黃樂(lè)舒， 陳泇冰， 魯猷欒， 鄭 寅*, 石 震

(1.風(fēng)濕性疾病發(fā)生與干擾湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北民族大學(xué)，湖北恩施 445000; 2.湖北民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北恩施 445000)

對(duì)乙酰氨基酚(AC)和鹽酸多巴胺(DA)是一類(lèi)具有相似結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的氮芳香族化合物，由于它們具有良好的生物活性而被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥行業(yè)，但是在微量過(guò)量的情況下會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生神經(jīng)系統(tǒng)疾病、胰腺疾病和肝腎疾病[1 - 6]。因此，尋找一種高靈敏度、高選擇性、簡(jiǎn)便和可靠的分析方法對(duì)實(shí)現(xiàn)AC和DA同時(shí)檢測(cè)在藥物分析領(lǐng)域尤為重要。目前，主要的分析方法有高效液相色譜法、分光光度法、熒光法和電化學(xué)分析法。其中，電化學(xué)分析法由于其快速、操作簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)點(diǎn)成為了該方向的研究熱點(diǎn)[7 - 10]。

金屬有機(jī)骨架(MOFs)材料是一種由金屬離子和有機(jī)配體，通過(guò)配位鍵結(jié)合形成的多孔材料，由于其具有較大的比表面積、豐富的孔道結(jié)構(gòu)以及可調(diào)控的孔徑結(jié)構(gòu)，使其在藥物轉(zhuǎn)運(yùn)、催化、氣體吸收、Li+電池、超級(jí)電容器等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用價(jià)值[11 - 15]。MOFs材料的多孔、高比表面積和多活性位點(diǎn)等特點(diǎn)尤為適合作為電極修飾材料用于電化學(xué)分析領(lǐng)域，但是由于其導(dǎo)電性較差而限制了其應(yīng)用，有較多的研究主要通過(guò)MOFs與石墨烯、碳納米管和導(dǎo)電聚合物等導(dǎo)電性?xún)?yōu)異的材料復(fù)合來(lái)提高其導(dǎo)電性[16 - 19]，然而MOFs在導(dǎo)電材料中的分散性較差，從而影響了其電子傳輸能力，因此，如何有效的改善MOFs材料的導(dǎo)電性能并將其用于電化學(xué)分析領(lǐng)域已成為亟待解決的問(wèn)題。相比于MOFs與導(dǎo)電材料復(fù)合的方法，以MOFs材料自身為模板，通過(guò)熱解法制備的衍生材料不僅可以提高材料的導(dǎo)電性，還可以保留MOFs本身的多孔結(jié)構(gòu)和比表面積。

本文以水熱法合成的MOFs-Fe為前驅(qū)物，通過(guò)熱解法制備金屬有機(jī)骨架衍生多孔碳材料(MPPC)，構(gòu)建了一種金屬有機(jī)骨架衍生物多孔碳修飾玻碳電極(MPPC/GCE)，并研究AC和DA在該修飾電極上的電化學(xué)行為，采用差分脈沖伏安法(DPV)建立測(cè)定AC和DA濃度的方法。在已有的報(bào)道中尚未見(jiàn)到MPPC/GCE修飾電極同時(shí)測(cè)定AC和DA。本文提出的電化學(xué)傳感器具有方法簡(jiǎn)單、快速、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，所制備的MPPC/GCE具有較好的抗干擾性和穩(wěn)定性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI-660e電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；JSM-6510LV高低真空掃描式電子顯微鏡(日本，日本電子株式會(huì)社)；Shimadzu XRD -7000(日本，日本島津)；EscaLab 250Xi X射線光電子能譜(XPS)儀(美國(guó)，賽默飛世爾科技公司)；Quantachrome Autosorb iQ全自動(dòng)氣體吸附儀(美國(guó)，Quantachrome儀器公司)；LabRAM HR800拉曼光譜儀(法國(guó)，Horiba Jobin-Yion公司)；KH2200E型超聲波清洗器(昆山市禾創(chuàng)超聲儀器有限公司)。

