納米介孔氧化硅對(duì)雌二醇的氧化增敏效應(yīng)及其電化學(xué)檢測(cè)研究

張小軍，王鳳冉，吳康兵

(華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1992年，Beck等首次報(bào)道了一類以硅鋁酸鹽為基質(zhì)的有序介孔氧化硅材料—M41S(the mobile composition material 41 series)[1].這種新材料一經(jīng)誕生，便引起了國(guó)際物理學(xué)、化學(xué)及材料學(xué)界的高度關(guān)注，并得到迅猛發(fā)展.介孔材料又稱介孔分子篩，是孔道介于2～50 nm之間的一類多孔材料.由于具備連續(xù)可調(diào)的納米孔道、穩(wěn)定且易于摻雜的骨架、大的比表面和易于修飾的內(nèi)表面等諸多優(yōu)異性能，介孔材料已在化學(xué)化工、能源與環(huán)境、生物技術(shù)等眾多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用[2～5].從電化學(xué)傳感檢測(cè)原理上分析，這些優(yōu)異性能預(yù)示著介孔材料將有可能成為一類新穎的敏感材料.Lin等[6]系統(tǒng)比較了介孔二氧化鈦和納米二氧化鈦的電化學(xué)傳感特性，研究結(jié)果表明介孔二氧化鈦由于具備特殊的納米孔道，因而其電化學(xué)響應(yīng)面積和電子交換速率更高，是一類比納米材料更加優(yōu)秀的電極敏感材料.目前，介孔材料已成功用于鉛、鎘、銅等重金屬離子[7]、硝基苯[8]、氯酚[9]、雙酚A[10]、腎上腺素[11]、尿酸[12]、兒茶酚[13]、黃嘌呤[14]和橘皮苷[15]等的電化學(xué)檢測(cè).

本文以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為定向模板，正硅酸四乙酯(TEOS)為硅源，在NaOH溶液中合成出納米介孔二氧化硅，然后與導(dǎo)電石墨混合均勻，制成修飾碳糊電極.利用K3[Fe(CN)6]電化學(xué)探針分子，比較了介孔二氧化硅修飾碳糊電極和裸碳糊電極的響應(yīng)表面積與電子交換速率常數(shù)，結(jié)果表明介孔二氧化硅修飾電極不僅響應(yīng)面積大，而且電子轉(zhuǎn)移更快.在此基礎(chǔ)上，以雌二醇為檢測(cè)對(duì)象，研究了介孔二氧化硅對(duì)雌二醇的電化學(xué)氧化增敏效應(yīng)，優(yōu)化了測(cè)試條件，建立了一種靈敏、快速簡(jiǎn)便的雌二醇電分析新方法.

圖1 介孔二氧化硅的掃描電鏡圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

雌二醇購自Sigma公司，溶于乙醇配制成1.0×10-2mol/L的標(biāo)準(zhǔn)液，于4℃下保存.十六烷基三甲基溴化銨、正硅酸四乙酯、光譜純石墨粉、石蠟油、K3[Fe(CN)6]、NaOH、抗壞血酸、苯酚、對(duì)硝基苯酚和對(duì)氨基苯酚從國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購買，多巴胺和尿酸從Sigma公司購買.

1.2 儀器

電化學(xué)測(cè)量在EC 550電化學(xué)工作站(武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)三電極工作系統(tǒng).工作電極為介孔二氧化硅修飾碳糊電極，參比電極為飽和甘汞電極，對(duì)電極為鉑絲.掃描電子顯微鏡照片(SEM)由Sirion 200電子顯微鏡拍攝(荷蘭FEI公司).

1.3 介孔二氧化硅的合成

介孔二氧化硅以CTAB為模板劑按文獻(xiàn)[16]報(bào)道的方法合成.25℃下，將適量CTAB完全溶解在NaOH溶液中，然后在攪拌情況下慢慢加入硅源(TEOS)，控制各物質(zhì)的摩爾比如下：1 SiO2/0.25 NaOH/0.1 CTAB/100 H2O.攪拌30 min后，所得溶膠在70℃下靜置24 h，然后抽濾，洗滌，并在80℃下干燥12 h.最后，將干燥后的粉末在550℃下焙燒6 h以去除模板分子CTAB，從而形成介孔結(jié)構(gòu).對(duì)合成出的介孔二氧化硅，利用掃描電鏡對(duì)其形貌進(jìn)行了表征，如圖1所示.從掃描電鏡照片可以清晰地看出，所制備的介孔二氧化硅顆粒均勻、直徑大約在30～40 nm.

1.4 介孔二氧化硅修飾碳糊電極的制備

準(zhǔn)確稱取0.15 g合成的介孔二氧化硅和0.85 g光譜純石墨粉于瑪瑙研缽中，然后加入0.3 mL石蠟油，研磨混合均勻，得到修飾碳糊.然后，將其壓入直徑為3 mm、深度為1 mm的碳糊電極空腔內(nèi).最后在光滑的稱量紙上磨平拋光即可.裸碳糊電極在不加介孔二氧化硅的情況下按相同方法制備.

