中空介孔碳球修饰的丝网印刷碳电极用于尼古丁的电化学检测

赵红莉，李小庆，施立波，刘 莉，蓝闽波，张 乾

(1.华东理工大学 化学与分子工程学院，上海 200237;2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082)

中空介孔碳球修饰的丝网印刷碳电极用于尼古丁的电化学检测

赵红莉1*，李小庆1，施立波1，刘 莉1，蓝闽波1，张 乾2

(1.华东理工大学 化学与分子工程学院，上海 200237;2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082)

将一步法合成的中空介孔碳球(HMCS)修饰在丝网印刷碳电极(SPCE)上，得到了用于尼古丁电化学检测的新型电极(HMCS/SPCE)。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)以及拉曼光谱等方法对HMCS及修饰电极HMCS/SPCE进行表征。由于HMCS具有较大的电化学活性面积和良好的导电性，修饰电极HMCS/SPCE对尼古丁表现出良好的电催化活性。在优化实验条件下，电极HMCS/SPCE对尼古丁的检测线性范围为0～500 μmol/L，灵敏度为0.850 mA /(cm2·mmol·L-1)，检出限为0.058 μmol/L。制备的传感器具有重复性好、稳定性高等特点，可用于实际烟草样品中尼古丁的检测。

中空介孔碳球;丝网印刷碳电极;尼古丁;电化学传感器

尼古丁(Nicotine，1-甲基-2-(3-吡啶基)吡咯烷)即烟碱，是一种在烟草中含量较高的生物碱。尼古丁具有一定的药理学作用，它能作用于人脑的中枢神经系统，使人情绪高涨，精神兴奋。然而，长期过度摄入尼古丁将会产生诸多潜在危害，如可引发慢性堵塞性肺病、动脉粥样硬化血管疾病等[1]。因此，对尼古丁的含量进行定量检测具有重要意义。

鉴于介孔碳在电化学传感器应用中表现出的良好性能，本文制备了中空介孔碳球修饰的丝网印刷碳电极(HMCS/SPCE)，构建了新型电化学传感界面，用于尼古丁的电化学检测。实验还制备了多壁碳纳米管(MWCNT)修饰的丝网印刷碳电极(MWCNT/SPCE)作为对照。结果表明，相比MWCNT/SPCE，HMCS/SPCE电极对尼古丁具有更高的检测灵敏度，且构建的传感器重复性和稳定性良好，可用于实际烟草样品中尼古丁的检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI 1040B、CHI 660D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，检测装置由三电极系统组成：修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极。S-4800场发射扫描电子显微镜(FESEM，日立公司，Japan);JEM-1400透射电子显微镜(TEM，JEOL公司，Japan);D/MAX-2550转靶X射线多晶衍射仪(XRD，Rigaku Co.,Japan);ESCALAB-250Xi X射线光电子能谱(XPS，Thermo-Fisher，USA);InVia Reflex激光显微拉曼光谱仪(Renishaw Co.,UK);ASAP2010比表面及孔径分析仪(Micromeritics公司，USA);Agilent 7890A GC/5975C MSD气相色谱-质谱联用仪(GC-MS，安捷伦公司，USA)。

尼古丁标准样品(含量为98.54%，上海经科化学有限公司)，配成1 mg/mL的尼古丁标准样品溶液用于检测;正硅酸丙酯(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);多壁碳纳米管(管径10～20 nm，管长1～2 μm;深圳市纳米港有限公司)。其余试剂均为分析纯，未进一步处理;实验用水为超纯水(18.2 MΩ ·cm)。

1.2 中空介孔碳球(HMCS)的制备

HMCS的制备方法参照文献[14]：6.92 mL正硅酸丙酯(TPOS，12 mmol)与140 mL 乙醇、20 mL水和6 mL氨水(25%)混合，室温下搅拌15 min后，向混合液中加入0.8 g 间苯二酚和6.92 mL甲醛溶液(37%)，室温下反应24 h。所得产物依次用乙醇和水洗涤，50 ℃真空干燥。将干燥后的产物煅烧(700 ℃，5 ℃·min-1，氮气保护) 5 h，再与2 mol/L氢氧化钠于80 ℃反应3～4 h去除二氧化硅，洗涤干燥后即得产物HMCS。

1.3 多壁碳纳米管(MWCNT)的酸处理

称取1 g MWCNT，加入30 mL浓硝酸和30 mL浓硫酸，超声混合，80 ℃下搅拌回流2 h。冷却后，溶液用1 000 mL水稀释，静置过夜。倾去上清液，剩余混合物离心、抽滤、洗涤至中性，产物于50 ℃下真空干燥得到酸化的MWCNT[15]。

1.4 电极的修饰

实验室自制的丝网印刷碳电极(SPCE)作为工作电极，与铂电极、Ag/AgCl电极构成三电极系统，于0.5 mol/L硫酸溶液中循环伏安扫描40圈，电位窗口为1.5～2.0 V。活化后的SPCE电极用水清洗，干燥后待用。

