基于羧基化多壁碳纳米管修饰玻碳电极快速检测氨基脲的研究

杜耕安

摘 要 基于羧基化多壁碳纳米管修饰的玻碳电极（CMWCNTs/GCE），构建了一种灵敏检测氨基脲（SEM）的电化学传感器。采用傅里叶变换红外光谱、透射电子显微镜、电化学阻抗谱对修饰材料进行表征。结果表明，羧基化的多壁碳纳米管出现羧基碳氧双键的红外特征峰，管径明显减小，长度变短，电化学阻抗值显著减小。在 1 mol/L HAcNaAc缓冲液中，利用循环伏安法和时间电流曲线研究了SEM在CMWCNTs修饰电极上的电化学行为。SEM在修饰电极上呈现不可逆的氧化峰。與裸电极相比，氧化峰电流明显增大。在最佳实验条件 （pH 7.0，扫描速度为 0.1 V/s） 下，测得SEM在5.00×10mol/L （S/N=3）。在实际猪肝样品检测中加标回收率为92.8%～98.0%。

1 引 言

氨基脲（Semiicarbazide，SEM），又名氨基甲酰肼，化学式为CH5N3O。作为呋喃西林（Nitrofurazone，NF）的标志性代谢物，SEM可与动物体内的蛋白质结合，形成稳定的复合物，在体内残留很长的时间，不但常被作为呋喃西林污染的标志，其具有的致癌和增强组胺毒性等生化毒性也受到越来越多的重视[1，2]。许多国家均禁止其用于养殖，并先后制定了相应的残留限量对食品进行严格的残留监控[3，4]。我国也制订了相应的国家标准，一些食品中的限量为0.5 μg/kg[5]，但因其廉价高效等特点，在动物源性食品中的残留超标情况仍然时有发生[6，7]，因此，建立一种快速、高效、准确的检测方法具有重要意义。

目前，硝基呋喃类药物及其代谢产物的检测主要采用紫外分光光度法、高效液相色谱法（HPLC）[8，9]、高效液相色谱串联质谱法（LCMSMS）[10～12]和免疫分析法[13，14]。其中，高效液相色谱串联质谱法因具有灵敏度高、选择性好等优点而被广泛应用。但其成本较高、仪器昂贵、操作过程繁琐、耗时也较长，无法满足现场快速、高效检测的要求，不利于实际检测中的推广应用[15，16]。

电化学方法因具有响应快速、使用方便、仪器简单等优点，适于现场分析检测，并在食品中重金属、抗生素、农药等检测领域得到了广泛的研究和应用[17，18]。利用电化学方法检测SEM的报道较少，Jin等[19]制备了SEM的单克隆抗体，基于L半胱氨酸自组装技术和纳米金吸附作用相结合的方法固定SEM抗体实现了对SEM的间接检测，检测限较低，但处理过程复杂。Zhang等[20]研究了SEM在石墨烯修饰电极上的伏安响应，检测范围为4.0×10 mol/L。He等[21]在石墨烯片层上原位合成Fe3O4纳米颗粒，构建了一种灵敏检测SEM的电化学传感器，线性范围为1.0×10mol/L。这两种方法都实现了对SEM的直接测定，但灵敏度有待提高。多壁碳纳米管（MWCNTs）由于其特殊的结构和优良的电化学性能，被广泛用于电化学检测的研究[22～24]。在实际应用中，常采用羧基化修饰的方式提高其分散性，但尚没有将羧基化多壁碳纳米管用于SEM检测的报道。

本研究将多壁碳纳米管经混合强酸氧化处理后，在碳纳米管表面及两端引入含氧基团和表面空穴，有效改善了分散性，并为电化学反应提供更多反应位点，有效增强了电极电化学性能。以羧基化的多壁碳纳米管（CMWCNTs）修饰玻碳电极（CMWCNTs/GCE），研究了SEM在此修饰电极上的电化学行为。结果表明，CMWCNTs/GCE对SEM的氧化具有良好的电催化效应，用于实际样品中SEM的检测，效果良好。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660E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）或者修饰电极为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极为参比电极； SB3200DT型超声波清洗机（宁波新芝生物科技有限公司）； AR124CN型分析天平（奥豪斯仪器（上海）有限公司）。盐酸氨基脲（SEM·HCl，分析纯，赛默飞世尔科技（中国）有限公司）； 多壁碳纳米管（MWCNTs，北京博宇高科新材料技术有限公司）； N，N二甲基甲酰胺（DMF，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）； 其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

