范麗芳， 李婷婷， 郭玉晶*， 董 川

(山西大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，太原 037000)

雙氯芬酸鈉(Dichlofenac Sodium,DS)是一種常見的非甾體抗炎藥，該藥具有退燒、止痛、消炎的功能，常用于臨床上骨關(guān)節(jié)炎、術(shù)后疼痛、肺結(jié)核、尿路感染等疾病的治療[1]。但是DS的過量使用或長(zhǎng)期服用會(huì)導(dǎo)致一些不良反應(yīng)，如血液毒性、溶血性貧血、嗜中性白血球減少等癥狀[2]。此外，DS的大量排放也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的危害。據(jù)報(bào)道，當(dāng)水體中DS的質(zhì)量濃度達(dá)到5 μg/L，并在長(zhǎng)時(shí)間的光照時(shí)會(huì)對(duì)魚類的腎臟造成損傷[3]。因此，有必要對(duì)水體或人血清中的DS含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，檢測(cè)DS的方法有高效液相色譜法(HPLC)[4]、分光光度法[5,6]、毛細(xì)管電泳法[7]、液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS)[8]等。然而，以上的方法常需要昂貴的儀器，復(fù)雜的樣品處理程序以及專門的操作人員。相比之下，電化學(xué)方法具有操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢(shì)，已被越來越多的用于藥物分析[9,10]。

石墨烯(GNs)是一種二維的碳材料，由于其大的比表面積、強(qiáng)的導(dǎo)電性、大的機(jī)械強(qiáng)度，GNs已被廣泛地用作電極修飾材料。然而，單純的GNs由于范德華力的存在易團(tuán)聚，穩(wěn)定性降低，進(jìn)而影響其實(shí)際性能。為了使GNs能夠穩(wěn)定地分散到溶劑中，通常需要對(duì)其表面進(jìn)行功能化。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[11]，聚二甲基二烯丙基氯化胺(PDDA)是一種帶正電的聚合物，它可以減弱GNs片層之間的范德華力，提高其穩(wěn)定性。Pd納米粒子(Pd NPs)具有良好的導(dǎo)電性、催化性、生物相容性。用Pd NPs修飾GNs不僅增加了材料的導(dǎo)電性，還賦予納米材料強(qiáng)的催化性能[12,13]。因此，以GNs、PDDA及Pd NPs結(jié)合制備的復(fù)合材料修飾電極，可以大大提高檢測(cè)的靈敏度。

在本研究中，首先通過水熱法合成了PDDA功能化的石墨烯(PDDA-GNs)，在此基礎(chǔ)上，用NaBH4還原K2PdCl4得到PDDA-GNs負(fù)載Pd NPs(Pd NPs/PDDA-GNs)復(fù)合材料。該材料具有GNs大的表面積、強(qiáng)的導(dǎo)電性和Pd NPs良好的催化性。將Pd NPs/PDDA-GNs作為電極材料，既能增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性，又能夠催化DS在電極表面的氧化，進(jìn)而放大電信號(hào)，提檢測(cè)的靈敏度。以此構(gòu)筑電化學(xué)傳感器，用于DS的測(cè)定。考察了不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)傳感器分析性能的影響，在最優(yōu)的測(cè)試條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DS的快速、準(zhǔn)確、靈敏檢測(cè)。此外，將構(gòu)建的電化學(xué)傳感器用于對(duì)實(shí)際樣品中DS含量的測(cè)定，取得滿意結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

電化學(xué)工作站(CHI660E，上海辰華)；透射電子顯微鏡(JEM-2100，日本JEOL公司)；X-射線光電子能譜儀(AXIS ULTRA DLD，英國(guó)Kratos公司)。

聚二甲基二烯丙基氯化胺(PDDA，20%的水溶液，Sigma公司)；石墨粉(Alfa Aesar)；雙氯芬酸(DS)、K2PdCl4(阿拉丁試劑公司)；NH3·H2O(25%～28%)、水合肼(80%)及NaBH4(天津第三化學(xué)試劑廠)；檸檬酸(CA)、抗壞血酸(AA)、多巴胺(DA)等均購(gòu)買于阿拉丁公司。支持電解液為0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH=7.0)，試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為高純水。

1.2 Pd NPs/PDDA-GNs納米復(fù)合材料的合成

以石墨為原材料，通過改進(jìn)的Hummers方法[14,15]合成1.0 mg/mL的氧化石墨烯(GO)水分散液。具體過程：將1.0 g石墨與0.50 g NaNO3加入到濃H2SO4(冰浴)中，再加入3.0 g KMnO4混合攪拌1 h后，用水稀釋。向上述溶液中加入5%的H2O2，直至混合溶液變?yōu)榱咙S色。將混合溶液過濾，洗滌。將得到的固體再次分散在水中，經(jīng)超聲得到GO懸浮液。

