ZIF-8衍生氮摻雜多孔碳修飾電極對蘆丁的電化學分析

羅貴鈴，張曉萍，李冰航，張冰雪，張 艷，孫 偉

（海南師范大學 化學與化工學院，海口市功能材料與光電化學重點實驗室，海南 海口 571158）

蘆丁又名云香甙，廣泛存在于云香葉、煙葉和蕎麥花等植物中，具有增強血管韌性、減少血管脆性的功效。目前，檢測蘆丁的方法有高效液相色譜法[1]、毛細管電泳法[2]、分光光度法[3]和電化學分析法等。電化學分析法具有檢測速度快、靈敏度高、準確性好和儀器價格便宜的優勢，可用于檢測藥物分子[4]。

金屬-有機骨架材料（MOFs）是由金屬離子或團簇與有機配體配位而成的多孔材料。配體的種類決定MOFs 的拓撲結構，配體上官能團的種類影響MOFs 材料孔結構及孔表面的物化性質。因其具有可調控性強、易于功能化等優點，在氣體吸附分離[5]、多相催化反應[6]、藥物緩釋[7]、傳感器[8]和光電磁性[9]等領域得到大規模的應用。沸石咪唑酯類骨架材料（ZIFs）是MOFs材料的一個分支，其中ZIF-8是一種典型的ZIFs材料，是由配體2-甲基咪唑與過渡金屬離子Zn2+自組裝而形成的配位化合物，具有大的比表面積、豐富的孔結構、水穩定性和熱穩定性好等特點。在ZIF-8中Zn元素的沸點在904℃，高溫碳化使Zn隨保護氣排出，可以得到多孔碳材料。

氮摻雜多孔碳（NPC）具備優異的電化學性質及特殊的結構。由于氮原子所帶的孤對電子能夠作為載流子，使多孔碳材料周圍的電荷密度增大、導電性提高[10]；另外，氮原子的摻入使多孔碳材料中的缺陷位增長，活性位點數量顯著增加，增強了與電解液的親和性和生物相容性，能顯著提高多孔碳材料與金屬離子的結合能力，且增加金屬在多孔碳材料表面的負載能力[11]。NPC材料中含有豐富的氮原子，能使其電化學性質得到大大提升；且擁有大的比表面積和孔體積，為小分子負載提供更多的空間，是構建電化學傳感器的優選材料。

選用ZIF-8 為前驅體，在氬氣保護下高溫碳化得到NPC，進一步與Nafion 混合后利用滴涂法將Nafion-NPC 混合液滴涂在玻碳電極（GCE）上，自然晾干后得到修飾電極（Nafion-NPC/GCE），以該電極為工作電極構建蘆丁電化學傳感器。該電化學傳感器對蘆丁表現出良好的分析性能，用于蘆丁片中蘆丁含量的檢測，取得了令人滿意的結果。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

CHI 832B 型電化學工作站，上海辰華儀器有限公司；JSM-7100F 型掃描電子顯微鏡，SEM，日本電子株式會社；JEM-2100F型透射電子顯微鏡，TEM，日本電子株式會社；Nicolet 6700傅里葉紅外光譜儀，FT-IR，美國賽默飛世爾科技有限公司；AXIS HIS 165 型X-射線光電子能譜分析儀，XRD，英國克雷斯托分析儀器公司；三電極系統：修飾玻碳電極為工作電極（f=3 mm）、Ag/AgCl為參比電極、鉑絲電極為輔助電極。

蘆丁，標準品，國藥集團化學試劑有限公司；蘆丁片，山西云鵬制藥有限公司；硝酸鋅、二甲基咪唑、N，N-二甲基甲酰胺，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；所用購試劑均為分析純；實驗過程中均使用超純水。

