新型石墨炔电化学传感器扑热息痛的检测

刘艳坤,胡世荣,杨 浩,杨 潇,叶佳佳

（闽南师范大学化学化工与环境学院,福建 漳州 363000）

扑热息痛（对乙酰氨基苯酚）是一种常见的解热镇痛药，由于因其对胃肠道刺激作用小，解热镇痛作用缓和持久，安全高效，在临床上常用于感冒发烧、关节痛、神经痛及偏头痛、癌性痛及手术后止痛等[1-4].但是过量服用扑热息痛会产生严重毒副作用[5]，因此准确测定药品中扑热息痛的含量对于我们来讲是迫切需要的，且具有重要的医学意义.目前测定扑热息痛的方法有很多，包括高效液相色谱法[6]、分光光度法[7]、红外光谱法[8]、电化学传感法[9]等方法.其中电化学传感法由于其灵敏度高、线性测量范围广、操作简单、成本低等优势成为快速检测扑热息痛的方法，具有良好的发展前景[10-11].

石墨炔(Graphdiyne,GDY)是一种新型的二维碳同素异形体，近年来受到越来越多的关注[12].石墨炔（GDY）其独特的sp-sp2杂化碳原子，使其具有高度的π 共轭，规则的有序孔结构和可调电子结构，使得GDY 具有天然的带隙和高速的载流子迁移率[13]，使其在气体分离[14]、催化[15]、水处理[16]、湿度传感器[17]、能源等领域均展现出广阔的应用前景.相比于其它碳材料，石墨炔优秀的电化学性质，用于电化学传感器修饰，会使电化学传感器表现出更加优秀的性能[18-23].

本工作合成了形貌较好的片层状石墨炔，通过扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）和X 射线衍射仪（XRD）等仪器对其结构进行表征，并将其用于修饰玻碳电极，构建电化学传感器，对扑热息痛进行定量分析检测.实验结果表明，Nafon/GDY 修饰的电化学传感器对扑热息痛具有良好的检测性能，检出限为4.38 μmol·L-1，在实际样品的检测中也表现出了良好的抗干扰性能，证明了该传感器具有一定的潜在应用价值.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660E 型电化学工作站，上海辰华仪器公司；Tecnai G220型透射电子显微镜，美国FEI公司；PE-20型pH计，上海梅特勒托利多仪器有限公司；X射线衍射仪（Ultima IV，日本Rigaku公司）；KQ-250B型超声波清洗仪，昆山市超声仪器有限公司.

扑热息痛，上海麦克林生化科技有限公司；六(三甲基硅基)乙炔基苯（HTMSiEB），郑州阿尔法化工有限公司；无水乙醇（C2H5OH）、四甲基乙二胺（TMEDA）、吡啶、氯化钠（NaCl）、磷酸二氢钠（NaH2PO4)、磷酸氢二钠（Na2HPO4）、氯化钾（KCl）均购自广东西陇化工有限公司；四丁基氟化铵（MTHF）、抗坏血酸（AA）、多巴胺（DA）、尿酸(UA)，阿拉丁试剂（上海）有限公司.实验所用其它试剂均为分析纯试剂，实验用水为超纯水.

1.2 实验过程

石墨炔(GDY)的制备：依据李玉良等[24]介绍的方法，通过优化实验条件，制备石墨炔.取100 mg六（三甲基硅基）乙炔基苯于圆底烧瓶，溶于10 mL四氢呋喃，0 ℃、氮气环境下搅拌至完全溶解，后加入0.2 mL四丁基氟化铵，继续搅拌至混合均匀.处理后的溶液用乙酸乙酯稀释一倍，饱和NaCl溶液洗涤，去除其杂质，过滤后用无水MgSO4干燥，再过滤.将处理好的溶液置于真空干燥箱内，真空室温浓缩，烘干后的固体溶解于丙酮中.取用砂纸打磨光滑的1 cm×1 cm铜片两个，在1∶1盐酸中超声5 min后放入三口烧瓶.架设冷凝装置，向烧瓶加入20 mL 吡啶，通入氮气，待水浴锅温度升至55 ℃，向烧瓶加入四丁基乙二胺2 mL，在避光条件，将事先溶解的固体逐滴加入三口烧瓶中.反应至烧瓶中溶液蒸干，黑色产物附着于铜片，将其用丙酮、乙醇缓慢反复冲洗后，烘干即得到石墨炔（GDY）.

电极制备：玻碳电极表面用1.0、0.3、0.05 μm 的铝粉依次打磨处理，使其电化学性质稳定；依次用超纯水、乙醇、超纯水清洗，用氮气吹干玻碳电极表面.将1 mg 石墨炔（GDY）超声均匀分散于1 mL 的乙醇中，用移液枪准确移取分散溶液滴于预先处理的玻碳电极（GCE）表面.待玻碳电极晾干后，滴加3 μL Nafion在GDY修饰电极表面，烘箱25 ℃烘干备用.

扑热息痛的电化学检测：采用三电极系统，工作电极为玻碳电极（GCE）或修饰电极(Φ=3 mm)，参比电极为饱和氯化银电极（Ag/AgCl），辅助电极为铂丝电极.检测底液为0.1 mol/L 磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH=7），富集电压为0.3 V，富集时间70 s.

2 实验结果与讨论

2.1 材料的表征与分析

图1(a)与图1(b)分别为GDY 的扫描电镜图和高分辨透射电镜图，从图中我们可以看到GDY 的片层结构，证明制得了具有良好形貌的薄层状GDY；图1(c)是GDY的XRD光谱图，在20°出有一明显的强特征峰，表征结果与文献[25]报道相符；图1(d)是对材料进行红外光谱表征得到的谱图，我们可以看出2 140 cm-1处出现了碳碳三键的特征吸收峰，在1 620、1 550、1 400 cm-1有中等强度的尖锐吸收峰，可以判断为苯环的特征吸收峰，2 950 cm-1处出现了强度较大的吸收峰，推测为六乙炔基苯上未能发生偶联反应的≡C-H.

