碳納米纖維糊電極電化學發光法測定甲硫噠嗪

摘 要 制備了基于碳納米纖維糊電極（CFPE）的新型電化學發光傳感器。運用電化學方法對CFPE進行了表征，并考察了三聯吡啶釕和甲硫噠嗪在此電極上的電化學行為和電化學發光行為。結果表明，該電極表現出很好的電化學活性和電化學發光響應?；诩琢驀}嗪對三聯吡啶釕電化學發光的增強作用， 建立了測定甲硫噠嗪的電化學發光新方法。實驗考察了緩沖溶液的pH值、濃度以及發光試劑三聯吡啶釕濃度對體系電化學發光的影響。在優化的實驗條件下，甲硫噠嗪濃度在2～40

范圍內與其增敏的三聯吡啶釕電化學發光強度呈線性關系（R＝0.998） ，檢出限為0.5

（S/N＝3）。對15

的甲硫噠嗪平行測定11次，其相對標準偏差為1.12%。本方法已成功用于尿樣中甲硫噠嗪的測定，其回收率為98.7%～105.4%，結果令人滿意。

關鍵詞 電化學發光； 碳納米纖維糊電極； 甲硫噠嗪； 三聯吡啶釕

1 引 言

電化學發光（ECL）是指通過電化學的方法在電極表面產生一些特殊的物質。 這些物質之間或與體系中其它組分之間通過電子傳遞形成激發態，由激發態返回到基態產生發光。ECL作為一種靈敏度高、選擇性好、簡便易控的分析方法廣泛應用于諸多領域。而且，它還作為檢測器與高效液相色譜和毛細管電泳技術聯用。作為研究最廣泛的發光試劑，三聯吡啶釕\\具有水溶性好、試劑穩定、氧化還原反應可逆、發光效率高、可電化學再生、可進行可逆單電子轉移反應及激發態壽命長等優點。Ru（bpy）2＋3-ECL已經應用于免疫分析、DNA分析以及許多藥物的分析檢測。

納米結構材料由于其依賴于尺寸和形狀的化學、物理特性，受到了人們越來越多的關注。碳納米管（CNTs）因其獨特的電子特性，優良的性能而作為一種理想材料廣泛應用于電催化和生物傳感領域。目前，已報道了許多將Ru（bpy）2＋3固定在CNTs上構建固態ECL傳感器的方法。近年來，碳納米纖維（CNFs）和石墨烯（Graphene）因性能優良也已成為構建生物傳感器的新型碳材料。同CNTs相似，CNFs也具有較高的機械強度、大的比表面積、良好的導電性、高的化學和熱穩定性。但與CNTs相比，CNFs外壁具有更多的邊界位點，利于電活性物質進行電子轉移。而且，由于CNFs具有較大的可功能化表面積，因此可在其表面固定蛋白質、酶、DNA等生物大分子，從而構建生物傳感器。Bertoncello等對基于ECL檢測中應用的納米結構材料進行了綜述，但將CNFs用于ECL方面的報道較少。因此，可以用CNFs作為化學修飾電極的新材料，提高ECL檢測的選擇性和靈敏度。

甲硫噠嗪（TR）是吩噻嗪類哌啶族抗精神病藥物，普遍用于精神分裂及其他精神疾病的治療。已得到證實：雖然TR具有抗精神抑郁的功效，但它在中樞神經系統會抑制多巴胺神經元作用，因此TR存在一系列潛在的副作用。為安全用藥，建立TR分析方法具有重要意義。目前，對TR的測定方法包括傳統的UV光譜法及高效液相色譜法，熒光光譜法、化學發光法、電化學檢測和毛細管電泳-安培檢測方法也有報道。目前，尚未見ECL方法用于TR檢測的報道。

本研究將CNFs粉末與液體石蠟混合，制作了性能優良的CNFs糊電極（CFPE）。根據TR對Ru（bpy）2＋3 ECL的增敏作用，成功建立了ECL檢測TR的新方法，CFPE表現出優良的分析性能。本方法應用于尿樣中TR的分析， 結果令人滿意。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

