基于硫化鈷鎳/多壁碳納米管復合材料的電化學傳感器檢測蘆丁

關鍵詞蘆丁；硫化鈷鎳；多壁碳納米管；電化學傳感器

蘆丁是一種黃酮類化合物，主要存在于蕓香葉、煙草、蕎麥和苦蕎等植物中。蘆丁具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗腫瘤和抗糖尿病等特性，可促進毛細血管血液循環，提高人體對胰島素的敏感度，有效預防高血壓，增強維生素C的活性，具有良好的抗氧化作用[1-3]，在醫學領域應用廣泛。測定蘆丁的常用方法有毛細管電泳法[4]、高效液相色譜法[5]、比色法和熒光光譜法[6]、電化學分析法[7]和紫外分光光度法[8]等。其中，電化學分析法因具有操作簡便、檢測成本低、快速和準確度高等優點而被廣泛應用。Huang等[9]利用碳化鉬和多壁碳納米管（MWCNT）復合材料構建了一種快速檢測利福平的電化學傳感器。蘆丁中存在黃酮類糖苷基，其電化學活性較高，可以較好地進行電化學反應。Xing等[10]利用酞菁鈀-MWCNT-全氟磺酸型聚合物修飾玻碳電極（GCE），實現了食品樣品中蘆丁的靈敏檢測。

硫化鈷鎳（NiCo2S4）三元材料具有能量密度高和安全性好等優點。將NiCo2O4硫化形成NiCo2S4可以獲得更多的活性位點，從而促進電子轉移，調節電子結構，使NiCo2S4具備更高的導電性[11]。其次，NiCo2S4制備成本低、對環境友好，相較于單一硫化物（如硫化鈷和硫化鎳等），NiCo2S4雙金屬離子之間的協同作用使其具有更優異的電化學性能[12]。但是，NiCo2S4的結構穩定性較差，在進行電化學反應過程中，其體積易發生團聚和變形，導致其倍率性能和循環穩定性較差，在空氣中長期放置后，其結構易發生改變，出現“失活”現象[13]。

MWCNT具有高導電性，是一種潛在的天然熱電材料[9，14]。大量研究表明，通過雜化、復合和摻雜等方法將MWCNT負載到高分子聚合物材料中，可以有效提高載體的電導率，進而使得MWCNT/高分子聚合物復合材料的功率因子大幅提高[15]，例如，Li等[16]將金屬磺酰基芳烴配合物分散引入MWCNT合成復合材料，提高了整體材料的電催化活性和導電性，并構建出了一種測定蘆丁含量的電化學技術平臺；Shi等[17]將鉬酸鉍（Bi2MoO6）納米材料與羧基化多壁碳納米管（MWCNTs-COOH）混合，二者的協同效應提高了材料的拉伸強度和導電性能，并成功應用于抗生素諾氟沙星的測定。本研究將MWCNT與NiCo2S4復合制備了NiCo2S4/MWCNT復合材料，二者之間具有協同效應。MWCNT可優化復合材料的導電性和穩定性，使NiCo2S4/MWCNT復合材料具有良好的電化學性能。利用此復合材料修飾GCE，構建了一種電化學傳感器（圖1），并采用循環伏安法和方波伏安法（SWV）研究了蘆丁在NiCo2S4/MWCNT修飾電極上的電化學性能。結果表明，此傳感器對蘆丁表現出較好的敏感性，可用于檢測復方蘆丁片和珍菊降壓片等實際樣品中蘆丁的含量。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

EVO-18掃描電子顯微鏡和能譜儀（SEM/EDS，德國卡爾蔡司股份公司）；D8X射線衍射儀（XRD，德國布魯克公司）；ThermoK-AlphaX射線光電子能譜（XPS，美國賽默飛世爾科技公司）；KQ-300DB型超聲波清洗機（上海越眾儀器設備有限公司）；CHI760E電化學工作站（上海辰華儀器有限公司），電化學測試采用三電極體系，其中工作電極為GCE，輔助電極為鉑柱電極，參比電極為Hg/HgCl電極。

蘆丁標準品（95%，上海強順化學試劑有限公司）；MWCNT（10～20nm，gt;99.9%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；珍菊降壓片（蘆丁含量為20mg/片，亞寶藥業集團股份有限公司）；復方蘆丁片（蘆丁含量為20mg/片，世貿天階制藥（江蘇）有限責任公司）。0.1mol/L磷酸鹽緩沖溶液（PBS，pH=3.0）由NaH2PO4和Na2HPO4配制而成。其它試劑均為分析純；實驗用水為去離子水。