1.2 實驗方法

將16 mmol/L 2-甲基咪唑溶解在7.5 mL甲醇中并記為a溶液，將4 mmol/L六水合硝酸鋅溶解于15 mL的甲醇中并標記為b溶液。將a和b溶液分別超聲15 min后，向b溶液中緩慢滴加a溶液，持續攪拌1 h后，將其轉移到100 mL聚四氟乙烯內膽的反應釜中，120 ℃下反應4 h。離心分離并分別用甲醇和N，N-二甲基甲酰胺洗滌兩次，在70 ℃下真空干燥12 h后得到ZIF-8。將ZIF-8轉移到管式爐中，在氬氣保護、900 ℃下煅燒3 h（升溫速率為5 ℃/min）得到NPC，圖1為實驗合成NPC的流程圖。

取1.0 mL 2.0 mg/mL的NPC懸浮液和200 μL Nafion（5%）乙醇溶液，混勻后移取6.0 μL Nafion-NPC混合液滴涂在預處理好的GCE上，自然晾干后得Nafion-NPC/GCE。

圖1 NPC合成示意圖Figure 1 Synthesis diagram of NPC

2 結果與討論

2.1 電鏡表征結果

由圖2（A）和圖2（C）可知，ZIF-8晶體為正十二面體結構，平均粒徑為400 nm。圖2（B）和圖2（D）分別為NPC的SEM和TEM圖，NPC仍保持ZIF-8的形貌，但表面粗糙度增加并出現明顯的孔結構，其平均粒徑減小到300 nm左右且粒徑分布均勻。

圖2 ZIF-8（A）和NPC（B）的SEM圖，ZIF-8（C）和NPC（D）的TEM圖Figure 2 SEM images of ZIF-8(A)and NPC(B);TEM images of ZIF-8(C)and NPC(D)

2.2 光譜表征結果

ZIF-8的XRD譜圖如圖3（A）所示，其結果與文獻相符[12]，且衍射峰的強度大，說明ZIF-8具有很好的結晶性和相純度。NPC的XRD圖在22°有一個明顯的衍射峰，該峰屬于碳材料的（002）晶面衍射峰，說明NPC具有無序碳結構。

ZIF-8 的FT-IR 光譜如圖3（B）所示，在3135、2929 和1584 cm-1分別是咪唑芳族、C-H、C-N 的伸縮振動吸收峰，1437 cm-1是整個吡啶環的伸縮振動吸收峰，900～1350 cm-1則代表吡啶環的面內彎曲振動吸收峰，小于800 cm-1的吸收帶則是吡啶環的面外彎曲振動峰，420 cm-1處是Zn-N鍵的伸縮振動吸收峰。該譜圖與文獻一致[13]，說明ZIF-8被成功合成。NPC的FT-IR光譜表明，在1560 cm-1和1260 cm-1處的吸收峰為C-N和吡啶環的面內彎曲振動，而Zn-N特征峰消失，說明在高溫下Zn元素隨保護氣排出。

圖3 ZIF-8和NPC的XRD（A）和FT-IR（B）譜圖Figure 3 XRD patterns(A)and FT-IR spectrum(B)of ZIF-8 and NPC

2.3 蘆丁在不同修飾電極上的電化學行為

圖4為不同修飾電極在含50.0 μmol/L蘆丁溶液中的循環伏安（CV）曲線。在Nafion/GCE（a）上蘆丁有一對較小的氧化還原峰。而在GCE（b）上具有一對對稱性良好的氧化還原峰，說明高分子Nafion膜的存在阻礙了蘆丁的電子轉移。在Nafion-NPC/GCE（c）上出現一對穩定并且對稱的氧化還原峰，峰電流明顯增大，這是由于NPC具有較大的表面積和較強的導電性，有效的增強了電信號。

圖4 50.0 μmol/L蘆丁溶液在Nafion/GCE(a)，GCE(b)和Nafion-NPC/GCE(c)上的循環伏安圖Figure 4 Cyclic voltammograms of Nafion/GCE(a)，GCE(b)and Nafion-NPC/GCE(c)in 50.0 μmol/L rutin solution