均苯三甲酸(BTC)、FeCl3·6H2O、無(wú)水乙醇、對(duì)乙酰氨基酚(AC)、鹽酸多巴胺(DA)、N,N -二甲基甲酰胺、葡萄糖、檸檬酸、抗壞血酸和鳥(niǎo)嘌呤，均購(gòu)自上海阿拉丁生化科技有限公司；磷酸鹽緩沖溶液(PBS)：以0.1 mol/L的KH2PO4和0.1 mol/L的Na2HPO4按不同比例配制。實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

MOFs-Fe的合成參考文獻(xiàn)報(bào)道的方法[20]。主要制備過(guò)程為：取4.05 g FeCl3·6H2O，加入75 mL超純水，放置于水熱反應(yīng)釜內(nèi)膽中，再加入2.1 g BTC，將反應(yīng)釜置于150 ℃下反應(yīng)24 h，冷卻至室溫，多次洗滌至上清液澄清并過(guò)濾，然后將其置于80 ℃干燥箱中干燥，即得MOFs-Fe。

將MOFs-Fe置于氮?dú)夥諊碌墓苁綘t中熱解，以10 ℃/min升溫至700 ℃，并保溫5 h，冷卻至室溫后取出，得到黑色粉末狀產(chǎn)物。取0.04 g MPPC于10 mL燒杯中，用10 mL的DMF將其分散，超聲1 h。將玻碳電極(GCE)在麂皮上用Al2O3粉末拋光成鏡面，打磨3 min，超純水沖洗電極表面，分別置于HNO3(1∶1)、無(wú)水乙醇和超純水各超聲3 min，在氮?dú)饬飨麓蹈?，用移液槍? μL滴涂在打磨拋光過(guò)的GCE表面，將修飾后的電極干燥，修飾電極記為MPPC/GCE。

所有的電化學(xué)檢測(cè)都是在室溫下用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系進(jìn)行的：GCE或MPPC/GCE作為工作電極，甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為輔助電極。循環(huán)伏安(CV)和差分脈沖伏安(DPV)測(cè)量主要被用于AC和DA的電化學(xué)測(cè)定，電位間隔為-0.1～0.7 V，掃描速度為100 mV/s。

圖1 不同溫度下MPPC的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM images of MPPC at different temperatures

2 結(jié)果與討論

2.1 MPPC的掃描電鏡、X-射線光電子能譜、X射線衍射和拉曼光譜表征

通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)MPPC的形貌進(jìn)行表征。如圖1所示，所有熱解產(chǎn)物的原始構(gòu)架結(jié)構(gòu)均得到了一定程度的保留。圖1A為500 ℃熱解產(chǎn)物，從圖中可以看出MOFs-Fe仍然保留了本身的立方體型結(jié)構(gòu)，且分散均勻。圖1B為600 ℃熱解產(chǎn)物，可見(jiàn)部分立方體型已轉(zhuǎn)變成不規(guī)則形狀，且可觀察到部分收縮及孔道結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。圖1C為700 ℃下熱解產(chǎn)物MPPC，可觀察到大量的孔道及熱解產(chǎn)物的堆疊，其單一粒徑明顯低于原始結(jié)構(gòu)，這表明骨架的塌陷程度更高，形成的活性位點(diǎn)更多，可明顯提高電化學(xué)活性及傳感器的靈敏度。

使用XPS對(duì)MPPC的元素組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。圖2A表明MPPC中含有C、O、Fe元素，圖2B為高分辨率C 1s軌道XPS譜圖，結(jié)合能為284.9、286.5 eV，其分別對(duì)應(yīng)于C-C 及C-O結(jié)合。

圖2 MPPC的X射線光電子能譜(XPS)(A)和C 1s高分辨率圖譜(B)Fig.2 XPS spectra(A) and high-resolution XPS spectra(B) of C 1s for the MPPC

