多壁碳納米管修飾電極的制備及其在抗生素測定中的應用現狀

王順達 綜述，劉景英 審校

（天津醫科大學化學教研室，天津 300070）

納米材料又稱超微顆粒材料，是指顆粒尺度為納米數量級的粒子。納米碳管（carbon nano tube,CNT）是一種常見的納米材料，最早由日本科學家Iijima 用高分辨透射電鏡（HRTEM）發現，分為單壁碳納米管（single-wall nano tube,SWNT）[1]和多壁碳納米管（multi-wall nano tube,MWNT）[2]，其中多壁碳納米管的應用更加廣泛。經過近20年研究，表明碳納米管屬于富勒（fullerene）碳系，是由碳的六元環構成的類石墨平面卷曲而成的納米級中空管[3]，兩端由半球形的大富勒烯分子罩住，其中每個碳原子通過sp3 雜化與周圍3個原子發生完全鍵合。由于碳納米管具有良好的導電性、催化活性、表面原子活性高、比表面積大及易與周圍的其他化合物發生電子轉移等特點[3]，在電化學方面對于碳納米管的研究熱點多集中在利用碳納米管修飾電極鑒定化工原料、藥物分子和生物分子等不同物質上。管壁也很方便修飾上羧基等基團，這些基團可以有效降低某些反應的過電位，可以特異性鑒定一些物質[4]。

1 碳納米管的制備及純化、剪切和化學修飾

1.1 碳納米管的制備 碳納米管的形成過程是游離態的碳原子或碳原子團發生重新排布的過程。主要制備方法有電弧放電[5]、化學氣相沉積[5]、催化裂解[6]、激光蒸發[7]、火焰法[8]等。碳納米管的直徑分布主要取決于制備方法、催化劑的種類、生長溫度等反應條件。制備碳納米管時還要添加一定數量的催化劑，如鎳、鈷、鐵等，或者鑭系元素釹、鑭、釔等。

1.2 碳納米管的純化 合成后的碳納米管是與無定形碳和金屬納米顆粒的混合物共存。為了研究碳納米管的電化學特性，必須對碳納米管進行純化，以防止雜質干擾電化學反應過程。純化碳納米管方法主要有：干法氧化法[9]，即采用加熱條件下的空氣氧化方法，該方法主要除去混合物中的無定形碳；濕法回流氧化法[9]，其可以除去金屬納米顆粒。此外可以采用超聲波降解、離心、沉積和過濾等物理方法分離雜質碳與碳納米管，從而獲得純的碳納米管[10]。碳納米管經過純化后將有利于進一步剪切、修飾和制備碳納米管修飾電極。

1.3 碳納米管的剪切 由于純化后的碳納米管通常是一種互相纏繞的、找不到終端的線團結構，因此不溶于任何溶劑。它的不溶性限制了對其化學性質的研究。因此就需要對制備出的碳納米管進行剪切，使其溶解在溶劑中，便于下一步的修飾和制備修飾電極。碳納米管的端頭處及彎折處易被強酸氧化斷裂，一般采用的方法是利用混酸氧化碳納米管將其剪切成短管并將端口打開[11]。

1.4 碳納米管的修飾 碳納米管斷口上的碳原子具有化學活性，因此可以加熱回流或者超聲處理碳納米管，使開口的碳納米管的頂端共價地接上活性基團,如羥基、羧基等。常通過酸化及其衍生反應、環加成反應、氟化反應、原子轉移自由基聚合和陰離子聚合反應實現[12]。

2 多壁碳納米管修飾電極

碳納米管修飾電極（CNTME）是通過不同的修飾手段將碳納米管修飾至電極上,使電極具有較大比表面積、多孔性和粒子表面帶有較多功能基團等特性,從而可以對某些物質的電化學行為產生特有的催化效應。

2.1 多壁碳納米管修飾電極的制備 目前主要的制備修飾電極方法有涂膜法、電化學聚合法[13]和嵌入法[14]等。涂膜法即把分散好的碳納米管滴涂到基底玻碳、石墨、碳糊和金等電極上，然后自然晾干或紅外燈烘烤揮發以去除溶劑/分散劑。電化學聚合法即將納米碳管與雙十六烷基磷酸等高分子材料的

