韋壽蓮 利健文 姚夙 歐陽壯 魏承煬

摘 要 采用超聲電解的方法制備碳納米片（CNS），通過超聲分散法將β-環(huán)糊精（β-CD）負載在CNS上，再通過滴涂法將β-CD-CNS納米復合材料固載在玻碳電極表面，構(gòu)建磺胺嘧啶（SD）伏安傳感器。以差分脈沖溶出伏安法（DPSV）研究SD傳感器的電催化性能，考察和優(yōu)化了pH值、修飾量、掃描速度、攪拌速度和時間、沉積電位和時間等參數(shù)的影響。結(jié)果表明，β-CD-CNS納米復合材料在中性溶液對SD具有良好的催化活性，能顯著提高SD的電流響應。在優(yōu)化的條件下，SD在+0.87 V產(chǎn)生一個靈敏的氧化峰，氧化峰電流ip（μA）與SD的濃度在0.05～13.5 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.999，檢出限為12.2 nmol/L（S/N=3）。本方法成功應用于水和牛奶中SD殘留檢測，加標回收率為80.0%～102%，RSD≤5.2%。

關(guān)鍵詞 磺胺嘧啶； 電化學檢測； 碳納米片； β-環(huán)糊精； 差分脈沖溶出伏安法

1 引 言

磺胺嘧啶（Sulfadiazines，SD）是一種廣譜抗菌藥物，廣泛應用于預防和治療人類、水產(chǎn)和動物養(yǎng)殖等細菌感染[1，2]。如果濫用或不正確使用會導致SD在人體、水產(chǎn)品、動物食品、環(huán)境中殘留并累積，危及人體健康。我國《無公害水產(chǎn)品中漁藥殘留限量》（NY5070-2002） 和《農(nóng)業(yè)部第235號公告-動物性食品中獸藥殘留最大限量》規(guī)定水產(chǎn)品、動物性食品中SD最高殘留限量（MRLs）為100 μg/kg[3，4]。因此，開發(fā)快速、靈敏和低成本的檢測環(huán)境水域和動物產(chǎn)品中SD殘留對保護公眾健康至關(guān)重要。

目前已報道的用于SD殘留檢測的方法有很多，如高效液相色譜法（HPLC）[5，6]、毛細管電泳法[7，8]、流動注射化學發(fā)光法[9]、紫外光度法和熒光法[10，11]、免疫分析法[12]、電化學傳感器[13～17]等，其中HPLC和電化學傳感器應用最廣泛。HPLC法選擇性高，靈敏、準確可靠，但樣品前處理繁雜、分析速度慢、儀器昂貴、成本高。與其相比，電化學傳感器具有成本低、響應快、靈敏、準確、操作簡易等優(yōu)勢，更有利于復雜樣品SD殘留的快速檢測。為了提高電化學傳感器檢測SD的靈敏度和選擇性，很多納米材料特別是碳納米及其復合材料被用于修飾電極[18]，但報道的納米材料成本高、制備過程復雜，制約了在SD檢測中的應用。

碳納米片（CNS）擁有高的比表面積、納米級的厚度及優(yōu)越的電催化性能， 是一種理想的電化學修飾材料[19，20]。使用CNS作為電極修飾材料， 能夠為待測物提供更多的附著位點， 有利于提高檢測靈敏度。β-環(huán)糊精（β-CD）的結(jié)構(gòu)形似一個兩端開放的“桶”， 內(nèi)部疏水， 外部的多羥基具有親水性， 可通過多種作用力與有機物形成包合物[21]， 因而可增強碳納米材料在水相中的分散性， 提高有機物檢測的選擇性。本研究采用超聲電解方法制備CNS， 通過超聲分散方法將β-CD固載在CNS上， 制成β-CD-CNS/玻碳電極， 并采用差分脈沖溶出伏安法（Differential pulse stripping voltammetry， DPSV）研究了SD在電極上的電化學性質(zhì)以及影響檢測的參數(shù)， 建立了一種快速、靈敏可靠的方法檢測水和牛奶中SD。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CHI660E電化學分析儀 （中國上海辰華儀器公司）、鉑絲電極、玻碳電極（Φ 3 mm）、飽和甘汞電極（飽和KCl）、JSM6510掃描電鏡（中國深圳市瑞盛科技有限公司）；石墨棒（99.9%， 東莞市捷誠石墨制品有限公司）；磺胺嘧啶和β-環(huán)糊精（≥98%， 上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；純牛奶樣品均購于超市。實驗所用其它試劑均為分析純；實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 溶液的配制

0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸（Cit）緩沖溶液：稱取38.428 g檸檬酸配成1 L 0.2 mol/L檸檬酸溶液， 與0.2 mol/L Na2HPO4溶液按比例配成不同pH值的緩沖液。

