基于β—环糊精碳纳米片修饰电极的伏安传感器快速检测磺胺嘧啶

韦寿莲 利健文 姚夙 欧阳壮 魏承炀

摘 要 采用超声电解的方法制备碳纳米片（CNS），通过超声分散法将β-环糊精（β-CD）负载在CNS上，再通过滴涂法将β-CD-CNS纳米复合材料固载在玻碳电极表面，构建磺胺嘧啶（SD）伏安传感器。以差分脉冲溶出伏安法（DPSV）研究SD传感器的电催化性能，考察和优化了pH值、修饰量、扫描速度、搅拌速度和时间、沉积电位和时间等参数的影响。结果表明，β-CD-CNS纳米复合材料在中性溶液对SD具有良好的催化活性，能显著提高SD的电流响应。在优化的条件下，SD在+0.87 V产生一个灵敏的氧化峰，氧化峰电流ip（μA）与SD的浓度在0.05～13.5 μmol/L范围内呈良好的线性关系，相关系数为0.999，检出限为12.2 nmol/L（S/N=3）。本方法成功应用于水和牛奶中SD残留检测，加标回收率为80.0%～102%，RSD≤5.2%。

关键词 磺胺嘧啶； 电化学检测； 碳纳米片； β-环糊精； 差分脉冲溶出伏安法

1 引 言

磺胺嘧啶（Sulfadiazines，SD）是一种广谱抗菌药物，广泛应用于预防和治疗人类、水产和动物养殖等细菌感染[1，2]。如果滥用或不正确使用会导致SD在人体、水产品、动物食品、环境中残留并累积，危及人体健康。我国《无公害水产品中渔药残留限量》（NY5070-2002） 和《农业部第235号公告-动物性食品中兽药残留最大限量》规定水产品、动物性食品中SD最高残留限量（MRLs）为100 μg/kg[3，4]。因此，开发快速、灵敏和低成本的检测环境水域和动物产品中SD残留对保护公众健康至关重要。

目前已报道的用于SD残留检测的方法有很多，如高效液相色谱法（HPLC）[5，6]、毛细管电泳法[7，8]、流动注射化学发光法[9]、紫外光度法和荧光法[10，11]、免疫分析法[12]、电化学传感器[13～17]等，其中HPLC和电化学传感器应用最广泛。HPLC法选择性高，灵敏、准确可靠，但样品前处理繁杂、分析速度慢、仪器昂贵、成本高。与其相比，电化学传感器具有成本低、响应快、灵敏、准确、操作简易等优势，更有利于复杂样品SD残留的快速检测。为了提高电化学传感器检测SD的灵敏度和选择性，很多纳米材料特别是碳纳米及其复合材料被用于修饰电极[18]，但报道的纳米材料成本高、制备过程复杂，制约了在SD检测中的应用。

碳纳米片（CNS）拥有高的比表面积、纳米级的厚度及优越的电催化性能， 是一种理想的电化学修饰材料[19，20]。使用CNS作为电极修饰材料， 能够为待测物提供更多的附着位点， 有利于提高检测灵敏度。β-环糊精（β-CD）的结构形似一个两端开放的“桶”， 内部疏水， 外部的多羟基具有亲水性， 可通过多种作用力与有机物形成包合物[21]， 因而可增强碳纳米材料在水相中的分散性， 提高有机物检测的选择性。本研究采用超声电解方法制备CNS， 通过超声分散方法将β-CD固载在CNS上， 制成β-CD-CNS/玻碳电极， 并采用差分脉冲溶出伏安法（Differential pulse stripping voltammetry， DPSV）研究了SD在电极上的电化学性质以及影響检测的参数， 建立了一种快速、灵敏可靠的方法检测水和牛奶中SD。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660E电化学分析仪 （中国上海辰华仪器公司）、铂丝电极、玻碳电极（Φ 3 mm）、饱和甘汞电极（饱和KCl）、JSM6510扫描电镜（中国深圳市瑞盛科技有限公司）；石墨棒（99.9%， 东莞市捷诚石墨制品有限公司）；磺胺嘧啶和β-环糊精（≥98%， 上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；纯牛奶样品均购于超市。实验所用其它试剂均为分析纯；实验用水为二次蒸馏水。

2.2 溶液的配制

0.2 mol/L Na2HPO4-柠檬酸（Cit）缓冲溶液：称取38.428 g柠檬酸配成1 L 0.2 mol/L柠檬酸溶液， 与0.2 mol/L Na2HPO4溶液按比例配成不同pH值的缓冲液。

