静电纺氮硫共掺杂碳纳米纤维修饰电极用于电化学发光检测盐酸地芬尼多

程 昊, 李学暖， 李天昊， 覃丹凤， 唐婷范， 王桂香， 李彦青*

(1.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.泰山学院化学化工学院，山东泰安 2710213；3.蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西南宁 530004)

盐酸地芬尼多(Difenidol Hydrochloride，DH)在临床上用于缓解或预防头晕、恶心和呕吐[1,2]，主要用于治疗内耳炎、前庭神经炎和梅尼埃病[3]。近年来多有儿童误食和成人自杀事件的发生，因此，建立快速检测DH的方法具有重要意义。目前常用检测DH的方法有高效液相色谱[4,5]、色谱-质谱[6]、阴离子表面活性剂滴定[7]和微流控芯片[8]等方法。但这些方法均存在耗时、仪器昂贵、操作复杂、灵敏度低等缺点。

杂原子掺杂可以改善含碳材料的物理和化学性质，而通过静电纺丝获得的碳纳米纤维(CNFs)是杂原子掺杂理想的载体[9,10]。与单原子掺杂相比，多原子共掺杂可以改善材料的导电性和电极表面的润湿性，从而提高材料的综合性能。电化学发光(Electrochemiclusing,ECL)既有化学发光的优点，也具有电化学的优点[11]。该方法具有灵敏度高、线性范围宽、操作方便等优点，受到各领域广泛关注。已经有研究表明，ECL[12]和毛细血管电泳电化学发光(CE-ECL)可用于DH的检测。本实验以聚丙烯腈(PAN)为碳源，Na2S2O3为硫源，采用静电纺丝和高温碳化，制备氮硫共掺杂多孔碳纳米纤维(N-S,SCNFs)，并将该材料修饰玻碳电极(GCE)用于ECL法检测DH。

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)，实验采用三电极系统：GCE或其修饰电极为工作电极，饱和AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极；S4800冷场发射扫描电镜(SEM)(日本，日立公司)；Tecnai G2 F20场发射透射电镜(TEM)(美国，FEI公司)；ASAP2020M+C全自动微孔物理化学吸附仪(BET)(美国，麦克仪器公司)；Smartlab-9KW X射线衍射仪(XRD)(日本，理学公司)；XploRA PLUS激光共焦拉曼光谱仪(日本，Horiba公司)。

5%Nafion，NaH2PO4，Na2HPO4·12H2O，Na3BO3·10H2O，H3BO3，KCl，K3[Fe(CN)6]，Na2S2O3，K4[Fe(CN)6]，聚丙烯腈(PAN)，实验所用试剂均购于Sigma-Aldrich试剂(上海)公司，均为分析纯。实验用水为超纯水。

1.2 材料制备

将0.402 g Na2S2O3和10 mL DMF在室温下搅拌12 h,然后将1.6 g PAN加入混合溶液中，继续搅拌12 h,得到纺丝前驱体溶液。将该溶液装入注射器中，静电纺丝装置的参数设置为：电压17 kV;针尖与收集器之间的距离为10 cm;流速为1.0 mL·h-1；纺丝收集器的转速为180 r·min-1。在其静电纺丝参数设置下得到N,S -SCNFs，将N,S -SCNFs在空气中以5 ℃·min-1的速率升温至250 ℃,维持2 h后，在N2保护下以5 ℃·min-1的速率升温至850 ℃进行碳化，自然冷却到室温。得到的N,S -SCNFs用超纯水洗涤除去Na+,60 ℃烘箱烘干，即得到纯净的N,S -SCNFs。

1.3 修饰电极制备

GCE依次用0.3、0.05 μm的Al2O3粉末在麂皮上抛光成镜面，然后用超纯水、乙醇、超纯水交替进行超声清洗，N2吹干备用。称取1.5 mg N,S -SCNFs粉末，将其溶于1.0 mL含有0.05%Nafion的异丙醇-超纯水(1∶4，V/V)中，超声5 min得到N,S -SCNFs混合悬浊液。取上述N,S -SCNFs混合悬浊液5 μL滴涂于裸GCE表面，室温下静置干燥，得到修饰电极，记作N,S -SCNFs/GCE。

1.4 标准溶液的配制

1.5 电化学方法

本研究所有电化学测试均在三电极系统下进行，采用循环伏安法，考察DH在100 μL的0.1 mol·L-1磷酸盐缓冲溶液(PBS,pH=7.5)中的电化学行为。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

材料的透射电镜(TEM)表征结果如图1(a)、1(b)所示，CNFs和N,S -SCNFs都呈现均匀连续的纤维，并且表面光滑，外部形态没有明显的差异，说明N和S的掺杂可能发生在分子水平。由图1(c)～1(f)可知，N和S均匀分布在材料中。