将合成的HMCS和酸化的MWCNT分别配成1 mg/mL的溶液，取10 μL滴涂于处理过的SPCE电极表面，室温干燥，得到的修饰电极分别记为HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE，待用。

1.5 实际样品的制备

购得两种不同品牌的香烟，按如下方法处理：取出卷烟烟草，在40 ℃下干燥2～3 h。称取0.4 g 烟草样品于40 mL乙醇中，超声分散3 h，过滤，所得滤液为尼古丁实际样品溶液，于4 ℃下保存待用。

1.6 电化学测试方法

循环伏安法(CV)、计时电流法(I～t)和计时电量法(Q～t)在CHI 1040B电化学工作站上进行。电极材料的电化学行为以及对尼古丁的定性测试采用CV 方法;修饰电极对尼古丁的定量测试采用I～t法，在特定的电位下，每隔50 s向5 mL 磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH 7.4)中连续加入一定量的尼古丁，直至饱和;电极修饰材料的电化学活性面积测试采用Q～t法，在含有1 mol/L KCl的0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中测试并计算。电化学交流阻抗谱(EIS)在CHI 660D电化学工作站上进行，在含有0.1 mol/L KCl 的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中检测。

2 结果与讨论

2.1 材料的制备及表征

图1C为MWCNT和HMCS的XRD图，图中MWCNT在2θ值为26°处的特征峰对应为(002)晶面，为碳纳米材料的石墨化结构[16];而HMCS的XRD图则无明显的峰，表明该材料为无定型碳。图1D为材料的拉曼表征结果，由图可知，MWCNT和HMCS的拉曼图谱均有1个明显的D和G峰，出峰位置分别在1 350.71、1 597.91 cm-1处。D峰是碳材料中的缺陷或不规则结构，G峰是拉曼活性E2g切线模式，主要是由于单晶石墨片相邻的碳原子向相反方向移动形成的振动模式，表明D峰和G峰的相对强度之比和石墨化碳的缺陷位点相关[17]。由计算结果可知，HMCS的ID/IG值为1.510，高于MWCNT的值0.911 2，表明合成的HMCS的边缘缺陷比MWCNT多，具有更好的导电性，更有利于电子传递[18]。

图2 MWCNT和HMCS的XPS总图(A)， MWCNT(插图B)与 HMCS(插图C)中C1s的分峰图Fig.2 XPS spectra of MWCNT and HMCS(A); high-resolution XPS of C1s in MWCNT(insert B) and HMCS(insert C)

2.2 修饰电极的电化学表征

采用CV扫描以及EIS法对修饰电极的电化学性能进行表征。图3A为在含有0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中对修饰电极进行CV扫描(电位窗口-0.2～0.7 V，扫速20 mV/s)的曲线图。由图所示，修饰电极MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的峰电流远大于裸电极SPCE，这表明碳纳米材料的修饰能够极大地增强电极的导电性能。HMCS/SPCE电极的峰电流大于MWCNT/SPCE电极，说明HMCS的导电性优于MWCNT。图3B为电极SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的EIS图。通过比较图中半圆的大小可知，3种电极的电阻由大到小依次为SPCE、MWCNT/SPCE和 HMCS/SPCE，证明HMCS的导电性好于MWCNT。电极材料的导电性是实现尼古丁电化学检测的关键因素，这是因为良好的导电性有利于尼古丁电化学反应过程中的电子更快地转移，从而提高检测的灵敏度。

图4 电极SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的Q～t图Fig.4 Q-t plots of the bare SPCE, MWCNT/SPCE and HMCS/SPCE 0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]containing 1 mol/L KCl;potential window:-0.1～0.3 V;the time of sample interval:1.0×10-5 s;insert：relationship between Q and t1/2

使用计时电量法(Q～t)检测修饰电极的有效活性面积。由Anson公式[22]Q=Qdl+Qads+2nFACD1/2π-1/2t1/2计算溶解常数D。

式中Qdl为双电层电量，Qads为法拉第电量，n为参与反应的电子数，A为电活性面积，C为电解质的总浓度，D为溶解常数。在含有1 mol/L KCl的0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中，经计算D值为7.6×10-6cm2/s。图4为SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的Q～t图，经数据换算后得到图4中的插图，由图4插图的斜率计算HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE、SPCE 的电活性面积分别为：12.04、1.496、0.167 8 cm2，HMCS/SPCE的电活性面积最大，远高于其他两种电极。电活性面积大使得材料与待测物质发生反应的活性位点增多，从而有利于提高对待测物质的检测性能。

2.3 尼古丁的电化学检测

采用HMCS/SPCE电极对尼古丁进行电化学定性检测，结果表明，未加入尼古丁时，溶液的CV曲线无明显的氧化峰，向溶液中加入50 μmol/L尼古丁后，在电位为+0.6 V时，尼古丁开始发生氧化，在+0.8 V时出现1个明显的氧化峰。对比SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE对50 μmol/L尼古丁的CV 响应可知，HMCS/SPCE修饰电极对尼古丁的电化学响应远大于另两种电极。

