基于氮化硼電沉積金傳感器對藥劑中乙酰氨基酚的檢測

林鎮峰， 李芯立， 李楊子， 劉 鑫， 黃華宇*

(西北大學城市與環境學院，陜西西安 710127)

對乙酰氨基酚(PCM)又稱撲熱息痛，該藥可緩解如感冒引起的頭痛、發熱偏頭痛等[1]。少量的PCM對人體無害，然而過量會產生有毒代謝物，導致肝中毒或神經中樞中毒等病癥[2,3]。環境中PCM的殘留可對人類產生重大影響，因此，選擇一種能夠準確、快速檢測PCM的方法具有重要意義?，F有檢測PCM的方法有液相色譜法[4]、紫外-可見分光光度法[5]、毛細管電泳[6]、熒光光譜法[7]等。這些方法對環境中PCM的檢測靈敏度較高，但是也普遍存在成本高、設備價格昂貴、樣品預處理復雜和分析時間長等局限性。與上述方法相比，電化學方法具有選擇性高、預處理過程簡單、耗時少、成本低等優點，可被應用于PCM檢測[8 - 10]。為了提高靈敏度,納米材料常用于構建電化學傳感器增強電化學響應。Mao等[11]通過自組裝技術合成多壁碳納米管與殼聚糖-銅絡合物修飾玻碳電極，并在抗壞血酸和多巴胺存在的條件下檢測PCM。Li等[12]將金-石墨烯核-殼納米粒子摻雜到導電聚合物(3,4-亞甲基)中制備PCM電化學傳感器，檢測限可達41 nmol/L。

氮化硼(BN)是一種由硼原子和氮原子形成的2D納米材料，其形態包括六方BN[13]、斜方BN和立方BN等。二維BN納米材料具有優異的電導率、穩定性、大比表面積從而被廣泛應用于電化學分析[14,15]。不同的制備方法導致BN表現性質不同。Qiu[16]及其研究人員在乙二醇中制備了BN膠體分散液，并證明BN是支撐和分散貴金屬納米粒子的良好載體。Lin[17]等人以親油和親水性胺分子為功能劑，在有機溶劑、水溶液中獲得了分散良好的BN。以上方法是通過自上而下方式剝離大尺寸的BN獲得納米材料，因此獲得的BN納米材料尺寸分布不均勻。本文采用“液相剪切法”制備BN納米材料，并將其在含氧的極性溶液中“切割”以獲得尺寸分布均勻的BN納米材料。金納米顆粒(Au NPs)具有優良的生物相容性、電導率及大比表面積，能在電化學反應過程中展現優異的催化性能[18]。為了進一步提高傳感器性能，將Au NPs 修飾在BN表面從而實現信號放大。本研究通過電沉積方式將Au NPs沉積在BN表面，構建基于BN/Au NPs的PCM電化學傳感器，并將其用于撲熱息痛藥劑中PCM的定量檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電化學測量使用CHI 660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)。采用三電極體系：修飾電極作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，鉑電極作對電極。Sigma 300(德國，ZEISS)掃描電子顯微鏡用于表征材料形貌。Itq1100氣/質聯用儀(美國，Thermo Fisher)用于撲熱息痛藥劑中PCM定量檢測。

對乙酰氨基酚購于美國Sigma-Aldrich試劑公司。H3BO3、HNO3、三聚氰胺、Na2HPO4、NaH2PO4、HAuCl4、甲醇和無水乙醇購自國藥集團化學試劑有限公司。所用試劑均為分析純等級。實驗用水為去離子水。所有電化學實驗在室溫下進行。

1.2 BN納米材料制備

將H3BO3與三聚氰胺在瑪瑙研缽中充分研磨混合后，將混合物放入水平管式爐中，在5%H2/N2氛圍(1 000 ℃,2～10 ℃/min)下熱解2 h。將BN置于40 ℃乙醇中洗滌2 h后，用甲醇和水清洗。進行滲析操作后使用0.45 μm膜過濾，最后在80 ℃下干燥。