1 mmol/L SD標準儲備液：準確稱取0.0250 g SD， 以無水甲醇溶解并定容至100 mL。

2.3 樣品的前處理

水樣取自實驗室管道自來水， 自水龍頭放水5 min后， 采集水樣直接測定。

稱10.00 g牛奶于干凈研缽， 加6.0343 g硅藻土， 研磨30 s混合均勻。將乳液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯試管， 加入25 mL乙腈-水溶液（1000∶30， V/V）， 渦旋振蕩1 min， 放于微波爐中高火模式下微波輻射1 min， 3000 r/min離心5 min[21]， 收集上清液。沉淀物中加入25 mL乙腈， 搖勻， 微波輻射1 min， 3000 r/min離心5 min， 合并上清液， 于45℃水浴中， 氮氣流吹干。準確加10.00 mL乙腈-水溶液超聲溶解 [21]， 過0.22 μm濾膜， 棄去前2 mL濾液。取5.00 mL續(xù)濾液用， 0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸溶液（pH 6.0）稀釋1倍后進行電化學檢測。

2.4 β-CD-CNS/GC電極的制備

以20 mm直徑碳棒為正極， 20 mm直徑鈦棒為負極， 在500 mL 2.5 μmol/L磷酸鹽緩沖液 （pH=7.0）中進行恒電流電解， 電極間距為5 mm， 電流0.2 A， 超聲功率80 W電解3 h， 得到均勻分散的CNS溶液。取1.0 mL CNS溶液， 加入0.0011 g β-CD超聲分散30 min， 得到β-CD-CNS分散液[20]。

玻碳電極（GC）用前在麂皮上以0.05 μm Al2O3進行打磨， 再用純凈水超聲5 min， 自然晾干。用微型注射器將10 μL β-CD-CNS分散液滴涂在GC電極表面， 將電極置于紅外燈15 cm的高度下烘10 min， 得到β-CD-CNS/GC電極。

2.5 檢測方法

以β-CD-CNS/GC電極為工作電極，鉑絲電極作對電極，飽和甘汞電極作參比電極，在2.5×105 mol/L SD + 0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸溶液（pH 6.0）進行DPSV掃描。掃描參數(shù)：電位增量10 mV， 攪拌速度1600 r/min，攪拌時間60 s，沉積電位0.6 V，沉積時間60 s，振幅0.05 V，氮氣氣氛下測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 修飾電極的形貌

圖1是CNS和β-CD-CNS分別滴涂在玻碳電極后的SEM圖。從圖1A觀察到CNS的形貌呈錯落的片狀， 重疊的納米片間形成縫隙。在CNS中加入β-CD后， 可觀察到許多粒狀晶體附著在CNS表面（圖1 B）， 說明β-CD吸附在CNS表面的相容性較好。

3.2 電化學行為

β-CD-CNS/GC電極或GC電極在0.2 mol/L Na2HPO4-Cit緩沖液（pH 6.0）進行DPSV檢測的曲線如圖2a所示，未觀察到氧化還原峰。

而GC電極（圖2b）和β-CD-CNS/GC電極（圖2c）分別在2.5×105 mol/L SD Na2HPO4-Cit緩沖液（pH 6.0）中進行DPSV檢測，在0.87 V均出現(xiàn)一個明顯的SD氧化特征峰，且在β-CD-CNS/GC電極上產(chǎn)生的氧化峰電流遠大于GC電極上產(chǎn)生的峰電流，說明β-CD-CNS對SD有很好的催化氧化作用。這可能得益于碳納米片大的比表面積，為β-CD-CNS/GC電極表面富集SD提供豐富的吸附位點，進而提高了反應過程中電子的傳遞效率，加快反應速率，使得SD在電極表面更容易被氧化，從而達到放大峰電流的效果。

3.3 修飾電極制備條件優(yōu)化

3.3.1 β-CD濃度的影響 制作負載不同濃度β-CD的碳納米片/GC電極， 按2.5節(jié)的方法對SD進行DPSV檢測， 考察β-CD濃度對電極性能的影響。由圖3可知， 隨著β-CD濃度的增大， SD氧化峰電流先升高后降低， 在β-CD濃度為1.0 mmol/L達最大。添加β-CD后， 可能由于其“空腔”結(jié)構(gòu)， 對含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的SD有包合吸附作用， 提高了SD在電極表面的富集量， 從而提高了峰電流。但β-CD濃度過高， 可能會在碳納米片上占據(jù)過多的位點， 降低了CNS的性能， 從而增大電極阻力， 妨礙電子的有效傳輸， 導致氧化峰電流降低。且修飾材料因β-CD濃度太大而脫落， 故β-CD最優(yōu)濃度為1.0 mmol/L。