2.2 实验方法

2.2.1 羧基化多壁碳纳米管的制备 采用混酸液相氧化法[25]对MWCNTs进行处理。在80 mL浓HNO3浓H2SO4（1∶3，V/V）混酸溶液中，加入1.0 g MWCNTs，超声振荡24 h进行氧化，直至溶液呈均一黑色悬浮液。过0.02 μm 聚碳酸酯滤膜后，用水冲洗沉淀，直至滤液呈中性。将经过处理的MWCNTs进行真空干燥（100℃，4 h），得到CMWCNTs。

2.2.2 修饰电极的制备 玻碳电极用金相砂纸打磨，然后依次在麂皮上用1.0、0.3和0.05 μm的Al2O3抛光粉抛光成镜面，用丙酮溶液和水超声清洗干净。移取2 μL 0.01 g/mL CMWCNTs DMF悬液，滴加到GCE表面，红外灯下干燥，即得到CMWCNTs/GCE。

2.2.3 电化学检测 循环伏安法测量在1mol/L的HAcNaAc缓冲液中进行，电位扫描范围为1.0 V，扫速为 0.1 V/s。（含0.1 mol/L KCl）溶液中进行，频率范围为0.1～100 kHz，振幅为5 mV。电流时间曲线在pH 7.0的溶液中进行。

2.2.4 实际样品制备 将适量新鲜猪肝（购于本地超市）绞碎，称取1.0 g样品于离心管中，加入5 mL甲醇水溶液（1∶1，V/V），匀浆1 min，10000 r/min离心5 min，弃去上清液。沉淀中加入2 mL 0.2mol/L HCl，同时加入SEM标准溶液，使终浓度分别为0.2、0.4 和0.6 μmol/L。涡旋振荡1 min，置于37℃恒温箱中反应16 h。用1 mol/L NaOH调节至pH 7.0，加入2 mL乙酸乙酯，振荡10 min后，10000 r/min离心10 min，收集乙酸乙酯层，并定容至2 mL，待测。endprint

3 结果与讨论

3.1 红外光谱（FTIR）表征

MWCNTs和CMWCNTs粉末的红外光谱图如图1所示。CMWCNTs在1711.02 cm处出现羧基碳氧双键的特征峰，与文献[23]报道一致，说明MWCNTs在用混酸处理后，表面引入了羧基基团，能够改善MWCNTs的分散性和溶解性。

3.2 透射电镜（TEM）表征

MWCNTs和CMWCNTs的透射电镜如图2所示，与MWCNTs相比，CMWCNTs的结构发生了一定程度的变化，如管径明显减小、长度变短、顶端出现开口等，此结果与文献[26]报道一致。CMWCNTs较MWCNTs具有更大的比表面积，能够提供更多的反应位点。

3.3 交流阻抗（EIS）分析

交流阻抗法是表征电极表面修饰状态、研究电极过程动力学的常用手段。图3中电化学阻抗曲线在高频区出现的圆弧，其半圆直径相当于电极的电子传递电阻（Rct）。裸GCE的Rct≈200 Ω（曲线a），曲线b为MWCNTs/GCE的交流阻抗图，

电极上修饰MWCNTs后， GCE的Rct≈100 Ω，显著减小。与MWCNTs/GCE和裸GCE相比，CMWCNTs/GCE的阻抗值降为约50 Ω（曲线c），说明CMWCNTs提供了更多的反应位点，促进电极表面的电子传递，具有更高的电催化性能和更好的电子传递性能。

3.4 对SEM的电化学响应

裸GCE、MWCNTs/GCE和CMWCNTs/GCE在0.01 mol/L SEM溶液中进行循环伏安扫描。如图4所示，裸GCE在不含SEM的空白样溶液中，未出现氧化峰（曲线a）； 在 0.01 mol/L SEM溶液中，在0.730 V左右出现SEM不可逆氧化峰（曲线b），与文献[17]报道一致。与裸 GCE相比，MWCNTs/GCE（曲线c）的氧化峰电流升高，但电位发生正移，说明MWCNTs的催化效果并不明显； 而CMWCNTs/GCE（曲线d）的氧化峰电流与裸GCE相比增加约45%，并且电位负移0.12 V，表明GCE经过CMWCNTs修飾后，电催化效率升高。以上结果与红外光谱、透射电镜、交流阻抗谱表征结果一致。