1.3 傳感器制備

先將玻碳電極(GCE)在Al2O3粉末中拋光后，分別用水、乙醇、HNO3沖洗并超聲，室溫下干燥備用。2 mg 的BN分散在2 mL水中，超聲1 h后，使用滴涂法制備BN/GCE，將BN/GCE浸沒在0.01 mol/L含有2.5 mmol/L HAuCl4的Na2SO4溶液中，采用循環伏安法，設置掃速為50 mV/s，電位為-0.2～1.2 V，掃描時間設置為200 s進行掃描，之后在恒電位(設置電位為-0.2 V)下電沉積300 s，得到BN-Au/GCE修飾電極。

1.4 樣品處理及測定

將撲熱息痛藥片在研缽中充分研磨，用無水乙醇溶解后，再用0.45 μm濾膜過濾并以磷酸鹽緩沖溶液(PBS)稀釋。以BN-Au/GCE為工作電極，采用循環伏安法(CV)，在電位-0.8～1 V范圍內，以50 mV/s 掃描速率進行掃描，記錄峰值電流。

氣相色譜-質譜(GC-MS)法分析測試以氦氣作為載氣，流速恒定為1.2 mL/min：以90 ℃保持1 min后升溫至330 ℃再保持1 min(升溫速度15 ℃/min)。接口、進樣口和離子源溫度分別保持在300 ℃、280 ℃和250 ℃。真實樣品以等分且不分流方式注入(1 μL)。

2 結果與討論

2.1 材料表征

采用掃描電鏡(SEM)對Au NPs、BN、BN/Au NPs形貌進行表征(圖1)。圖1a、1b為Au NPs和BN的SEM圖，可以觀察到Au NPs分布在電極表面，而BN納米材料呈表面粗糙結構。BN表面電沉積Au NPs 后，其SEM(圖1c)顯示Au NPs分布在BN周圍且附著在電極表面，增大電極比表面積同時改善電極導電性能，從而增強PCM在BN-Au/GCE上的電化學響應。

圖1 Au NPs(a)、BN(b)和BN-Au(c)的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM images of the Au NPs(a),BN(b) and BN-Au(c)

采用X射線衍射(XRD)技術表征BN納米材料(圖2)。從圖中可以觀察到BN出現兩個明顯的衍射峰，分別位于2θ為26.4°和242.3°處，對應于六方BN的(002)和(100)晶面(XRD標準圖卡，JCPDS 34-0421)。

圖2 BN XRD圖Fig.2 XRD patterns of BN

2.2 電化學表征

采用差分脈沖伏安法(DPV)研究PCM在裸GCE、BN/GCE、Au/GCE、BN-Au/GCE上的電化學行為。由圖3可見，裸GCE(曲線a)的響應信號微弱；BN納米材料修飾電極后(曲線b)電化學響應大幅增加，表明修飾后的電極促進了電子轉移速度；在GCE電極表面電沉積Au NPs后(曲線c)，峰電流信號大幅增強。BN/GCE(曲線b)與BN-Au/GCE(曲線d)相比，由于BN納米材料具有大的比表面積可以提升PCM的負載量，Au NPs對反應過程有良好的催化作用，因此BN-Au/GCE電極響應信號更為顯著[19]。

圖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)的差分脈沖伏安(DPV)圖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 實驗參數優化

2.3.1 pH和BN修飾量選擇采用循環伏安法考察pH對PCM在BN-Au/GCE上電化學行為的影響。如圖4所示，隨著pH不斷增加，峰電位逐漸負移，表明有質子參與氧化還原反應[20]。pH=8.0時峰電流最大，繼續增大pH，峰電流反而減小，實驗選擇pH=8.0的PBS用于PCM檢測。pH與峰電流線性方程為：Epa=-0.0689pH+0.845。方程斜率為0.0689 V/pH，接近Nernstian方程斜率0.0590 V/pH，表明電極在氧化還原過程中電子轉移數與質子相同。

圖4 (a) 不同pH(5.0至11.0)條件下BN-Au/GCE上50.0 μmol/L PCM的循環伏安圖;(b)氧化峰電位與pH值關系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修飾量對電化學響應的影響。如圖5所示，當修飾量為7 μL時峰電流最大，繼續增加電極BN修飾量峰電流降低。這是由于在電極表面修飾少量的BN納米材料時，BN良好的導電性促進了修飾電極對PCM的信號響應，而過量BN導致厚度過大反而會阻礙電子傳遞。因此，實驗選擇7 μL BN作為最佳的修飾量。