MPI-A型電致化學發光分析系統（西安瑞邁電子科技有限公司）；CHI 800電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）；實驗采用三電極系統：CFPE為工作電極， Pt絲為對電極，Ag/AgCl為參比電極（飽和KCl溶液）。

10 mmol/L TR標準儲備液（現用現配）：準確稱取0.0407 g TR-HCl（Sigma公司）， 用適量水溶解后定容至10 mL容量瓶中，冷藏于冰箱中備用；20 mmol/L三聯吡啶釕（Aldrich公司）儲備液：準確稱取0.1497 g六水合三（2，2-聯吡啶）氯化釕，用水溶解并定容于10 mL棕色容量瓶中，放入冰箱（4 ℃）中保存。實驗用水均為二次石英亞沸蒸餾水，其余試劑均為分析純試劑。

2.2 CNFs、碳糊電極（CPE）和CFPE的制備

CNFs的制備根據文獻\\的方法。簡述為以下兩步：通過電紡含聚丙烯腈（PAN）的DMF溶液制得PAN纖維； PAN纖維在高溫下經過穩定和持續的碳化過程形成CNFs。

在石英研缽中將碳粉與液體石蠟以質量比7∶3均勻混合，然后將碳糊填充到吸液管中（內徑：300

@ m； 深：0.8 cm），末端插入銅絲，最后在稱量紙上對電極表面拋光打磨，制得CPE。CFPE的制備同CPE的制作方法相似，但是CNF粉與液體石蠟的質量比為6∶4。所有電極在不使用時均在室溫下常規保存，使用前用水沖洗干凈。以此電極為工作電極進行電化學及ECL測試。

2.3 實驗方法

實驗在MPI-A型電致化學發光分析系統上進行。電解池中支持電解質為0.1 mol/L PBS （pH 7.0）和0.4 mmol/L Ru（bpy）2＋3。在電位0.2～1.40 V范圍內進行循環伏安（CV）掃描，記錄發光信號作為空白。在上述溶液中加入一定濃度的TR溶液，采用相同的方法測定ECL強度。記錄不同濃度TR標準溶液的相對ECL強度，以相對峰高對濃度進行線性回歸，同時對實際樣品進行分析測定。用工作站檢測池下方的光電倍增管收集待測樣品的ECL強度，光電倍增管偏置高壓為800 V，實驗在室溫下進行。

3 結果與討論

3.1 CPE和CFPE的電化學（EC）行為

選擇CV法考察CNFs的電化學性質。圖1所示分別為CPE和CFPE在0.5 mol/L KCl +5 mmol/L K3\\溶液 圖1 CPE （a） 和CFPE （b） 在5 mmol/L

K3\\＋0.5 mol/L KCl溶液中掃描的循環伏安圖

Fig．1 Cyclic voltammograms（CVs） of 5 mmol/L K3Fe（CN）6＋ 0.5 mol/L KCl on carbon paste electrode（CPE） （a） and carbon nanofiber paste electrode（CFPE）（b） 

Scan rate， 100 mV/s.中獲得的典型的電化學響應。在CPE上，峰峰電位差（ΔEp）為143 mV；而在CFPE上，氧化還原峰峰型更接近可逆，ΔEp降至64 mV，同時其氧化峰峰電流比CPE上的高1.5倍。結果表明：CFPE具有更好的可逆性和更高的靈敏度。該電極具備這些優點的原因歸結于CNFs具有較大的表面活性面積，并且它的網絡狀結構利于電子轉移動力學。同時，在上述溶液中對CNFs粉與液體石蠟質量比不同的CFPE進行考察，發現當二者質量比為6∶4時，CFPE的性能最好。因此，實驗中選擇質量比為6∶4的CNFs粉與液體石蠟進行混合， 制作CFPE。

分別測定了CPE和CFPE在pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）、PBS-Ru（bpy）2＋3和PBS-Ru（bpy）2＋3-TR溶液中的EC和ECL信號。結果如圖2A，觀察CV曲線，溶液中加入Ru（bpy）2＋3后，在CPE和CFPE上都可觀察到一個典型的Ru（bpy）2＋3氧化還原可逆峰；加入TR后，得到3個氧化峰。前兩個峰出現在0.7和0.9 V附近，是TR的氧化峰；第3個峰