1 mmol/L SD标准储备液：准确称取0.0250 g SD， 以无水甲醇溶解并定容至100 mL。

2.3 样品的前处理

水样取自实验室管道自来水， 自水龙头放水5 min后， 采集水样直接测定。

称10.00 g牛奶于干净研钵， 加6.0343 g硅藻土， 研磨30 s混合均匀。将乳液转移到聚四氟乙烯试管， 加入25 mL乙腈-水溶液（1000∶30， V/V）， 涡旋振荡1 min， 放于微波炉中高火模式下微波辐射1 min， 3000 r/min离心5 min[21]， 收集上清液。沉淀物中加入25 mL乙腈， 摇匀， 微波辐射1 min， 3000 r/min离心5 min， 合并上清液， 于45℃水浴中， 氮气流吹干。准确加10.00 mL乙腈-水溶液超声溶解 [21]， 过0.22 μm滤膜， 弃去前2 mL滤液。取5.00 mL续滤液用， 0.2 mol/L Na2HPO4-柠檬酸溶液（pH 6.0）稀释1倍后进行电化学检测。

2.4 β-CD-CNS/GC电极的制备

以20 mm直径碳棒为正极， 20 mm直径钛棒为负极， 在500 mL 2.5 μmol/L磷酸盐缓冲液 （pH=7.0）中进行恒电流电解， 电极间距为5 mm， 电流0.2 A， 超声功率80 W电解3 h， 得到均匀分散的CNS溶液。取1.0 mL CNS溶液， 加入0.0011 g β-CD超声分散30 min， 得到β-CD-CNS分散液[20]。

玻碳电极（GC）用前在麂皮上以0.05 μm Al2O3进行打磨， 再用纯净水超声5 min， 自然晾干。用微型注射器将10 μL β-CD-CNS分散液滴涂在GC电极表面， 将电极置于红外灯15 cm的高度下烘10 min， 得到β-CD-CNS/GC电极。

2.5 检测方法

以β-CD-CNS/GC电极为工作电极，铂丝电极作对电极，饱和甘汞电极作参比电极，在2.5×105 mol/L SD + 0.2 mol/L Na2HPO4-柠檬酸溶液（pH 6.0）进行DPSV扫描。扫描参数：电位增量10 mV， 搅拌速度1600 r/min，搅拌时间60 s，沉积电位0.6 V，沉积时间60 s，振幅0.05 V，氮气气氛下测定。

3 结果与讨论

3.1 修饰电极的形貌

图1是CNS和β-CD-CNS分别滴涂在玻碳电极后的SEM图。从图1A观察到CNS的形貌呈错落的片状， 重叠的纳米片间形成缝隙。在CNS中加入β-CD后， 可观察到许多粒状晶体附着在CNS表面（图1 B）， 说明β-CD吸附在CNS表面的相容性较好。

3.2 电化学行为

β-CD-CNS/GC电极或GC电极在0.2 mol/L Na2HPO4-Cit缓冲液（pH 6.0）进行DPSV检测的曲线如图2a所示，未观察到氧化还原峰。

而GC电极（图2b）和β-CD-CNS/GC电极（图2c）分别在2.5×105 mol/L SD Na2HPO4-Cit缓冲液（pH 6.0）中进行DPSV检测，在0.87 V均出现一个明显的SD氧化特征峰，且在β-CD-CNS/GC电极上产生的氧化峰电流远大于GC电极上产生的峰电流，说明β-CD-CNS对SD有很好的催化氧化作用。这可能得益于碳纳米片大的比表面积，为β-CD-CNS/GC电极表面富集SD提供丰富的吸附位点，进而提高了反应过程中电子的传递效率，加快反应速率，使得SD在电极表面更容易被氧化，从而达到放大峰电流的效果。

3.3 修饰电极制备条件优化

3.3.1 β-CD浓度的影响 制作负载不同浓度β-CD的碳纳米片/GC电极， 按2.5节的方法对SD进行DPSV检测， 考察β-CD浓度对电极性能的影响。由图3可知， 随着β-CD浓度的增大， SD氧化峰电流先升高后降低， 在β-CD浓度为1.0 mmol/L达最大。添加β-CD后， 可能由于其“空腔”结构， 对含有苯环结构的SD有包合吸附作用， 提高了SD在电极表面的富集量， 从而提高了峰电流。但β-CD浓度过高， 可能会在碳纳米片上占据过多的位点， 降低了CNS的性能， 从而增大电极阻力， 妨碍电子的有效传输， 导致氧化峰电流降低。且修饰材料因β-CD浓度太大而脱落， 故β-CD最优浓度为1.0 mmol/L。

