ZIF-8衍生氮掺杂多孔碳修饰电极对芦丁的电化学分析

罗贵铃，张晓萍，李冰航，张冰雪，张 艳，孙 伟

（海南师范大学 化学与化工学院，海口市功能材料与光电化学重点实验室，海南 海口 571158）

芦丁又名云香甙，广泛存在于云香叶、烟叶和荞麦花等植物中，具有增强血管韧性、减少血管脆性的功效。目前，检测芦丁的方法有高效液相色谱法[1]、毛细管电泳法[2]、分光光度法[3]和电化学分析法等。电化学分析法具有检测速度快、灵敏度高、准确性好和仪器价格便宜的优势，可用于检测药物分子[4]。

金属-有机骨架材料（MOFs）是由金属离子或团簇与有机配体配位而成的多孔材料。配体的种类决定MOFs 的拓扑结构，配体上官能团的种类影响MOFs 材料孔结构及孔表面的物化性质。因其具有可调控性强、易于功能化等优点，在气体吸附分离[5]、多相催化反应[6]、药物缓释[7]、传感器[8]和光电磁性[9]等领域得到大规模的应用。沸石咪唑酯类骨架材料（ZIFs）是MOFs材料的一个分支，其中ZIF-8是一种典型的ZIFs材料，是由配体2-甲基咪唑与过渡金属离子Zn2+自组装而形成的配位化合物，具有大的比表面积、丰富的孔结构、水稳定性和热稳定性好等特点。在ZIF-8中Zn元素的沸点在904℃，高温碳化使Zn随保护气排出，可以得到多孔碳材料。

氮掺杂多孔碳（NPC）具备优异的电化学性质及特殊的结构。由于氮原子所带的孤对电子能够作为载流子，使多孔碳材料周围的电荷密度增大、导电性提高[10]；另外，氮原子的掺入使多孔碳材料中的缺陷位增长，活性位点数量显著增加，增强了与电解液的亲和性和生物相容性，能显著提高多孔碳材料与金属离子的结合能力，且增加金属在多孔碳材料表面的负载能力[11]。NPC材料中含有丰富的氮原子，能使其电化学性质得到大大提升；且拥有大的比表面积和孔体积，为小分子负载提供更多的空间，是构建电化学传感器的优选材料。

选用ZIF-8 为前驱体，在氩气保护下高温碳化得到NPC，进一步与Nafion 混合后利用滴涂法将Nafion-NPC 混合液滴涂在玻碳电极（GCE）上，自然晾干后得到修饰电极（Nafion-NPC/GCE），以该电极为工作电极构建芦丁电化学传感器。该电化学传感器对芦丁表现出良好的分析性能，用于芦丁片中芦丁含量的检测，取得了令人满意的结果。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

CHI 832B 型电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；JSM-7100F 型扫描电子显微镜，SEM，日本电子株式会社；JEM-2100F型透射电子显微镜，TEM，日本电子株式会社；Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪，FT-IR，美国赛默飞世尔科技有限公司；AXIS HIS 165 型X-射线光电子能谱分析仪，XRD，英国克雷斯托分析仪器公司；三电极系统：修饰玻碳电极为工作电极（f=3 mm）、Ag/AgCl为参比电极、铂丝电极为辅助电极。

芦丁，标准品，国药集团化学试剂有限公司；芦丁片，山西云鹏制药有限公司；硝酸锌、二甲基咪唑、N，N-二甲基甲酰胺，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；所用购试剂均为分析纯；实验过程中均使用超纯水。

1.2 实验方法

将16 mmol/L 2-甲基咪唑溶解在7.5 mL甲醇中并记为a溶液，将4 mmol/L六水合硝酸锌溶解于15 mL的甲醇中并标记为b溶液。将a和b溶液分别超声15 min后，向b溶液中缓慢滴加a溶液，持续搅拌1 h后，将其转移到100 mL聚四氟乙烯内胆的反应釜中，120 ℃下反应4 h。离心分离并分别用甲醇和N，N-二甲基甲酰胺洗涤两次，在70 ℃下真空干燥12 h后得到ZIF-8。将ZIF-8转移到管式炉中，在氩气保护、900 ℃下煅烧3 h（升温速率为5 ℃/min）得到NPC，图1为实验合成NPC的流程图。

