盐酸克伦特罗在纳米ZnO和多壁碳纳米管修饰玻碳电极上的电化学行为

2015-10-18申贵隽裴红颖

分析科学学报 2015年3期

申贵隽，华欣，裴红颖

(大连大学环境与化学工程学院，辽宁大连 116622)

盐酸克伦特罗(Clenbuterol Hydrochloride，CLB)，化学名称为4-氨基-α-(叔丁胺甲基)3,5-二氯苯甲醇盐酸盐，俗称瘦肉精。CLB具有较强的药理学活性，临床上经常用来治疗慢性阻塞性肺疾，亦被作为缓和气喘急性发作时的支气管扩张剂用药。20世纪80年代初，美国Cyanamid公司意外发现其有明显的促进生长、提高瘦肉率及减少脂肪的效果，于是被畜牧业作为瘦肉精使用。但由于CLB的毒副作用，国际奥委会将其列为禁用药物。

半导体粒子近年来在各领域中都有广泛的应用，受到了极大关注。各种纳米氧化物，例如Fe3O4[1 - 3]、CuO[4]、MnO2[5]、CdO[6]被应用于修饰电极以提高分析的选择性和灵敏度。其中ZnO具有良好的生物相容性、化学与光化学稳定性、电化学活性等许多优越的性质，且易于制备而倍受关注。ZnO修饰电极的应用已有多篇报道[7 - 10]。本文研究了纳米ZnO与多壁碳纳米管(MWNTs)共同修饰玻碳电极(ZnO -MWNTs/GCE)的制备，并考察了CLB在该修饰电极上的直接电化学行为。纳米ZnO与MWNTs修饰电极的优势，源于纳米ZnO与碳纳米管分散均匀，羧基化的碳纳米管表面带有亲水性的羧基和羟基，能与ZnO的氧原子结合成氢键，碳纳米管的强物理吸附能力使纳米ZnO也能同时吸附在GCE上，纳米ZnO增大了电催化面积，从而提高了CLB检测的灵敏度和修饰电极的稳定性。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

CHI600C电化学工作站(上海辰华仪器公司)，三电极系统：裸玻碳电极(GCE)或修饰电极为工作电极，Ag/AgCl(3 mol·L-1)电极为参比电极，铂丝为对电极(上海辰华仪器公司)；QT-2060型数控超声波清洗器(天津市瑞普电子仪器公司)；普希科P4-036型笔式酸度计(乐清大仓电子有限公司)。

多壁碳纳米管(MWNTs)(纯度>95%，Φ=8～15 nm，中国科学院成都有机化学研究所)；盐酸克伦特罗(CLB)标准品(北京上立方联合化工技术研究院)。其它所有试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

1.2 修饰电极的制备

1.2.1GCE预处理将GCE在金相砂纸(3 000#)上打磨，然后在麂皮垫上依次用1.0、0.3和0.05μm的Al2O3粉末抛光后，用二次蒸馏水、HNO3(1+1)、无水乙醇和二次蒸馏水依次超声清洗3 min。将清洗后的GCE置于0.5 mol·L-1的H2SO4中，以50 mV·s-1扫描速度，在-0.5～+1.4 V电位范围循环扫描20圈活化。取出电极后用二次蒸馏水冲洗干净后，保存在二次蒸馏水中，备用。

1.2.2纳米ZnO的制备超声条件下将37 mg Zn(CH3COO)2·2H2O和100 mg聚乙二醇加入15 mL二次蒸馏水，50 ℃下，将8 mL 0.04 mmol·L-1Li(OH)2·H2O水溶液缓慢滴加到上述混合液中，滴加完成后恒温超声10 min，离心分离得到沉淀，用二次蒸馏水超声离心洗涤数次，70 ℃真空干燥后，置于瓷坩埚中放入箱式电阻炉，经过300 ℃热处理加工2 h，取出冷却至室温即可得到纳米ZnO。

1.2.3ZnO-MWNTs/GCE的制备采用V(HNO3)∶V(HCl)=1∶3回流12 h的方法将MWNTs羧基化，然后用0.01 mol·L-1的NaOH溶液洗至pH为近中性时止，离心后干燥。分别称取上述1 mg的纳米ZnO和2 mg预处理过的MWNTs于10 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声分散30 min，最后得到稳定的分散液。用微量移液器取6μL该混合分散液，滴涂在预处理过的GCE上，在红外灯下烘干，即制得ZnO -MWNTs/GCE[11]。

2 结果与讨论

图1 5.0×10-5 mol·L-1 CLB在裸GCE(a)和ZnO -MWNTs/GCE(b、c)上的循环伏安曲线

2.1 CLB在ZnO -MWNTs/GCE上的电化学行为

图1为裸GCE(曲线a)和ZnO -MWNTs/GCE(曲线b、c)在含5.0×10-5mol·L-1CLB的pH=7.6的B-R缓冲溶液中的循环伏安曲线。由曲线b和c可见，当扫描电位范围为0～1.2 V时，CLB先在0.8 V附近出现一氧化峰(1)，继而在1.1 V附近出现一峰型较钝的氧化峰(2)，然后在0.1 V处出现还原峰(3)，第二圈扫描即在0.3 V处首先出现一氧化峰(4)，与峰(3)成对出现，并且随着扫描圈数的增加，这一对氧化还原峰电流不断增大。当设置电位扫描范围为0～0.6 V时，则无氧化还原峰出现。这说明氧化峰(1)与(2)是单分子CLB发生氧化反应形成的，氧化还原峰(3)和(4)是CLB氧化后所产生的二聚物形成的峰。由此可证明CLB在ZnO -MWNTs/GCE上的反应为准可逆过程。曲线a只在1.0 V处出现不太明显的氧化峰，这表明ZnO -MWNTs对CLB具有显著的电催化作用。

