Carbon Nano-fragments and Nickel Glass Carbon Electrode for the Electrochemical Detection of Nifedipine
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摘要: 通过溶胶-凝胶热还原法制备碳纳米碎片-镍(CNF-Ni)复合材料，用于玻碳电极的修饰，构建硝苯地平电化学传感器(CNF-Ni/GCE)。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、红外光谱和电化学技术研究CNF-Ni/GCE电极的形貌和催化特性。结果表明：CNF-Ni/GCE修饰电极对硝苯地平具有良好的催化性能。在优化实验条件的基础上，利用差分脉冲伏安技术测定，硝苯地平浓度在4~160 μmol/L范围内与其氧化峰电流呈良好的线性关系，检出限为2 μmol/L。该方法可用于实际药品中硝苯地平的检测。
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关键词:
- 碳纳米碎片-镍复合材料 /
- 溶胶凝胶-还原法 /
- 电化学检测 /
- 硝苯地平
Abstract: Carbon nano-fragments-nickel (CNF-Ni) composites were synthesized by sol-gel thermal reduction method for the modification of glassy carbon electrodes and applied in the electrochemical sensor construction of nifedipine. The morphology and catalytic characteristic of CNF-Ni/GCE electrode were studied employing field emission scanning electron microscope, X-ray diffraction, fourier infrared spectrometer, and electrochemical technology. The results indicated that CNF-Ni/GCE electrode exhibited favourable electrocatalytic performance for nifedipine determination. Under the optimal conditions, using differential pulse voltammetry (DPV), the linear relationship between anode peak current and nifedipine concentrations was obtained from 4 to 160 μmol/L, and the detection limits was 2 μmol/L. The proposed method was employed to determine nifedipine in the actual drug detection. -
硝苯地平(nifedipine)是一种具有电催化活性的芳香族化合物，有2个电催化氧化还原中心，即硝基官能团(易被还原)和二氢吡啶官能团(易被氧化)，已广泛应用于心血管疾病的治疗(如高血压和心绞痛[1])。然而，高剂量的硝苯地平具有一定的毒性，会导致心跳加快、恶心、呕吐等不良反应。因此，其浓度的测定对于疾病诊断与相关药物的质量检测具有着重大意义。近年来，多种色谱分析法[2]和光谱分析法[3]被用于硝苯地平的定量检测。然而，上述检测方法存在耗时长、实验过程繁琐等缺点。与传统方法相比，电化学分析检测技术因其具有灵敏度高、响应快、成本低、预处理样品少及选择性好等优点而被广泛应用于生物环境和药品检测等领域[4]。
碳材料具有各种形态、结构和结晶度，作为修饰材料被广泛应用于电催化领域[5-9]。基于碳材料特殊的电化学性能，研究人员制备了各种功能化改性材料并用于修饰玻碳电极(Glass Carbon Electrode，GCE)，构建了灵敏的硝苯地平传感器。例如，MOKHTARI等[9]制备了多壁碳纳米管(MWCNT)修饰玻碳电极用于硝苯地平及其主要代谢物脱氢硝苯地平的同时检测，在0.1~100 μmol/L线性范围内，检出限分别为17 nmol/L和15 nmol/L，该传感器也被应用于实际样品中硝苯地平和脱氢硝苯地平的同时测定[9]。将功能性材料和碳材料相结合，可有效提升碳材料的电催化活性。纳米金属功能材料具有大的比表面积、强的反应活性和导电性而被广泛应用于电催化领域。