硬模板法制备氮掺杂有序介孔碳修饰电极检测盐酸奈福泮

2021-08-06樊静静刘永逸

分析测试学报 2021年7期

程昊，樊静静，刘永逸，2*

（1．广西柳州螺蛳粉工程技术研究中心广西糖资源绿色加工重点实验室广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州 545006；2．柳州市食品药品检验所，广西柳州 545006；3．蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西南宁 530004）

盐酸奈福泮别名为盐酸平痛新、肌舒平、苯甲氧氮辛因等。适用于术后止痛、癌症痛、急性外伤痛，也用于急性胃炎、输尿管结石等内脏平滑肌绞痛等［1］。目前，测定盐酸奈福泮的方法有非水滴定法［2］、紫外分光光度法［3］、高效液相色谱法［4］、微流控芯片非接触电导检测法［5］和PVC膜离子选择电极法［6］等，方法均具有耗时、昂贵、操作繁琐等缺点。电化学分析法测定盐酸奈福泮因电极制备简单、价格低廉以及分析速度快等优点而被广泛关注［7］。

随着科学技术的飞速发展，新材料的开发取得了瞩目成绩，其中多孔碳材料因具有高导电率、高孔隙率以及极大的比表面积和良好的稳定性等特性而受到广泛关注。但随着人类的需求越来越广泛，纯碳材料因亲水性差、活性位点少等缺点已不能满足人类的需求。表面改性可以提高碳材料的导电性。近年来，通过表面改性掺杂改善电极材料导电性的研究越来越多，目前研究最广泛的是N原子掺杂［8－11］，如N掺杂碳纳米纤维［12－13］、N掺杂石墨烯［14－15］、N掺杂碳纳米管［16］等。由于含N介孔碳的导电性明显强于不含N的介孔碳，且介孔碳的亲水性与其表面含N基团含量密切相关，即表面N含量越多，亲水性越强，吸附药物能力越强。因此，为了改善介孔碳材料的亲水性，可引入N原子进行N掺杂介孔碳［17］，以改变碳材料的表面性质，提高介孔碳材料的导电性能［18－20］。

本研究分别以三聚氰胺（N=66．6%）、尿素（N=46．7%）和乙二胺（N=46．7%）为氮源，阿拉伯糖为碳源，介孔硅（SBA－15）为模板剂，采用硬模板法成功制备不同氮掺杂的介孔碳，通过加入N原子改善了修饰电极的电化学行为，增加了电极比表面积，从而提高了修饰电极对盐酸奈福泮的响应。通过材料表征以及性能测试，最后选择最佳氮掺杂介孔碳构建了一种灵敏检测盐酸奈福泮的电化学传感器［21－22］。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

RST系列电化学工作站（郑州世瑞思仪器科技有限公司），三电极系统：饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，玻碳电极（GCE）为工作电极；S4800型冷场发射扫描电镜（SEM，日本日立公司）；Tecnai G2 F20场发射透射电子显微镜（TEM，美国FEI公司）；Thermo escalab 250Xi型X射线光电子能谱仪（XPS，美国赛默飞世尔科技公司）；ASAP2020M+C型全自动微孔物理化学吸附仪（BET，美国麦克仪器公司）；Smartlab－9KW型X射线衍射仪（XRD，日本理学公司）。

盐酸奈福泮（中国药品生物制品检定所）；5%Nafion、磷酸二氢钠、十二水合磷酸氢二钠；、三聚氰胺、尿素、乙二胺（国药集团化学试剂有限公司）；介孔硅（南京先丰纳米材料科技有限公司）；所用试剂均为分析纯，实验用水均为超纯水。

1.2 氮掺杂有序介孔碳的制备

（1）初步碳化：分别以三聚氰胺、尿素、乙二胺为氮源，阿拉伯糖为碳源，SBA－15为模板，加入硫酸后，搅拌均匀，90℃左右将水分蒸发，然后于160℃的烘箱中放置6 h，完成初步碳化。

（2）二次碳化：将（1）所得到的产物溶于水中，然后加入氮源、碳源和硫酸，重复（1）的操作，完成二次碳化。

（3）在惰性气体的保护下，900℃保持4 h，完成整个碳化过程。得到的二氧化硅/碳复合产物用5%HF溶液除去二氧化硅，得到3种氮掺杂有序介孔碳（N－CMK－3），其中三聚氰胺为氮源合成的氮掺杂有序介孔碳命名为N1－CMK－3（N1），尿素为氮源的命名为N2－CMK－3（N2），乙二胺为氮源的命名为N3－CMK－3（N3）。

1.3 材料表征

采用S4800型冷场发射扫描电镜观察样品的形貌；采用Tecnai G2 F20场发射透射电子显微镜确定孔道；采用Smartlab－9KW型X射线衍射仪分析样品的晶态和结构；采用ASAP2020M+C型全自动微孔物理化学吸附仪测定样品的比表面积、孔容及孔径；采用Thermo escalab 250Xi型X射线光电子能谱仪确定样品的元素形态。

