基于氮化硼电沉积金传感器对药剂中乙酰氨基酚的检测

林镇峰， 李芯立， 李杨子， 刘 鑫， 黄华宇*

(西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127)

对乙酰氨基酚(PCM)又称扑热息痛，该药可缓解如感冒引起的头痛、发热偏头痛等[1]。少量的PCM对人体无害，然而过量会产生有毒代谢物，导致肝中毒或神经中枢中毒等病症[2,3]。环境中PCM的残留可对人类产生重大影响，因此，选择一种能够准确、快速检测PCM的方法具有重要意义。现有检测PCM的方法有液相色谱法[4]、紫外-可见分光光度法[5]、毛细管电泳[6]、荧光光谱法[7]等。这些方法对环境中PCM的检测灵敏度较高，但是也普遍存在成本高、设备价格昂贵、样品预处理复杂和分析时间长等局限性。与上述方法相比，电化学方法具有选择性高、预处理过程简单、耗时少、成本低等优点，可被应用于PCM检测[8 - 10]。为了提高灵敏度,纳米材料常用于构建电化学传感器增强电化学响应。Mao等[11]通过自组装技术合成多壁碳纳米管与壳聚糖-铜络合物修饰玻碳电极，并在抗坏血酸和多巴胺存在的条件下检测PCM。Li等[12]将金-石墨烯核-壳纳米粒子掺杂到导电聚合物(3,4-亚甲基)中制备PCM电化学传感器，检测限可达41 nmol/L。

氮化硼(BN)是一种由硼原子和氮原子形成的2D纳米材料，其形态包括六方BN[13]、斜方BN和立方BN等。二维BN纳米材料具有优异的电导率、稳定性、大比表面积从而被广泛应用于电化学分析[14,15]。不同的制备方法导致BN表现性质不同。Qiu[16]及其研究人员在乙二醇中制备了BN胶体分散液，并证明BN是支撑和分散贵金属纳米粒子的良好载体。Lin[17]等人以亲油和亲水性胺分子为功能剂，在有机溶剂、水溶液中获得了分散良好的BN。以上方法是通过自上而下方式剥离大尺寸的BN获得纳米材料，因此获得的BN纳米材料尺寸分布不均匀。本文采用“液相剪切法”制备BN纳米材料，并将其在含氧的极性溶液中“切割”以获得尺寸分布均匀的BN纳米材料。金纳米颗粒(Au NPs)具有优良的生物相容性、电导率及大比表面积，能在电化学反应过程中展现优异的催化性能[18]。为了进一步提高传感器性能，将Au NPs 修饰在BN表面从而实现信号放大。本研究通过电沉积方式将Au NPs沉积在BN表面，构建基于BN/Au NPs的PCM电化学传感器，并将其用于扑热息痛药剂中PCM的定量检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

电化学测量使用CHI 660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)。采用三电极体系：修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂电极作对电极。Sigma 300(德国，ZEISS)扫描电子显微镜用于表征材料形貌。Itq1100气/质联用仪(美国，Thermo Fisher)用于扑热息痛药剂中PCM定量检测。

对乙酰氨基酚购于美国Sigma-Aldrich试剂公司。H3BO3、HNO3、三聚氰胺、Na2HPO4、NaH2PO4、HAuCl4、甲醇和无水乙醇购自国药集团化学试剂有限公司。所用试剂均为分析纯等级。实验用水为去离子水。所有电化学实验在室温下进行。

1.2 BN纳米材料制备

将H3BO3与三聚氰胺在玛瑙研钵中充分研磨混合后，将混合物放入水平管式炉中，在5%H2/N2氛围(1 000 ℃,2～10 ℃/min)下热解2 h。将BN置于40 ℃乙醇中洗涤2 h后，用甲醇和水清洗。进行渗析操作后使用0.45 μm膜过滤，最后在80 ℃下干燥。

1.3 传感器制备

先将玻碳电极(GCE)在Al2O3粉末中抛光后，分别用水、乙醇、HNO3冲洗并超声，室温下干燥备用。2 mg 的BN分散在2 mL水中，超声1 h后，使用滴涂法制备BN/GCE，将BN/GCE浸没在0.01 mol/L含有2.5 mmol/L HAuCl4的Na2SO4溶液中，采用循环伏安法，设置扫速为50 mV/s，电位为-0.2～1.2 V，扫描时间设置为200 s进行扫描，之后在恒电位(设置电位为-0.2 V)下电沉积300 s，得到BN-Au/GCE修饰电极。