稀溶液相混合后滴加在基體電極表面，并使其揮發成膜，就可以利用高聚物的包埋作用將納米碳管固定在電極表面，Hyung 等[13]將羧基化的碳納米管分散在吡咯單體溶液中，通過電聚合制備復合膜修飾電極。嵌入法即把預處理好的石墨電極在碳納米管上研磨，借助機械力、化學和物理的吸附作用把碳納米管附著在電極表面，Milan 等[15]將多種配合物混入制得碳糊修飾電極。

2.2 測定藥物多選用多壁碳納米管修飾電極 抗生素的測定主要采用多壁碳納米管修飾電極。其實驗多采用超聲，首先對多壁碳納米管進行分散，采用乙醇等溶劑溶解，利用涂膜法在拋光后的玻璃電極上修飾上多壁碳納米管，利用自然風干或者紅外燈使溶劑揮發，最終制得不同的多壁碳納米管修飾電極。多數報道指出其實驗結果表明該方法制備的懸浮液穩定性好，常溫下存儲48 h 仍可保持其穩定的分散性。

3 多壁碳納米管修飾電極在抗生素的測定中的應用

抗生素指由微生物或高等動植物在生活過程中所產生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產物。抗生素可用于治療大多數細菌感染性疾病。近年來，對藥劑和生物樣品中抗生素的測定有化學發光法[16]，熒光分光光度法[17]，極譜法以及色譜法，但是這些方法存在操作復雜，方法不夠靈敏，沒有可重現性等缺點。由于碳納米管具有良好的導電性、催化活性和表面效應、表面原子活性高、比表面積大及易與周圍的其他化合物發生電子轉移等特點[3]，用碳納米管修飾電極法測定抗生素的電化學性質是一種新的方法。在研究碳納米管修飾電極法測定抗生素的電化學性質的過程中，還可以從電化學角度進一步了解抗生素的化學特性，分析抗生素的功能，從化學生物學角度為抗生素鑒定提供一個新的技術平臺。通常來講，抗生素按化學結構不同分為氯霉素類、四環素類、頭孢菌素類、大環內酯類、β-內酰胺類、氨基糖苷類等。

3.1 利用多壁碳納米管修飾電極測定氯霉素類抗生素 氯霉素是一種廣譜抗生素，測定氯霉素的方法有高效液相色譜法、紫外分光光度法、熒光衍生法、GC/MS 法。Xiao 等[18]利用電化學聚合法制備多壁碳納米管（MWNT）修飾玻碳電極,運用差分伏安法測定氯霉素。實驗結果表明,在0.1 mol/L NaOH 體系中氯霉素在多壁碳納米管修飾電極上的還原峰電流大于裸電極上的還原峰電流。氯霉素濃度在2.9×10-5～2.0×10-4mol/L 范圍內與峰電流成線性關系，檢出限為5.0×10-6mol/L，相對標準偏差為1.55%。多壁碳納米管能有效的吸附氯霉素，并且碳納米管具有促進電極反應的電子交換催化特性。

3.2 利用多壁碳納米管修飾電極測定四環素類抗生素 土霉素屬于四環素類藥物,廣泛應用于醫學。張曉敏等[19]研究了牛奶中土霉素殘留檢測的新方法。以MWNT-DHP（multi-wall nano tube-dihexyl phthalate)為工作電極，采用方波伏安法在最佳的測定條件（方波幅度0.05 V,頻率10 Hz,電位增量0.005 V，沉積時間80 s）下，峰電流與土霉素濃度在5.0×10-7～5.0×10-5mol/L 范圍內呈線性關系，檢測限（3S/N）為1.0×10-8mol/L。