圖3為MPPC的廣角XRD圖，其顯示了MPPC的晶像情況。如圖所示，除了在2θ=26°左右出現(xiàn)的無(wú)定型碳的(002)晶面之外，在2θ為44°和64°出現(xiàn)了較為尖銳的峰，對(duì)應(yīng)于石墨的(101)和(202)晶面。這表明，在熱解過(guò)程中，不僅形成了部分無(wú)定型碳，同時(shí)還形成了部分石墨碳，證實(shí)了高溫下的石墨化過(guò)程。

圖4為不同溫度下產(chǎn)物的拉曼光譜圖。3個(gè)樣品的圖譜均在1 350 cm-1(D band)和1 580 cm-1(G band) 存在吸收峰。D帶常與C的無(wú)序結(jié)構(gòu)及形成的缺陷有關(guān)，而G帶則與Sp2雜化的碳原子的空間振動(dòng)有關(guān)，常用來(lái)反映其石墨化的結(jié)晶度；因此，ID/IG的值常被用來(lái)表明其石墨化程度及形成的缺陷程度。500 ℃下拉曼光譜ID/IG為0.79，600 ℃下拉曼光譜ID/IG為0.86，而700 ℃的ID/IG值為1.08。表明MPPC在碳化過(guò)程中造成的缺陷更多，能形成更多的活性位點(diǎn)，更有利于電子傳輸及提供更多的電化學(xué)活性。這和前述的分析結(jié)果相一致。

圖3 MPPC的X射線衍射(XRD)圖譜Fig.3 XRD pattern of MPPC

圖4 MPPC的拉曼光譜圖Fig.4 Raman spectra of MPPC

圖5為MPPC的N2吸附-脫附曲線圖及孔徑分布分析圖。如圖所示，在相對(duì)壓強(qiáng)0～0.4時(shí)吸附曲線與脫附曲線相重合，這表明MPPC含有介孔，孔徑分布曲線中，在4.1 nm處出現(xiàn)一個(gè)尖銳的峰，表明材料中主要含有介孔，其BET表面積為214.353 m2/g，總孔容積為1.844 cc/g。這主要?dú)w因于材料中的介孔，同時(shí)巨大的比表面積及孔道會(huì)對(duì)DA和AC的吸附提供更多的活性位點(diǎn)。

圖5 MPPC的氮?dú)馕?脫附圖(A)及孔徑分布曲線(B)Fig.5 N2 adsorption and desorption isoterm(A) and the distribution of pore size(B) for MPPC

2.2 修飾電極的電化學(xué)表征(EIS)

圖6為GCE、MPPC/GCE在5 mmol/L Fe[(CN)6]3-/4-存在下的0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖。結(jié)果顯示，不同電極的阻抗順序?yàn)椋篏CE>MPPC/GCE。這可能是由于熱解MOFs產(chǎn)生的多孔碳使得界面導(dǎo)電性能提升，增加了電子傳輸速率，增強(qiáng)了電化學(xué)傳感器的靈敏度。

2.3 AC和DA在修飾電極上的電化學(xué)行為

圖7為在20 μmol/L AC和30 μmol/L DA的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，不同電極的循環(huán)伏安圖。如圖所示，MPPC/GCE修飾電極的AC和DA氧化還原峰分離度較好，可觀察到明顯的氧化還原峰，而AC和DA在GCE上的峰電流較小且觀察不明顯，說(shuō)明該修飾電極對(duì)AC和DA有較好的響應(yīng)效果。這主要取決于修飾材料的導(dǎo)電性和較多的活性位點(diǎn)，增加了待測(cè)物AC和DA與電極表面的電子傳輸速率，提高了電化學(xué)活性。

圖6 不同電極在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-存在下的0.1 mol/L KCl溶液中的Nyquist圖Fig.6 Nyquist plot obtained for 5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4- in 0.1 mol/L KCl over a frequency range from 105 to 10-2 Hz