1.2實驗方法

1.2.1NiCo2S4的制備

采用水熱法[18]合成NiCo2S4。將Co（NO3）2·6H2O（0.582g）、Ni（NO3）2·6H2O（0.290g）和尿素（1.201g）溶于60mL水中，持續攪拌1h使其混合均勻。將混合溶液裝入聚四氟乙烯內襯反應釜中，于140℃水熱反應12h。反應結束后取出，將產物用水洗滌3次，在85℃下真空干燥12h得到前體NiCo2O4。將0.200gNiCo2O4和1.000gNa2S·9H2O溶于60mL水中，超聲5min后，持續攪拌1h，轉入反應釜中，160℃水熱反應12h。結束硫化反應后，將產物用水洗滌3次，在80℃下真空干燥12h，得到NiCo2S4材料。

1.2.2NiCo2S4/MWCNT復合材料的制備

將10mgNiCo2S4和10mgMWCNT分散于1mL無水乙醇中，超聲1h，于避光環境中靜置24h，獲得混懸液，使用無水乙醇將其離心洗滌3次，所得產物置于60℃真空干燥箱中干燥6h，得到NiCo2S4/MWCNT復合材料。

1.2.3修飾電極的制備

將1mgNiCo2S4/MWCNT復合材料超聲分散于1mL水中，制得NiCo2S4/MWCNT懸濁液（1mg/mL）。GCE（Φ=3mm）修飾前，用Al2O3拋光粉打磨至表面光滑呈鏡面，水洗后用N2吹干。移取5μLNiCo2S4/MWCNT懸濁液滴至表面處理干凈的電極表面，靜置，自然晾干，即得到NiCo2S4/MWCNT修飾GCE（NiCo2S4/MWCNT/GCE）。作為對比，采用同樣的方法制備NiCo2S4修飾GCE（NiCo2S4/GCE）和MWCNT修飾GCE（MWCNT/GCE）。

1.2.4電化學實驗方法

在10mLPBS緩沖溶液（pH3.0，0.1mol/L）中，加入100μL不同濃度的蘆丁標準溶液，孵育40s后，采用SWV在–0.20～0.60V范圍內掃描，繪制標準曲線。實際樣品測定時，在PBS緩沖溶液中加入適量樣品溶液，采用本方法測定。電化學阻抗測試在5mmol/L[Fe（CN）6]3–/4–溶液（含0.1mol/LKCl）中進行，工作電位為0.19V。

2結果與討論

2.1材料的SEM與XRD表征

采用SEM對NiCo2S4及NiCo2S4/MWCNT復合材料的表面形貌進行了表征。NiCo2S4表面呈圓球花狀（圖2A），提供了大的附著面積；MWCNT為管狀纏繞狀（圖2B）；由NiCo2S4/MWCNT復合材料SEM圖（圖2C）可見，NiCo2S4上均勻地附著了大量的MWCNT。此外，通過X射線衍射儀（XRD）對NiCo2S4、MWCNT和NiCo2S4/MWCNT復合材料進行了分析，如圖2D所示，NiCo2S4在2θ=31.5°、38.2°和55.2°處有3個特征峰[19]，分別對應（311）、（400）和（440）晶面；MWCNT在2θ=25.9°和42.6°處呈現2個特征峰，分別對應（002）和（100）晶面[20]；NiCo2S4/MWCNT復合材料出現了NiCo2S4和MWCNT材料的特征峰，表明成功合成了NiCo2S4/MWCNT復合材料。

2.2材料的XPS表征

采用XPS分析了NiCo2S4/MWCNTs復合材料的化學成分。圖3A顯示了復合材料的元素結合能。NiCo2S4/MWCNTs中C、S、Co和Ni元素的放大圖如圖3B～圖3E所示。在C1s的高分辨率掃描圖（圖3B）中，284.5和286.8eV處的譜峰分別對應MWCNTs的C—C和C=C。在S2p的高分辨率掃描圖（圖3C）中，169.3和164.1eV處的譜峰分別對應NiCo2S4的S2p1/2和S2p3/2；在Co2p的高分辨率掃描圖（圖3D）中，783.8和800.5eV處的譜峰分別對應Co2p3/2和Co2p1/2；在Ni2p的高分辨率掃描圖（圖3E）中，859.3和878.7eV處的譜峰分別對應Ni2p3/2和Ni2p1/2。此外，采用EDS對NiCo2S4/MWCNT復合材料進行元素分析，在圖3F中可觀察到非常明顯的C、O、Ni、Co和S元素峰，其中，C的強峰來源于MWCNTs，S、Ni和Co的強峰來源于NiCo2S4，說明成功制備了NiCo2S4/MWCNTs復合材料。

