基于多壁碳纳米管增敏的电化学传感器检测萘乙酸

杜科志，杜海军，王世彬，张 艳，李玉美

（贵州民族大学 化学工程学院，贵州 贵阳550025）

黄芪是中医里最重要的补气药材之一，含有大量药用成分和多种氨基酸［1］，对人体具有良好调养作用。为了提高黄芪产量，在种植中使用植物生长调节剂是主要的手段之一。萘乙酸（NAA）作为一种植物生长调节剂，能够促进植物生根和细胞分裂［2］，被广泛应用于果蔬和中药材的种植中［3－4］。刘建霞等［5］研究发现萘乙酸在黄芪种植中，能够缓解盐胁迫作用，增加黄芪的环境适应能力，对于提高土壤盐渍化严重地区黄芪产量提供了一种新的方法。但萘乙酸的过度使用易导致药材中残留物超标，不仅影响中药材的品质，而且对人体健康存在潜在威胁［6］。目前，对于中药材中萘乙酸的检测主要有气相色谱法［7－8］、液相色谱法［9－10］、电化学法［11－13］。其中电化学法因样品前处理简单，检测快速，仪器轻便以及适合现场快速分析，而受到研究者的广泛关注。

多壁碳纳米管（MWCNTs）是一种具有高比表面积的新型导电碳纳米材料［14］，在电子信息、能源和传感器等领域应用广泛。由于范德华力与π－π共同作用容易引起纳米材料团聚，导致MWCNTs分散性差［15］。十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为一种常见的表面活性剂，将其加入到碳纳米管中，不仅能够提高其分散性［16］，防止材料团聚，还能提高电极灵敏度［17］。因此，将其应用到电化学传感领域值得研究。本文将MWCNTs和SDBS制成复合物，然后将其修饰至玻碳电极表面构建高灵敏度的电化学传感器，对萘乙酸进行电化学分析，并利用差分脉冲伏安法实现了黄芪中萘乙酸的快速电化学检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

蔡司SIGMA 500扫描电镜（德国卡尔蔡司公司）；CHI660E型电化学工作站（上海辰华仪器公司），工作电极为玻碳电极（GCE），辅助电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl电极（3 mol/L KCl）；pHS－3C型酸度计（上海雷磁仪器厂）；KQ－3200DB型数控超声波清洗器（郑州豫华仪器制造有限公司）。

多壁碳纳米管（≥95%）、萘乙酸（分析纯）购自国药集团化学试剂有限公司；SDBS（98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氯化钠（98%，天津市优谱化学试剂有限公司）；浓硫酸、无水乙醇（分析纯，重庆川东化工有限公司）；硫酸钠（分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司）；实验用水均为超纯水；黄芪（云南帅润科技有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 电极预处理与活化将玻碳电极（GCE）在抛光绒布上依次用0.3、0.05 μm Al2O3粉末打磨至镜面。用水冲洗后，依次在无水乙醇、硝酸溶液（1：1，体积比）和水中超声清洗3 min。利用循环伏安法在5 mmol/L铁氰化钾溶液中检验电极可以使用后，用水冲洗后烘干待用。

将电极置于0.5 mol/L硫酸溶液中静置5 min，在电位区间为－0.2～2 V，扫描速度为0.05 V/s的条件下循环伏安扫描20圈，用水冲洗后烘干待用。

1.2.2 SDBS－MWCNTs修饰电极的构建取4 mg MWCNTs和1 mg SDBS于2 mL水中，超声分散1.5 h得到SDBS－MWCNTs复合物。取5 μL SDBS－MWCNTs复合物滴涂于GCE表面，自然风干。将制备好的SDBS－MWCNTs/GCE置于pH 6.0的PBS溶液中，利用循环伏安法在扫描速度为0.1 V/s，电位区间为0.6～1.3 V条件下扫描至图像稳定后，烘干待用。

取6 mg MWCNTs置于3 mL水中，按上述方法制备MWCNTs/GCE，烘干待用。

1.2.3 黄芪中萘乙酸的提取参考文献的一步超声提取方法并稍作改进［18］：30 g干燥黄芪粉碎，过100目筛后，取5 g黄芪粉和2 g NaCl于10 mL水中浸泡3 h，加入20 mL乙醇，超声提取40 min，加入适量无水硫酸钠静置1 h，离心后取上层清液旋转蒸发至1 mL，溶于5 mL无水乙醇溶液中，待测。

1.2.4 电化学测量利用循环伏安法对50 μmol/L NAA进行电化学行为探究和实验条件的选择（电位区间为：0.6～1.3 V，扫描速度为0.1 V/s）；利用线性扫描伏安法探究了扫描速度的影响（电位区间为：0.6～1.3 V，扫描速度区间为：0.02～0.4 V/s）；利用差分脉冲伏安法对NAA进行检测，且探究了该电极的稳定性和抗干扰能力（电位区间0.6～1.3 V，电位增量0.004 V，振幅0.05 V，脉冲宽度0.05 s）。