2.4 MPPC材料濃度及用量的影響

實(shí)驗(yàn)考察了分散在DMF中的MPPC濃度為1、2、3、4、5 mg/mL的20 μmol/L AC和30 μmol/L DA存在下的氧化峰電流。在濃度為1～4 mg/mL時(shí)，響應(yīng)峰電流值隨濃度增加而增加；在濃度為4～5 mg/mL時(shí)，響應(yīng)峰電流值隨濃度增加而降低。這表明AC和DA在該電化學(xué)傳感器上的電化學(xué)活性隨濃度增加而增加，這主要是由于材料的高導(dǎo)電率及較大的活性位點(diǎn)，而在4 mg/mL基礎(chǔ)上繼續(xù)增加濃度則會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)信號(hào)的降低，原因可能是因?yàn)闈舛忍髸?huì)使電極表面過(guò)于致密而使其活性反而降低，影響AC和DA與電極表面的電子傳遞，使峰電流強(qiáng)度降低。因此MPPC分散液的濃度選用為4 mg/mL。

圖8 20 μmol/L AC和30 μmol/L DA在不同pH值的差分脈沖伏安(DPV)圖Fig.8 Different pulse voltammograms current response of 20 μmol/L AC and 30 μmol/LDA at different pH values

采用4 mg/mL濃度的分散液研究不同滴涂量對(duì)其響應(yīng)效果的影響。2.5、5.0、7.5、10.0 μL分別被滴涂于GCE上以制備電化學(xué)傳感器，考察MPPC用量對(duì)響應(yīng)電流的影響。在滴涂量為5.0 μL時(shí)其氧化峰電流值最大。其主要原因是由于滴涂量為5.0 μL時(shí)能較為完整的將電極芯覆蓋，且AC和DA的響應(yīng)峰電流值最大，而當(dāng)?shù)瓮苛窟M(jìn)一步增加時(shí)，其濃度會(huì)造成電極修飾層較厚，不利于電子傳輸且背景電流較大。因此，最佳滴涂量選用5.0 μL。

2.5 pH值對(duì)AC和DA檢測(cè)的影響

研究了pH值對(duì)AC和DA檢測(cè)的影響。圖8為加入20 μmol/L AC和30 μmol/L DA，分別在pH為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5的PBS中的DPV圖。如圖所示，當(dāng)pH值從5.5變化到7.0時(shí)，AC和DA的峰電流值不斷增加，且在pH=7.0時(shí)峰電流達(dá)到最大；當(dāng)pH值從7.0變化到8.5時(shí)，AC和DA的峰電流值呈降低趨勢(shì)。因此，以pH=7.0的0.1 mol/L的PBS作為底液。

2.6 掃描速率的影響

圖9 20 μmol/L AC和30 μmol/L DA在不同掃描速率的循環(huán)伏安圖(A)及峰電流與掃速線性模擬圖(B)Fig.9 Cyclic voltammograms of 20 μmol/L AC and 30 μmol/L DA at different scan rates(A) and linear simulation of peak current and sweep speed(B)

2.7 富集時(shí)間和電位的影響

由于AC和DA在電極上的反應(yīng)主要受吸附過(guò)程控制，在不同富集時(shí)間和富集電位的條件下研究了富集時(shí)間和富集電位對(duì)峰電流的影響。隨富集時(shí)間的延長(zhǎng)，峰電流先增大后逐漸趨于穩(wěn)定，富集時(shí)間大于100 s后峰電流逐漸趨于平緩，說(shuō)明100 s時(shí)MPPC/GCE對(duì)AC和DA的吸附已達(dá)到飽和，故選取100 s作為最佳富集時(shí)間。在電位-0.1～0.7 V條件下，選擇不同富集電位進(jìn)行DPV掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AC和DA在0 V時(shí)電流值最大，因此選用0 V作為最佳富集電位。

2.8 線性范圍和檢出限

采用DPV法在MPPC/GCE上測(cè)定固定AC濃度為20 μmol/L時(shí)，DA濃度為0、11、13、15、16、17、18、19 μmol/L的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。掃描電位從-0.1～0.7 V，結(jié)果如圖10(A)所示,DA的峰值電流隨濃度在11～19 μmol/L的范圍內(nèi)線性增加。由圖10(B)可知，線性擬合方程為：ipa=1.743c-8.478(R2=0.990)，靈敏度為24.56 A·(mol/L)-1·cm-2，檢出限為0.039 μmol/L。