1.5 分析程序

測(cè)定底液為0.1 mol/L、pH 6.5的磷酸鹽緩沖溶液，開路攪拌富集3 min之后靜置5 s，記錄0.10～0.70 V的微分脈沖伏安曲線，測(cè)量0.49 V處的氧化峰電流作為雌二醇的分析信號(hào).每次測(cè)量后，將碳糊從電極空腔內(nèi)掏出，依次用無水乙醇和二次水超聲清洗，然后按上述方法重新制備修飾電極，以獲得好的重現(xiàn)性.

2 結(jié)果與討論

2.1 介孔二氧化硅的電化學(xué)傳感特性研究

在1 mol/L的KCl溶液中，用循環(huán)伏安法研究了5×10-3mol/L的K3[Fe(CN)6]在碳糊電極(曲線a)和介孔二氧化硅修飾碳糊電極(曲線b)上的電化學(xué)行為，結(jié)果如圖2所示.在從0.60 V到-0.20 V的掃描區(qū)間內(nèi)，觀察到一對(duì)氧化還原峰.比較可知，在介孔二氧化硅修飾碳糊電極上，不僅氧化還原峰電流顯著增加，而且氧化還原峰電位之差明顯減小.由Randles-sevcik方程可知，電極的有效響應(yīng)面積與峰電流成正比，因此介孔二氧化硅顯著增加了碳糊電極的表面積，表現(xiàn)出明顯的表面增強(qiáng)效應(yīng).此外，根據(jù)Nicholson理論[17]，氧化還原峰電位之差變小意味著標(biāo)準(zhǔn)異相速率常數(shù)增加.毫無疑問，介孔二氧化硅修飾電極具有更高的電子交換速率常數(shù)，表現(xiàn)出明顯的加速電子轉(zhuǎn)移效應(yīng).從上述研究可以得出這樣一個(gè)結(jié)論，介孔二氧化硅是一種性能非常優(yōu)秀的電化學(xué)敏感材料.

2.2 雌二醇的電化學(xué)行為

圖3為雌二醇在碳糊電極(曲線a)和介孔二氧化硅修飾碳糊電極(曲線b)上的循環(huán)伏安曲線.從0.10 V到0.70 V的陽極化掃描過程中，在0.58 V出現(xiàn)一個(gè)氧化峰；反向掃描中，沒有觀察還原信號(hào)，這說明雌二醇的氧化是不可逆的.結(jié)合文獻(xiàn)[18]可知，此氧化信號(hào)是由雌二醇分子結(jié)構(gòu)上的羥基的氧化所引起的.比較曲線(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，雌二醇的氧化信號(hào)在介孔二氧化硅修飾電極上得到明顯提高，這說明介孔二氧化硅對(duì)雌二醇的氧化有顯著的增敏效應(yīng).介孔二氧化硅具備大的比表面和強(qiáng)的吸附能力，不僅會(huì)顯著增加雌二醇的響應(yīng)面積，而且會(huì)提高其電極表面濃度，無疑會(huì)導(dǎo)致雌二醇的氧化信號(hào)明顯增加.

圖2 K3[Fe( CN) 6]在碳糊電極(曲線a) 和介孔二氧化硅修飾碳糊電極(曲線b) 上的循環(huán)伏安曲線．掃速: 75 mV/s

用微分脈沖伏安法比較了低濃度雌二醇在pH 6.5的磷酸鹽溶液中，在兩種電極上的氧化響應(yīng)行為，結(jié)果如圖4所示.從0.10 V逐漸掃描到0.70 V時(shí)，雌二醇在碳糊電極上于0.49 V出現(xiàn)一個(gè)非常弱的氧化峰(曲線a).然而在介孔二氧化硅修飾碳糊電極上(曲線c)，雌二醇的氧化峰電流明顯增加，這歸結(jié)于介孔二氧化硅顯著的增敏效應(yīng).為方便比較，給出了介孔二氧化硅修飾碳糊電極的空白伏安曲線(曲線b)，沒有觀察到任何氧化峰，這說明曲線(c)中的氧化峰是由于雌二醇引起的.

圖4 1.0×10-6mol/L雌二醇在碳糊電極(曲線a)和介孔二氧化硅修飾碳糊電極(曲線c)上的微分脈沖伏安曲線，曲線(b)：介孔二氧化硅修飾碳糊電極的空白曲線.脈沖振幅：50 mV，脈沖時(shí)間：40 ms，掃速：40 mV/s，富集時(shí)間：3 min

圖5 pH值對(duì)雌二醇氧化峰電流的影響.(a)：碳糊電極，(b)：介孔二氧化硅修飾碳糊電極.掃速：100 mV/s

2.3 pH值的影響

用循環(huán)伏安法研究了1.0×10-5mol/L雌二醇在不同pH值的磷酸鹽緩沖溶液中的電化學(xué)氧化行為.圖5為pH值對(duì)雌二醇在碳糊電極(曲線a)和介孔二氧化硅修飾碳糊電極(曲線b)上氧化峰電流的影響情況.當(dāng)pH值從5.5逐漸增加到6.5時(shí)，雌二醇的氧化峰電流逐漸增加；繼續(xù)提高pH值到8.0時(shí)，雌二醇的氧化峰電流反而降低.這說明雌二醇在pH6.5時(shí)響應(yīng)活性最高，產(chǎn)生的氧化信號(hào)最強(qiáng).因此，選擇pH 6.5的磷酸鹽緩沖溶液作為測(cè)定的最佳介質(zhì).

