基于多壁碳納米管增敏的電化學(xué)傳感器檢測萘乙酸

杜科志，杜海軍，王世彬，張 艷，李玉美

（貴州民族大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，貴州 貴陽550025）

黃芪是中醫(yī)里最重要的補氣藥材之一，含有大量藥用成分和多種氨基酸［1］，對人體具有良好調(diào)養(yǎng)作用。為了提高黃芪產(chǎn)量，在種植中使用植物生長調(diào)節(jié)劑是主要的手段之一。萘乙酸（NAA）作為一種植物生長調(diào)節(jié)劑，能夠促進植物生根和細胞分裂［2］，被廣泛應(yīng)用于果蔬和中藥材的種植中［3－4］。劉建霞等［5］研究發(fā)現(xiàn)萘乙酸在黃芪種植中，能夠緩解鹽脅迫作用，增加黃芪的環(huán)境適應(yīng)能力，對于提高土壤鹽漬化嚴重地區(qū)黃芪產(chǎn)量提供了一種新的方法。但萘乙酸的過度使用易導(dǎo)致藥材中殘留物超標，不僅影響中藥材的品質(zhì)，而且對人體健康存在潛在威脅［6］。目前，對于中藥材中萘乙酸的檢測主要有氣相色譜法［7－8］、液相色譜法［9－10］、電化學(xué)法［11－13］。其中電化學(xué)法因樣品前處理簡單，檢測快速，儀器輕便以及適合現(xiàn)場快速分析，而受到研究者的廣泛關(guān)注。

多壁碳納米管（MWCNTs）是一種具有高比表面積的新型導(dǎo)電碳納米材料［14］，在電子信息、能源和傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于范德華力與π－π共同作用容易引起納米材料團聚，導(dǎo)致MWCNTs分散性差［15］。十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為一種常見的表面活性劑，將其加入到碳納米管中，不僅能夠提高其分散性［16］，防止材料團聚，還能提高電極靈敏度［17］。因此，將其應(yīng)用到電化學(xué)傳感領(lǐng)域值得研究。本文將MWCNTs和SDBS制成復(fù)合物，然后將其修飾至玻碳電極表面構(gòu)建高靈敏度的電化學(xué)傳感器，對萘乙酸進行電化學(xué)分析，并利用差分脈沖伏安法實現(xiàn)了黃芪中萘乙酸的快速電化學(xué)檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

蔡司SIGMA 500掃描電鏡（德國卡爾蔡司公司）；CHI660E型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），工作電極為玻碳電極（GCE），輔助電極為鉑電極，參比電極為Ag/AgCl電極（3 mol/L KCl）；pHS－3C型酸度計（上海雷磁儀器廠）；KQ－3200DB型數(shù)控超聲波清洗器（鄭州豫華儀器制造有限公司）。

多壁碳納米管（≥95%）、萘乙酸（分析純）購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；SDBS（98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氯化鈉（98%，天津市優(yōu)譜化學(xué)試劑有限公司）；濃硫酸、無水乙醇（分析純，重慶川東化工有限公司）；硫酸鈉（分析純，江蘇強盛功能化學(xué)股份有限公司）；實驗用水均為超純水；黃芪（云南帥潤科技有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 電極預(yù)處理與活化將玻碳電極（GCE）在拋光絨布上依次用0.3、0.05 μm Al2O3粉末打磨至鏡面。用水沖洗后，依次在無水乙醇、硝酸溶液（1：1，體積比）和水中超聲清洗3 min。利用循環(huán)伏安法在5 mmol/L鐵氰化鉀溶液中檢驗電極可以使用后，用水沖洗后烘干待用。

將電極置于0.5 mol/L硫酸溶液中靜置5 min，在電位區(qū)間為－0.2～2 V，掃描速度為0.05 V/s的條件下循環(huán)伏安掃描20圈，用水沖洗后烘干待用。

1.2.2 SDBS－MWCNTs修飾電極的構(gòu)建取4 mg MWCNTs和1 mg SDBS于2 mL水中，超聲分散1.5 h得到SDBS－MWCNTs復(fù)合物。取5 μL SDBS－MWCNTs復(fù)合物滴涂于GCE表面，自然風(fēng)干。將制備好的SDBS－MWCNTs/GCE置于pH 6.0的PBS溶液中，利用循環(huán)伏安法在掃描速度為0.1 V/s，電位區(qū)間為0.6～1.3 V條件下掃描至圖像穩(wěn)定后，烘干待用。

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

1.2.3 黃芪中萘乙酸的提取參考文獻的一步超聲提取方法并稍作改進［18］：30 g干燥黃芪粉碎，過100目篩后，取5 g黃芪粉和2 g NaCl于10 mL水中浸泡3 h，加入20 mL乙醇，超聲提取40 min，加入適量無水硫酸鈉靜置1 h，離心后取上層清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至1 mL，溶于5 mL無水乙醇溶液中，待測。