2 结果与讨论

2.1 碳纳米管的结构表征

为了解SDBS与MWCNTs的复合程度，使用扫描电镜观察了MWCNTs和SDBS－MWCNTs材料的表面形貌。从图1A中可以看出，MWCNTs材料中有明显的管状结构，其特殊结构能增加电极的有效面积。图1B为加入SDBS后MWCNTs的表面形貌，依旧有较为明显的管状结构，可见SDBS的加入并未破坏MWCNTs的本身结构［15］，且其包覆在MWCNTs周围，可使MWCNTs更好地分散在溶剂中［19］，进一步将MWCNTs修饰至电极表面可提高检测灵敏度。

图1 MWCNTs（A）和SDBS－MWCNTs（B）的SEM图Fig.1 SEM images of MWCNTs（A）and SDBS－MWCNTs（B）

2.2 NAA的电化学行为

为了探究NAA在不同修饰电极上的电化学行为，分别使用GCE、MWCNTs/GCE和SDBS－MWCNTs/GCE对50 μmol/L NAA进行循环伏安扫描。实验结果如图2所示，在3种电极上均出现了单一的阳极氧化峰。由于无修饰材料，GCE的测试结果（曲线1）表明，NAA仅出现一较弱的阳极氧化峰，其峰电位为1.065 V，峰电流为0.795 3 μA。MWCNTs/GCE的测试结果（曲线2）表明，NAA的峰电位（1.028 V）负移，峰电流（7.506 μA）明显增强，说明MWCNTs对NAA有一定的电催化活性。利用SDBS－MWCNTs/GCE探究NAA的电化学行为（曲线3），显示NAA的峰电位（1.029 V）无明显变化，但峰电流（18.42 μA）进一步增强，这是由于SDBS的加入提高了MWCNTs的分散度，增大了电极的有效面积，有效提高了电子传输效率，增加了玻碳电极检测的灵敏度。

图2 GCE、MWCNTs/GCE和SDBS－MWCNTs/GCE在50 μmol/L NAA中的循环伏安图（CV）Fig.2 CV curves of GCE，MWCNTs/GCE and SDBS－MWCNTs/GCE

2.3 实验条件的优化

2.3.1 SDBS浓度的影响为了考察SDBS浓度对电化学检测的影响，在MWCNTs溶液中分别加入质量浓度为0.125、0.25、0.375、0.50、0.65、0.75 mg/mL的SDBS用于制备SDBS－MWCNTs/GCE，将修饰电极置于含有50 μmol/L NAA的PBS溶液中，利用循环伏安法考察了SDBS浓度对SDBS－MWCNTs/GCE电化学信号强度的影响。实验结果如图3所示，随着SDBS质量浓度的增加，该修饰电极的检测灵敏度不断增强，这是由于SDBS的加入提高了多壁碳纳米管的分散程度，增大了电极的有效面积。但当SDBS质量浓度增大到一定程度后，峰电流值无明显增强。因此，SDBS质量浓度以0.5 mg/mL为最佳。

图3 SDBS浓度对NAA氧化峰电流的影响Fig.3 Effect of SDBS concentration on oxidation peak current of NAA

2.3.2 滴涂量的影响滴涂量的选择也会影响传感器的检测效果。本实验将固定浓度的SDBS－MWCNTs修饰材料滴涂在玻碳电极表面，考察了滴涂量在3～8 μL范围内NAA在修饰电极上的峰电流响应。发现随着滴涂量的增大，峰电流强度先增强后下降。这是由于随着SDBS－MWCNTs滴涂量的增加，电极的比表面积增大，提高了电极检测灵敏度，但滴涂在电极表面的材料过多时，则减少了电极活性点位与目标物的接触，从而使得峰电流不断下降［20］。本实验选择最佳滴涂量为5 μL。

2.3.3 pH值的影响为了考察pH值对修饰电极测量NAA电化学信号的影响，在pH 2.0～11.0范围内，利用SDBS－MWCNTs/GCE对50 μmol/L NAA进行循环伏安扫描。结果表明在pH 2.0～6.0范围内，随着pH值的增加，峰电位负移，表明有质子参与NAA在SDBS－MWCNTs/GCE表面的反应。在pH 6.0～11.0范围内，峰电位变化不明显。如图4所示，在pH为4.5～6.5范围内，Epa与pH值呈良好的线性关系，线性拟合方程为Epa=－0.052pH+1.422（r2=0.999）。由能斯特方程知，斜率k=∂Epa/∂pH=0.059m/n（式中，m为质子转移数，n为电子转移数），m/n≈1，可见NAA在电极表面发生氧化反应过程中的电子转移数和质子转移数相等。在pH 4.5～6.5范围内，峰电流则随着pH值的增大呈先增大后减小趋势。因此，本研究选择最佳pH值为6.0。