2.3.2 掃速優化圖6是掃速對電化學行為的影響。BN-Au/GCE在50 μmol/L PCM(0.1 mol/L，pH=8.0 PBS)中，以不同掃速(25、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275和300 mV/s)掃描。氧化峰電流與掃速的線性方程為：Ipa(A)=142v+0.435(R=0.998)，還原峰電流與掃速的關系為：Ipc(A)=-265v-10.1(R=0.981)，表明PCM在BN-Au/GCE表面的電化學過程受吸附控制。

圖6 (a)不同掃速下BN-Au/GCE上50 μmol/L PCM(PBS,pH=8.0)的循環伏安(CV)圖;(b) 峰值電流和掃速線性關系;(c) 掃速對數與峰值電勢關系圖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

陽極(Epa)和陰極(Epc)峰電位與掃速對數的線性方程為：Epa=0.0627logv+0.527和Epc=-0.0549logv+0.387(R=0.962和0.975)。根據Laviron模型[21]，計算出電子傳遞系數α和電子傳遞數n分別為0.533和2?？芍狿CM氧化過程中涉及的電子數和質子數相等，PCM在BN-Au/GCE上的電催化氧化是兩電子和兩質子過程。

2.4 不同濃度PCM在傳感器上的響應

在pH=8.0 PBS中，測量不同濃度的PCM在BN-Au/GCE上的電化學響應。如圖7所示，峰電流(Ipa)與PCM的濃度在0.01～50 μmol/L范圍內呈線性關系，回歸方程為:Ipa(μA)=0.0814c+2.66，Ipa(μA)=0.541c+2.35(0.01～1 μmol/L)，根據檢出限=3s/k(s為空白響應的標準差，k為線性方程斜率)計算檢出限為7.8 nmol/L。

圖7 (a)不同濃度PCM在BN-Au/GCE上于PBS(pH=8.0)中的差分脈沖伏安(DPV)圖(a-k：0、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40和50 μmol/L);(b)PCM濃度與峰電流關系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，將BN-Au/GCE傳感器檢測效果與其他文獻報道方法進行比較，本文中BN-Au/GCE表現出較寬的線性范圍及較低的檢出限。

表1 不同電極測定PCM對比

2.5 重現性、穩定性與抗干擾能力

平行制備5支BN-Au/GCE電極，并用于測定50 μmol/L PCM，響應電流相對標準偏差(RSD)為3.26%。用相同方法制備5支BN-Au/GCE電極，并放置在4 ℃的冰箱中保存一周，在50 μmol/L PCM溶液中檢測，峰電流仍能達到初始電流的90%，說明BN-Au/GCE具有良好的重現性與穩定性。在PBS中添加100倍PCM濃度的K+、Ca2+、Mg2+、Cl-，及50倍PCM濃度的葡萄糖、L-抗壞血酸、對氨基苯酚、對苯二酚、多巴胺和咖啡因等物質，發現共存物對PCM檢測結果幾乎沒有影響，該電化學傳感器表現出優異的抗干擾能力。

2.6 實際樣品檢測

將BN-Au/GCE修飾電極用于撲熱息痛藥劑樣品中PCM含量的定量檢測，平行實驗3次并將測定結果與氣相色譜-質譜法(GC-MS)測定結果對比。如表2所示，回收率為97.1%～108%，RSD為1.26%～2.49%(n=3)。綜上數據所示，BN-Au/GCE電極具有用于實際樣品中PCM的檢測能力。

表2 撲熱息痛藥劑中PCM測定結果(n=3)

3 結論

本文于BN表面電沉積Au NPs構建PCM電化學傳感器，并應用于撲熱息痛藥劑樣品中PCM的定量檢測。實驗采用“液相剪切法”合成尺寸分布均勻并具有良好水溶性和穩定性的BN納米材料。由于BN納米材料具有大的比表面積可負載足量PCM，而且Au NPs的加入顯著促進了電子轉移速率，保證電子能夠快速被襯底電極收集。此外，BN與Au NPs的協同作用也提高了傳感器的靈敏度。該研究拓展了六方BN在電化學領域的應用并可用于藥劑中PCM的測定。