion 200电子显微镜拍摄(荷兰FEI公司).

1.3 介孔二氧化硅的合成

介孔二氧化硅以CTAB为模板剂按文献[16]报道的方法合成.25℃下，将适量CTAB完全溶解在NaOH溶液中，然后在搅拌情况下慢慢加入硅源(TEOS)，控制各物质的摩尔比如下：1 SiO2/0.25 NaOH/0.1 CTAB/100 H2O.搅拌30 min后，所得溶胶在70℃下静置24 h，然后抽滤，洗涤，并在80℃下干燥12 h.最后，将干燥后的粉末在550℃下焙烧6 h以去除模板分子CTAB，从而形成介孔结构.对合成出的介孔二氧化硅，利用扫描电镜对其形貌进行了表征，如图1所示.从扫描电镜照片可以清晰地看出，所制备的介孔二氧化硅颗粒均匀、直径大约在30～40 nm.

1.4 介孔二氧化硅修饰碳糊电极的制备

准确称取0.15 g合成的介孔二氧化硅和0.85 g光谱纯石墨粉于玛瑙研钵中，然后加入0.3 mL石蜡油，研磨混合均匀，得到修饰碳糊.然后，将其压入直径为3 mm、深度为1 mm的碳糊电极空腔内.最后在光滑的称量纸上磨平抛光即可.裸碳糊电极在不加介孔二氧化硅的情况下按相同方法制备.

1.5 分析程序

测定底液为0.1 mol/L、pH 6.5的磷酸盐缓冲溶液，开路搅拌富集3 min之后静置5 s，记录0.10～0.70 V的微分脉冲伏安曲线，测量0.49 V处的氧化峰电流作为雌二醇的分析信号.每次测量后，将碳糊从电极空腔内掏出，依次用无水乙醇和二次水超声清洗，然后按上述方法重新制备修饰电极，以获得好的重现性.

2 结果与讨论

2.1 介孔二氧化硅的电化学传感特性研究

在1 mol/L的KCl溶液中，用循环伏安法研究了5×10-3mol/L的K3[Fe(CN)6]在碳糊电极(曲线a)和介孔二氧化硅修饰碳糊电极(曲线b)上的电化学行为，结果如图2所示.在从0.60 V到-0.20 V的扫描区间内，观察到一对氧化还原峰.比较可知，在介孔二氧化硅修饰碳糊电极上，不仅氧化还原峰电流显著增加，而且氧化还原峰电位之差明显减小.由Randles-sevcik方程可知，电极的有效响应面积与峰电流成正比，因此介孔二氧化硅显著增加了碳糊电极的表面积，表现出明显的表面增强效应.此外，根据Nicholson理论[17]，氧化还原峰电位之差变小意味着标准异相速率常数增加.毫无疑问，介孔二氧化硅修饰电极具有更高的电子交换速率常数，表现出明显的加速电子转移效应.从上述研究可以得出这样一个结论，介孔二氧化硅是一种性能非常优秀的电化学敏感材料.

2.2 雌二醇的电化学行为

图3为雌二醇在碳糊电极(曲线a)和介孔二氧化硅修饰碳糊电极(曲线b)上的循环伏安曲线.从0.10 V到0.70 V的阳极化扫描过程中，在0.58 V出现一个氧化峰；反向扫描中，没有观察还原信号，这说明雌二醇的氧化是不可逆的.结合文献[18]可知，此氧化信号是由雌二醇分子结构上的羟基的氧化所引起的.比较曲线(a)和(b)可以发现，雌二醇的氧化信号在介孔二氧化硅修饰电极上得到明显提高，这说明介孔二氧化硅对雌二醇的氧化有显著的增敏效应.介孔二氧化硅具备大的比表面和强的吸附能力，不仅会显著增加雌二醇的响应面积，而且会提高其电极表面浓度，无疑会导致雌二醇的氧化信号明显增加.

图2 K3[Fe( CN) 6]在碳糊电极(曲线a) 和介孔二氧化硅修饰碳糊电极(曲线b) 上的循环伏安曲线．扫速: 75 mV/s

用微分脉冲伏安法比较了低浓度雌二醇在pH 6.5的磷酸盐溶液中，在两种电极上的氧化响应行为，结果如图4所示.从0.10 V逐渐扫描到0.70 V时，雌二醇在碳糊电极上于0.49 V出现一个非常弱的氧化峰(曲线a).然而在介孔二氧化硅修饰碳糊电极上(曲线c)，雌二醇的氧化峰电流明显增加，这归结于介孔二氧化硅显著的增敏效应.为方便比较，给出了介孔二氧化硅修饰碳糊电极的空白伏安曲线(曲线b)，没有观察到任何氧化峰，这说明曲线(c)中的氧化峰是由于雌二醇引起的.