例如SHANG等[10]以1-(3-氨基丙基)-3-甲基咪唑溴化剂为还原剂和功能化剂，制备了功能化离子液体石墨烯纳米带，并通过静电作用将空心PdAg合金纳米粒子组装在复合材料上，合成的GRs-IL-hPdAg材料对硝苯地平具有良好的电催化性能，在10~4 000 nmol/L线性范围内，检出限为4 nmol/L。与贵金属Ag、Pd或Pt相比，Ni作为修饰材料成本低且具有相近的催化活性。例如YU等[11]采用离子注入法将纳米镍修饰在ITO电极上，构建了胰岛素传感器，该电极具有高的电催化活性和灵敏度、低的检测限、宽的动态范围、良好的稳定性以及对胰岛素检测的快速响应等特性，已被成功应用于胰岛素浓度的测定。DAS等[12]利用石榴作为中间体，制备了Ni/Ag@rGO复合材料修饰电极并用于抗坏血酸的检测，Ni/Ag@rGO电极具有大的电化学活性面积，在4.89~90.09 μmol/L浓度范围内，检出限达0.16 μmol/L。然而，镍基修饰电极在硝苯地平方面的研究较少。
本研究探索了不同结构的新型类石墨烯碳纳米碎片(Carbon Nano-Fragments, CNFs)，发现其具有与石墨烯类似的性质，不同之处在于形貌的不完整性，成功实现了葡萄糖[6]、芦丁[7]、多巴胺和尿酸[8]以及苯二酚同分异构体[13-16]的电化学检测。为了进一步研究CNFs的催化性能，我们期望将镍基化合物与CNFs复合，并用于检测硝苯地平在复合材料修饰电极上的电催化行为。
本研究以氧化石墨为前驱体，通过溶胶凝胶-热还原法制备了CNF-Ni/GCE修饰电极，构建了硝苯地平传感器。该修饰电极对硝苯地平具有良好的电催化效果，用于实际药品中硝苯地平的检测时，具有一定的选择性和重现性。
1. 实验部分
1.1 仪器与试剂
天然石墨由大连丽昌新材料股份有限公司提供。硝苯地平购于阿拉丁工业公司。六水合硝酸镍购于天津大茂化学试剂厂。其他化学试剂均为常用试剂，所有溶液均用二次蒸馏水配置。缓冲溶液(PBS，pH=6.8、0.1 mol/L)由磷酸二氢钠溶液(NaH2PO4 ·2H2O)和磷酸氢二钠(Na2HPO4)组成。
循环伏安法(Cyclic Voltammetry，CV)和差分脉冲伏安法(Differential Pulse Voltammetry，DPV)在CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器公司)上测试。在电化学测试过程中，以玻碳电极(GCE)和修饰电极作为工作电极，饱和甘汞电极(Saturated Calomel Electrode，SCE，电极内为饱和KCl溶液)和铂丝(Pt)分别作为参比电极和辅助电极。通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，ZEISS Ultra 55，德国)和傅里叶变换红外光谱仪(TENSOR27，德国布鲁克)对CNF材料形貌和组成进行表证。样品的晶体结构和物相组成采用X射线衍射仪(XRD，Bruker AXS，德国布鲁克)检测。所有电化学实验均在室温下进行。
1.2 CNF-Ni/GCE修饰电极的制备
CNF-Ni复合材料的制备：以天然石墨为碳源，采用改进的Hummers法[17]合成氧化石墨悬浊液。将1 mmol Ni(NO3)2 ·6H2O加入到100 mL氧化石墨悬浊液中，搅拌4 h。向上述溶液中加入6 g尿素，利用溶胶-凝胶法在80 ℃下搅拌至胶状，烘干。最后，在N2氛围中1 100 ℃温度下进行1 h的热还原，所得样品记为CNF-Ni。
CNF-Ni/GCE修饰电极的制备：在修饰玻碳电极之前，在金相砂纸上用0.05 μm粒径的氧化铝粉末打磨玻碳电极至呈现镜面光滑，用超纯水进行超声清洗。随后，取5 μL CNF-Ni溶液滴至玻碳电极(GCE)表面，用红外灯烘干，得到CNF-Ni修饰的玻碳电极(CNF-Ni/GCE)，可观察到玻碳电极表面出现一层均匀的黑色薄膜。
2. 结果与讨论
2.1 CNF-Ni修饰材料表征
修饰材料的形貌和结构对其本身的电催化性能具有直接的影响。由修饰材料CNF-Ni的SEM图(图 1A)可观察到材料形貌趋向于形成类石墨烯薄层砂状网络褶皱结构，且有少许孔洞存在。由图 1A的局部放大图可清晰地看到CNF-Ni修饰材料的薄层状褶皱结构。前期研究成果表明，碳纳米碎片的褶皱结构及缺陷有助于提高其电催化活性[15]。