为了进一步研究尼古丁在HMCS/SPCE修饰电极上的电化学行为，在pH 7.4的PBS 溶液中加入50 μmol/L尼古丁，于不同扫速下(10～100 mV/s)进行CV扫描。由结果可知电流的响应值随着扫速的增加而增大，通过计算+0.60 V处峰电流Ip与扫描速率v的关系发现两者呈正相关，表明尼古丁在该电极上的检测过程为表面控制过程。

图5 不同浓度尼古丁在电极上的计时电流响应Fig.5 Chronoamperometric responses of different electrodes 0.1 mol/L PBS,pH 7.4;potential window：+0.8 V vs.Ag/AgCl

在对尼古丁进行定量检测前，对检测电位和溶液的pH值进行优化。结果表明，检测电位为+0.8 V、溶液pH值为7.4时，尼古丁的响应达到最大。因此，实验选择安培检测尼古丁的优化条件为：检测电位+0.8 V，pH 7.4。在此条件下，得到不同浓度尼古丁在电极SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE上的计时电流响应(图5)。计算得到电极HMCS/SPCE对尼古丁检测的线性范围为0～500 μmol/L(r2=0.997)，而MWCNT/SPCE和SPCE对尼古丁检测的线性范围分别为0～450 μmol/L和0～250 μmol/L。电极HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE和SPCE对尼古丁检测的灵敏度分别为0.850、0.395、0.123 mA/(cm2·mmol·L-1)，对应的检出限分别为0.058、0.08、0.20 μmol/L。这些结果证明了由HMCS修饰的电极能够实现尼古丁的良好检测，其原因如下：①HMCS的导电性好。根据尼古丁在电极上发生氧化反应的机理[2]可知，尼古丁的氧化主要是其吡咯烷上发生N-甲基羟基化作用，伴随着两个电子的转移，HMCS良好的导电性能够加快电极反应速度，提高检测灵敏度;②电极HMCS/SPCE的电活性面积大。尼古丁的氧化反应发生在电极界面上，电极的电活性面积大，则能提供更大的反应界面，从而实现尼古丁的高灵敏检测。

2.4 实际样品的检测

表1 实际烟草样品中尼古丁的检测

a.samples were diluted for 125 times with 0.1 mol/L PBS(pH 7.4) before electrochemical detection with HMCS/SPCE;b.samples were detected directly without any dilution before the detection by GC-MS

采用构建的传感器对烟草中尼古丁的浓度进行分析，并与气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)的检测数据进行比对，结果如表1所示。GC-MS测得尼古丁的浓度分别为723.6 μmol/L和213.8 μmol/L，用HMCS/SPCE检测结果为732.5 μmol/L和230.0 μmol/L，两种测试方法所得结果相近，表明本文所构建的HMCS/SPCE电化学传感器适用于尼古丁的检测。

3 结 论

本文采用一步法合成了中空介孔碳球(HMCS)，用其修饰丝网印刷碳电极(SPCE)，构建了用于检测尼古丁的新型电极(HMCS/SPCE)。基于HMCS材料的良好导电性和大的活性面积，制备的传感器HMCS/SPCE可实现对尼古丁的高灵敏检测，且具有良好的重复性和稳定性;所构建的传感器能够对实际烟草样品中的尼古丁含量进行检测。

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Electrochemical Detection of Nicotine Using Screen-printed Carbon Electrodes Modified with Hollow Mesoporous Carbon Spheres

ZHAO Hong-li1*,LI Xiao-qing1,SHI Li-bo1,LIU Li1,LAN Min-bo1,ZHANG Qian2

(1.School of Chemistry and Molecular Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;2.Shanghai Tobacco Group Co.,Ltd.Shanghai 200082,China)

A novel modified electrode(HMCS/SPCE) was developed to electrochemically detect nicotine based on screen-printed carbon electrodes(SPCE) modified with hollow mesoporous carbon spheres(HMCS) synthesized through one step process.HMCS and HMCS/SPCE were characterized by scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM),X-ray diffraction(XRD),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and Raman spectrometry.Due to the superior electrical conductivity and high electrochemical active sites of HMCS,nicotine was significantly electro-oxidized on the interface of HMCS/SPCE.The proposed sensor provided linear responses upon nicotine in the concentration range of 0-500 μmol/L.The sensitivity was 0.850 mA/(cm2·mmol·L),and the limit of detection was calculated to be 0.058 μmol/L.With a favourable reproducibility and a good stability,the sensor could be used to detect nicotine in cigarette samples accurately.

hollow mesoporous carbon sphere;screen-printed carbon electrodes;nicotine;electrochemical sensor

2017-03-09；

2017-04-12

上海市科委国际合作项目(16520710800)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.08.009

O657.1;O629.3

A

1004-4957(2017)08-0998-06

*通讯作者：赵红莉，博士，副研究员，研究方向：电化学传感器，Tel:021-64250557,E-mail:honglizhao@ecust.edu.cn