申貴雋， 華 欣， 裴紅穎

(大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連 116622)

鹽酸克倫特羅(Clenbuterol Hydrochloride，CLB)，化學(xué)名稱(chēng)為4-氨基-α-(叔丁胺甲基)3,5-二氯苯甲醇鹽酸鹽，俗稱(chēng)瘦肉精。CLB具有較強(qiáng)的藥理學(xué)活性，臨床上經(jīng)常用來(lái)治療慢性阻塞性肺疾，亦被作為緩和氣喘急性發(fā)作時(shí)的支氣管擴(kuò)張劑用藥。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)Cyanamid公司意外發(fā)現(xiàn)其有明顯的促進(jìn)生長(zhǎng)、提高瘦肉率及減少脂肪的效果，于是被畜牧業(yè)作為瘦肉精使用。但由于CLB的毒副作用，國(guó)際奧委會(huì)將其列為禁用藥物。

半導(dǎo)體粒子近年來(lái)在各領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，受到了極大關(guān)注。各種納米氧化物，例如Fe3O4[1 - 3]、CuO[4]、MnO2[5]、CdO[6]被應(yīng)用于修飾電極以提高分析的選擇性和靈敏度。其中ZnO具有良好的生物相容性、化學(xué)與光化學(xué)穩(wěn)定性、電化學(xué)活性等許多優(yōu)越的性質(zhì)，且易于制備而倍受關(guān)注。ZnO修飾電極的應(yīng)用已有多篇報(bào)道[7 - 10]。本文研究了納米ZnO與多壁碳納米管(MWNTs)共同修飾玻碳電極(ZnO -MWNTs/GCE)的制備，并考察了CLB在該修飾電極上的直接電化學(xué)行為。納米ZnO與MWNTs修飾電極的優(yōu)勢(shì)，源于納米ZnO與碳納米管分散均勻，羧基化的碳納米管表面帶有親水性的羧基和羥基，能與ZnO的氧原子結(jié)合成氫鍵，碳納米管的強(qiáng)物理吸附能力使納米ZnO也能同時(shí)吸附在GCE上，納米ZnO增大了電催化面積，從而提高了CLB檢測(cè)的靈敏度和修飾電極的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

CHI600C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)，三電極系統(tǒng)：裸玻碳電極(GCE)或修飾電極為工作電極，Ag/AgCl(3 mol·L-1)電極為參比電極，鉑絲為對(duì)電極(上海辰華儀器公司)；QT-2060型數(shù)控超聲波清洗器(天津市瑞普電子儀器公司)；普?？芇4-036型筆式酸度計(jì)(樂(lè)清大倉(cāng)電子有限公司)。

多壁碳納米管(MWNTs)(純度>95%，Φ=8～15 nm，中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所)；鹽酸克倫特羅(CLB)標(biāo)準(zhǔn)品(北京上立方聯(lián)合化工技術(shù)研究院)。其它所有試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 修飾電極的制備

1.2.1GCE預(yù)處理將GCE在金相砂紙(3 000#)上打磨，然后在麂皮墊上依次用1.0、0.3和0.05μm的Al2O3粉末拋光后，用二次蒸餾水、HNO3(1+1)、無(wú)水乙醇和二次蒸餾水依次超聲清洗3 min。將清洗后的GCE置于0.5 mol·L-1的H2SO4中，以50 mV·s-1掃描速度，在-0.5～+1.4 V電位范圍循環(huán)掃描20圈活化。取出電極后用二次蒸餾水沖洗干凈后，保存在二次蒸餾水中，備用。

1.2.2納米ZnO的制備超聲條件下將37 mg Zn(CH3COO)2·2H2O和100 mg聚乙二醇加入15 mL二次蒸餾水，50 ℃下，將8 mL 0.04 mmol·L-1Li(OH)2·H2O水溶液緩慢滴加到上述混合液中，滴加完成后恒溫超聲10 min，離心分離得到沉淀，用二次蒸餾水超聲離心洗滌數(shù)次，70 ℃真空干燥后，置于瓷坩堝中放入箱式電阻爐，經(jīng)過(guò)300 ℃熱處理加工2 h，取出冷卻至室溫即可得到納米ZnO。