1.4 样品处理及测定

将扑热息痛药片在研钵中充分研磨，用无水乙醇溶解后，再用0.45 μm滤膜过滤并以磷酸盐缓冲溶液(PBS)稀释。以BN-Au/GCE为工作电极，采用循环伏安法(CV)，在电位-0.8～1 V范围内，以50 mV/s 扫描速率进行扫描，记录峰值电流。

气相色谱-质谱(GC-MS)法分析测试以氦气作为载气，流速恒定为1.2 mL/min：以90 ℃保持1 min后升温至330 ℃再保持1 min(升温速度15 ℃/min)。接口、进样口和离子源温度分别保持在300 ℃、280 ℃和250 ℃。真实样品以等分且不分流方式注入(1 μL)。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

采用扫描电镜(SEM)对Au NPs、BN、BN/Au NPs形貌进行表征(图1)。图1a、1b为Au NPs和BN的SEM图，可以观察到Au NPs分布在电极表面，而BN纳米材料呈表面粗糙结构。BN表面电沉积Au NPs 后，其SEM(图1c)显示Au NPs分布在BN周围且附着在电极表面，增大电极比表面积同时改善电极导电性能，从而增强PCM在BN-Au/GCE上的电化学响应。

图1 Au NPs(a)、BN(b)和BN-Au(c)的扫描电镜(SEM)图Fig.1 SEM images of the Au NPs(a),BN(b) and BN-Au(c)

采用X射线衍射(XRD)技术表征BN纳米材料(图2)。从图中可以观察到BN出现两个明显的衍射峰，分别位于2θ为26.4°和242.3°处，对应于六方BN的(002)和(100)晶面(XRD标准图卡，JCPDS 34-0421)。

图2 BN XRD图Fig.2 XRD patterns of BN

2.2 电化学表征

采用差分脉冲伏安法(DPV)研究PCM在裸GCE、BN/GCE、Au/GCE、BN-Au/GCE上的电化学行为。由图3可见，裸GCE(曲线a)的响应信号微弱；BN纳米材料修饰电极后(曲线b)电化学响应大幅增加，表明修饰后的电极促进了电子转移速度；在GCE电极表面电沉积Au NPs后(曲线c)，峰电流信号大幅增强。BN/GCE(曲线b)与BN-Au/GCE(曲线d)相比，由于BN纳米材料具有大的比表面积可以提升PCM的负载量，Au NPs对反应过程有良好的催化作用，因此BN-Au/GCE电极响应信号更为显著[19]。

图3 裸GCE(a)、BN/GCE(b)、Au/GCE(c)和BN-Au/GCE(d)上50.0 μmol/L PCM(PBS,pH=8.0)的差分脉冲伏安(DPV)图Fig.3 DPV of 50.0 μmol/L PCM(PBS,pH=8.0) on the bare GCE(a),BN/GCE(b),Au/GCE(c) and BN-Au/GCE(d)PBS,pH=8.0.

2.3 实验参数优化

2.3.1 pH和BN修饰量选择采用循环伏安法考察pH对PCM在BN-Au/GCE上电化学行为的影响。如图4所示，随着pH不断增加，峰电位逐渐负移，表明有质子参与氧化还原反应[20]。pH=8.0时峰电流最大，继续增大pH，峰电流反而减小，实验选择pH=8.0的PBS用于PCM检测。pH与峰电流线性方程为：Epa=-0.0689pH+0.845。方程斜率为0.0689 V/pH，接近Nernstian方程斜率0.0590 V/pH，表明电极在氧化还原过程中电子转移数与质子相同。

图4 (a) 不同pH(5.0至11.0)条件下BN-Au/GCE上50.0 μmol/L PCM的循环伏安图;(b)氧化峰电位与pH值关系Fig.4 (a) Cyclic voltammograms of 50.0 μmol/L PCM on the BN-Au/GCE in different pH;(b) Relationship between the oxidation peak potential and the pH

此外，本文研究了BN修饰量对电化学响应的影响。如图5所示，当修饰量为7 μL时峰电流最大，继续增加电极BN修饰量峰电流降低。这是由于在电极表面修饰少量的BN纳米材料时，BN良好的导电性促进了修饰电极对PCM的信号响应，而过量BN导致厚度过大反而会阻碍电子传递。因此，实验选择7 μL BN作为最佳的修饰量。