將2.5 mL質(zhì)量濃度1.0 mg/mL的GO懸浮液與50 μL 10%的PDDA混合并攪拌后，加入100 μL NH3·H2O 和 50 μL 80%的N2H4攪拌30 min。將混合溶液放入60 ℃水浴中加熱3.5 h，并自然冷卻。隨后加入200 μL 10 mg/mL的K2PdCl4溶液，在快速攪拌下逐滴加入2.0 mL 20 mmol/L新配制的NaBH4溶液，反應(yīng)30 min后，得到黑色懸浮液，用0.22 μm的濾膜過濾，得到Pd NPs/PDDA-GNs。除了不加入K2PdCl4和NaBH4，PDDA功能化的石墨烯(PDDA-GNs)納米復(fù)合材料的合成方法與上述類似。

1.3 電化學(xué)傳感器的構(gòu)建及DS的電化學(xué)檢測(cè)

圖1顯示了Pd NPs/PDDA-GNs復(fù)合材料的合成及構(gòu)建的電化學(xué)傳感器檢測(cè)DS的示意圖。

圖1 Pd NPs/PDDA-GNs 的合成及電化學(xué)傳感器檢測(cè)DS的示意圖

玻碳電極(GCE)在修飾之前，先依次用粒徑為1.0、0.30、0.050 μm的Al2O3粉末進(jìn)行打磨，并用乙醇、水依次超聲清洗，在N2氣氛下吹干電極表面。最后，將0.25 mg/mL的Pd NPs/PDDA-GNs復(fù)合材料滴涂于GCE表面，室溫下干燥，制備得到Pd NPs/PDDA-GNs/GCE修飾電極。

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，將修飾好的電極浸入含有不同濃度DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，富集30 min，用示差脈沖伏安法(DPV)檢測(cè)DS，電位掃描范圍是0.36～0.84 V。根據(jù)峰電流與目標(biāo)物濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)DS進(jìn)行定量測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 Pd NPs/PDDA-GNs納米復(fù)合材料的表征

圖2 K2PdCl4(a)、GO(b)和Pd NPs/PDDA-GNs復(fù)合材料(c)的紫外-可見吸收光譜

圖3A為PDDA-GNs的透射電鏡(TEM)圖，可以清楚地看到PDDA-GNs卷曲的片狀結(jié)構(gòu)。圖3B顯示了Pd NPs/PDDA-GNs納米復(fù)合材料的表面形貌，可以看到立方體狀的Pd NPs均勻地分散在PDDA-GNs的表面，表明Pd NPs/PDDA-GNs復(fù)合材料已被合成。

此外，通過X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)分析了Pd NPs/PDDA-GNs復(fù)合材料的表面化學(xué)成分，如圖4所示。圖4A為Pd NPs/PDDA-GNs的XPS總譜，Pd 3d(340.4 eV)和N 1s(402.55 eV)的峰分別來自Pd NPs和PDDA。圖4B是N 1s的XPS圖，N 1s的峰位于402.55 eV處。圖4C是Pd 3d XPS圖，Pd 3d5/2和Pd 3d3/2的峰分別位于335.9 eV和340.9 eV處。圖4D是Pd NPs/PDDA-GNs中C 1s的峰。如圖所示，當(dāng)GO被還原后，C-C(284.6 eV)峰最強(qiáng)，而其它與O相關(guān)的化學(xué)鍵強(qiáng)度大大減弱。進(jìn)一步證實(shí)了Pd NPs/PDDA-GNs復(fù)合材料被成功合成。

圖4 Pd NPs/PDDA-GNs(A)X射線光電子能譜(XPS)總譜、N 1s(B)、Pd 3d(C)和 C 1s(D)的XPS譜圖

另外，采用循環(huán)伏安法(CV)比較GCE、PDDA-GNs/GCE、Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在10 μmol/L DS溶液中的電化學(xué)性能。如圖5所示，DS在GCE表面發(fā)生氧化反應(yīng)，在0.53 V附近有一個(gè)很小的氧化峰(曲線a)。當(dāng)用PDDA-GNs納米材料修飾GCE后，DS的氧化峰電流增高，但峰形不明顯，且較差(曲線b)。然而在Pd NPs/PDDA-GNs/GCE上，DS的氧化峰明顯，峰電流增強(qiáng)，且峰形較好，這歸因于GNs良好的導(dǎo)電性和Pd NPs較強(qiáng)的催化活性。

圖5 GCE(a)、PDDA-GNs/GCE(b)和Pd NPs/PDDA-GNs/GCE(c)在含有10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中的循環(huán)伏安(CV)圖，掃速為0.05 V/s

2.2 掃描速度對(duì)Pd NPs/PDDA-GNs/GCE電化學(xué)性能的影響

圖6為Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在10 μmol/L DS溶液中，于不同掃描速下的CV圖?？梢钥吹诫S著掃速的增加，DS的氧化峰峰電流逐漸增大，峰位置向右移動(dòng)，并且掃速與峰電流呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程式為：Ipa(μA)=0.560+7.59v(R2=0.996),表明Pd NPs/PDDA-GNs/GCE表面DS的氧化過程為表面吸附控制[17]。此外，DS的氧化峰電位與掃速的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，線性方程為：Epa=0.495+0.0737logv。根據(jù)Laviron[18]公式，計(jì)算得到電子轉(zhuǎn)移數(shù)為2。

