基于离子液体负载氮化硼复合材料的电化学传感平台检测芦丁

王丽思，周 娟

（海南师范大学 化学与化工学院，海南 海口 571158）

芦丁广泛存在于槐花米、芸香叶和荞麦花等植物中，具有消炎、抗氧化、降血压等功效，可预防疾病、延缓衰老，是一种天然的抗氧化剂，因此，对药物中芦丁含量的检测具有重要的意义。目前，检测芦丁的方法有紫外分光光度法[1]、超高效液相色谱-串联质谱法[2]、毛细管电泳电化学发光法[3]、分光光度法[4]、亚硝酸钠-硝酸铝比色法[5]和电化学分析法[6-7]等。与其他方法相比，在确保准确度和可信度的前提下，电化学分析法具有前处理简单、仪器便携、灵敏度高、检测限低的优势。

氮化硼（BN）是一种无机化合物，由等量的硼和氮原子组成。BN与结构相似的碳晶格等电子，因此以不同的晶体形式存在。在氮化硼晶型中，与石墨相对应的六角晶型最稳定、最柔软。BN纳米片，即所谓的白色石墨烯，由数层六边形BN平面组成，与石墨烯相比具有独特的性能，包括宽能带隙、电绝缘、紫外（UV）光致发光、高导热性和稳定性，抗氧化性和化学惰性高，因此被广泛运用于气体吸收和电化学等领域。Gong等制备了一种六方氮化硼纳米片掺杂硫酸盐功能化的四甲基乙二胺乙基硫酸盐用于捕获低浓度SO2[8]。林镇峰等构建了BN-Au电化学传感器，采用差分脉冲伏安法、循环伏安法等技术研究对乙酰氨基酚的电化学行为，并对其进行定量分析[9]。

室温离子液体（room temperature ionic liquid，IL）是一种全部由离子组成的液体或有机熔融盐，具有不易挥发、导电性好和电化学窗口宽的优点，可作为电解液应用于高性能电池、太阳能电池和超级电容器，也可作为导电剂用于修饰电极的制备等。例如，朱晓丹等合成了聚离子液体（1-乙烯基-3-乙基咪唑溴化铵）功能化碳纳米管负载铂钌合金纳米材料，以玻碳电极（GCE）为基底，构建了电化学传感平台用于检测谷氨酸[10]。

本文利用六方氮化硼高比表面积和层状特性对离子液体（铁型丁基氯化吡啶离子液体）进行高分散性均匀负载，制备得到一种氮化硼负载离子液体的复合材料（[Fe-Bpy]@BN），并将其修饰于工作电极表面作为一种检测芦丁的电化学传感平台。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

CHI 660D 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JEOL公司；电化学测试系统采用三电极装置，其中，修饰GCE为工作电极（ϕ=3 mm），Ag/AgCl 为参比电极，铂丝电极为辅助电极，均购自武汉高仕睿联科技有限公司。

芦丁标准品（沪试）、硼酸（H3BO3，沪试）、三聚氰胺（沪试）、丁基氯化吡啶（BPy Cl，Alfa）、三氯化铁（沪试）均购自国药集团化学试剂有限公司；芦丁片购自海口市药店，由山西云鹏制药有限公司生产；购买的所有试剂不经提纯直接使用；实验过程中均使用超纯水。

1.2 材料合成

BN的合成步骤如下[9]：称取0.618 4 g的H3BO3和6.306 0 g的三聚氰胺，混合均匀后，在80 ℃下蒸干，再转移至管式炉中，在氩气保护下以5 ℃/min的速率升温至900 ℃，维持2 h，即得到白色的块状固体BN。

铁型离子液体[Fe-BPy]的合成步骤如下[11]：在100 mL圆底烧瓶中加入等量的三氯化铁和N-丁基吡啶氯化铵，在100 ℃下机械搅拌10 h，过滤后真空干燥，最终得到深棕色[Fe-BPy]。

[Fe-Bpy]@BN的合成步骤如下：称取0.1、0.2和0.5 g的[Fe-Bpy]分别分散于5 mL正辛烷中，再分别加入0.1 g BN，于60 ℃下机械搅拌12 h，蒸干，所得材料标记为[Fe-Bpy]@BN、2[Fe-Bpy]@BN和5[Fe-Bpy]@BN。

修饰电极的制备过程如下：首先对GCE进行抛光、清洗处理，然后取8.0µL复合材料分散液（1.0 mg/mL水悬浊液）滴涂到基底电极的表面，自然晾干，记为x[Fe-Bpy]@BN/GCE。