图2 (A)裸GCE(a)和ZnO -MWNTs/GCE(b)在5.0×10-4 mol·L-1 K3[Fe(CN)6]中的Q -t曲线；(B)A图的Q -t1/2曲线

为了考察修饰电极的有效表面积，本研究用计时库仑法分别对裸GCE和ZnO -MWNTs/GCE在5.0×10-4mol·L-1K3[Fe(CN)6]中做计时库仑曲线(图2)。根据Anson公式[12]：Q=2nFAc(Dt)1/2/π1/2+Qdl+Qads。式中A为工作电极的有效表面积，c是电解质的浓度，n为电子传递数，D是电解质的扩散系数。已知K3[Fe(CN)6]的n和D分别为1和7.6×10-6cm2·s-1，Qdl为双电层电量，Qads是法拉第电荷，R为气体常数8.314 J·K-1·mol-1，F为法拉第常数96485 C·mol-1。

根据图2(B)中Q-t1/2线性关系的斜率，即可计算得到裸GCE与ZnO -MWNTs/GCE的有效表面积分别为0.1039 cm2和0.2405 cm2。实验数据印证了纳米ZnO与MWNTs增大了GCE的微观表面积。

2.2 缓冲溶液与pH值的选择

分别以B-R、HAc-NaAc、KNO3、NaCl、Na2HPO4-NaH2PO4为支持电解质，研究它们对修饰电极的影响。实验结果表明，在B-R缓冲溶液中，ZnO-MWNTs/GCE具有良好的电化学行为，故实验选择B-R缓冲溶液为支持电解质。实验考察了CLB在不同pH的B-R缓冲溶液中的伏安行为，如图3所示。pH值增加，氧化峰电位负移。pH小于5.0时，峰(1)电位较高且几乎不变，说明该步反应无质子参与，且没有出现峰2。当pH大于5.0时，峰(1)电位满足方程：Ep=-0.0568pH+1.29(R2=0.9952)，斜率为-0.0568 V·pH-1较接近理论值-0.059 V·pH-1，表明电子转移数与质子转移数之比为1∶1。当pH越接近12时，低电位的氧化还原峰对(峰3和4)的峰电流越来越小，直至没有出现这一对峰。pH为11.8时，只在较高电位上出现两个氧化峰(峰1和2)，即CLB只发生了氧化，没有生成其二聚物。由图4可以看出，当pH为7.6时，峰电流最大，因此实验选择pH=7.6的B-R缓冲溶液。

图3 5.0×10-5 mol·L-1 CLB在ZnO -MWNTs/GCE上不同pH下的循环伏安图

图4 5.0×10-5 mol·L-1 CLB在ZnO -MWNTs/GCE上不同pH与峰电流和峰电位的关系曲线

2.3 工作曲线、检出限、重现性和稳定性

在最佳实验条件下，采用循环伏安法对2～500μmol·L-1的CLB进行了分析测定。循环伏安氧化峰电流与CLB浓度的对数呈两段线性关系，分别是：2～30μmol·L-1和30～500μmol·L-1，检测限(S/N=3)为7.0×10-7mol·L-1。线性方程分别为：Ip(μA) = 5.344lgcCLB(μmol·L-1)-0.2383，R2= 0.9864(2～30μmol·L-1)；Ip(μA) = 22.86lgcCLB(μmol·L-1)-26.32，R2= 0.9873(30～500μmol·L-1)。

用ZnO -MWNTs/GCE对5.0×10-5mol·L-1CLB溶液连续测定10次，测定结果的相对标准偏差(RSD)为3.2%，表明该修饰电极有较好的重现性。ZnO -MWNTs/GCE在室温下露置30 d，对CLB测定的响应电流降低为原来的76%，说明该电极具有较好的稳定性。实验中发现修饰电极在每次测试后由于在电极表明吸附了CLB或其二聚物，对空白溶液测试时有明显的氧化峰(峰4)，从而干扰下一次测试。本实验发现，若将每次测试后的电极浸泡在0.1 mol·L-1HClO4中一段时间后，即可使吸附在电极表面的CLB或其二聚物产生的氧化电流降低。二聚物的氧化电流随浸泡时间的增长而降低，本实验选择浸泡8 min，则已达到更新电极的要求，可进行下一次检测。

2.4 常见干扰物质的影响

在最佳的实验条件下，以常见的无机离子等共存物进行干扰试验。结果表明，测定1.0×10-4mol·L-1CLB，500倍的Zn2+、K+、Na+,200倍的Mg2+、 Cu2+、葡萄糖、淀粉均不产生干扰(允许测量误差±10%)。因此，该修饰电极对CLB具有较好的选择性。

2.5 样品分析

采用标准加入法对猪尿样品进行了测定。将没有饲喂过CLB的健康仔猪尿样品进行离心和过滤，加入不同量的CLB标准品，用pH=7.6的B-R缓冲溶液稀释到所需浓度，在优化后的实验条件下，用ZnO -MWNTs/GCE对溶液中的CLB进行了测定，测定结果如表1所示。测定结果的RSD和回收率的平均值分别为2.5%和97.9%。