圖6 含10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在不同掃速下的CV圖

2.3 pH值對(duì)Pd NPs/PDDA-GNs電化學(xué)性能的影響

將Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在不同pH值的10 μmol/L DS溶液中富集30 min，采用CV法檢測(cè)其電化學(xué)響應(yīng)。如圖7所示，pH從5.0增加到9.0，峰電位逐漸向左移動(dòng)，表明DS的氧化是一個(gè)質(zhì)子化過程。氧化峰峰電流在pH=7.0時(shí)達(dá)到最大，且pH為7.0接近生理pH值，所以將7.0作為最佳pH值，用于所有測(cè)試中。此外，DS氧化峰峰電位與不同的pH值成線性關(guān)系，線性擬合方程為：Epa(V)=0.930-0.043pH，該線性方程式的斜率是-43 mV/pH，與理論值-59 mV/pH相接近，因此電極上DS的氧化是一個(gè)等電子等質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程[19]，即兩電子兩質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程。

圖7 0.1 mol/L不同pH的PBS(pH=5.0～9.0)中10 μmol/L DS在Pd NPs/PDDA-GNs/GCE上的CV圖(插圖為pH與DS峰電流的線性關(guān)系)

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

首先，考察了Pd NPs/PDDA-GNs在GCE上的負(fù)載量對(duì)DS氧化峰峰電流的影響。將制備的不同Pd NPs/PDDA-GNs/GCE浸入含有10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，富集30 min，測(cè)試CV響應(yīng)。結(jié)果表明，隨著Pd NPs/PDDA-GNs修飾體積的增加，DS的峰電流逐漸增大，在8.0 μL時(shí)達(dá)到最大，超過8.0 μL，峰電流減小。這是因?yàn)樾揎棇幼兒窠档土穗娮釉陔姌O表面的傳遞速率。因此，將8.0 μL作為復(fù)合材料的最佳修飾量。其次，對(duì)DS在修飾電極上的富集時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示反應(yīng)在30 min時(shí)峰電流達(dá)到最大，即DS在修飾電極表面達(dá)到吸附平衡，超過30 min，峰電流稍有下降，所以最佳富集時(shí)間為30 min。

2.5 Pd NPs/PDDA-GNs/GCE對(duì)DS的電化學(xué)檢測(cè)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將Pd NPs/PDDA-GNs/GCE分別浸入不同濃度的DS溶液中，通過DPV法測(cè)定電化學(xué)響應(yīng)。如圖8A所示，隨著DS濃度的增大，峰電流逐漸增高，分別在濃度0.6～10 μmol/L和10～40 μmol/L范圍內(nèi)，DS的峰電流與濃度成線性關(guān)系。如圖8B所示，在低濃度范圍內(nèi)，線性方程為：Ipa=2.36+2.36c(μmol/L)，相關(guān)系數(shù)為0.999；在高濃度范圍內(nèi)的線性方程是：Ipa=20.4+0.496c(μmol/L)，相關(guān)系數(shù)0.991，對(duì)DS的檢出限(S/N=3)是0.08 μmol/L。與其它修飾電極[1,20]相比，該方法擁有較低的檢出限。

圖8 (A)Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在DS溶液(濃度分別為0.6、0.8、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10、15、20、25、30、35、40 μmol/L)中的示差脈沖伏安(DPV)曲線；(B)峰電流對(duì)DS濃度的校準(zhǔn)曲線

2.6 傳感器的選擇性考察

圖9 Pd NPs/PDDA-GNs/GCE對(duì)DS測(cè)定的選擇性

2.7 傳感器重現(xiàn)性和穩(wěn)定性考察

為了考察該傳感器的重現(xiàn)性，將同一根電極重復(fù)修飾10次，每次修飾后浸入含10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，采用DPV法測(cè)其值，所得結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.2%，表明該傳感器有著良好的重現(xiàn)性。此外，將Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在4 ℃條件下放置兩周，然后測(cè)定10 μmol/L DS的DPV峰電流，峰電流只下降了6%，證明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本研究通過水熱法合成了Pd NPs/PDDA-GNs納米復(fù)合材料，該材料結(jié)合了GNs大的表面積和良好的導(dǎo)電性，以及Pd NPs較強(qiáng)的催化性?；赑d NPs/PDDA-GNs納米復(fù)合材料構(gòu)建了電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DS的高靈敏、高選擇性檢測(cè)，其線性范圍是0.6～40 μmol/L，檢出限可達(dá)0.08 μmol/L。該傳感器操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，靈敏度高，成本低，有望成為一種重要的醫(yī)用檢測(cè)手段。