3.3.2 β-CD-CN滴涂量的影响 分别将2、4、6、8、10和12 μL β-CD-CNS溶液滴加到玻碳电极表面制成修饰电极， 按2.5节方法对SD进行DPSV检测， 考察β-CD-CNS修饰量对电极性能的影响。结果发现， 随滴涂量增加， SD氧化峰电流迅速增大， 说明β-CD-CNS/GC电极对磺胺嘧啶具有很好的电催化活性。

当滴涂量为12 μL时，SD氧化峰电流稍有降低，可知10 μL滴涂量的电极达到饱和状态（ip=2.755 μA），继续增大滴涂量反而会削弱电极对SD的響应效率。实验选择10 μL为最佳滴涂量。

3.4 传感器测定条件优化

3.4.1 底液及pH值 探究2.5×105 mol/L SD在浓度均为0.2 mol/L的HCl、H2SO4、NaAc（pH 6.0）、Na2HPO4-Cit（pH 6.0）、磷酸盐溶液（pH 7.0）等底液中的电化学响应。由图4可见，以H2SO4、HCl为底液，SD的氧化峰电位和背景电流高，峰形不对称，延伸长（图4a和4e）；以NaAc、磷酸盐溶液为底液，SD的氧化峰电位低，但背景电流高，峰形延伸长（图4c和4b）；以Na2HPO4-柠檬酸溶液为底液，SD的氧化峰电位和背景电流低，峰形对称尖锐（图4d），故选0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液为底液。考察不同pH值Na2HPO4-Cit溶液对SD电化学响应的影响，发现SD的氧化峰电位随pH值减小而不断正移，峰形不断变宽，说明溶液的H+浓度对峰电位和峰形有很大影响，同时发现SD的峰电流随pH值增加而增大，在pH 6.0时达到最大，此后随pH值增加而减小，说明有H+参与电极反应。以SD氧化峰电位对pH值进行拟合，发现在pH 3.0～8.0范围内与峰电位呈现线性关系， Ep=0.033pH +1.065（r=0.9965），根据能斯特方程：E=0.059znpH+EΘ计算出SD氧化反应过程的质子（z）的数目和电子转移数（n）之比（z/n=0.5），即每转移2个电子就有1个质子参与到电极反应[22]，原因是磺胺嘧啶结构中苯环上的酰胺基被氧化所致[15]， 可能涉及以下反应：

3.4.2 扫描速率 为进一步探究SD电极反应性质， 采用循环伏安法考察扫描速率对SD氧化峰电流的影响。1.0×105 mol/L SD在0.2 mol/L Na2HPO4-柠檬酸溶液（pH 6.0）的循环伏安曲线上， 0.9 V附近出现一个氧化峰， 没有相应的还原峰， 表明SD在β-CD-CNS/GC电极上的电化学反应不可逆；且随扫描速率增大， SD的氧化峰电流增加， 峰电位正移。以SD的峰电流ip（μA）对扫描速率v（V/s）进行拟合， 得到SD的峰电流与扫描速率的线性关系为ip =91.77v + 10.44 （R=0.994）。SD的峰电流与扫描速率成正比， 说明磺胺嘧啶在β-CD-CNS/GC电极表面的氧化过程受电极反应速度控制。

3.4.3 电位增量 采用DPSV检测， 考察电位增量对2.5×105 mol/L SD氧化峰电流的影响。结果表明， 随电位增量增大， SD的氧化峰电流逐渐增大， 峰电位正移， 10 mV时峰电流达最大， 故电位增量选择10 mV。

3.4.4 搅拌速率与时间 采用DPSV检测，考察不同搅拌速度下β-CD-CNS/GC电极在2.5×10

Symbolm@@ 5 mol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液（pH 6.0）的峰电流。结果表明，随搅拌速度增加，SD峰电流迅速增大，1600 r/min时峰电流达最大，此后随搅拌速度增大峰电流有所下降。可能搅拌加快了SD分子的扩散速率，增大碰撞几率，提高了SD在电极表面的富集量，达到增大响应电流的效果，但转速过大也会导致电极表面吸附的SD部分脱落，从而使峰电流降低。