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图 1 CNF-Ni的SEM图、XRD图谱、红外光谱以及不同电极的循环伏安曲线注：B中插图为红外光谱。C中a为GCE电极、b为CNF-Ni/GCE电极，测试溶液为5×10-3 mol/L K3Fe(CN)6标准溶液。Figure 1. The SEM images, XRD pattern, FT-IR spectrum of CNF-Ni and the CV curves of different electrodes材料的晶型结构和组分通过XRD图谱(图 1B)和FT-IR光谱(图 1B插图)分析。结果表明: 少量的Ni(NO3)2 ·6H2O在高温下被还原为金属Ni，在合成CNF-Ni修饰材料过程中起到催化作用。同时，所得碳材料的晶型结构为多种无定型碳的组合。FT-IR光谱分析表明：CNF-Ni修饰材料表面没有含氧官能团，证明在高温还原过程中CNF已被完全还原。随着官能团的减少，产物的导电率逐渐增加，有利于电极表面的电子转移。在波数1 500、1 700 cm-1附近的峰分别归属C=C与C=N的伸缩振动，其中C=N键表明尿素在高温下发生分解。
CNF-Ni/GCE修饰电极的电荷转移性能通过循环伏安曲线描述。图 1C为GCE(a)和CNF-Ni/GCE(b)在5.0×10-3 mol/L K3Fe(CN)4和0.1 mol/L KCl标准溶液中的CV曲线。相对于裸玻碳电极GCE来说，CNF-Ni/GCE修饰电极的氧化还原电流明显增强，表明CNF-Ni能促进K3Fe(CN)4中的电荷转移。
2.2 硝苯地平在修饰电极上的电化学行为
采用循环伏安法研究了GCE及CNF-Ni/GCE修饰电极在含硝苯地平的PBS(0.1 mol/L，pH=6.8)溶液中的电化学行为(图 2)。
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图 2 硝苯地平在不同电极上的电化学行为注：a为GCE电极、c为CNF-Ni/GCE电极，测试溶液为含4.0×10-5 mol/L硝苯地平的PBS(0.1 mol/L，pH=6.8)溶液。b为CNF-Ni/GCE电极，测试溶液为空白的PBS缓冲溶液。Figure 2. The electrochemical behavior of nifedipine at different electrodes用GCE检测硝苯地平时出现1个微弱的电化学信号，展现了1对相对宽的、不明显的具有可逆性的氧化还原峰，氧化还原峰电位差值(ΔEp) 为0.068 V(Epa=-0.049 V, Epc=-0.117 V；曲线a)。相应地，用CNF-Ni/GCE修饰电极检测硝苯地平时出现1对信号增强的氧化还原峰，峰电位差值(ΔEp)为0.028 V(Epa=-0.053 V, Epc=-0.081 V；曲线c)，且硝苯地平在CNF-Ni/GCE修饰电极上的氧化峰电流约为GCE修饰电极上的6.85倍。这表明CNF-Ni修饰材料可有效增加硝苯地平在电极表面的吸附浓度，具有良好的导电性和电子运输性能。
2.3 扫速对硝苯地平电化学行为的影响
为进一步探究硝苯地平在CNF-Ni/GCE修饰电极上的氧化还原反应机理，通过循环伏安法研究了不同扫速下的电化学反应信号(图 3)。可以观察到扫速为30~80 mV/s范围内，随着扫速逐渐增加，硝苯地平的氧化还原电流亦随之增加。而且，氧化还原峰电流与扫速的平方根之间呈现良好的线性关系，其线性方程分别为：
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图 3 不同扫描速率下CNF-Ni/GCE电极的循环伏安曲线及其峰电流拟合结果注：测试溶液为含4.0×10-5 mol/L硝苯地平的PBS(0.1 mol/L，pH=6.8)溶液。扫描速率分别为30、40、50、60、70、80 mV/s。Figure 3. The CV curves and the fitting results of the peak curtent of the CNF-Ni/GCE under different scan ratesIpa(μA)=-4.078+33.74v1/2(V/s, R=0.998 5)，
Ipc(μA)=4.248-34.17v1/2(V/s, R=0.998 8)。
结果表明：硝苯地平在CNF-Ni/GCE修饰电极上的氧化还原反应为电子转移过程，本体溶液中的扩散控制过程对硝苯地平的电化学反应起到关键作用。
2.4 pH对硝苯地平电化学行为的影响
溶液的pH是影响电化学反应过程的一个重要因素。在CNF-Ni/GCE修饰电极上，采用循环伏安法研究了硝苯地平在不同pH的PBS缓冲溶液中的电化学行为(图 4)。在CNF-Ni/GCE修饰电极上，硝苯地平的循环伏安曲线与pH之间存在着一定的依赖关系。当缓冲溶液pH由5.8增加到6.8时，对应的硝苯地平氧化峰电流随着溶液pH的增加而增大；当缓冲溶液pH由6.8增加到7.5时，硝苯地平的氧化峰电流随着溶液pH的增加而减小。因此，选定pH为6.8的PBS缓冲溶液作为支持电解质溶液。