取1.0 mL 2.0 mg/mL的NPC悬浮液和200 μL Nafion（5%）乙醇溶液，混匀后移取6.0 μL Nafion-NPC混合液滴涂在预处理好的GCE上，自然晾干后得Nafion-NPC/GCE。

图1 NPC合成示意图Figure 1 Synthesis diagram of NPC

2 结果与讨论

2.1 电镜表征结果

由图2（A）和图2（C）可知，ZIF-8晶体为正十二面体结构，平均粒径为400 nm。图2（B）和图2（D）分别为NPC的SEM和TEM图，NPC仍保持ZIF-8的形貌，但表面粗糙度增加并出现明显的孔结构，其平均粒径减小到300 nm左右且粒径分布均匀。

图2 ZIF-8（A）和NPC（B）的SEM图，ZIF-8（C）和NPC（D）的TEM图Figure 2 SEM images of ZIF-8(A)and NPC(B);TEM images of ZIF-8(C)and NPC(D)

2.2 光谱表征结果

ZIF-8的XRD谱图如图3（A）所示，其结果与文献相符[12]，且衍射峰的强度大，说明ZIF-8具有很好的结晶性和相纯度。NPC的XRD图在22°有一个明显的衍射峰，该峰属于碳材料的（002）晶面衍射峰，说明NPC具有无序碳结构。

ZIF-8 的FT-IR 光谱如图3（B）所示，在3135、2929 和1584 cm-1分别是咪唑芳族、C-H、C-N 的伸缩振动吸收峰，1437 cm-1是整个吡啶环的伸缩振动吸收峰，900～1350 cm-1则代表吡啶环的面内弯曲振动吸收峰，小于800 cm-1的吸收带则是吡啶环的面外弯曲振动峰，420 cm-1处是Zn-N键的伸缩振动吸收峰。该谱图与文献一致[13]，说明ZIF-8被成功合成。NPC的FT-IR光谱表明，在1560 cm-1和1260 cm-1处的吸收峰为C-N和吡啶环的面内弯曲振动，而Zn-N特征峰消失，说明在高温下Zn元素随保护气排出。

图3 ZIF-8和NPC的XRD（A）和FT-IR（B）谱图Figure 3 XRD patterns(A)and FT-IR spectrum(B)of ZIF-8 and NPC

2.3 芦丁在不同修饰电极上的电化学行为

图4为不同修饰电极在含50.0 μmol/L芦丁溶液中的循环伏安（CV）曲线。在Nafion/GCE（a）上芦丁有一对较小的氧化还原峰。而在GCE（b）上具有一对对称性良好的氧化还原峰，说明高分子Nafion膜的存在阻碍了芦丁的电子转移。在Nafion-NPC/GCE（c）上出现一对稳定并且对称的氧化还原峰，峰电流明显增大，这是由于NPC具有较大的表面积和较强的导电性，有效的增强了电信号。

图4 50.0 μmol/L芦丁溶液在Nafion/GCE(a)，GCE(b)和Nafion-NPC/GCE(c)上的循环伏安图Figure 4 Cyclic voltammograms of Nafion/GCE(a)，GCE(b)and Nafion-NPC/GCE(c)in 50.0 μmol/L rutin solution