圖2 Ru（bpy）2＋3和TR在CPE/CFPE上的CV圖和其相對應的ECL曲線

Fig．2 CVs and corresponding ECL-potential curves of 1 mmol/L Ru（bpy）2＋3 in the absence （a， b， a′， b′） and presence （c， d， c′， d′） of 125

thioridazine（TR） onCPE（a， c， a′， c′） and CFPE （b， d， b′， d′） in 100 mmol/L PBS （pH 7.0）

Scan rate， 100 mV／s; PMT， 800 V.

出現在1.1 V附近，是TR與Ru（bpy）2＋3之間的ECL反應所致。同時，電極電流顯著增強，可知TR對Ru（bpy）2＋3的ECL反應有明顯的增強作用。同在CPE上相比，TR在CFPE上的氧化峰電流更高，說明CFPE具有較高的電催化能力。

如圖2B相對應的ECL曲線所示，加入Ru（bpy）2＋3后，在CPE上有比較弱的ECL信號；而加入TR后，ECL響應在1.0～1.3 V范圍內明顯增加，說明TR對Ru（bpy）2＋3 ECL有顯著的增強作用。同時，其ECL強度在1.2 V附近出現最高值，這正對應于Ru（bpy）2＋3的氧化峰電位。表明Ru（bpy）2＋3的氧化過程在TR的ECL反應中起著重要作用。Ru（bpy）2＋3 與TR在CFPE上的ECL行為同它們在CPE上的ECL行為相似，但其ECL強度更高。這表明與CPE相比，CFPE對TR-Ru（bpy）2＋3的ECL反應具有較好的電催化作用，可見CFPE具備更優良的EC和ECL分析性能。使用CFPE可以提高檢測的靈敏度。因此， 基于該電極構建了靈敏檢測TR的ECL傳感器。

3.3 實驗條件的優化

3.3.1 緩沖溶液對ECL的影響 緩沖溶液介質是影響ECL的重要因素。Ru（bpy）2＋3 ECL反應對pH值的變化很敏感。如圖3所示，考察了pH 6.0～8.5范圍的PBS體系對Ru（bpy）2＋3及Ru（bpy）2＋3-TR 的ECL反應的影響。結果表明，pH 6.0時，Ru（bpy）2＋3空白信號與TR增敏的Ru（bpy）2＋3的ECL響應均較弱；隨著pH值增大，發光強度逐漸增強。pH 7.0時，ECL強度達到最大，而再繼續增大pH值，發光強度逐漸降低。此結果可能的原因是：TR是三級胺，其氨基N上有一對孤對電子，在酸性溶液中易與H＋結合生成正離子；在堿性環境中，由于OH－易發生氧化還原反應產生O2，使得Ru（bpy）2＋3的氧化效率和體系的穩定性降低。因此，實驗中選擇pH 7.0的PBS。考察了緩沖溶液濃度對ECL強度的影響，結果見圖4。當PBS濃度從10 mmol/L增至100 mmol/L時，TR增敏的Ru（bpy）2＋3 ECL信號隨之增高；當其濃度超過100 mmol/L時，ECL信號趨于穩定。為了獲得最佳的信噪比和重現性， PBS濃度選擇為100 mmol/L。

圖3 緩沖溶液pH值對ECL強度的影響

Fig．3 Effect of pH on ECL intensity

1 mmol/L Ru（bpy）2＋3 in 50 mmol/L PBS （pH in the range of 6.0～8.5） with （a） and without 125

TR （b） on CFPE. Other conditions were the same as in Fig．2.

圖4 緩沖溶液濃度對ECL強度的影響

Fig．4 Effect of buffer concentration on ECL intensity

1 mmol/L Ru（bpy）2＋3 in 10～125 mmol/L PBS （pH 7.0） with 125

 TR on CFPE（Other conditions were the same as in Fig．2）.