3.3 利用多壁碳納米管修飾電極測定頭孢菌素類抗生素 頭孢噻肟鈉是一種廣譜的β-內酰胺類抗生素,廣泛應用于治療各種感染。呂少仿[20]利用表面活性劑的“雙親”性質，將多壁碳納米管分散在水中形成均一的懸濁液。通過揮發溶劑的方法制備出碳納米管修飾電極。頭孢噻肟鈉在多壁碳納米管修飾電極上于-0.85 V 處有一靈敏的還原峰。將多壁碳納米管修飾電極在pH2.2 的檸檬酸磷酸氫二鈉緩沖溶液中開路富集2 min 后，該電流與頭孢噻肟鈉在2.0×10-7～2.0×10-5mol/L 濃度范圍內呈良好的線性關系。其檢測靈敏度高,檢測限達6.0×10-8mol/L。多壁碳納米管獨有的大的比表面積，使頭孢噻肟鈉表現出強的吸附特性，使頭孢噻肟鈉的還原峰電流得到了極大地提高。

3.4 利用多壁碳納米管修飾電極測定大環內酯類抗生素 泰樂菌素是由弗氏鏈霉菌分泌的一種大環內酯類動物專用抗生素。泰樂菌素微溶于水，其鹽類易溶于水，酒石酸泰樂菌素為泰樂菌素的酒石酸鹽。任超超等[21]研究了酒石酸太樂菌素在多壁碳納米管修飾電極上的電化學性質，使得酒石酸太樂菌素在修飾電極上的氧化峰電位比在裸玻碳電極上明顯正移，氧化峰電流顯著提高于0.90 V 附近出現一不可逆氧化峰，證明多壁碳納米管對酒石酸泰樂菌素具有明顯的電催化氧化作用。

3.5 利用多壁碳納米管修飾電極測定β-內酞胺類抗生素 β-內酞胺類抗生素是最廣泛使用的抗菌藥物，其中青霉素是此類抗生素藥物的代表品種。陳碧[22]研究了青霉素在多壁碳納米管修飾電極上的電化學性質，青霉素在修飾電極上的氧化峰電位比在裸玻碳電極上明顯正移，氧化峰電流顯著提高。由于碳納米管具有很大的比表面積，使青霉素表現出強的吸附特性。

3.6 利用多壁碳納米管修飾電極測定氨基糖苷類抗生素 壯觀霉素是廣泛應用于臨床和畜牧業的氨基糖苷類抗生素，其殘留進入人體后容易致癌。童穎等[23]利用nafion 摻雜多壁碳納米管形成復合膜將三聯吡啶釕固定于玻碳電極表面，利用壯觀霉素對該電極電致化學發光信號的增強作用，建立了一種新的壯觀霉素電致化學發光檢測方法。結果顯示線性范圍為1.0×10－5～2.0×10－4mol/L，檢測限為2.5×10－6mol/L。該方法簡便易行，靈敏度高。

4 碳納米修飾電極的發展趨勢與展望

由于碳納米管獨特的力學、電子特性及化學穩定性，使其在電化學領域具有廣泛的應用前景[24]。除了測定抗生素外，碳納米管修飾電極在高血壓藥物，抗腫瘤藥物的測定中同樣具有靈敏性。在碳納米管上連接更多的具有生物活性的分子基團，從而實現更多種類的藥物以及生物大分子如酶、抗體、核酸等物質的測定，將在化學分析、藥物化學分析、天然藥物化學分析等方面發揮重要作用。如果給碳納米管端口帶上特定的功能基團，就會對分析物質的電化學行為產生特異性的催化效應。在深入理解碳納米管性質的基礎上，與其它修飾劑共同作用到電極上，以提高檢測的靈敏度和選擇性，制作碳納米管復合修飾電極，如DNA 和多壁碳納米管的復合電極（DNA/MWNT）；多壁碳納米管與Nafion 的復合電極（MWNT/Nafion）以及碳納米管與環糊精復合的電極等。此外，將碳納米管與各種金屬聚合成納米復合材料，制成傳感器，應用于生命科學分析、環境監測和工業流程監測等[25]。碳納米管的體積很小，制作的電極有利于微型化，可以用于活體測試和體內環境的測試，可以指導臨床對藥物濃度的監測和藥效學的研究。隨著對碳納米管認識的不斷深入，碳納米管將在分析化學領域和生命科學研究中具有廣闊的發展空間和應用前景。

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