2.3不同修飾電極的電化學性能考察

在10mL5.0mmol/L的[Fe（CN）6]3–/4–溶液（含0.1mol/LKCl）中，工作電位為0.19V、頻率范圍1～105Hz和振幅為0.005V的條件下，采用電化學交流阻譜探究了不同修飾電極表面電子轉移速率的差異，結果如圖4A所示，各材料修飾電極的阻值大小順序為NiCo2S4/GCEgt;GCEgt;MWCNT/GCEgt;NiCo2S4/MWCNT/GCE。MWCNT具備良好的導電性，使得NiCo2S4/MWCN/GCE表現出較小的阻抗，大大加快了NiCo2S4/MWCNT/GCE表面的電子轉移速率，這可能是由于MWCNT與NiCo2S4之間的協同效應，提高了復合材料的電子傳輸效率。此結果進一步表明成功合成了NiCo2S4/MWCNT復合材料。研究了不同修飾電極對蘆丁的循環伏安行為（圖4B）。在含有38.5μmol/L蘆丁的PBS溶液（pH=7.0）中，掃速為0.1V/s時，電極表現出明顯的氧化還原峰，其中，NiCo2S4/MWCNT/GCE的氧化峰電流為7.65μA，為MWCNT/GCE的3.6倍、Bare/GCE的9.6倍和NiCo2S4/GCE的11倍，表明NiCo2S4/MWCNT/GCE對蘆丁具有良好的電催化性能。采用計時庫侖法研究了電荷量（Q）與電位脈沖寬度（t）、Q與t1/2的關系，結果如圖4C和4D所示，GCE、NiCo2S4/GCE、MWCNT/GCE和NiCo2S4/MWCNT/GCE的電荷量-電位脈沖寬度平方根（Q-t1/2）關系方程分別為Qa（μC）=76.4t1/2（s1/2）–9.51（R2=0.9986）、Qb（μC）=7.16×102t1/2（s1/2）–3.92（R2=0.9982）、Qc（μC）=1.75×102t1/2（s1/2）–30.2（R2=0.9905）和Qd（μC）=1.32×103t1/2（s1/2）–49.8（R2=0.9999），根據Anson公式[21]計算電極的有效面積：

其中，F為法拉第常數（96485C/mol）；A為有效工作面積（cm2）；C為溶液濃度（mmol/L）；n為電子轉移數；D為擴散系數（7.6×10–6cm2/s）。結果表明，GCE、NiCo2S4/GCE、MWCNT/GCE和NiCo2S4/MWCNT/GCE電極的有效面積分別為0.25、2.34、0.57和4.32cm2，NiCo2S4/MWCNT/GCE的有效工作面積約為GCE的17倍，復合材料較大的有效工作面積為電極提供了更大的電化學活性面積。

2.4蘆丁在NiCo2S4/MWCNT/GCE上的電化學行為

在10mL0.1mol/LPBS溶液（含38.5μmol/L蘆丁）中，研究了0.1～1.0V/s掃描速率范圍內NiCo2S4/MWCNT/GCE上的循環伏安行為。如圖5A所示，掃速為0.1V/s時，氧化峰與還原峰電位分別位于0.47和0.43V處，兩峰基本對稱，隨著掃描速率（v）增大，氧化峰電位（Epa）逐漸正移，而還原峰電位（Epc）逐漸負移；氧化峰電流（Ipa）和還原峰電流（Ipc）均隨著v增大而增大，并且與v1/2呈良好的線性關系。如圖5B所示，線性方程分別為Ipa（μA）=58.8v1/2（V/s）1/2–8.29（R2=0.9986）和Ipc（μA）=–74.5v1/2（V/s）1/2+1.33（R2=0.9960），表明蘆丁在NiCo2S4/MWCNT/GCE表面的氧化還原反應受擴散控制[22]。lnv與Epa和Epc的關系如圖5C所示，線性方程分別為Epa（V）=2.29×10–2ln[v（V/s）]+0.5208（R2=0.9862）和Epc（V）=–2.40×10?2ln[v（V/s）]+0.3783（R2=0.9855）。根據Laviron方程[23]計算α和n：

其中，R為理想氣體常數（8.314J/（mol·K））；T為熱力學溫度（K）；Eθ′為形式電位；F為法拉第常數（96485C/mol）；α為電荷轉移系數；n為電荷轉移數。通過計算得出α=0.51，n=2.19≈2。