3.5 pH值优化考察pH值对循环伏安响应的影响。从图5a可见，在pH 3.0～7.0范围内，SEM的氧化峰电流随pH值升高而增大； 当pH=7.0时，氧化峰电流达到最大值。这可能是因为当pH较低或较高时，影响了溶液中SEM质子化的程度。因此选择pH=7.0为最佳值。从图5b可见，峰电位随着pH值增大而发生负移，说明质子参加了SEM的电化学氧化反应，在pH 3.0～7.0范围内，峰电位于pH值呈线性变化关系，斜率为E/pH=

3.6 扫描速度的影响

考察了溶液pH=7.0时，扫描速度对测定1.0×102 mol/L SEM的影响。在20～160 mV/s的范围内，氧化峰电流与扫描速度的平方根呈线性关系，线性方程为IP（A）=2.78×10相关系数r=0.975，表明SEM在CMWCNTs/GCE表面上的反应主要受扩散控制影响。随着扫描速度增大，氧化峰电位不断正移，且与扫速的自然对数在20～160 mV/s范围内呈线性关系，其线性方程为

图4 不同电极在 0.01 mol/L SEM在1 mol/L NaAcHAc （pH 6.0）溶液中的循环伏安图，扫速： 0.1 V/s. a： 空白对照； b： 裸GCE； c： MWCNTs/GCE； d： CMWCNTs/GCE

Fig.4 Cyclic voltammograms of different electrodes in 1 mol/L NaAcHAc （pH 6.0） containing 0.01 mol/L semiicarbazide （SEM）， scan rate： 50 mV/s； a，blank control； b： bare GCE； c： MWCNTs/GCE； d： CMWCNTs/GCE

图5 0.01 mol/L SEM在不同pH下的循环伏安响应中峰电流与峰电位的变化（pH依次为： 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10）， 扫速为0.1 V/s； a，氧化峰电流的变化； b，峰电位的变化

Fig.5 Variation of peak current and potential of cyclic voltammetry response for 0.01 mol/L SEM at different pH value （pH： 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10） . scan rate is 0.1 V/s. a， variation of peak current； b， variation of peak potential

图6 不同浓度SEM的电流时间图，每隔30 s加入，工作电位0.55 V； 插图为SEM浓度与峰电流的线性关系图. pH=7

Fig.6 Typical amperometric signals obtained at different concentrations of SEM at pH 7.0. Addition interval is 30 s， working potential is 0.55 V. Inset is linear relationship between SEM concentration and peak current

EP（V）=0.660+0.062lnv（V/s），相关系数为r=0.992。根据Tafel方程，对扩散控制的不可逆过程，该直线斜率与RT/（1α）nF相等，假定α=0.5（对于不可逆反应， α=0.5[27]），计算求得n=0.828，转移电子数取整数n=1，表明SEM在该电极上的反应是单电子过程。

3.7 方法的分析性能

采用电流时间曲线法，在最优条件下，测定不同浓度SEM对CMWCNTs/GCE电极的响应，如图6所示，氧化峰电流随SEM浓度的增加而增大，在5.00×10 mol/L（S/N=3）。与其它检测SEM的方法相比较，本方法的检测范围较宽，且检出限低（表1），表明CMWCNTs/GCE的灵敏度和电催化活性相对较高。

3.8 共存物的影响分析

采用循环伏安法对0.01 mol/L SEM溶液进行了测定，分别考察了100倍的葡萄糖、蔗糖等有机物和150倍的MgSO4、KCl、NH4Cl、CaCl2、NaCl等无机物对电流响应信号的影响。结果表明，在用修饰电极CMWCNTs/GCE检测SEM时，以上物质共存时的响应信号的偏差均小于5%，即对检测结果无显著影响，表明CMWCNTs/GCE测定SEM时具有较好的抗干扰能力。

3.9 实际样品分析

基于三电极工作系统，以CMWCNTs/GCE对猪肝实际样品进行检测。如表2所示，猪肝样品中未检出SEM，3个水平的加标回收率为92.8%～98.0%，表明本方法具有良好的实用性。

4 结 论

本研究制备了CMWCNTs/GCE修饰电极，建立了检测SEM 的电化学方法。结果表明： CMWCNTs较大的比表面积和优越的导电性能，可有效地促进SEM与电极之间的电子传递，具有较高的催化效应和灵敏度，在实际样品的分析中得到了满意的结果，具有良好的应用前景。endprint