1.4 基于氮掺杂介孔碳电化学传感器的制备

依次用0．3、0．05μm氧化铝粉末将玻碳电极在麂皮上进行抛光，使其成为光滑的镜面，并依次用水、无水乙醇、水各超声10 s，N2吹干，即得裸玻碳电极。

将2．0 mg N－CMK－3粉末分散于1 mL分散液中（0．5%Nafion，水∶异丙醇=4∶1），用超声仪超声混合30 min得到2．0 mg/mL N－CMK－3分散液。用移液枪取上述制得的N－CMK－3分散液6μL滴于玻碳电极表面，自然晾干后得到N－CMK－3修饰的玻碳电极（N－CMK－3/GCE）。

1.5 盐酸奈福泮的电化学测定

用一定pH值的磷酸盐缓冲液（PBS）为电解液，配制不同浓度的盐酸奈福泮，转移至10 mL电解池中。以N－CMK－3/GCE为工作电极，插入三电极系统，进行循环伏安扫描，记录电流值。实验在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 氮掺杂介孔碳的表征

分别对合成的3种N－CMK－3材料（N1、N2、N3）进行SEM和TEM扫描（图1）。由SEM图可观察到，3种材料为典型的棒状结构，且其表面呈蜂窝状，使其比表面积大幅度增加（图1A～C）。通过对比，可很明显地观察到，图1A比图1B、C有着更明显的孔隙结构和较为整齐的棒状结构。由TEM图可以看出，材料显示出有序的条纹状和丰富的孔道结构（图1D～F）。这些孔道之前由介孔硅占据，经HF刻蚀后，介孔硅被刻蚀掉，孔道显现出来。通过对比，可观察到图1D较图1E、F有更清晰、均一的孔道。故选择含氮量高的三聚氰胺为最佳掺杂源用于合成氮掺杂有序介孔碳。

图1 N1，N2，N3的SEM（A～C）及TEM图（D～F）Fig.1 SEM（A－C）and TEM（D－F）images of N1，N2 and N3 A，D：N1；B，E：N2；C，F：N3

图2A及插图为3种制备材料的氮气吸附/脱附等温曲线及孔径分布图，表1为制备材料的孔结构参数。从图中可以看出相对压力在0．5～1．0范围内，3种材料均有明显的回滞环，说明这些材料均含有介孔，且以N1的回滞环最大，其相应的比表面积及介孔孔容最大，而N3的回滞环，以及相应的比表面积与介孔孔容均最小。说明随着N含量的增加，材料的比表面积和孔容也随之增大，其中以三聚氰胺掺杂的介孔碳比表面积最大，具有更好的吸附能力。

表1 制备的碳材料的孔结构参数Table 1 Textural parameters of the obtained carbon materials

图2B为3种制备材料的XRD谱图。结果显示材料在2θ为23°和43°处均出现较宽的衍射峰，为无定型碳材料结构的特征。在23°附近的衍射峰表明碳材料具有部分石墨化的特征，在43°附近出现较小的衍射峰，表明碳材料与扫描电镜图所描述的典型的蠕虫状或者蜂窝状结构的特征一致。

图2 N－CMK－3的N2吸/脱附等温线（A），XRD图谱（B）及XPS图谱（C～F）Fig．2 N2 adsorption/desorption isotherm（A），XRD pattern（B），XPS spectra（C－F）of N－CMK－3 inset：BJH pore size distribution of N－CMK－3

采用XPS对N－CMK－3的元素组成和化学状态进行研究。由图2C可见，在284．77、400．86、532．36 eV处出现了3个特征峰，这些原子轨道分别对应C1s、N1s、O1s［23］。N1s特征峰的出现表明N原子已成功地掺杂到N－CMK－3骨架上。由图2D可知，高分辨率N1s显示两种类型的氮键能分别位于398．8 eV和401．1 eV处，它们分别对应吡啶N和石墨N。如图2E所示，观察到C1s能谱可以拟合成5个显著的峰，分别位于284．33、285．34、284．80、286．84、284．85 eV。这5个峰分别归属于C―C键，C―O键，C―N键，C====N====键以及C====C键，这表明N元素与C元素形成了化学键。印证了在N2氛围中，经高温煅烧的N和C之间形成了化学键，产生的石墨N和吡啶N与C原子连接，优化被分析物的表面吸附性能，提高了电荷传递速率，增加了材料和电解液之间的浸润性［24－25］。

2.2 盐酸奈福泮在不同电极上的电化学行为

为了研究不同修饰电极对盐酸奈福泮的电化学行为，将N－CMK－3/GCE（N1/GCE、N2/GCE、N3/GCE）、CMK－3/GCE和裸GCE电极在含2．0×10－6mol/L盐酸奈福泮的PBS（pH 4．5）中进行循环伏安（CV）检测。如图3所示，相比于裸电极，CMK－3/GCE和N－CMK－3/GCE对盐酸奈福泮的电流响应明显增加，说明修饰在电极上的材料对盐酸奈福泮的电化学催化效果明显。其中NCMK－3/GCE比CMK－3/GCE的氧化峰电流值增加更明显，且以N1/GCE的氧化峰电流最高，峰形更好，说明N元素的存在增加了介孔碳的比表面积，能促进材料对盐酸奈福泮的催化作用，且随着N源中N元素的增多，使得碳材料中N含量增加亲水性增强，其吸附药物的能力也越强。故以最佳氮掺杂介孔碳（N1）为主，构建了一种灵敏检测盐酸奈福泮的传感器。比较图中的N1/GCE和N1*/GCE，可以很明显地观察到氮掺杂介孔碳在含有盐酸奈福泮溶液中的电流值比无盐酸奈福泮溶液的电流值明显增加，说明材料对盐酸奈福泮具有很好的电化学响应。