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图 4 不同pH条件下CNF-Ni/GCE电极的循环伏安曲线及pH对氧化峰电流的影响注：测试溶液为含4.0 × 10-5 mol/L硝苯地平的PBS(0.1 mol/L，不同pH)溶液。Figure 4. The CV curves of the CNF-Ni/GCE at different pH and the effects of pH on the oxidation peak current2.5 硝苯地平的校准曲线
由于DPV对物质的检测具有良好的灵敏性，本实验利用DPV技术来确定硝苯地平的检出范围和检出限。图 5为不同浓度硝苯地平在CNF-Ni/GCE修饰电极上的差分脉冲(DPV)曲线。在优化条件下，运用DPV来考察硝苯地平峰电流和浓度关系，发现随着硝苯地平浓度的增加，对应的阳极峰电流和浓度之间呈现良好的线性关系，
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图 5 不同浓度硝苯地平溶液中CNF-Ni/GCE电极的DPV曲线及氧化峰电流与浓度间的线性关系注：硝苯地平浓度分别为4、5、10、40、150、160 μmol/L。Figure 5. The DPV curves of the CNF-Ni/GCE in different concentration nifedipine solutions and the linear relationship between the oxidation peak current and concentrationIpa(μA) = 0.066 5c(μmol/L)+0.483 4(R=0.994 5)。
基于3倍的信噪比，检出限达2 μmol/L。相对于其他纳米材料修饰电极(表 1)，CNF-Ni/GCE电极展现出良好的灵敏性和选择性。
表 1 不同修饰电极对硝苯地平的检测结果比较Table 1. The comparison on the determination of nifedipine using different electrodes电极 线性范围/(μmol·L-1) LOD/(μmol·L-1) pH 来源 MWCNT/GCE 0.1~100 0.017 ABS (pH 5.5) [9] GRs-IL-hPdAg/GCE 0.01~4.00 0.004 PBS (pH 7.0) [10] BaSnO3/GCE 0.01~697.65 0.0168 PBS (pH 7.0) [18] MgO/SPEs 0.20~104.41 0.032 BR (pH 9.0) [19] MWNT-COOH/PANI/ITO 1~100 1 BR (pH 2.0) [20] CNF-Ni/GCE 4~160 2 PBS (pH 6.8) 本文 为了评估该修饰电极的重现性和稳定性，在CNF-Ni/GCE修饰电极上，对硝苯地平进行3次平行实验，其相对标准偏差为4.51%，表明CNF-Ni/GCE修饰电极具有良好的重现性。此外，将此修饰电极放置2 h后重新对硝苯地平进行电化学检测，结果发现信号没有太大变化。在4根相同玻碳电极表面修饰CNF-Ni材料，制备4根CNF-Ni/GCE修饰电极并对硝苯地平进行测量，测量误差分别为3.11%、3.05%、2.62%和2.89%，表明该修饰电极具有良好的重现性和稳定性。随后，以0.5 μmol/L硝苯地平为背景，对于可能存在的离子和物质进行干扰实验测定。假设峰电流信号变化小于5%则认为没有干扰，结果表明10倍浓度的Mg2+、K+、Na+、Cl-和Cu2+等对硝苯地平的检测没有干扰(表 2)。另外，利用该电极对药品中硝苯地平采用加标回收法进行了测定，结果发现对于硝苯地平的回收率为96.1%~99.5%，进一步验证了本文方法的可靠性和实用性。
表 2 干扰离子对CNF-Ni/GCE检测硝苯地平的影响Table 2. The influences of interfering ions on the determination of nifedipine at the CNF-Ni/GCE干扰离子 c/(mol·L-1) 信号变化率/% Mg2+ 5.0 × 10-4 2.98 K+ 5.0 × 10-4 3.15 Na+ 5.0 × 10-4 3.54 Cl- 5.0 × 10-4 3.34 Cu2+ 5.0 × 10-4 3.63 3. 结论
以氧化石墨作为前驱体，通过溶胶凝胶-热还原法合成了CNF-Ni纳米复合材料，并用于电催化氧化硝苯地平。同时通过SEM、XRD和FT-IR等技术对复合材料进行表征。采用循环伏安法研究了硝苯地平在CNF-Ni/GCE修饰电极上的电化学行为，利用该修饰电极对硝苯地平进行DPV检测时，在3倍信噪比下，该方法的检出限为2 μmol/L，同时用于实际药品检测时，所制备的硝苯地平传感电极具有一定的稳定性和重现性。
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图 1 CNF-Ni的SEM图、XRD图谱、红外光谱以及不同电极的循环伏安曲线