1.2.4 電化學(xué)測量利用循環(huán)伏安法對50 μmol/L NAA進行電化學(xué)行為探究和實驗條件的選擇（電位區(qū)間為：0.6～1.3 V，掃描速度為0.1 V/s）；利用線性掃描伏安法探究了掃描速度的影響（電位區(qū)間為：0.6～1.3 V，掃描速度區(qū)間為：0.02～0.4 V/s）；利用差分脈沖伏安法對NAA進行檢測，且探究了該電極的穩(wěn)定性和抗干擾能力（電位區(qū)間0.6～1.3 V，電位增量0.004 V，振幅0.05 V，脈沖寬度0.05 s）。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米管的結(jié)構(gòu)表征

為了解SDBS與MWCNTs的復(fù)合程度，使用掃描電鏡觀察了MWCNTs和SDBS－MWCNTs材料的表面形貌。從圖1A中可以看出，MWCNTs材料中有明顯的管狀結(jié)構(gòu)，其特殊結(jié)構(gòu)能增加電極的有效面積。圖1B為加入SDBS后MWCNTs的表面形貌，依舊有較為明顯的管狀結(jié)構(gòu)，可見SDBS的加入并未破壞MWCNTs的本身結(jié)構(gòu)［15］，且其包覆在MWCNTs周圍，可使MWCNTs更好地分散在溶劑中［19］，進一步將MWCNTs修飾至電極表面可提高檢測靈敏度。

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

2.2 NAA的電化學(xué)行為

為了探究NAA在不同修飾電極上的電化學(xué)行為，分別使用GCE、MWCNTs/GCE和SDBS－MWCNTs/GCE對50 μmol/L NAA進行循環(huán)伏安掃描。實驗結(jié)果如圖2所示，在3種電極上均出現(xiàn)了單一的陽極氧化峰。由于無修飾材料，GCE的測試結(jié)果（曲線1）表明，NAA僅出現(xiàn)一較弱的陽極氧化峰，其峰電位為1.065 V，峰電流為0.795 3 μA。MWCNTs/GCE的測試結(jié)果（曲線2）表明，NAA的峰電位（1.028 V）負移，峰電流（7.506 μA）明顯增強，說明MWCNTs對NAA有一定的電催化活性。利用SDBS－MWCNTs/GCE探究NAA的電化學(xué)行為（曲線3），顯示NAA的峰電位（1.029 V）無明顯變化，但峰電流（18.42 μA）進一步增強，這是由于SDBS的加入提高了MWCNTs的分散度，增大了電極的有效面積，有效提高了電子傳輸效率，增加了玻碳電極檢測的靈敏度。

圖2 GCE、MWCNTs/GCE和SDBS－MWCNTs/GCE在50 μmol/L NAA中的循環(huán)伏安圖（CV）Fig.2 CV curves of GCE，MWCNTs/GCE and SDBS－MWCNTs/GCE

2.3 實驗條件的優(yōu)化

2.3.1 SDBS濃度的影響為了考察SDBS濃度對電化學(xué)檢測的影響，在MWCNTs溶液中分別加入質(zhì)量濃度為0.125、0.25、0.375、0.50、0.65、0.75 mg/mL的SDBS用于制備SDBS－MWCNTs/GCE，將修飾電極置于含有50 μmol/L NAA的PBS溶液中，利用循環(huán)伏安法考察了SDBS濃度對SDBS－MWCNTs/GCE電化學(xué)信號強度的影響。實驗結(jié)果如圖3所示，隨著SDBS質(zhì)量濃度的增加，該修飾電極的檢測靈敏度不斷增強，這是由于SDBS的加入提高了多壁碳納米管的分散程度，增大了電極的有效面積。但當SDBS質(zhì)量濃度增大到一定程度后，峰電流值無明顯增強。因此，SDBS質(zhì)量濃度以0.5 mg/mL為最佳。

圖3 SDBS濃度對NAA氧化峰電流的影響Fig.3 Effect of SDBS concentration on oxidation peak current of NAA

2.3.2 滴涂量的影響滴涂量的選擇也會影響傳感器的檢測效果。本實驗將固定濃度的SDBS－MWCNTs修飾材料滴涂在玻碳電極表面，考察了滴涂量在3～8 μL范圍內(nèi)NAA在修飾電極上的峰電流響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)隨著滴涂量的增大，峰電流強度先增強后下降。這是由于隨著SDBS－MWCNTs滴涂量的增加，電極的比表面積增大，提高了電極檢測靈敏度，但滴涂在電極表面的材料過多時，則減少了電極活性點位與目標物的接觸，從而使得峰電流不斷下降［20］。本實驗選擇最佳滴涂量為5 μL。

2.3.3 pH值的影響為了考察pH值對修飾電極測量NAA電化學(xué)信號的影響，在pH 2.0～11.0范圍內(nèi)，利用SDBS－MWCNTs/GCE對50 μmol/L NAA進行循環(huán)伏安掃描。結(jié)果表明在pH 2.0～6.0范圍內(nèi)，隨著pH值的增加，峰電位負移，表明有質(zhì)子參與NAA在SDBS－MWCNTs/GCE表面的反應(yīng)。在pH 6.0～11.0范圍內(nèi)，峰電位變化不明顯。如圖4所示，在pH為4.5～6.5范圍內(nèi)，Epa與pH值呈良好的線性關(guān)系，線性擬合方程為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為質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)），m/n≈1，可見NAA在電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)和質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)相等。在pH 4.5～6.5范圍內(nèi)，峰電流則隨著pH值的增大呈先增大后減小趨勢。因此，本研究選擇最佳pH值為6.0。

