黃樂舒， 陳泇冰， 魯猷欒， 鄭 寅*, 石 震

(1.風濕性疾病發(fā)生與干擾湖北省重點實驗室，湖北民族大學，湖北恩施 445000; 2.湖北民族大學化學與環(huán)境工程學院，湖北恩施 445000)

對乙酰氨基酚(AC)和鹽酸多巴胺(DA)是一類具有相似結構和性質的氮芳香族化合物，由于它們具有良好的生物活性而被廣泛應用在醫(yī)藥行業(yè)，但是在微量過量的情況下會對人體產生神經(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、簡便和可靠的分析方法對實現(xiàn)AC和DA同時檢測在藥物分析領域尤為重要。目前，主要的分析方法有高效液相色譜法、分光光度法、熒光法和電化學分析法。其中，電化學分析法由于其快速、操作簡單和成本低的優(yōu)點成為了該方向的研究熱點[7 - 10]。

金屬有機骨架(MOFs)材料是一種由金屬離子和有機配體，通過配位鍵結合形成的多孔材料，由于其具有較大的比表面積、豐富的孔道結構以及可調控的孔徑結構，使其在藥物轉運、催化、氣體吸收、Li+電池、超級電容器等領域表現(xiàn)出優(yōu)異的應用價值[11 - 15]。MOFs材料的多孔、高比表面積和多活性位點等特點尤為適合作為電極修飾材料用于電化學分析領域，但是由于其導電性較差而限制了其應用，有較多的研究主要通過MOFs與石墨烯、碳納米管和導電聚合物等導電性優(yōu)異的材料復合來提高其導電性[16 - 19]，然而MOFs在導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材料的導電性能并將其用于電化學分析領域已成為亟待解決的問題。相比于MOFs與導電材料復合的方法，以MOFs材料自身為模板，通過熱解法制備的衍生材料不僅可以提高材料的導電性，還可以保留MOFs本身的多孔結構和比表面積。

本文以水熱法合成的MOFs-Fe為前驅物，通過熱解法制備金屬有機骨架衍生多孔碳材料(MPPC)，構建了一種金屬有機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行為，采用差分脈沖伏安法(DPV)建立測定AC和DA濃度的方法。在已有的報道中尚未見到MPPC/GCE修飾電極同時測定AC和DA。本文提出的電化學傳感器具有方法簡單、快速、靈敏等優(yōu)點，所制備的MPPC/GCE具有較好的抗干擾性和穩(wěn)定性，具有一定的應用價值。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI-660e電化學工作站(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，日本電子株式會社)；Shimadzu XRD -7000(日本，日本島津)；EscaLab 250Xi X射線光電子能譜(XPS)儀(美國，賽默飛世爾科技公司)；Quantachrome Autosorb iQ全自動氣體吸附儀(美國，Quantachrome儀器公司)；LabRAM HR800拉曼光譜儀(法國，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、無水乙醇、對乙酰氨基酚(AC)、鹽酸多巴胺(DA)、N,N -二甲基甲酰胺、葡萄糖、檸檬酸、抗壞血酸和鳥嘌呤，均購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。實驗用水均為超純水。

1.2 實驗方法

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

將MOFs-Fe置于氮氣氛圍下的管式爐中熱解，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)、無水乙醇和超純水各超聲3 min，在氮氣流下吹干，用移液槍取5 μL滴涂在打磨拋光過的GCE表面，將修飾后的電極干燥，修飾電極記為MPPC/GCE。

所有的電化學檢測都是在室溫下用標準的三電極體系進行的：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)測量主要被用于AC和DA的電化學測定，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

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

使用XPS對MPPC的元素組成進行分析，結果如圖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，結合能為284.9、286.5 eV，其分別對應于C-C 及C-O結合。

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，對應于石墨的(101)和(202)晶面。這表明，在熱解過程中，不僅形成了部分無定型碳，同時還形成了部分石墨碳，證實了高溫下的石墨化過程。

圖4為不同溫度下產物的拉曼光譜圖。3個樣品的圖譜均在1 350 cm-1(D band)和1 580 cm-1(G band) 存在吸收峰。D帶常與C的無序結構及形成的缺陷有關，而G帶則與Sp2雜化的碳原子的空間振動有關，常用來反映其石墨化的結晶度；因此，ID/IG的值常被用來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在碳化過程中造成的缺陷更多，能形成更多的活性位點，更有利于電子傳輸及提供更多的電化學活性。這和前述的分析結果相一致。

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，在相對壓強0～0.4時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。這主要歸因于材料中的介孔，同時巨大的比表面積及孔道會對DA和AC的吸附提供更多的活性位點。