注：B中插图为红外光谱。C中a为GCE电极、b为CNF-Ni/GCE电极，测试溶液为5×10-3 mol/L K3Fe(CN)6标准溶液。
Figure 1. The SEM images, XRD pattern, FT-IR spectrum of CNF-Ni and the CV curves of different electrodes
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图 2 硝苯地平在不同电极上的电化学行为
注：a为GCE电极、c为CNF-Ni/GCE电极，测试溶液为含4.0×10-5 mol/L硝苯地平的PBS(0.1 mol/L，pH=6.8)溶液。b为CNF-Ni/GCE电极，测试溶液为空白的PBS缓冲溶液。
Figure 2. The electrochemical behavior of nifedipine at different electrodes
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图 3 不同扫描速率下CNF-Ni/GCE电极的循环伏安曲线及其峰电流拟合结果
注：测试溶液为含4.0×10-5 mol/L硝苯地平的PBS(0.1 mol/L，pH=6.8)溶液。扫描速率分别为30、40、50、60、70、80 mV/s。
Figure 3. The CV curves and the fitting results of the peak curtent of the CNF-Ni/GCE under different scan rates
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图 4 不同pH条件下CNF-Ni/GCE电极的循环伏安曲线及pH对氧化峰电流的影响
注：测试溶液为含4.0 × 10-5 mol/L硝苯地平的PBS(0.1 mol/L，不同pH)溶液。
Figure 4. The CV curves of the CNF-Ni/GCE at different pH and the effects of pH on the oxidation peak current
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图 5 不同浓度硝苯地平溶液中CNF-Ni/GCE电极的DPV曲线及氧化峰电流与浓度间的线性关系
注：硝苯地平浓度分别为4、5、10、40、150、160 μmol/L。
Figure 5. The DPV curves of the CNF-Ni/GCE in different concentration nifedipine solutions and the linear relationship between the oxidation peak current and concentration
表 1 不同修饰电极对硝苯地平的检测结果比较
Table 1 The comparison on the determination of nifedipine using different electrodes
电极 线性范围/(μmol·L-1) LOD/(μmol·L-1) pH 来源 MWCNT/GCE 0.1~100 0.017 ABS (pH 5.5) [9] GRs-IL-hPdAg/GCE 0.01~4.00 0.004 PBS (pH 7.0) [10] BaSnO3/GCE 0.01~697.65 0.0168 PBS (pH 7.0) [18] MgO/SPEs 0.20~104.41 0.032 BR (pH 9.0) [19] MWNT-COOH/PANI/ITO 1~100 1 BR (pH 2.0) [20] CNF-Ni/GCE 4~160 2 PBS (pH 6.8) 本文 
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表 2 干扰离子对CNF-Ni/GCE检测硝苯地平的影响
Table 2 The influences of interfering ions on the determination of nifedipine at the CNF-Ni/GCE
干扰离子 c/(mol·L-1) 信号变化率/% Mg2+ 5.0 × 10-4 2.98 K+ 5.0 × 10-4 3.15 Na+ 5.0 × 10-4 3.54 Cl- 5.0 × 10-4 3.34 Cu2+ 5.0 × 10-4 3.63
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