图4 pH值对NAA氧化峰电流的影响Fig.4 Effect of pH value on oxidation peak current of NAA

2.4 扫描速度的影响

为了考察扫描速度（v）对NAA检测的影响，在pH 6.0的PBS缓冲溶液中，分别以不同扫描速度（0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 V/s）对50 μmol/L NAA进行线性伏安扫描，结果如图5所示。随着扫描速度的增加，背景电流增大，峰形逐渐变窄，峰电位正移，氧化峰电流（Ipa）不断增强。图5插图中Ipa与v呈良好线性关系，线性拟合方程为Ipa=96.91v+3.41（r2=0.993），表 明NAA在SDBS－MWCNTs修饰电极上的氧化反应受吸附控制［12］。

图5 扫描速度的影响Fig.5 Effect of scan speed

由于反应受吸附控制，根据峰电流吸附方程［21］：Ip=n2f2vAГ0*/4RT=nFQv/4RT。式中，F为法拉第常数，Q为氧化峰面积，R为气体摩尔常数，T为热力学温度。可求得该电极反应中电子转移数n=1.85≈2。由“2.3.3”中得到电子和质子的转移数相同，因此，判断NAA在电极表面发生了2个质子和2个电子参与的电化学氧化反应。

2.5 线性范围与检出限

为了更好地实现对NAA低浓度检测，采用修饰电极分别利用循环伏安法、线性扫描伏安法和差分脉冲伏安法（DPV）对低浓度NAA进行测定。发现当NAA处于较低浓度时，DPV法能够得到较为灵敏的氧化峰峰形。因此，本实验在最优条件下，利用DPV法考察了不同浓度（0.4、1、3、5、7、9、15、20、25、30、35、40、45 μmol/L）NAA的氧化峰电流响应情况。从图6可以看出，随着NAA浓度的增加，氧化峰电流增大，且峰电流与NAA浓度在0.4～45 μmol/L范围内呈良好的线性关系，线性方程为Ipa=0.103c+0.114（r2=0.991），检出限（S/N=3）为0.07 μmol/L。

图6 SDBS－MWCNTs/GCE对不同浓度NAA的差分脉冲伏安图Fig.6 DPV curves of SDBS－MWCNTs/GCE in different concentrations of NAA

将本方法与其他NAA传感器进行比较（如表1），相较于其他NAA传感器，本方法具有更低的检出限，且制备方法简单，更适于实现NAA的现场快速检测。

表1 不同NAA电化学传感器的比较Table 1 Comparison of different NAA electrochemical sensors

2.6 稳定性、重现性与选择性

在pH 6.0的PBS缓冲溶液中对50 μmol/L NAA使用同1根SDBS－MWCNTs/GCE进行重复检测，测量次数达7次时峰电流的相对标准偏差（RSD）为1.3%。将该电极置于5℃冰箱中密封保存1周后，用同样的方法测得氧化峰电流响应值下降5.7%，测量7次的RSD为1.3%。说明该电极具有较好的稳定性。同时制备5根SDBS－MWCNTs/GCE电极对50 μmol/L NAA进行检测，其氧化峰电流的RSD为9.9%，表明该电极的重现性良好。

控制相对测量误差在5%以内，利用DPV法探究了常见干扰物对SDBS－MWCNTs/GCE检测NAA的影响。实验结果表明，25倍的Na+、K+、Ca2+、PO3-4、Cl－和SO2-4，50倍的葡萄糖、淀粉和氨基酸，以及常见的植物生长调节剂如吲哚乙酸、吲哚丁酸、2，4-D、激动素均不干扰测定。表明所制备的SDBS－MWCNTs/GCE具有较强的抗干扰能力。

2.7 黄芪中萘乙酸的检测

利用“1.2.3”方法提取黄芪中的残留物，通过DPV法进行测量，未发现NAA残留物的存在。采用GB/T 37500－2019中的高效液相色谱法［22］验证上述结果，样品同样未检出NAA。采用标准加入法进行加标回收率实验，利用SDBS－MWCNTs/GCE传感器对加标量分别为5、15、30 μmol/L的NAA进行测定，测得回收率为97.8%～102%，RSD小于5.0%（见表2），表明该传感器可用于实际样品的检测。

表2 黄芪中NAA的含量及其回收率测定（n=3）Table 2 Content of NAA and its recoveries in Astragalus（n=3）

3 结论

本研究利用SDBS和MWCNTs制成复合物修饰玻碳电极，对萘乙酸进行了电化学分析。并利用DPV法对黄芪中的萘乙酸进行检测，效果良好。该传感器的制备方法简单，成本较低，且具有较好的稳定性和重现性，有望应用于中药材现场的快速检测。