2.5pH值的優化

在10mL0.1mol/LPBS溶液（含38.5μmol/L蘆丁）中，采用微分脈沖伏安法（DPV）探究了酸堿度（pH1.0～8.0）對峰電位及峰電流的影響。如圖6所示，氧化峰電流在pH=3.0的PBS中達到最大值，因此后續實驗采用pH=3.0的PBS。在pH3.0～8.0范圍內，氧化峰電位隨pH值增加而負移，表明質子參與了電化學反應，而蘆丁有4個酚羥基，由于在堿性條件下缺乏質子，電化學反應進行較困難。此外，氧化峰電位與pH值呈良好的線性關系，線性方程為Epa（V）=–0.0567pH+0.589（R2=0.9982），斜率的絕對值為54.70mV/pH，與能斯特理論值（59.20mV/pH）[24]接近，表明蘆丁在NiCo2S4/MWCNT/GCE表面上的電化學氧化反應過程的電子轉移數（n）與質子轉移數（m）相等，因此，可得出質子轉移數m=n=2，說明此電化學氧化還原過程涉及2個電子和2個質子，與文獻[16]報道的結果一致，由此推測出蘆丁在電極上的反應方程式，如圖7所示。

2.6標準曲線的繪制

在pH=3.0的PBS中，設置電位窗為0.2～0.6V，采用SWV檢測不同濃度的蘆丁在NiCo2S4/MWCNT/GCE上的響應信號。結果表明，隨著蘆丁濃度增大，0.42V處的峰電流值逐漸增強，表明采用NiCo2S4/MWCNT/GCE檢測蘆丁是可行的。如圖8A所示，在0.06～14.8μmol/L范圍內，蘆丁濃度與峰電流呈良好的線性關系（圖8B），曲線方程為I（μA）=6.39C+0.14（R2=0.9972），檢出限（LOD=3SD/K）為14.3nmol/L。與文獻[10，25-28]報道的檢測蘆丁的方法相比，本方法具有較寬的線性范圍和較低的檢出限（表1）。

2.7重現性、穩定性和抗干擾性

為了考察此傳感器的重現性，在相同的實驗條件下，制備5根NiCo2S4/MWCNT/GCE電極，利用其檢測0.5μmol/L蘆丁溶液（圖9A），峰電流的相對標準偏差（RSD）為3.93%，表明此傳感器具有良好的制備重現性。采用同一根電極在相同的實驗條件下連續測定相同濃度的蘆丁10次（圖9B），峰電流的RSD為0.42%，說明此電極具有良好的穩定性和重現性。將此電極于4℃保存1個月后，在相同條件下測定蘆丁，得到的峰電流值為初始峰電流值的92.2%，說明此傳感器的長期穩定性良好。考察了樣品中可能存在的干擾組分對傳感器測定蘆丁的影響，包括氫氯噻嗪（Hydrochlorothiazide，HCTZ）、鹽酸可樂定（Clonidinehydrochloride，CH）、維生素C（VitaminC，VC）、葡萄糖（Glucose，GL）、檸檬酸（citricacid，CA）、淀粉（Starch，ST）、甘露醇（Mannitol，MA）、酪氨酸（Tyrosine，TY）、精氨酸（Arginine，AR）、Na+、Ca2+、K+和Cl–。結果表明，利用此傳感器檢測含有0.1μmol/L蘆丁與10μmol/L以上干擾物質的PBS溶液（圖9C），響應電流的相對誤差（Er）的絕對值均小于5%，表明上述常見的干擾物對蘆丁的檢測無明顯干擾，傳感器具備良好的抗干擾能力。

2.8實際樣品中蘆丁的檢測

利用此傳感器采用SWV方法對市售的復方蘆丁片和珍菊降壓片中的蘆丁含量進行檢測，同時進行加標回收實驗，結果見表2。三個加標水平下蘆丁的回收率為99.5%～102.0%，RSD為1.06%～3.19%，表明本方法的檢測結果可靠，可應用于實際樣品中蘆丁含量的檢測。

3結論

利用NiCo2S4/MWCNT復合材料修飾GCE，構建了一種用于蘆丁檢測的電化學傳感器。結果表明，相較于GCE電極，NiCo2S4/MWCNT/GCE具有較大的電活性面積，可有效提高材料的電子轉移速率，對蘆丁表現出良好的電催化能力。蘆丁在NiCo2S4/MWCNT/GCE上遵循雙電子和雙質子的電化學反應過程。本方法檢測蘆丁的線性范圍為0.06～14.8μmol/L，檢出限為14.3nmol/L。本方法檢測線性范圍寬、檢出限低、靈敏度高、重現性和穩定性好、抗干擾性良好，可應用于復方蘆丁片和珍菊降壓片等實際樣品中蘆丁含量的檢測。