杜耕安

摘 要 基于羧基化多壁碳納米管修飾的玻碳電極（CMWCNTs/GCE），構(gòu)建了一種靈敏檢測(cè)氨基脲（SEM）的電化學(xué)傳感器。采用傅里葉變換紅外光譜、透射電子顯微鏡、電化學(xué)阻抗譜對(duì)修飾材料進(jìn)行表征。結(jié)果表明，羧基化的多壁碳納米管出現(xiàn)羧基碳氧雙鍵的紅外特征峰，管徑明顯減小，長(zhǎng)度變短，電化學(xué)阻抗值顯著減小。在 1 mol/L HAcNaAc緩沖液中，利用循環(huán)伏安法和時(shí)間電流曲線(xiàn)研究了SEM在CMWCNTs修飾電極上的電化學(xué)行為。SEM在修飾電極上呈現(xiàn)不可逆的氧化峰。與裸電極相比，氧化峰電流明顯增大。在最佳實(shí)驗(yàn)條件 （pH 7.0，掃描速度為 0.1 V/s） 下，測(cè)得SEM在5.00×10mol/L （S/N=3）。在實(shí)際豬肝樣品檢測(cè)中加標(biāo)回收率為92.8%～98.0%。

1 引 言

氨基脲（Semiicarbazide，SEM），又名氨基甲酰肼，化學(xué)式為CH5N3O。作為呋喃西林（Nitrofurazone，NF）的標(biāo)志性代謝物，SEM可與動(dòng)物體內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，在體內(nèi)殘留很長(zhǎng)的時(shí)間，不但常被作為呋喃西林污染的標(biāo)志，其具有的致癌和增強(qiáng)組胺毒性等生化毒性也受到越來(lái)越多的重視[1，2]。許多國(guó)家均禁止其用于養(yǎng)殖，并先后制定了相應(yīng)的殘留限量對(duì)食品進(jìn)行嚴(yán)格的殘留監(jiān)控[3，4]。我國(guó)也制訂了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一些食品中的限量為0.5 μg/kg[5]，但因其廉價(jià)高效等特點(diǎn)，在動(dòng)物源性食品中的殘留超標(biāo)情況仍然時(shí)有發(fā)生[6，7]，因此，建立一種快速、高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法具有重要意義。

目前，硝基呋喃類(lèi)藥物及其代謝產(chǎn)物的檢測(cè)主要采用紫外分光光度法、高效液相色譜法（HPLC）[8，9]、高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法（LCMSMS）[10～12]和免疫分析法[13，14]。其中，高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法因具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但其成本較高、儀器昂貴、操作過(guò)程繁瑣、耗時(shí)也較長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)快速、高效檢測(cè)的要求，不利于實(shí)際檢測(cè)中的推廣應(yīng)用[15，16]。

電化學(xué)方法因具有響應(yīng)快速、使用方便、儀器簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適于現(xiàn)場(chǎng)分析檢測(cè)，并在食品中重金屬、抗生素、農(nóng)藥等檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[17，18]。利用電化學(xué)方法檢測(cè)SEM的報(bào)道較少，Jin等[19]制備了SEM的單克隆抗體，基于L半胱氨酸自組裝技術(shù)和納米金吸附作用相結(jié)合的方法固定SEM抗體實(shí)現(xiàn)了對(duì)SEM的間接檢測(cè)，檢測(cè)限較低，但處理過(guò)程復(fù)雜。Zhang等[20]研究了SEM在石墨烯修飾電極上的伏安響應(yīng)，檢測(cè)范圍為4.0×10 mol/L。He等[21]在石墨烯片層上原位合成Fe3O4納米顆粒，構(gòu)建了一種靈敏檢測(cè)SEM的電化學(xué)傳感器，線(xiàn)性范圍為1.0×10mol/L。這兩種方法都實(shí)現(xiàn)了對(duì)SEM的直接測(cè)定，但靈敏度有待提高。多壁碳納米管（MWCNTs）由于其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電化學(xué)性能，被廣泛用于電化學(xué)檢測(cè)的研究[22～24]。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用羧基化修飾的方式提高其分散性，但尚沒(méi)有將羧基化多壁碳納米管用于SEM檢測(cè)的報(bào)道。