3.3.2 β-CD-CN滴涂量的影響 分別將2、4、6、8、10和12 μL β-CD-CNS溶液滴加到玻碳電極表面制成修飾電極， 按2.5節(jié)方法對SD進行DPSV檢測， 考察β-CD-CNS修飾量對電極性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 隨滴涂量增加， SD氧化峰電流迅速增大， 說明β-CD-CNS/GC電極對磺胺嘧啶具有很好的電催化活性。

當?shù)瓮苛繛?2 μL時，SD氧化峰電流稍有降低，可知10 μL滴涂量的電極達到飽和狀態(tài)（ip=2.755 μA），繼續(xù)增大滴涂量反而會削弱電極對SD的響應效率。實驗選擇10 μL為最佳滴涂量。

3.4 傳感器測定條件優(yōu)化

3.4.1 底液及pH值 探究2.5×105 mol/L SD在濃度均為0.2 mol/L的HCl、H2SO4、NaAc（pH 6.0）、Na2HPO4-Cit（pH 6.0）、磷酸鹽溶液（pH 7.0）等底液中的電化學響應。由圖4可見，以H2SO4、HCl為底液，SD的氧化峰電位和背景電流高，峰形不對稱，延伸長（圖4a和4e）；以NaAc、磷酸鹽溶液為底液，SD的氧化峰電位低，但背景電流高，峰形延伸長（圖4c和4b）；以Na2HPO4-檸檬酸溶液為底液，SD的氧化峰電位和背景電流低，峰形對稱尖銳（圖4d），故選0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液為底液?？疾觳煌琾H值Na2HPO4-Cit溶液對SD電化學響應的影響，發(fā)現(xiàn)SD的氧化峰電位隨pH值減小而不斷正移，峰形不斷變寬，說明溶液的H+濃度對峰電位和峰形有很大影響，同時發(fā)現(xiàn)SD的峰電流隨pH值增加而增大，在pH 6.0時達到最大，此后隨pH值增加而減小，說明有H+參與電極反應。以SD氧化峰電位對pH值進行擬合，發(fā)現(xiàn)在pH 3.0～8.0范圍內(nèi)與峰電位呈現(xiàn)線性關(guān)系， Ep=0.033pH +1.065（r=0.9965），根據(jù)能斯特方程：E=0.059znpH+EΘ計算出SD氧化反應過程的質(zhì)子（z）的數(shù)目和電子轉(zhuǎn)移數(shù)（n）之比（z/n=0.5），即每轉(zhuǎn)移2個電子就有1個質(zhì)子參與到電極反應[22]，原因是磺胺嘧啶結(jié)構(gòu)中苯環(huán)上的酰胺基被氧化所致[15]， 可能涉及以下反應：

3.4.2 掃描速率 為進一步探究SD電極反應性質(zhì)， 采用循環(huán)伏安法考察掃描速率對SD氧化峰電流的影響。1.0×105 mol/L SD在0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸溶液（pH 6.0）的循環(huán)伏安曲線上， 0.9 V附近出現(xiàn)一個氧化峰， 沒有相應的還原峰， 表明SD在β-CD-CNS/GC電極上的電化學反應不可逆；且隨掃描速率增大， SD的氧化峰電流增加， 峰電位正移。以SD的峰電流ip（μA）對掃描速率v（V/s）進行擬合， 得到SD的峰電流與掃描速率的線性關(guān)系為ip =91.77v + 10.44 （R=0.994）。SD的峰電流與掃描速率成正比， 說明磺胺嘧啶在β-CD-CNS/GC電極表面的氧化過程受電極反應速度控制。

3.4.3 電位增量 采用DPSV檢測， 考察電位增量對2.5×105 mol/L SD氧化峰電流的影響。結(jié)果表明， 隨電位增量增大， SD的氧化峰電流逐漸增大， 峰電位正移， 10 mV時峰電流達最大， 故電位增量選擇10 mV。

3.4.4 攪拌速率與時間 采用DPSV檢測，考察不同攪拌速度下β-CD-CNS/GC電極在2.5×10

Symbolm@@ 5 mol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液（pH 6.0）的峰電流。結(jié)果表明，隨攪拌速度增加，SD峰電流迅速增大，1600 r/min時峰電流達最大，此后隨攪拌速度增大峰電流有所下降?？赡軘嚢杓涌炝薙D分子的擴散速率，增大碰撞幾率，提高了SD在電極表面的富集量，達到增大響應電流的效果，但轉(zhuǎn)速過大也會導致電極表面吸附的SD部分脫落，從而使峰電流降低。