2.3.2 扫速优化图6是扫速对电化学行为的影响。BN-Au/GCE在50 μmol/L PCM(0.1 mol/L，pH=8.0 PBS)中，以不同扫速(25、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275和300 mV/s)扫描。氧化峰电流与扫速的线性方程为：Ipa(A)=142v+0.435(R=0.998)，还原峰电流与扫速的关系为：Ipc(A)=-265v-10.1(R=0.981)，表明PCM在BN-Au/GCE表面的电化学过程受吸附控制。

图6 (a)不同扫速下BN-Au/GCE上50 μmol/L PCM(PBS,pH=8.0)的循环伏安(CV)图;(b) 峰值电流和扫速线性关系;(c) 扫速对数与峰值电势关系图Fig.6 (a) CVs of BN-Au/GCE in PBS(pH=8.0) buffer with 50 μmol/L PCM at different scan rates;(b) Relationship between the peak currents and the scan rate;(c) Logarithmic plots of scan rate vs peak potentials

阳极(Epa)和阴极(Epc)峰电位与扫速对数的线性方程为：Epa=0.0627logv+0.527和Epc=-0.0549logv+0.387(R=0.962和0.975)。根据Laviron模型[21]，计算出电子传递系数α和电子传递数n分别为0.533和2。可知PCM氧化过程中涉及的电子数和质子数相等，PCM在BN-Au/GCE上的电催化氧化是两电子和两质子过程。

2.4 不同浓度PCM在传感器上的响应

在pH=8.0 PBS中，测量不同浓度的PCM在BN-Au/GCE上的电化学响应。如图7所示，峰电流(Ipa)与PCM的浓度在0.01～50 μmol/L范围内呈线性关系，回归方程为:Ipa(μA)=0.0814c+2.66，Ipa(μA)=0.541c+2.35(0.01～1 μmol/L)，根据检出限=3s/k(s为空白响应的标准差，k为线性方程斜率)计算检出限为7.8 nmol/L。

图7 (a)不同浓度PCM在BN-Au/GCE上于PBS(pH=8.0)中的差分脉冲伏安(DPV)图(a-k：0、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40和50 μmol/L);(b)PCM浓度与峰电流关系Fig.7 (a) DPV of different concentrations PCM in PBS (pH=8.0) on the BN-Au/GCE(a-k:0,0.01,0.05,0.1,0.5,1,5,10,20,30,40 and 50 μmol/L);(b) Calibration curve of PCM for BN-Au/GCE

在表1中，将BN-Au/GCE传感器检测效果与其他文献报道方法进行比较，本文中BN-Au/GCE表现出较宽的线性范围及较低的检出限。

表1 不同电极测定PCM对比

2.5 重现性、稳定性与抗干扰能力

平行制备5支BN-Au/GCE电极，并用于测定50 μmol/L PCM，响应电流相对标准偏差(RSD)为3.26%。用相同方法制备5支BN-Au/GCE电极，并放置在4 ℃的冰箱中保存一周，在50 μmol/L PCM溶液中检测，峰电流仍能达到初始电流的90%，说明BN-Au/GCE具有良好的重现性与稳定性。在PBS中添加100倍PCM浓度的K+、Ca2+、Mg2+、Cl-，及50倍PCM浓度的葡萄糖、L-抗坏血酸、对氨基苯酚、对苯二酚、多巴胺和咖啡因等物质，发现共存物对PCM检测结果几乎没有影响，该电化学传感器表现出优异的抗干扰能力。

2.6 实际样品检测

将BN-Au/GCE修饰电极用于扑热息痛药剂样品中PCM含量的定量检测，平行实验3次并将测定结果与气相色谱-质谱法(GC-MS)测定结果对比。如表2所示，回收率为97.1%～108%，RSD为1.26%～2.49%(n=3)。综上数据所示，BN-Au/GCE电极具有用于实际样品中PCM的检测能力。

表2 扑热息痛药剂中PCM测定结果(n=3)

3 结论

本文于BN表面电沉积Au NPs构建PCM电化学传感器，并应用于扑热息痛药剂样品中PCM的定量检测。实验采用“液相剪切法”合成尺寸分布均匀并具有良好水溶性和稳定性的BN纳米材料。由于BN纳米材料具有大的比表面积可负载足量PCM，而且Au NPs的加入显著促进了电子转移速率，保证电子能够快速被衬底电极收集。此外，BN与Au NPs的协同作用也提高了传感器的灵敏度。该研究拓展了六方BN在电化学领域的应用并可用于药剂中PCM的测定。