本研究將多壁碳納米管經(jīng)混合強(qiáng)酸氧化處理后，在碳納米管表面及兩端引入含氧基團(tuán)和表面空穴，有效改善了分散性，并為電化學(xué)反應(yīng)提供更多反應(yīng)位點(diǎn)，有效增強(qiáng)了電極電化學(xué)性能。以羧基化的多壁碳納米管（CMWCNTs）修飾玻碳電極（CMWCNTs/GCE），研究了SEM在此修飾電極上的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，CMWCNTs/GCE對(duì)SEM的氧化具有良好的電催化效應(yīng)，用于實(shí)際樣品中SEM的檢測(cè)，效果良好。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

CHI660E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）或者修飾電極為工作電極，鉑絲為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極； SB3200DT型超聲波清洗機(jī)（寧波新芝生物科技有限公司）； AR124CN型分析天平（奧豪斯儀器（上海）有限公司）。鹽酸氨基脲（SEM·HCl，分析純，賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司）； 多壁碳納米管（MWCNTs，北京博宇高科新材料技術(shù)有限公司）； N，N二甲基甲酰胺（DMF，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）； 其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 羧基化多壁碳納米管的制備 采用混酸液相氧化法[25]對(duì)MWCNTs進(jìn)行處理。在80 mL濃HNO3濃H2SO4（1∶3，V/V）混酸溶液中，加入1.0 g MWCNTs，超聲振蕩24 h進(jìn)行氧化，直至溶液呈均一黑色懸浮液。過(guò)0.02 μm 聚碳酸酯濾膜后，用水沖洗沉淀，直至濾液呈中性。將經(jīng)過(guò)處理的MWCNTs進(jìn)行真空干燥（100℃，4 h），得到CMWCNTs。

2.2.2 修飾電極的制備 玻碳電極用金相砂紙打磨，然后依次在麂皮上用1.0、0.3和0.05 μm的Al2O3拋光粉拋光成鏡面，用丙酮溶液和水超聲清洗干凈。移取2 μL 0.01 g/mL CMWCNTs DMF懸液，滴加到GCE表面，紅外燈下干燥，即得到CMWCNTs/GCE。

2.2.3 電化學(xué)檢測(cè) 循環(huán)伏安法測(cè)量在1mol/L的HAcNaAc緩沖液中進(jìn)行，電位掃描范圍為1.0 V，掃速為 0.1 V/s。（含0.1 mol/L KCl）溶液中進(jìn)行，頻率范圍為0.1～100 kHz，振幅為5 mV。電流時(shí)間曲線(xiàn)在pH 7.0的溶液中進(jìn)行。

2.2.4 實(shí)際樣品制備 將適量新鮮豬肝（購(gòu)于本地超市）絞碎，稱(chēng)取1.0 g樣品于離心管中，加入5 mL甲醇水溶液（1∶1，V/V），勻漿1 min，10000 r/min離心5 min，棄去上清液。沉淀中加入2 mL 0.2mol/L HCl，同時(shí)加入SEM標(biāo)準(zhǔn)溶液，使終濃度分別為0.2、0.4 和0.6 μmol/L。渦旋振蕩1 min，置于37℃恒溫箱中反應(yīng)16 h。用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)至pH 7.0，加入2 mL乙酸乙酯，振蕩10 min后，10000 r/min離心10 min，收集乙酸乙酯層，并定容至2 mL，待測(cè)。endprint

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外光譜（FTIR）表征

MWCNTs和CMWCNTs粉末的紅外光譜圖如圖1所示。CMWCNTs在1711.02 cm處出現(xiàn)羧基碳氧雙鍵的特征峰，與文獻(xiàn)[23]報(bào)道一致，說(shuō)明MWCNTs在用混酸處理后，表面引入了羧基基團(tuán)，能夠改善MWCNTs的分散性和溶解性。