2.4 電化學行為的研究

考察掃速對蘆丁電化學的影響，結果如圖5（A）所示。在掃速為50～600 mV/s范圍內均得到一對對稱的氧化還原峰且峰電位差逐漸增大，說明此過程為準可逆的氧化還原過程。在較大的掃速范圍內，峰電位與lnυ呈現出良好的線性關系，如圖5（C）所示，線性回歸方程分別為Epa（V）=0.514+0.0106 lnυ（γ=0.980）和Epc（V）=0.462-0.0077 lnυ（γ=0.984）。根據Laviron’s 方程[14]計算出電子轉移數（n）為1.7、電子傳遞系數（α）為0.98、速率常數（ks）為0.123 s-1。隨著掃速的增大，氧化還原峰電流隨之增加，氧化還原峰電流與掃速的線性方程分別為Ipa（μA）=-0.293-8.49υ（V/s）和Ipc（μA）=0.202+7.39υ（V/s），這表明蘆丁在電極表面發生的是吸附控制過程。

圖5 不同掃速（A）和不同pH值（B）下5 0.0 μmol/L蘆丁在Nafion-NPC/GCE上的循環伏安圖；（C）Ep與lnv的關系；（D）E0‘與pH的關系(a ～k:50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，600 mV/s.a ～g:2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)Figure 5 Cyclic voltammograms of 50.0 μmol/L rutin at different scan rates(A)and different pH(B)on Nafion-NPC/GCE;(C)The relationship of Ep and lnv;(D)The relationship of E0’and pH.(a ～k:50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，600 mV/s.a ～g:2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)

考察支持電解質pH值對蘆丁電化學行為的影響，結果如圖5（B）所示，當pH值等于3.0時，峰電流達到最大。隨著pH值的增大（2.0～8.0），峰電位和峰電流有非常明顯的變化，結果如圖5（D）所示，式電位（E0′）與pH值的線性關系方程為E0′=0.328-0.030 pH（γ=0.998），綜上所述，選擇0.1 mol/L pH 3.0的PBS溶液作為實驗的最佳條件。

2.5 檢測范圍和檢出限

用差分脈沖伏安法（DPV）對不同濃度的蘆丁進行電化學行為研究。結果如圖6（A）所示，隨著蘆丁濃度增加，氧化峰電流也隨之增加。在0.10～450.0 μmol/L內氧化峰電流（Ipa）與蘆丁的濃度（C）呈線性關系（圖6B），線性回歸方程為Ipa（μA）=-0.346-0.0152 C（μmol/L）（γ=0.996），檢測限為0.033 μmol/L（3σ）。

圖6 （A）不同濃度的蘆丁的DPV曲線，(a ～j:0.1，5.0，60.0，100.0，160.0，200.0，250.0，300.0，400.0，450.0 μmol/L)；（B）Ipa與C的線性關系Figure 6 (A)DPV curves of various concentrations of rutin(a ～j:0.1，5.0，60.0，100.0，160.0，200.0，250.0，300.0，400.0，450.0 μmol/L);(B)Relationship of Ipa with rutin concentrations

2.6 共存物質的影響

考察常見共存物質對50.0 μmol/L 蘆丁檢測的影響，結果表明0.5 mol/L Ba2+、Co2+、Ca2+、Cl-等無機離子、0.05 mol/L谷氨酰胺、葡萄糖等對蘆丁測定的影響很小，說明本方法具有較好的選擇性。

2.7 樣品分析

蘆丁片（B080302）的標識量為20 mg/片。蘆丁樣品的處理方法是將蘆丁片研磨成粉末狀，用無水乙醇溶解過濾后，定容至100 mL標記為樣品溶液。選用標準加入法測蘆丁的回收率，結果如表1所示。回收率為在98.18%～103.4%之間，表明該方法可以用于蘆丁樣品的檢測。

表1 蘆丁片中蘆丁含量的測定（n = 3）Table 1 Determination of rutin concentration in rutin tablets (n=3)

3 結論

采用溶劑熱法制備ZIF-8，以其為前驅體直接熱解合成氮摻雜多孔碳（NPC）材料。利用其具有的高導電性和高表面積的特征，以Nafion 為穩定劑將NPC 固定于GCE 上制得Nafion-NPC/GCE。蘆丁在Nafion-NPC/GCE上表現出較好的電化學響應，說明NPC能有效增強電極界面的電子傳輸能力，提高蘆丁在界面上的吸附量，從而提高傳感器的靈敏度、降低檢測限。