探究攪拌時間對SD氧化峰電流的影響， 發(fā)現(xiàn)不攪拌， SD氧化峰電流低。隨攪拌時間延長， SD峰電流迅速升高， 60 s時峰電流最大。說明攪拌60 s， SD在電極表面富集達到飽和， 繼續(xù)延長攪拌時間， SD的峰電流反而減小， 可能是持續(xù)攪拌會引起電極表面SD脫附。因此攪拌時間選擇60 s。

3.4.5 沉積電位 考察了不同沉積電位富集對SD峰電流的影響。結(jié)果表明，當沉積電位從0 V到0.6 V變化時， SD的氧化峰電流逐漸升高，在0.6 V時達到最大值。繼續(xù)增大沉積電位，峰電流降低，可能由于SD在修飾電極表面的氧化電位范圍0.7～0.9 V，沉積電位過大，會導致SD在測定前在電極表面氧化，導致響應電流降低。由于沉積和攪拌同時進行，沉積時間也是60 s。從沉積過渡到檢測需要靜置。隨靜置時間由2 s增大至10 s，SD的氧化峰電流稍降低，故靜置時間選擇2 s。

3.5 線性范圍和檢出限

在最優(yōu)的條件下， 分別對濃度為0、0.050、0.25、0.75、1.5、4.5、9.0和13.5 μmol/L SD標準溶液進行DPSV掃描（圖5）， 以測得的氧化峰電流ip（μA）對相應的SD濃度c（μmol/L）進行線性擬合（圖6）， 得到SD的線性方程為ip =0.2437c-0.0209 （r=0.999）， 線性范圍為5.00×108～ 1.35×105 mol/L， 檢出限（S/N=3）為12.2 nmol/L。按2.3節(jié)處理牛奶樣品， 牛奶中SD的檢出限為6.11 μg/kg， 農(nóng)業(yè)部第235號公告《動物性食品中獸藥殘留最大限量》規(guī)定牛奶中SD最高殘留限量為100 μg/kg[4] ， 本方法可滿足環(huán)境和食品中痕量SD檢測要求。

3.6 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

在優(yōu)化條件下， 以同一支β-CD-CNS/GC電極對5 μmol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液（pH 6.0）連續(xù)進行10次DPSV掃描， 結(jié)果表明， SD峰電流的RSD=0.03%；制備5支β-CD-CNS/GC電極， 對5 μmol/L SD+0.2 mol/L Na2HPO4-Cit溶液（pH 6.0）進行DPSV掃描， 5支電極測得的峰電流的RSD=2.5%；將β-CD-CNS/GC電極于4℃儲存2周， 1周后峰電流響應減少了1.2%， 2周后峰電流響應減少了2.7 %， 表明β-CD-CNS/GC電極具有良好的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。

3.7 干擾物的影響

批量制備β-CD-CNS/GC電極。在最優(yōu)條件下， 考察常見共存物質(zhì)對5 μmol/L SD檢測的干擾， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 2000倍Cl， 1000倍Na+、K+和Ca2+， 250倍SO24、Mg2+和葡萄糖， 100倍甘氨酸和尿素， 50倍氯霉素， 30倍抗壞血酸， 20倍組氨酸以及3倍多巴胺分別共存時， 測定結(jié)果的相對誤差<±5.0%， 說明除多巴胺外， 其它物質(zhì)對測定沒有顯著干擾， 制備的修飾電極對SD檢測具有高的選擇性。這可能是因為多巴胺與SD結(jié)構(gòu)較類似， 氧化電位較接近。

3.8 樣品分析

樣品按2.3方法處理后， 用β-CD-CNS/GC電極于最佳條件下進行DPSV測試， 同時采用GB/T 21316-2007液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜法[22]對每個樣品平行測定3次， 結(jié)果見表1。本方法和國標方法均未在自來水和牛奶中檢出SD。對所檢樣品進行加標回收實驗， 加標濃度分別為0.25、0.50和1.00 μmol/L， 自來水和牛奶的加標回收率為80.0%～102.0%， RSD≤5.2%。如表2總結(jié)所示， 傳感器簡便快速、線性范圍寬、靈敏度高、準確可靠， 可應用于實際樣品中SD殘留分析。

4 結(jié) 論

采用超聲電解和超聲分散的方法制備碳納米片和β-CD-CNS材料，在玻碳電極表面采用滴涂法制備β-CD-CNS/GC電極，研究了SD在電極上的電化學行為，建立了檢測SD的傳感器方法。此方法成本低、快速、靈敏度高，重現(xiàn)性和抗干擾能力強，適于復雜樣品SD殘留的快速檢測。

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