图1 SEM、TEM、FTIR和XRD表征图Fig.1 SEM,TEM,FTIR and XRD characterization diagram

2.2 修饰电极的CV测试

采用循环伏安法（CV）探究不同修饰电极对于扑热息痛的电化学响应，测定条件为扫描速率为0.1 V/s；测定电压范围为0.1～0.7 V；测试溶液为0.10 mmol·L-1扑热息痛的0.1 mol·L-1的PBS（pH=7）.分别使用GCE、MWCNTs/GCE、GO/GCE 和Nafion/GDY/GCE 通过循环伏安法(CV)法进行扫描，结果如图2所示，在裸电极GCE上出现的氧化还原峰并不明显，MWCNTs/GCE电极无明显信号响应，GO/GCE电极有稍明显的电化学响应，但与Nafion/GDY/GCE相比，信号强度远远不如，这表明了Nafion/GDY电化学传感器对扑热息痛检测响应更好.图3为扑热息痛在修饰电极上的反应机理及修饰电极示意图.

图2 GCE、MWCNTs/GCE、GO/GCE、Nafion/GDY/GCE在含0.1mmol扑热息痛的PBS(pH=7)中的CV曲线图Fig.2 CV curves of GCE,MWCNTs/GCE,GO/GCE,Nafion/GDY/GCE in PBS(pH=7)containing 0.1 mmol paracetamol

图3 Nafion/GDY修饰玻碳电极示意图及扑热息痛在传感器上反应机理Fig.3 Schematic diagram of Nafion/GDY modified glassy carbon electrode and reaction mechanism of paracetamol on the sensor

2.3 pH值的影响

如图4A所示，通过差分脉冲伏安法(DPV)探究检测PBS缓冲溶液pH对于扑热息痛在Nafion/GDY/GCE电极上的电化学响应行为.结果表明，扑热息痛在缓冲溶液pH 值从4 增加到7 的过程中，峰电流随着pH值增加而增加，在pH值由7增加到9的过程中，随着pH值的增加而减小，在缓冲溶液pH值为7时，峰电流最大，因此我们采取pH值为7的PBS缓冲溶液进行接下来的电化学实验.

图4 扑热息痛DPV图和峰电流与pH之间关系图Fig.4 Paracetamol DPV plot and relationship between peak current and pH

2.4 差分脉冲伏安法（DPV）定量检测扑热息痛

差分脉冲伏安法（DPV）具有高灵敏度和低检测线的特点，在最佳条件下，探究浓度与电流的关系.如图5所示，扑热息痛氧化峰电流随着扑热息痛浓度由10 μmol·L-1到100 μmol·L-1增加呈线性增加趋势，线性测量范围为10～100 μmol·L-1，线性相关关系：I(μA)=0.11 C(μmol·L-1)+16.141 6(R2=0.987 9)，在三倍的信噪比下，该电化学传感器检测扑热息痛的检测限为4.38 μM.对比其他文献报道，该传感器检测限并非最低，但仍然有较好的应用前景.

图5 修饰电极测试不同浓度的扑热息痛关系图Fig.5 Modified electrode testing different concentrations of paracetamol

2.5 干扰性研究

抗干扰能力是评价电化学传感器好坏的重要标准.在扑热息痛（AC）的日常检测中可能会存在一些干扰物质，比如抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)、多巴胺(DA)、NaCl 等无机盐等.如图6所示，对Nafion/GDY/GCE电化学传感器测定时可能存在的干扰物质进行研究.添加扑热息痛20倍浓度干扰物质，电化学传感器对扑热息痛的响应依旧良好，这表明该传感器在对扑热息痛检测时具有优秀的抗干扰能力.

图6 Nafion/GDY/GCE电化学传感器抗干扰研究Fig.6 Research on anti-interference of Nafion/GDY/GCE electrochemical sensor

2.6 重现性与稳定性

电化学传感器的可重复性和稳定性是衡量传感器好坏的重要指标.图7A 选取了5 根同等条件下制备的修饰电极对扑热息痛进行电化学检测，其相对标准偏差(RSD)为3.51%，该传感器有较好的重现性.为了研究该电化学传感器的稳定性，每隔五天对0.1 mmol·L-1的扑热息痛进行间断性的检测，如图7B，通过25天的测试，其响应信号为初始信号值的96.1%.还实验表明该传感器重现性和稳定性良好.

图7 电极稳定性和重现性研究Fig.7 Electrode stability and reproducibility studies

2.7 实际样品检测

为了评估构建电化学传感器的实用性，在最佳的实验条件下，对处理过的血清与尿液，采用标准加入法进行测定其中扑热息痛的浓度.如表1所示，该电化学传感器检测血清样品中扑热息痛回收率在99.10%～102.10%(n=5)之间，尿液样品中扑热息痛回收率在98.0%～101.10%(n=5)之间，说明该传感器在实际样品的检测过程中具有较好的表现.

表1 Nafion/GDY/GCE在实际样品中的测定结果Tab.1 Determination results of Nafion/GDY/GCE in actual samples

3 结论

本文通过改良方法制备纳米片层状石墨炔，并通过多种表征手段对其进行表征，将Nafion/GDY 材料修饰玻碳电极，用于构建检测扑热息痛的电化学传感器，与多壁碳纳米管和氧化石墨烯相比，在稳定性、重现性和线性范围上表现更好，同时其具有良好的抗干扰能力.此外，该扑热息痛电化学传感器在检测实际样品时结果令人满意，有望应用于扑热息痛的检测.