圖10 固定AC濃度為20 μmol/L時(shí)DPV法對(duì)不同濃度的DA測(cè)試曲線(A)及DA的濃度與電流值的曲線圖(B)Fig.10 DPV for different concentrations of DA test curves (A) and DA concentrations and current values curve at a fixed AC concentration of 20 μmol/L

采用DPV法在MPPC/GCE上測(cè)定固定DA濃度為20 μmol/L時(shí)，AC濃度為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 μmol/L的標(biāo)準(zhǔn)曲線。掃描電位從-0.1～0.7 V，結(jié)果顯示，AC的峰電流值隨濃度在0.5～3.5 μmol/L的范圍內(nèi)呈線性增加，其線性擬合方程為：ipa=8.167c-3.351(R2=0.997)，靈敏度為115.03 A·(mol/L)-1·cm-2，檢出限為0.004 μmol/L。

與其他不同修飾電極對(duì)AC和DA檢測(cè)性能的比較見(jiàn)表1，可以看出MPPC/GCE修飾電極具有更低的檢出限。

表1 不同修飾電極對(duì)AC和DA檢測(cè)的性能比較Table 1 Comparison of analytical performance of reported electrodes with the proposed electrode for simultaneous determination of AC and DA

2.9 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及干擾物的影響

在優(yōu)化條件下，以MPPC/GCE為工作電極，對(duì)20 μmol/L AC和30 μmol/L DA在pH=7.0的PBS中檢測(cè)，用DPV法測(cè)量其電流變化。將電化學(xué)傳感器MPPC/GCE放置10 d以后，其響應(yīng)電流分別為初始電流的97.2%和90.93%，結(jié)果表明電極具有較好的重現(xiàn)性。電化學(xué)傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試為同一根MPPC修飾后的電極在含有20 μmol/L AC和30 μmol/L DA的0.1 mol/L PBS中重復(fù)掃描10次，AC的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.07%，DA的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.06%。表明該電化學(xué)傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

在最佳條件下，探討了共存物質(zhì)對(duì)AC和DA同時(shí)測(cè)定的影響。抗壞血酸、鳥(niǎo)嘌呤、檸檬酸和葡萄糖被用來(lái)作為干擾物加入到AC和DA的溶液中，運(yùn)用DPV法進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，在20 μmol/L AC和30 μmol/L DA存在下，50倍的抗壞血酸、鳥(niǎo)嘌呤，100倍的檸檬酸和葡萄糖溶液，100倍的苯酚、對(duì)苯二酚、鄰苯二酚、間苯二酚，20倍的L-谷氨酸、L-半胱氨酸幾乎不會(huì)對(duì)AC和DA的檢測(cè)產(chǎn)生影響(氧化峰電流改變<5%)。表明MPPC/GCE具有一定的抗干擾能力。

2.10 實(shí)際樣品檢測(cè)

使用自來(lái)水水樣進(jìn)行回收實(shí)驗(yàn)，考察了加標(biāo)實(shí)驗(yàn)中MPPC/GCE修飾電極對(duì)AC和CA的檢測(cè)結(jié)果。結(jié)果如表2所示，回收率在96.5%～101.6%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在2.6%～3.4%之間。實(shí)驗(yàn)表明，本實(shí)驗(yàn)制備的MPPC/GCE電化學(xué)傳感器可用于實(shí)際水樣中的電化學(xué)檢測(cè)。

表2 自來(lái)水樣中AC和DA的回收率測(cè)試Table 2 Recovery tests for AC and DA in tap water samples

3 結(jié)論

本文以MOF-Fe為前驅(qū)物，通過(guò)熱解法制備了一種MPPC，并將其修飾到GCE上，構(gòu)建了一種同時(shí)測(cè)定AC和DA的電化學(xué)傳感器，對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行了優(yōu)化研究，所制備的MPPC/GCE具有較好的抗干擾能力及穩(wěn)定性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。