3.2 透射電鏡（TEM）表征

MWCNTs和CMWCNTs的透射電鏡如圖2所示，與MWCNTs相比，CMWCNTs的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的變化，如管徑明顯減小、長(zhǎng)度變短、頂端出現(xiàn)開(kāi)口等，此結(jié)果與文獻(xiàn)[26]報(bào)道一致。CMWCNTs較MWCNTs具有更大的比表面積，能夠提供更多的反應(yīng)位點(diǎn)。

3.3 交流阻抗（EIS）分析

交流阻抗法是表征電極表面修飾狀態(tài)、研究電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的常用手段。圖3中電化學(xué)阻抗曲線(xiàn)在高頻區(qū)出現(xiàn)的圓弧，其半圓直徑相當(dāng)于電極的電子傳遞電阻（Rct）。裸GCE的Rct≈200 Ω（曲線(xiàn)a），曲線(xiàn)b為MWCNTs/GCE的交流阻抗圖，

電極上修飾MWCNTs后， GCE的Rct≈100 Ω，顯著減小。與MWCNTs/GCE和裸GCE相比，CMWCNTs/GCE的阻抗值降為約50 Ω（曲線(xiàn)c），說(shuō)明CMWCNTs提供了更多的反應(yīng)位點(diǎn)，促進(jìn)電極表面的電子傳遞，具有更高的電催化性能和更好的電子傳遞性能。

3.4 對(duì)SEM的電化學(xué)響應(yīng)

裸GCE、MWCNTs/GCE和CMWCNTs/GCE在0.01 mol/L SEM溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。如圖4所示，裸GCE在不含SEM的空白樣溶液中，未出現(xiàn)氧化峰（曲線(xiàn)a）； 在 0.01 mol/L SEM溶液中，在0.730 V左右出現(xiàn)SEM不可逆氧化峰（曲線(xiàn)b），與文獻(xiàn)[17]報(bào)道一致。與裸 GCE相比，MWCNTs/GCE（曲線(xiàn)c）的氧化峰電流升高，但電位發(fā)生正移，說(shuō)明MWCNTs的催化效果并不明顯； 而CMWCNTs/GCE（曲線(xiàn)d）的氧化峰電流與裸GCE相比增加約45%，并且電位負(fù)移0.12 V，表明GCE經(jīng)過(guò)CMWCNTs修飾后，電催化效率升高。以上結(jié)果與紅外光譜、透射電鏡、交流阻抗譜表征結(jié)果一致。

3.5 pH值優(yōu)化考察pH值對(duì)循環(huán)伏安響應(yīng)的影響。從圖5a可見(jiàn)，在pH 3.0～7.0范圍內(nèi)，SEM的氧化峰電流隨pH值升高而增大； 當(dāng)pH=7.0時(shí)，氧化峰電流達(dá)到最大值。這可能是因?yàn)楫?dāng)pH較低或較高時(shí)，影響了溶液中SEM質(zhì)子化的程度。因此選擇pH=7.0為最佳值。從圖5b可見(jiàn)，峰電位隨著pH值增大而發(fā)生負(fù)移，說(shuō)明質(zhì)子參加了SEM的電化學(xué)氧化反應(yīng)，在pH 3.0～7.0范圍內(nèi)，峰電位于pH值呈線(xiàn)性變化關(guān)系，斜率為E/pH=

3.6 掃描速度的影響

考察了溶液pH=7.0時(shí)，掃描速度對(duì)測(cè)定1.0×102 mol/L SEM的影響。在20～160 mV/s的范圍內(nèi)，氧化峰電流與掃描速度的平方根呈線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性方程為IP（A）=2.78×10相關(guān)系數(shù)r=0.975，表明SEM在CMWCNTs/GCE表面上的反應(yīng)主要受擴(kuò)散控制影響。隨著掃描速度增大，氧化峰電位不斷正移，且與掃速的自然對(duì)數(shù)在20～160 mV/s范圍內(nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系，其線(xiàn)性方程為