图3 GCE、CMK－3/GCE及N－CMK－3/GCE在含2．0×10－6 mol/L盐酸奈福泮的PBS中的循环伏安曲线，以及N1/GCE在PBS中的循环伏安曲线（N1*/GCE）Fig．3 CVcurves of bare GCE、CMK－3/GCE and N－CMK－3/GCE in PBS containing 2．0×10－6 mol/L nefopam hydrochlo⁃rid，and CVcurve of N1－CMK－3 in PBS（N1*/GCE）curve（1－6）：CMK－3/GCE，GCE，N1*/GCE，N3/GCE，N2/GCE，N1/GCE

2.3 实验条件的优化

为了获得最佳实验条件，采用CV考察了修饰剂用量、缓冲溶液pH值以及扫描速率对氧化峰电流的影响。

研究表明，当N1修饰液的浓度一定时，其滴涂量对同一浓度盐酸奈福泮溶液的氧化峰电流影响很大。由图4A可知，当滴涂量在2～7μL范围时，随着滴涂量的增大，氧化峰电流信号增加幅度较大，当滴涂量增加到6μL时，氧化峰电流的信号达到最大值，之后氧化峰电流逐渐减小。这是由于随着N1滴涂量的增加，电极反应的有效表面积不断增加，从而导致氧化峰电流增加，然而电极的有效表面积有限，修饰膜过厚，阻碍了盐酸奈福泮的传质与电极之间的电子传递。因此，实验选择6μL为最佳滴涂量。

图4 修饰剂用量（A）及pH值（B）对体系峰电流强度的影响Fig．4 Effects of modifier amount（A）and pH value（B）on peak current values of the system

以PBS为电解质，研究了2．0×10－6mol/L盐酸奈福泮在不同pH值缓冲液中的电化学行为。如图4B所示，在pH 3．5～6．0的范围内，随着pH值的增加，氧化峰电流先增大后减小。在pH4．5时，N1/GCE检测盐酸奈福泮的氧化峰电流达到最大。因此，实验选择pH 4．5为最佳pH值。

在0．01～0．1 V/s范围内，研究了扫描速率对2．0×10－6mol/L盐酸奈福泮氧化峰电流的影响。结果显示，盐酸奈福泮的氧化峰电流（I）随着扫描速率（v）的增加而增加，氧化峰电位有正移的趋势，且两者呈良好的线性关系，线性方程为I=278v+0．89，r2=0．997。表明盐酸奈福泮在N1修饰电极表面受吸附控制。结合信噪比和峰形，选择最佳扫描速率为0．05 V/s。

2.4 修饰电极的稳定性与重现性

在pH 4．5的PBS中，用同一根N1/GCE对2．0×10－6mol/L盐酸奈福泮重复测量数十次，测得氧化峰电流的相对标准偏差（RSD）为1．2%，证明N1/GCE具有良好的稳定性。同时制备6根N1/GCE，测得其对2．0×10－6mol/L盐酸奈福泮的氧化峰电流的RSD为0．92%，说明N1/GCE具有良好的重现性。

2.5 线性范围与检出限

在最优条件下，利用循环伏安法探究了不同浓度盐酸奈福泮的氧化峰电流响应情况。结果显示，随着盐酸奈福泮浓度的增加，氧化峰电流增大，且氧化峰电流（I）与盐酸奈福泮浓度（C，mol/L）在1．0×10－8～5．0×10－6mol/L范围内呈良好的线性关系，线性方程为I=3．52C+6．08（r2=0．992），检出限（S/N=3）为5．3×10－9mol/L。

2.6 回收率实验

为评价该方法在检测实际样品中的应用，利用修饰电极对盐酸奈福泮片中的盐酸奈福泮含量进行电化学检测。取5片盐酸奈福泮片研磨混匀，称取1片的质量，溶于水中超声提取，配制成浓度为1．0×10－5mol/L的溶液，在最佳条件下检测，并加入5个浓度水平的标准溶液进行加标回收实验，每浓度平行检测3次，测得加标回收率为95．9%～100%，表明本文提供的方法可用于实际样品的检测。

2.7 干扰实验

在最佳条件下，利用循环伏安法考察了常见干扰物对检测2．0×10－6mol/L盐酸奈福泮的影响，相对测量误差控制在±5%以内。实验结果表明1 000倍的K+、SO2-4，100倍的Zn2+、Cl－，50倍的Mg2+，25倍的蔗糖、葡萄糖、抗坏血酸，20倍的Ca2+、CO2-3对测定不产生干扰。表明所制备的N1/GCE的选择性较好。