2 结果与讨论

2.1 电镜表征结果

所合成的BN、[Fe-Bpy]@BN、2[Fe-Bpy]@BN和5[Fe-Bpy]@BN的SEM图如图1所示。从图1（A）中可知，BN为多层片状结构；通过1∶1的质量比负载室温离子液体[Fe-Bpy]后，BN的表面有IL存在并形成有孔隙的复合材料（图1-B）；通过1∶2的质量比负载室温离子液体[Fe-Bpy]后，[Fe-Bpy]有效地将BN进行分散，BN在[Fe-Bpy]之间均匀分布形成有序的结构（图1-C）；通过1∶5的质量比负载室温离子液体[Fe-Bpy]后，发现离子液体有明显的聚集行为并完全将BN包埋（图1-D）。

图1 BN(A)、[Fe-Bpy]@BN(B)、2[Fe-Bpy]@BN(C)和5[Fe-Bpy]@BN(D)的SEM图Figure 1 SEM images of BN(A)，[Fe-Bpy]@BN(B)、2[Fe-Bpy]@BN(C)and 5[Fe-Bpy]@BN(D)

2.2 芦丁的电化学行为

图2为不同修饰电极在芦丁水溶液中的循环伏安扫描图，表1为不同修饰电极的电流响应值。从图表中可知，芦丁水溶液在GCE电极上有一对对称的氧化还原峰（曲线c），修饰BN后（曲线b），氧化峰和还原峰电流（分别用Ipa、Ipc表示）降低，说明BN的导电性不理想。修饰离子液体（IL）后（曲线d），氧化峰电流与裸电极电流相近。修饰不同量的[Fe-Bpy]@BN后，存在氧化还原峰，但[Fe-Bpy]@BN的氧化峰电流较低（曲线a），2[Fe-Bpy]@BN/GCE具有很强的氧化峰电流(曲线e)，5[Fe-Bpy]@BN/GCE具有较大的背景电流和氧化还原峰电流（曲线f）。因此，过量[Fe-Bpy]负载会增大修饰电极的电容电流，不利于考查芦丁的电化学行为，本文后续选用2[Fe-Bpy]@BN/GCE修饰电极为工作电极。

图2 不同修饰电极在50.0 μmol/L芦丁水溶液中的循环伏安曲线（a:[Fe-Bpy]@BN/GCE;b:BN/GCE;c:GCE;d:IL/GCE;e:2[Fe-BPy]@BN/GCE;f:5[Fe-Bpy]@BN/GCE）Figure 2 Cyclic voltammetry curve of different modified electrode in 50.0 μmol/L rutin(a:[Fe-Bpy]@BN/GCE;b:BN/GCE;c:GCE;d:IL/GCE;e:2[Fe-BPy]@BN/GCE;f:5[Fe-Bpy]@BN/GCE)

表1 芦丁在不同修饰电极上的电流响应Table 1 The peak current of rutin on different modified electrodes

2.3 溶液pH值的影响

支持电解质的pH值对体系的影响如图3所示。随着pH值的增大，氧化还原峰电流随之增大，当pH值为4.0时，氧化峰电流达到最大；pH值继续增大，氧化还原峰电流逐渐减小（图3-A）。因此，体系最佳pH值为4.0。同时，随着体系pH 值的增大，氧化还原峰电位向负方向移动，且式电位与pH 值呈线性关系（图3-B），线性方程为E0´(V)= -0.0570 pH+ 0.657,R2= 0.9935，说明该反应过程有质子参与。斜率为57 mV/pH，接近理论值（59 mV/pH），说明该电极反应过程为等质子等电子的反应过程。

图3 (A)不同pH值下50.0 μmol/L芦丁在2[Fe-Bpy]@BN/GCE上的CV曲线(a～h的pH值分别为1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)；(B)式电位与pH值的关系Figure 3 (A)Cyclic voltammetric curves of 50.0 μmol/L rutin at different pH on 2[Fe-Bpy]@BN/GCE(pH of a～h:1.5,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0);(B)The relationship of E0'vs.pH

2.4 扫速的影响

图4（A）为不同扫速下芦丁的循环伏安曲线，随着扫速的增大，氧化还原峰电位随之增大，氧化峰电位向正反向移动，还原峰电位向负方向移动，半峰宽增大，背景电流增大。图4（B）表明，扫速与氧化还原峰电流呈线性关系（其中还原峰电流为负值仅代表方向），可以表示为：Ipa=2.67v+2.25，R2=0.994 6；Ipc=-9.80v-1.16，R2=0.997 4。该结果表明，电极表面为动力学控制过程（吸附控制过程）。如图4（C）所示，在相对大的扫速范围内，氧化还原峰电位与lnv呈线性关系，方程可表示为：Epa= 0.015lnv+ 0.50，R2= 0.988 6；Epc=0.011lnv+0.42，R2=0.965 5。根据Laviron方程，计算得到电子传递系数α为0.58，转移电子数n为2.06，电子转移速率常数ks为0.64/s。