1.2.3ZnO-MWNTs/GCE的制備采用V(HNO3)∶V(HCl)=1∶3回流12 h的方法將MWNTs羧基化，然后用0.01 mol·L-1的NaOH溶液洗至pH為近中性時(shí)止，離心后干燥。分別稱(chēng)取上述1 mg的納米ZnO和2 mg預(yù)處理過(guò)的MWNTs于10 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超聲分散30 min，最后得到穩(wěn)定的分散液。用微量移液器取6μL該混合分散液，滴涂在預(yù)處理過(guò)的GCE上，在紅外燈下烘干，即制得ZnO -MWNTs/GCE[11]。

2 結(jié)果與討論

圖1 5.0×10-5 mol·L-1 CLB在裸GCE(a)和ZnO -MWNTs/GCE(b、c)上的循環(huán)伏安曲線(xiàn)

2.1 CLB在ZnO -MWNTs/GCE上的電化學(xué)行為

圖1為裸GCE(曲線(xiàn)a)和ZnO -MWNTs/GCE(曲線(xiàn)b、c)在含5.0×10-5mol·L-1CLB的pH=7.6的B-R緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)。由曲線(xiàn)b和c可見(jiàn)，當(dāng)掃描電位范圍為0～1.2 V時(shí)，CLB先在0.8 V附近出現(xiàn)一氧化峰(1)，繼而在1.1 V附近出現(xiàn)一峰型較鈍的氧化峰(2)，然后在0.1 V處出現(xiàn)還原峰(3)，第二圈掃描即在0.3 V處首先出現(xiàn)一氧化峰(4)，與峰(3)成對(duì)出現(xiàn)，并且隨著掃描圈數(shù)的增加，這一對(duì)氧化還原峰電流不斷增大。當(dāng)設(shè)置電位掃描范圍為0～0.6 V時(shí)，則無(wú)氧化還原峰出現(xiàn)。這說(shuō)明氧化峰(1)與(2)是單分子CLB發(fā)生氧化反應(yīng)形成的，氧化還原峰(3)和(4)是CLB氧化后所產(chǎn)生的二聚物形成的峰。由此可證明CLB在ZnO -MWNTs/GCE上的反應(yīng)為準(zhǔn)可逆過(guò)程。曲線(xiàn)a只在1.0 V處出現(xiàn)不太明顯的氧化峰，這表明ZnO -MWNTs對(duì)CLB具有顯著的電催化作用。

圖2 (A)裸GCE(a)和ZnO -MWNTs/GCE(b)在5.0×10-4 mol·L-1 K3[Fe(CN)6]中的Q -t曲線(xiàn)；(B)A圖的Q -t1/2曲線(xiàn)

為了考察修飾電極的有效表面積，本研究用計(jì)時(shí)庫(kù)侖法分別對(duì)裸GCE和ZnO -MWNTs/GCE在5.0×10-4mol·L-1K3[Fe(CN)6]中做計(jì)時(shí)庫(kù)侖曲線(xiàn)(圖2)。根據(jù)Anson公式[12]：Q=2nFAc(Dt)1/2/π1/2+Qdl+Qads。式中A為工作電極的有效表面積，c是電解質(zhì)的濃度，n為電子傳遞數(shù)，D是電解質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。已知K3[Fe(CN)6]的n和D分別為1和7.6×10-6cm2·s-1，Qdl為雙電層電量，Qads是法拉第電荷，R為氣體常數(shù)8.314 J·K-1·mol-1，F(xiàn)為法拉第常數(shù)96485 C·mol-1。

根據(jù)圖2(B)中Q-t1/2線(xiàn)性關(guān)系的斜率，即可計(jì)算得到裸GCE與ZnO -MWNTs/GCE的有效表面積分別為0.1039 cm2和0.2405 cm2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證了納米ZnO與MWNTs增大了GCE的微觀(guān)表面積。