2.4 电化学行为的研究

考察扫速对芦丁电化学的影响，结果如图5（A）所示。在扫速为50～600 mV/s范围内均得到一对对称的氧化还原峰且峰电位差逐渐增大，说明此过程为准可逆的氧化还原过程。在较大的扫速范围内，峰电位与lnυ呈现出良好的线性关系，如图5（C）所示，线性回归方程分别为Epa（V）=0.514+0.0106 lnυ（γ=0.980）和Epc（V）=0.462-0.0077 lnυ（γ=0.984）。根据Laviron’s 方程[14]计算出电子转移数（n）为1.7、电子传递系数（α）为0.98、速率常数（ks）为0.123 s-1。随着扫速的增大，氧化还原峰电流随之增加，氧化还原峰电流与扫速的线性方程分别为Ipa（μA）=-0.293-8.49υ（V/s）和Ipc（μA）=0.202+7.39υ（V/s），这表明芦丁在电极表面发生的是吸附控制过程。

图5 不同扫速（A）和不同pH值（B）下5 0.0 μmol/L芦丁在Nafion-NPC/GCE上的循环伏安图；（C）Ep与lnv的关系；（D）E0‘与pH的关系(a ～k:50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，600 mV/s.a ～g:2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)Figure 5 Cyclic voltammograms of 50.0 μmol/L rutin at different scan rates(A)and different pH(B)on Nafion-NPC/GCE;(C)The relationship of Ep and lnv;(D)The relationship of E0’and pH.(a ～k:50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，600 mV/s.a ～g:2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)

考察支持电解质pH值对芦丁电化学行为的影响，结果如图5（B）所示，当pH值等于3.0时，峰电流达到最大。随着pH值的增大（2.0～8.0），峰电位和峰电流有非常明显的变化，结果如图5（D）所示，式电位（E0′）与pH值的线性关系方程为E0′=0.328-0.030 pH（γ=0.998），综上所述，选择0.1 mol/L pH 3.0的PBS溶液作为实验的最佳条件。

2.5 检测范围和检出限

用差分脉冲伏安法（DPV）对不同浓度的芦丁进行电化学行为研究。结果如图6（A）所示，随着芦丁浓度增加，氧化峰电流也随之增加。在0.10～450.0 μmol/L内氧化峰电流（Ipa）与芦丁的浓度（C）呈线性关系（图6B），线性回归方程为Ipa（μA）=-0.346-0.0152 C（μmol/L）（γ=0.996），检测限为0.033 μmol/L（3σ）。

图6 （A）不同浓度的芦丁的DPV曲线，(a ～j:0.1，5.0，60.0，100.0，160.0，200.0，250.0，300.0，400.0，450.0 μmol/L)；（B）Ipa与C的线性关系Figure 6 (A)DPV curves of various concentrations of rutin(a ～j:0.1，5.0，60.0，100.0，160.0，200.0，250.0，300.0，400.0，450.0 μmol/L);(B)Relationship of Ipa with rutin concentrations

2.6 共存物质的影响

考察常见共存物质对50.0 μmol/L 芦丁检测的影响，结果表明0.5 mol/L Ba2+、Co2+、Ca2+、Cl-等无机离子、0.05 mol/L谷氨酰胺、葡萄糖等对芦丁测定的影响很小，说明本方法具有较好的选择性。

2.7 样品分析

芦丁片（B080302）的标识量为20 mg/片。芦丁样品的处理方法是将芦丁片研磨成粉末状，用无水乙醇溶解过滤后，定容至100 mL标记为样品溶液。选用标准加入法测芦丁的回收率，结果如表1所示。回收率为在98.18%～103.4%之间，表明该方法可以用于芦丁样品的检测。

表1 芦丁片中芦丁含量的测定（n = 3）Table 1 Determination of rutin concentration in rutin tablets (n=3)

3 结论

采用溶剂热法制备ZIF-8，以其为前驱体直接热解合成氮掺杂多孔碳（NPC）材料。利用其具有的高导电性和高表面积的特征，以Nafion 为稳定剂将NPC 固定于GCE 上制得Nafion-NPC/GCE。芦丁在Nafion-NPC/GCE上表现出较好的电化学响应，说明NPC能有效增强电极界面的电子传输能力，提高芦丁在界面上的吸附量，从而提高传感器的灵敏度、降低检测限。