探究搅拌时间对SD氧化峰电流的影响， 发现不搅拌， SD氧化峰电流低。随搅拌时间延长， SD峰电流迅速升高， 60 s时峰电流最大。说明搅拌60 s， SD在电极表面富集达到饱和， 继续延长搅拌时间， SD的峰电流反而减小， 可能是持续搅拌会引起电极表面SD脱附。因此搅拌时间选择60 s。

3.4.5 沉积电位 考察了不同沉积电位富集对SD峰电流的影响。结果表明，当沉积电位从0 V到0.6 V变化时， SD的氧化峰电流逐渐升高，在0.6 V时达到最大值。繼续增大沉积电位，峰电流降低，可能由于SD在修饰电极表面的氧化电位范围0.7～0.9 V，沉积电位过大，会导致SD在测定前在电极表面氧化，导致响应电流降低。由于沉积和搅拌同时进行，沉积时间也是60 s。从沉积过渡到检测需要静置。随静置时间由2 s增大至10 s，SD的氧化峰电流稍降低，故静置时间选择2 s。

3.5 线性范围和检出限

在最优的条件下， 分别对浓度为0、0.050、0.25、0.75、1.5、4.5、9.0和13.5 μmol/L SD标准溶液进行DPSV扫描（图5）， 以测得的氧化峰电流ip（μA）对相应的SD浓度c（μmol/L）进行线性拟合（图6）， 得到SD的线性方程为ip =0.2437c-0.0209 （r=0.999）， 线性范围为5.00×108～ 1.35×105 mol/L， 检出限（S/N=3）为12.2 nmol/L。按2.3节处理牛奶样品， 牛奶中SD的检出限为6.11 μg/kg， 农业部第235号公告《动物性食品中兽药残留最大限量》规定牛奶中SD最高残留限量为100 μg/kg[4] ， 本方法可满足环境和食品中痕量SD检测要求。

3.6 重现性和稳定性

在优化条件下， 以同一支β-CD-CNS/GC电极对5 μmol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液（pH 6.0）连续进行10次DPSV扫描， 结果表明， SD峰电流的RSD=0.03%；制备5支β-CD-CNS/GC电极， 对5 μmol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液（pH 6.0）进行DPSV扫描， 5支电极测得的峰电流的RSD=2.5%；将β-CD-CNS/GC电极于4℃储存2周， 1周后峰电流响应减少了1.2%， 2周后峰电流响应减少了2.7 %， 表明β-CD-CNS/GC电极具有良好的稳定性与重现性。

3.7 干扰物的影响

批量制备β-CD-CNS/GC电极。在最优条件下， 考察常见共存物质对5 μmol/L SD检测的干扰， 结果发现， 2000倍Cl， 1000倍Na+、K+和Ca2+， 250倍SO24、Mg2+和葡萄糖， 100倍甘氨酸和尿素， 50倍氯霉素， 30倍抗坏血酸， 20倍组氨酸以及3倍多巴胺分别共存时， 测定结果的相对误差<±5.0%， 说明除多巴胺外， 其它物质对测定没有显著干扰， 制备的修饰电极对SD检测具有高的选择性。这可能是因为多巴胺与SD结构较类似， 氧化电位较接近。

3.8 样品分析

样品按2.3方法处理后， 用β-CD-CNS/GC电极于最佳条件下进行DPSV测试， 同时采用GB/T 21316-2007液相色谱-质谱/质谱法[22]对每个样品平行测定3次， 结果见表1。本方法和国标方法均未在自来水和牛奶中检出SD。对所检样品进行加标回收实验， 加标浓度分别为0.25、0.50和1.00 μmol/L， 自来水和牛奶的加标回收率为80.0%～102.0%， RSD≤5.2%。如表2总结所示， 传感器简便快速、线性范围宽、灵敏度高、准确可靠， 可应用于实际样品中SD残留分析。

4 结 论

采用超声电解和超声分散的方法制备碳纳米片和β-CD-CNS材料，在玻碳电极表面采用滴涂法制备β-CD-CNS/GC电极，研究了SD在电极上的电化学行为，建立了检测SD的传感器方法。此方法成本低、快速、灵敏度高，重现性和抗干扰能力强，适于复杂样品SD残留的快速检测。

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