图4 (A)不同扫速下50.0 μmol/L芦丁在2[Fe-Bpy]@BN/GCE上的循环伏安曲线；(B)氧化还原峰电流与扫速的关系；(C)氧化还原峰电位与lnv的关系Figure 4 (A)Cyclic voltammetric curves of 50.0 μmol/L rutin at different scan rate on 2[Fe-Bpy]@BN/GCE;(B)The relationship of peak current vs.v;(C)The relationship of peak potential vs.lnv

2.5 富集时间和富集电位的影响

由2.4节可知电极界面反应过程为吸附控制，因此本节进一步讨论反应前富集时间和富集电位对芦丁电化学行为的影响。如图5（A）所示，在循环伏安曲线扫描前，设置富集电位为0 V，富集时间分别设置为0、30、60、90、120、150、200、300、400、500 s，氧化峰电流随富集时间的增加而增加，富集时间大于200 s后氧化峰电流随富集时间增大不明显，因此200 s为最佳富集时间。如图5（B）所示，在循环伏安曲线扫描前，设置富集时间为200 s，富集电压分别设置为-0.3、-0.2、-0.1、0.0、0.1、0.2、0.3、0.4 V，富集电压为0.2 V时氧化峰电流为最大值，因此最佳富集电压为0.2 V。

图5 （A）富集时间对氧化峰电流的影响；（B）富集电位对氧化峰电流的影响Figure 5 The effect of accumulation times(A)and potential(B)with anodic current

2.6 检测范围和检出限

利用所构建的基于2[Fe-Bpy]@BN/GCE 的电化学传感平台检测芦丁，采用差分脉冲伏安法建立标准曲线，如图6所示。结果表明，该电化学传感平台对芦丁的检测范围为0.05～350.0µmol/L，在0.05～80.0µmol/L范围内，标准曲线方程为Ipa=0.042 3C-0.001 3，R2=0.955 0；在80.0～350.0µmol/L范围内，标准曲线方程为Ipa=0.005 6C-2.486，R2=0.952 3；检测限为0.017µmol/L（3σ）。与其他文献值相比（见表2），本工作具有较宽的检测范围和较低的检测限。

表2 不同芦丁电化学传感平台的参数Table 2 Parameters of various electrochemical sensors for rutin

图6 （A）不同浓度芦丁的差分脉冲伏安曲线；（B）芦丁浓度与氧化峰电流的标准曲线Figure 6 (A)Differential pulse voltammetry curves of various concentrations rutin;(B)Calibration curve of rutin concentration and oxidation peak current

2.7 共存物质的影响

为进一步研究芦丁检测体系常见共存物质对定量检测的影响，在含50.0µmol/L 芦丁的磷酸缓冲溶液（pH=4.0）中加入不同的干扰物质，检测芦丁的浓度。结果表明，本工作构建的电化学传感平台具有较好的选择性（见表3）。

表3 常见干扰物质的种类及对检测体系的影响Table 3 Species of common interfering substances and their effects on detection system

2.8 重现性和稳定性分析

对修饰电极进行重现性试验。取1 支电极重复检测6 次，得到氧化峰电流的相对标准偏差（RSD）为2.72%；6 支电极平行测试，氧化峰电流的RSD 为3.93%；在冰箱中保存14 d 后，芦丁的氧化峰电流下降1.24%。结果表明该电化学传感平台在检测芦丁时具有良好的重现性和循环稳定性。

2.9 实际样品检测

为了验证2[Fe-Bpy]@BN/GCE 芦丁电化学检测平台的实用性，采用该系统对芦丁片的含量进行定量检测，并进行回收率分析。取3片芦丁药片碾碎，在玛瑙研钵中磨成细粉，用乙醇进行抽提，进一步用无水乙醇将澄清黄色溶液定容至100 mL，从中取40µL加入到10 mL pH 4.0的磷酸缓冲溶液中，检测芦丁的含量（三次平行试验）。采用标准加入法验证回收率，结果如表4 所示，回收率在98.0%～100.3%之间，RSD 小于5%。

表4 芦丁片中芦丁含量的测定（n = 3）Table 4 Determination of rutin concentration in rutin tablets (n=3)

3 结论

采用煅烧法制备层状BN，采用机械混合法制备丁基氯化吡啶铁离子液体，采用浸渍法将离子液体负载在氮化硼上，合成了x[Fe-Bpy]@BN复合材料。将合成的复合材料用于电化学传感平台的构建，进一步考察确定了修饰电极制备的最佳条件（pH值为4.0，富集时间为200 s，富集电位为0.2 V），并将该平台用于芦丁的定量检测，检测范围为0.05～350.0µmol/L，检测限为0.017µmol/L。该平台应用于实际样品的检测具有良好的回收率，并表现出良好的选择性和循环稳定性。