图1 CNFs(a)和N,S -SCNFs(b)的透射电镜(TEM)图；N,S -SCNFs中C(c)、N(d)、O(e)、S(f)分布图Fig.1 TEM images of CNFs (a) and N,S -SCNFs (b);Distribution diagram of C(c),N(d),O(e),and S(f) in N,S -SCNFs

N,S -SCNFs的X射线衍射(XRD)图如图2(a)所示，在2θ=24°、43°处的两个衍射峰分别对应石墨结构(002)面和非晶碳结构(101)面，表明N,S -SCNFs为石墨化程度较低的非晶碳材料。用N2吸附-脱附法对N,S -SCNFs的孔结构和比表面积进行了表征，如图2(b)所示(插图为孔径分布曲线)。所有样品的等温线均属于类型Ⅰ，即在相对较低的压力下比较陡峭，之后为几乎水平的平台，这证明N,S -SCNFs中主要分布的是微孔结构。这是因为在碳化过程中PAN分解出CO2、N2O、H2O等气体从而导致孔结构的产生。根据BET法计算了孔体积和比表面积，CNFs的比表面积为94 m2·g-1，总孔容为0.04 cm3·g-1；N,S -SCNFs的比表面积为264.26 m2·g-1，总孔容为0.11 cm3·g-1，明显高于CNFs。材料拉曼检测如图2(c)所示，在1 330 cm-1和1 590 cm-1处出现了两个峰，分别为由缺陷引起的sp3碳振动的D带和由sp2石墨碳振动的G带。通常以ID/IG来表示材料的无序程度，N,S -SCNFs的强度比为1.23，说明N,S -SCNFs有较高的无序性.

图2 N,S -SCNFs 的XRD谱图(a)、N2吸-脱附等温线((插图)BJH孔径分布图)(b)和拉曼光谱图(c)Fig.2 XRD pattern(a),N2 adsorption-desorption isotherm and BJH pore size distribution curve (inset)(b) and Raman spectra (c) of N,S -SCNFs

图和的电化学(EC)(a)和电化学发光(ECL)曲线(b)Fig.3 EC (a) and ECL (b) curves of at concentration 3.0×10-5 mol·L-1

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

图4 3.0×10-5 mol·L-1浓度下在不同电极上的循环伏安(a)和ECL(b)曲线Fig.4 Cyclic voltammetry (a) and ECL(b) curves of at 3×10-5 mol·L-1 concentration on different electrods

2.4 实验条件优化

图5 (a)N,S -SCNF修饰量对ECL强度的影响；(b)缓冲溶液类型和pH值对ECL强度的影响 (n=3)Fig.5 (a) The influence of N,S -SCNF volume on the ECL intensity of N,S -SCNF;(b)The influence of buffer solution type and pH value on ECL intensity (n=3)

2.5 线性方程的建立

在最佳实验条件下，考察了DH在N,S -SCNFs/GCE上的ECL行为。如图6所示，ECL强度随DH浓度的增加而增加，在5.0×10-7～3.0×10-5mol·L-1范围内，ECL强度与DH的浓度呈良好的线性关系[15]，线性方程为：y=5.71x+359.98(R2=0.9980)，检出限(S/N=3)为2.89×10-8mol·L-1。将该方法与其他检测DH的方法相比(表1)，本文方法具有较宽的线性范围和较低的检出限。

表1 不同检测DH的方法比较

图6 不同浓度DH的电致化学发光图(n=3)Fig.6 The ECL responses of the different concentrations of difenidol (n=3)

2.6 修饰电极的选择性、重现性和重复性

2.7 实际样品检测

将5片盐酸地芬尼多片研磨、超声溶于超纯水并稀释后，得到浓度为1.0×10-5mol·L-1的DH溶液。最佳条件下，对样品溶液中DH的含量进行加标测试。如表2所示，回收率在98.00%到103.11%之间，证明了该修饰电极可用于DH的分析检测。

表2 样品测定结果及回收率试验

3 结论

本文采用N,S -SCNFs/GCE修饰电极，用于盐酸地芬尼多的ECL检测。实验考察了盐酸地芬尼多在N,S -SCNFs/GCE上的电化学行为和ECL行为。实验结果表明，在最优检测条件下，ECL信号值与盐酸地芬尼多浓度呈现出良好的线性关系，并且灵敏度高、检出限较低。将该传感器用于实际样品检测，加入回收率在98.00%～103.11%之间。此方法为盐酸地芬尼多的检测提供了新的研究思路，也拓宽了ECL的应用范围。