2.4 介孔二氧化硅用量的影響

圖6顯示了介孔二氧化硅含量對(duì)雌二醇氧化峰電流的影響.當(dāng)其含量從0增加到15%時(shí)，雌二醇的氧化峰電流顯著最佳.這是因?yàn)殡S介孔二氧化硅含量的增加，電極的有效響應(yīng)面積和富集效率均增強(qiáng)，因而顯著提高雌二醇在電極表面的量，最終導(dǎo)致其氧化峰電流顯著增加.當(dāng)含量從15%增加到25%時(shí)，雌二醇的氧化峰電流反而下降，這可能是由于太多的介孔二氧化硅降低了修飾電極的導(dǎo)電性，不利于雌二醇的電子轉(zhuǎn)移.因此，介孔二氧化硅的含量選擇為15%.

2.5 富集時(shí)間的影響

進(jìn)一步考察了富集時(shí)間對(duì)雌二醇氧化峰電流的影響，結(jié)果如圖7所示.當(dāng)富集時(shí)間從0增加到3 min時(shí)，雌二醇的氧化峰電流線性增加，這是因?yàn)楦患@著提高了雌二醇在電極表面的量.當(dāng)富集時(shí)間從3 min繼續(xù)增加到5 min時(shí)，雌二醇的氧化峰電流增加緩慢，這說明電極表面雌二醇的濃度趨于飽和.因此，當(dāng)富集時(shí)間超過3 min后，雌二醇的測(cè)定靈敏度并不能得到顯著改善.綜合考慮靈敏度和分析時(shí)間，測(cè)定時(shí)富集時(shí)間為3 min.

圖6 介孔二氧化硅用量對(duì)雌二醇氧化峰電流的影響，其它條件同圖4

圖7 富集時(shí)間對(duì)雌二醇氧化峰電流的影響，其它條件同圖4

2.6 重現(xiàn)性、線性范圍和檢測(cè)限

由于雌二醇在介孔二氧化硅修飾電極的表面吸附強(qiáng)烈，因而實(shí)驗(yàn)中每支修飾電極只使用一次，每次測(cè)定后都重新制備新的修飾電極.考察了不同修飾碳糊電極之間的重現(xiàn)性，分別用10支修飾電極平行測(cè)定了1.0×10-6mol/L的雌二醇，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.9%，說明此方法有良好的重現(xiàn)性.

在優(yōu)化條件下，用微分脈沖伏安法評(píng)估了此新方法的線性范圍和檢測(cè)限.富集3 min后，雌二醇的氧化峰電流與其濃度在1.0×10-7～7.0×10-6mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為：ip=0.1247+1.885×106C(ip:μA，C:mol/L，線性系數(shù)為0.991).基于3倍信噪比， 雌二醇的檢測(cè)限為6.0×10-8mol/L.

研究了其它含酚羥基的化合物對(duì)雌二醇測(cè)定的干擾情況.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5.0×10-4mol/L的抗壞血酸，6.0×10-5mol/L的多巴胺，5.0×10-5mol/L的苯酚、對(duì)硝基苯酚和對(duì)氨基苯酚，3.0×10-5mol/L的尿酸幾乎不干擾雌二醇的測(cè)定(峰電流改變值低于5%).

2.7 注射液中雌二醇含量的測(cè)定

將此方法用于雌二醇注射液中雌二醇含量的測(cè)定.測(cè)定時(shí)，注射液樣品未經(jīng)任何處理，直接取25.0 μL樣品加入10.0 mL、pH 6.5的磷酸鹽緩沖溶液中，然后按分析程序測(cè)定.雌二醇的濃度由標(biāo)準(zhǔn)加入法獲得，并與標(biāo)示量很好地吻合，說明此方法具有很好的準(zhǔn)確性.

3 結(jié)論

本文以陽離子表面活性劑為模板，合成出顆粒大小在30～40 nm的介孔二氧化硅，并用于修飾碳糊電極.介孔二氧化硅不僅顯著提高碳糊電極的響應(yīng)面積，而且明顯加速其電子轉(zhuǎn)移.由于介孔二氧化硅具備高的比表面和強(qiáng)的吸附能力，對(duì)雌二醇的氧化表現(xiàn)出顯著的增敏效應(yīng)，明顯地提高雌二醇的氧化峰電流和測(cè)定靈敏度.

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