3.3.2 Ru（bpy）2＋3濃度的選擇 Ru（bpy）2＋3濃度的高低對能否獲得強而穩定的ECL信號起著重要作用。考察了Ru（bpy）2＋3濃度 圖5 檢測TR的ECL曲線和線性回歸曲線

Fig．5 ECL curves for determination of TR

Solution: pH 7.0 PBS containing 0.4 mmol/L Ru（bpy）2＋3; scan rate: 100 mV／s. The inset was corresponding calibration curve．

在0.2～0.8 mmol/L范圍內對信噪比（S/N）的影響。實驗發現，Ru（bpy）2＋3 ECL背景信號和TR增敏的Ru（bpy）2＋3 ECL信號都隨著Ru（bpy）2＋3濃度的增加而逐漸增大，但S/N并沒有呈現這種變化趨勢。當Ru（bpy）2＋3濃度由0.2 mmol/L增至0.4 mmol/L時，S/N隨之增大；而在Ru（bpy）2＋3濃度大于0.4 mmol/L時，S/N逐漸減小。即當Ru（bpy）2＋3濃度為0.4 mmol/L，可獲得最大信噪比。因此， Ru（bpy）2＋3濃度選擇為0.4 mmol/L。

3.4 分析特性

在上述的最佳實驗條件下，TR增敏的Ru（bpy）2＋3 ECL強度值與TR的濃度在2～40

范圍內呈線性關系（圖5），線性回歸方程為IECL （counts） ＝（3857±17.50）＋（2976±0.83）C （

），相關系數為0. 998; 檢出限為0.5

。平行測定15

 TR 11次，相對標準偏差RSD為1.12%。此結果表明： 本實驗建立的ECL測定TR的方法具有高的靈敏度和穩定性。

3.5 干擾實驗

在實驗條件下，考察了在CFPE上可能對TR測定產生干擾的物質。以測量誤差＜5%為標準，結果表明：500倍的Na＋，K＋，Cl－，NO－3，Br－，SO2－4；200倍的葡萄糖；20倍的抗壞血酸和尿酸，不干擾TR的取健康女性的尿樣樣本，在分析前使用0.22

@ m濾膜簡單過濾，然后用pH 7.0 的PBS稀釋至50倍，降低離子強度的影響。加入不同濃度TR，其分析結果如表1所示。實驗表明，本檢測方法

不受尿樣中復雜成分的干擾，可用于測定尿樣中TR。

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

Electrochemiluminescence Determination of

Thioridazine Based on Carbon Nanofiber Paste Electrode



XU Lei1， LIU Yang1， HOU Hao-Qing2， YOU Tian-Yan1

1（State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry， Changchun Institute of Applied Chemistry，

Chinese Academy of Sciences， Changchun 130022）

2（College of Chemistry and Chemical Engineering， Jiangxi Normal University， Nanchang 330027）



Abstract A carbon nanofiber paste electrode （CFPE） was employed for fabrication of electrochemilumunescence （ECL） sensor. The performance of CFPE was characterized by cyclic voltammetry. The electrochemical and ECL behaviors of Ru（bpy）2＋3 and thioridazine （TR） were investigated. The electrode showed an excellent electrochemical activity and ECL response. Based on the fact that the light emission of the ECL sensor could be enhanced by TR dramatically， a new method has been established for the determination of TR. The effects of pH value and concentration of buffer， Ru（bpy）2＋3 were studied respectively. Under the optimum experimental conditions， the ECL sensor exhibited excellent linear response to TR ranging from 2 to 40

（R＝0.998） and a low detection limit of 0.5

 （S/N＝3）. The relative standard deviation was 1.1% for 15

TR （n＝11）. The established method was successfully applied for the determination of TR in urine sample with satisfactory results， and the recovery was between 98.7% and 105.4%. 

Keywords Electrochemiluminescence; Carbon nanofiber paste electrode; Thioridazine; Tris（2，2′-bipyridyl）ruthenium

（Received 23 July 2010; accepted 1 November 2010）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文