圖4 不同電極在 0.01 mol/L SEM在1 mol/L NaAcHAc （pH 6.0）溶液中的循環(huán)伏安圖，掃速： 0.1 V/s. a： 空白對(duì)照； b： 裸GCE； c： MWCNTs/GCE； d： CMWCNTs/GCE

Fig.4 Cyclic voltammograms of different electrodes in 1 mol/L NaAcHAc （pH 6.0） containing 0.01 mol/L semiicarbazide （SEM）， scan rate： 50 mV/s； a，blank control； b： bare GCE； c： MWCNTs/GCE； d： CMWCNTs/GCE

圖5 0.01 mol/L SEM在不同pH下的循環(huán)伏安響應(yīng)中峰電流與峰電位的變化（pH依次為： 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10）， 掃速為0.1 V/s； a，氧化峰電流的變化； b，峰電位的變化

Fig.5 Variation of peak current and potential of cyclic voltammetry response for 0.01 mol/L SEM at different pH value （pH： 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10） . scan rate is 0.1 V/s. a， variation of peak current； b， variation of peak potential

圖6 不同濃度SEM的電流時(shí)間圖，每隔30 s加入，工作電位0.55 V； 插圖為SEM濃度與峰電流的線(xiàn)性關(guān)系圖. pH=7

Fig.6 Typical amperometric signals obtained at different concentrations of SEM at pH 7.0. Addition interval is 30 s， working potential is 0.55 V. Inset is linear relationship between SEM concentration and peak current

EP（V）=0.660+0.062lnv（V/s），相關(guān)系數(shù)為r=0.992。根據(jù)Tafel方程，對(duì)擴(kuò)散控制的不可逆過(guò)程，該直線(xiàn)斜率與RT/（1α）nF相等，假定α=0.5（對(duì)于不可逆反應(yīng)， α=0.5[27]），計(jì)算求得n=0.828，轉(zhuǎn)移電子數(shù)取整數(shù)n=1，表明SEM在該電極上的反應(yīng)是單電子過(guò)程。

3.7 方法的分析性能

采用電流時(shí)間曲線(xiàn)法，在最優(yōu)條件下，測(cè)定不同濃度SEM對(duì)CMWCNTs/GCE電極的響應(yīng)，如圖6所示，氧化峰電流隨SEM濃度的增加而增大，在5.00×10 mol/L（S/N=3）。與其它檢測(cè)SEM的方法相比較，本方法的檢測(cè)范圍較寬，且檢出限低（表1），表明CMWCNTs/GCE的靈敏度和電催化活性相對(duì)較高。

3.8 共存物的影響分析

采用循環(huán)伏安法對(duì)0.01 mol/L SEM溶液進(jìn)行了測(cè)定，分別考察了100倍的葡萄糖、蔗糖等有機(jī)物和150倍的MgSO4、KCl、NH4Cl、CaCl2、NaCl等無(wú)機(jī)物對(duì)電流響應(yīng)信號(hào)的影響。結(jié)果表明，在用修飾電極CMWCNTs/GCE檢測(cè)SEM時(shí)，以上物質(zhì)共存時(shí)的響應(yīng)信號(hào)的偏差均小于5%，即對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著影響，表明CMWCNTs/GCE測(cè)定SEM時(shí)具有較好的抗干擾能力。

3.9 實(shí)際樣品分析

基于三電極工作系統(tǒng)，以CMWCNTs/GCE對(duì)豬肝實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)。如表2所示，豬肝樣品中未檢出SEM，3個(gè)水平的加標(biāo)回收率為92.8%～98.0%，表明本方法具有良好的實(shí)用性。

4 結(jié) 論

本研究制備了CMWCNTs/GCE修飾電極，建立了檢測(cè)SEM 的電化學(xué)方法。結(jié)果表明： CMWCNTs較大的比表面積和優(yōu)越的導(dǎo)電性能，可有效地促進(jìn)SEM與電極之間的電子傳遞，具有較高的催化效應(yīng)和靈敏度，在實(shí)際樣品的分析中得到了滿(mǎn)意的結(jié)果，具有良好的應(yīng)用前景。endprint