圖4 pH值對NAA氧化峰電流的影響Fig.4 Effect of pH value on oxidation peak current of NAA

2.4 掃描速度的影響

為了考察掃描速度（v）對NAA檢測的影響，在pH 6.0的PBS緩沖溶液中，分別以不同掃描速度（0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 V/s）對50 μmol/L NAA進行線性伏安掃描，結(jié)果如圖5所示。隨著掃描速度的增加，背景電流增大，峰形逐漸變窄，峰電位正移，氧化峰電流（Ipa）不斷增強。圖5插圖中Ipa與v呈良好線性關(guān)系，線性擬合方程為Ipa=96.91v+3.41（r2=0.993），表 明NAA在SDBS－MWCNTs修飾電極上的氧化反應(yīng)受吸附控制［12］。

圖5 掃描速度的影響Fig.5 Effect of scan speed

由于反應(yīng)受吸附控制，根據(jù)峰電流吸附方程［21］：Ip=n2f2vAГ0*/4RT=nFQv/4RT。式中，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，Q為氧化峰面積，R為氣體摩爾常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度?？汕蟮迷撾姌O反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=1.85≈2。由“2.3.3”中得到電子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)移數(shù)相同，因此，判斷NAA在電極表面發(fā)生了2個質(zhì)子和2個電子參與的電化學(xué)氧化反應(yīng)。

2.5 線性范圍與檢出限

為了更好地實現(xiàn)對NAA低濃度檢測，采用修飾電極分別利用循環(huán)伏安法、線性掃描伏安法和差分脈沖伏安法（DPV）對低濃度NAA進行測定。發(fā)現(xiàn)當NAA處于較低濃度時，DPV法能夠得到較為靈敏的氧化峰峰形。因此，本實驗在最優(yōu)條件下，利用DPV法考察了不同濃度（0.4、1、3、5、7、9、15、20、25、30、35、40、45 μmol/L）NAA的氧化峰電流響應(yīng)情況。從圖6可以看出，隨著NAA濃度的增加，氧化峰電流增大，且峰電流與NAA濃度在0.4～45 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為Ipa=0.103c+0.114（r2=0.991），檢出限（S/N=3）為0.07 μmol/L。

圖6 SDBS－MWCNTs/GCE對不同濃度NAA的差分脈沖伏安圖Fig.6 DPV curves of SDBS－MWCNTs/GCE in different concentrations of NAA

將本方法與其他NAA傳感器進行比較（如表1），相較于其他NAA傳感器，本方法具有更低的檢出限，且制備方法簡單，更適于實現(xiàn)NAA的現(xiàn)場快速檢測。

表1 不同NAA電化學(xué)傳感器的比較Table 1 Comparison of different NAA electrochemical sensors

2.6 穩(wěn)定性、重現(xiàn)性與選擇性

在pH 6.0的PBS緩沖溶液中對50 μmol/L NAA使用同1根SDBS－MWCNTs/GCE進行重復(fù)檢測，測量次數(shù)達7次時峰電流的相對標準偏差（RSD）為1.3%。將該電極置于5℃冰箱中密封保存1周后，用同樣的方法測得氧化峰電流響應(yīng)值下降5.7%，測量7次的RSD為1.3%。說明該電極具有較好的穩(wěn)定性。同時制備5根SDBS－MWCNTs/GCE電極對50 μmol/L NAA進行檢測，其氧化峰電流的RSD為9.9%，表明該電極的重現(xiàn)性良好。

控制相對測量誤差在5%以內(nèi)，利用DPV法探究了常見干擾物對SDBS－MWCNTs/GCE檢測NAA的影響。實驗結(jié)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，以及常見的植物生長調(diào)節(jié)劑如吲哚乙酸、吲哚丁酸、2，4-D、激動素均不干擾測定。表明所制備的SDBS－MWCNTs/GCE具有較強的抗干擾能力。

2.7 黃芪中萘乙酸的檢測

利用“1.2.3”方法提取黃芪中的殘留物，通過DPV法進行測量，未發(fā)現(xiàn)NAA殘留物的存在。采用GB/T 37500－2019中的高效液相色譜法［22］驗證上述結(jié)果，樣品同樣未檢出NAA。采用標準加入法進行加標回收率實驗，利用SDBS－MWCNTs/GCE傳感器對加標量分別為5、15、30 μmol/L的NAA進行測定，測得回收率為97.8%～102%，RSD小于5.0%（見表2），表明該傳感器可用于實際樣品的檢測。

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

3 結(jié)論

本研究利用SDBS和MWCNTs制成復(fù)合物修飾玻碳電極，對萘乙酸進行了電化學(xué)分析。并利用DPV法對黃芪中的萘乙酸進行檢測，效果良好。該傳感器的制備方法簡單，成本較低，且具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，有望應(yīng)用于中藥材現(xiàn)場的快速檢測。