圖5 MPPC的氮氣吸附-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。結果顯示，不同電極的阻抗順序為：GCE>MPPC/GCE。這可能是由于熱解MOFs產生的多孔碳使得界面導電性能提升，增加了電子傳輸速率，增強了電化學傳感器的靈敏度。

2.3 AC和DA在修飾電極上的電化學行為

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，說明該修飾電極對AC和DA有較好的響應效果。這主要取決于修飾材料的導電性和較多的活性位點，增加了待測物AC和DA與電極表面的電子傳輸速率，提高了電化學活性。

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

實驗考察了分散在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，響應峰電流值隨濃度增加而增加；在濃度為4～5 mg/mL時，響應峰電流值隨濃度增加而降低。這表明AC和DA在該電化學傳感器上的電化學活性隨濃度增加而增加，這主要是由于材料的高導電率及較大的活性位點，而在4 mg/mL基礎上繼續(xù)增加濃度則會導致電化學信號的降低，原因可能是因為濃度太大會使電極表面過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其響應效果的影響。2.5、5.0、7.5、10.0 μL分別被滴涂于GCE上以制備電化學傳感器，考察MPPC用量對響應電流的影響。在滴涂量為5.0 μL時其氧化峰電流值最大。其主要原因是由于滴涂量為5.0 μL時能較為完整的將電極芯覆蓋，且AC和DA的響應峰電流值最大，而當?shù)瓮苛窟M一步增加時，其濃度會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AC和DA檢測的影響

研究了pH值對AC和DA檢測的影響。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pH值從5.5變化到7.0時，AC和DA的峰電流值不斷增加，且在pH=7.0時峰電流達到最大；當pH值從7.0變化到8.5時，AC和DA的峰電流值呈降低趨勢。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 富集時間和電位的影響

由于AC和DA在電極上的反應主要受吸附過程控制，在不同富集時間和富集電位的條件下研究了富集時間和富集電位對峰電流的影響。隨富集時間的延長，峰電流先增大后逐漸趨于穩(wěn)定，富集時間大于100 s后峰電流逐漸趨于平緩，說明100 s時MPPC/GCE對AC和DA的吸附已達到飽和，故選取100 s作為最佳富集時間。在電位-0.1～0.7 V條件下，選擇不同富集電位進行DPV掃描，結果發(fā)現(xiàn)AC和DA在0 V時電流值最大，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上測定固定AC濃度為20 μmol/L時，DA濃度為0、11、13、15、16、17、18、19 μmol/L的標準曲線圖。掃描電位從-0.1～0.7 V，結果如圖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DPV法對不同濃度的DA測試曲線(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上測定固定DA濃度為20 μmol/L時，AC濃度為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 μmol/L的標準曲線。掃描電位從-0.1～0.7 V，結果顯示，AC的峰電流值隨濃度在0.5～3.5 μmol/L的范圍內呈線性增加，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AC和DA檢測性能的比較見表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AC和DA檢測的性能比較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20 μmol/L AC和30 μmol/L DA在pH=7.0的PBS中檢測，用DPV法測量其電流變化。將電化學傳感器MPPC/GCE放置10 d以后，其響應電流分別為初始電流的97.2%和90.93%，結果表明電極具有較好的重現(xiàn)性。電化學傳感器的穩(wěn)定性測試為同一根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中重復掃描10次，AC的相對標準偏差為2.07%，DA的相對標準偏差為4.06%。表明該電化學傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

在最佳條件下，探討了共存物質對AC和DA同時測定的影響。抗壞血酸、鳥嘌呤、檸檬酸和葡萄糖被用來作為干擾物加入到AC和DA的溶液中，運用DPV法進行檢測。結果表明，在20 μmol/L AC和30 μmol/L DA存在下，50倍的抗壞血酸、鳥嘌呤，100倍的檸檬酸和葡萄糖溶液，100倍的苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚、間苯二酚，20倍的L-谷氨酸、L-半胱氨酸幾乎不會對AC和DA的檢測產生影響(氧化峰電流改變<5%)。表明MPPC/GCE具有一定的抗干擾能力。

2.10 實際樣品檢測

使用自來水水樣進行回收實驗，考察了加標實驗中MPPC/GCE修飾電極對AC和CA的檢測結果。結果如表2所示，回收率在96.5%～101.6%之間，相對標準偏差(RSD)在2.6%～3.4%之間。實驗表明，本實驗制備的MPPC/GCE電化學傳感器可用于實際水樣中的電化學檢測。

表2 自來水樣中AC和DA的回收率測試Table 2 Recovery tests for AC and DA in tap water samples

3 結論

本文以MOF-Fe為前驅物，通過熱解法制備了一種MPPC，并將其修飾到GCE上，構建了一種同時測定AC和DA的電化學傳感器，對測試條件進行了優(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，具有一定的應用價值。