2.2 緩沖溶液與pH值的選擇

分別以B-R、HAc-NaAc、KNO3、NaCl、Na2HPO4-NaH2PO4為支持電解質(zhì)，研究它們對(duì)修飾電極的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在B-R緩沖溶液中，ZnO-MWNTs/GCE具有良好的電化學(xué)行為，故實(shí)驗(yàn)選擇B-R緩沖溶液為支持電解質(zhì)。實(shí)驗(yàn)考察了CLB在不同pH的B-R緩沖溶液中的伏安行為，如圖3所示。pH值增加，氧化峰電位負(fù)移。pH小于5.0時(shí)，峰(1)電位較高且?guī)缀醪蛔?，說(shuō)明該步反應(yīng)無(wú)質(zhì)子參與，且沒(méi)有出現(xiàn)峰2。當(dāng)pH大于5.0時(shí)，峰(1)電位滿(mǎn)足方程：Ep=-0.0568pH+1.29(R2=0.9952)，斜率為-0.0568 V·pH-1較接近理論值-0.059 V·pH-1，表明電子轉(zhuǎn)移數(shù)與質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)之比為1∶1。當(dāng)pH越接近12時(shí)，低電位的氧化還原峰對(duì)(峰3和4)的峰電流越來(lái)越小，直至沒(méi)有出現(xiàn)這一對(duì)峰。pH為11.8時(shí)，只在較高電位上出現(xiàn)兩個(gè)氧化峰(峰1和2)，即CLB只發(fā)生了氧化，沒(méi)有生成其二聚物。由圖4可以看出，當(dāng)pH為7.6時(shí)，峰電流最大，因此實(shí)驗(yàn)選擇pH=7.6的B-R緩沖溶液。

圖3 5.0×10-5 mol·L-1 CLB在ZnO -MWNTs/GCE上不同pH下的循環(huán)伏安圖

圖4 5.0×10-5 mol·L-1 CLB在ZnO -MWNTs/GCE上不同pH與峰電流和峰電位的關(guān)系曲線(xiàn)

2.3 工作曲線(xiàn)、檢出限、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，采用循環(huán)伏安法對(duì)2～500μmol·L-1的CLB進(jìn)行了分析測(cè)定。循環(huán)伏安氧化峰電流與CLB濃度的對(duì)數(shù)呈兩段線(xiàn)性關(guān)系，分別是：2～30μmol·L-1和30～500μmol·L-1，檢測(cè)限(S/N=3)為7.0×10-7mol·L-1。線(xiàn)性方程分別為：Ip(μA) = 5.344lgcCLB(μmol·L-1)-0.2383，R2= 0.9864(2～30μmol·L-1)；Ip(μA) = 22.86lgcCLB(μmol·L-1)-26.32，R2= 0.9873(30～500μmol·L-1)。

用ZnO -MWNTs/GCE對(duì)5.0×10-5mol·L-1CLB溶液連續(xù)測(cè)定10次，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.2%，表明該修飾電極有較好的重現(xiàn)性。ZnO -MWNTs/GCE在室溫下露置30 d，對(duì)CLB測(cè)定的響應(yīng)電流降低為原來(lái)的76%，說(shuō)明該電極具有較好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)修飾電極在每次測(cè)試后由于在電極表明吸附了CLB或其二聚物，對(duì)空白溶液測(cè)試時(shí)有明顯的氧化峰(峰4)，從而干擾下一次測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若將每次測(cè)試后的電極浸泡在0.1 mol·L-1HClO4中一段時(shí)間后，即可使吸附在電極表面的CLB或其二聚物產(chǎn)生的氧化電流降低。二聚物的氧化電流隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，本實(shí)驗(yàn)選擇浸泡8 min，則已達(dá)到更新電極的要求，可進(jìn)行下一次檢測(cè)。

2.4 常見(jiàn)干擾物質(zhì)的影響

在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，以常見(jiàn)的無(wú)機(jī)離子等共存物進(jìn)行干擾試驗(yàn)。結(jié)果表明，測(cè)定1.0×10-4mol·L-1CLB，500倍的Zn2+、K+、Na+,200倍的Mg2+、 Cu2+、 葡萄糖、淀粉均不產(chǎn)生干擾(允許測(cè)量誤差±10%)。因此，該修飾電極對(duì)CLB具有較好的選擇性。

2.5 樣品分析

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對(duì)豬尿樣品進(jìn)行了測(cè)定。將沒(méi)有飼喂過(guò)CLB的健康仔豬尿樣品進(jìn)行離心和過(guò)濾，加入不同量的CLB標(biāo)準(zhǔn)品，用pH=7.6的B-R緩沖溶液稀釋到所需濃度，在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件下，用ZnO -MWNTs/GCE對(duì)溶液中的CLB進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表1所示。測(cè)定結(jié)果的RSD和回收率的平均值分別為2.5%和97.9%。

表1 鹽酸克倫特羅樣品測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文研究了CLB在ZnO -MWNTs/GCE上的電化學(xué)行為。ZnO與MWNTs增大了微觀(guān)表面積，且使修飾電極對(duì)CLB具有良好的電催化性能，能夠提高CLB檢測(cè)的靈敏度。ZnO -MWNTs/GCE對(duì)CLB選擇性好、靈敏度高，且重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好。