图4 1.0×10-6mol/L雌二醇在碳糊电极(曲线a)和介孔二氧化硅修饰碳糊电极(曲线c)上的微分脉冲伏安曲线，曲线(b)：介孔二氧化硅修饰碳糊电极的空白曲线.脉冲振幅：50 mV，脉冲时间：40 ms，扫速：40 mV/s，富集时间：3 min

图5 pH值对雌二醇氧化峰电流的影响.(a)：碳糊电极，(b)：介孔二氧化硅修饰碳糊电极.扫速：100 mV/s

2.3 pH值的影响

用循环伏安法研究了1.0×10-5mol/L雌二醇在不同pH值的磷酸盐缓冲溶液中的电化学氧化行为.图5为pH值对雌二醇在碳糊电极(曲线a)和介孔二氧化硅修饰碳糊电极(曲线b)上氧化峰电流的影响情况.当pH值从5.5逐渐增加到6.5时，雌二醇的氧化峰电流逐渐增加；继续提高pH值到8.0时，雌二醇的氧化峰电流反而降低.这说明雌二醇在pH6.5时响应活性最高，产生的氧化信号最强.因此，选择pH 6.5的磷酸盐缓冲溶液作为测定的最佳介质.

2.4 介孔二氧化硅用量的影响

图6显示了介孔二氧化硅含量对雌二醇氧化峰电流的影响.当其含量从0增加到15%时，雌二醇的氧化峰电流显著最佳.这是因为随介孔二氧化硅含量的增加，电极的有效响应面积和富集效率均增强，因而显著提高雌二醇在电极表面的量，最终导致其氧化峰电流显著增加.当含量从15%增加到25%时，雌二醇的氧化峰电流反而下降，这可能是由于太多的介孔二氧化硅降低了修饰电极的导电性，不利于雌二醇的电子转移.因此，介孔二氧化硅的含量选择为15%.

2.5 富集时间的影响

进一步考察了富集时间对雌二醇氧化峰电流的影响，结果如图7所示.当富集时间从0增加到3 min时，雌二醇的氧化峰电流线性增加，这是因为富集显著提高了雌二醇在电极表面的量.当富集时间从3 min继续增加到5 min时，雌二醇的氧化峰电流增加缓慢，这说明电极表面雌二醇的浓度趋于饱和.因此，当富集时间超过3 min后，雌二醇的测定灵敏度并不能得到显著改善.综合考虑灵敏度和分析时间，测定时富集时间为3 min.

图6 介孔二氧化硅用量对雌二醇氧化峰电流的影响，其它条件同图4

图7 富集时间对雌二醇氧化峰电流的影响，其它条件同图4

2.6 重现性、线性范围和检测限

由于雌二醇在介孔二氧化硅修饰电极的表面吸附强烈，因而实验中每支修饰电极只使用一次，每次测定后都重新制备新的修饰电极.考察了不同修饰碳糊电极之间的重现性，分别用10支修饰电极平行测定了1.0×10-6mol/L的雌二醇，其相对标准偏差(RSD)为3.9%，说明此方法有良好的重现性.

在优化条件下，用微分脉冲伏安法评估了此新方法的线性范围和检测限.富集3 min后，雌二醇的氧化峰电流与其浓度在1.0×10-7～7.0×10-6mol/L范围内呈良好的线性关系，其线性回归方程为：ip=0.1247+1.885×106C(ip:μA，C:mol/L，线性系数为0.991).基于3倍信噪比， 雌二醇的检测限为6.0×10-8mol/L.

研究了其它含酚羟基的化合物对雌二醇测定的干扰情况.实验发现5.0×10-4mol/L的抗坏血酸，6.0×10-5mol/L的多巴胺，5.0×10-5mol/L的苯酚、对硝基苯酚和对氨基苯酚，3.0×10-5mol/L的尿酸几乎不干扰雌二醇的测定(峰电流改变值低于5%).

2.7 注射液中雌二醇含量的测定

将此方法用于雌二醇注射液中雌二醇含量的测定.测定时，注射液样品未经任何处理，直接取25.0 μL样品加入10.0 mL、pH 6.5的磷酸盐缓冲溶液中，然后按分析程序测定.雌二醇的浓度由标准加入法获得，并与标示量很好地吻合，说明此方法具有很好的准确性.

3 结论

本文以阳离子表面活性剂为模板，合成出颗粒大小在30～40 nm的介孔二氧化硅，并用于修饰碳糊电极.介孔二氧化硅不仅显著提高碳糊电极的响应面积，而且明显加速其电子转移.由于介孔二氧化硅具备高的比表面和强的吸附能力，对雌二醇的氧化表现出显著的增敏效应，明显地提高雌二醇的氧化峰电流和测定灵敏度.

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