中空介孔碳球修飾的絲網印刷碳電極用于尼古丁的電化學檢測

趙紅莉，李小慶，施立波，劉 莉，藍閩波，張 乾

(1.華東理工大學 化學與分子工程學院，上海 200237;2.上海煙草集團有限責任公司，上海 200082)

中空介孔碳球修飾的絲網印刷碳電極用于尼古丁的電化學檢測

趙紅莉1*，李小慶1，施立波1，劉 莉1，藍閩波1，張 乾2

(1.華東理工大學 化學與分子工程學院，上海 200237;2.上海煙草集團有限責任公司，上海 200082)

將一步法合成的中空介孔碳球(HMCS)修飾在絲網印刷碳電極(SPCE)上，得到了用于尼古丁電化學檢測的新型電極(HMCS/SPCE)。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、粉末X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)以及拉曼光譜等方法對HMCS及修飾電極HMCS/SPCE進行表征。由于HMCS具有較大的電化學活性面積和良好的導電性，修飾電極HMCS/SPCE對尼古丁表現出良好的電催化活性。在優化實驗條件下，電極HMCS/SPCE對尼古丁的檢測線性范圍為0～500 μmol/L，靈敏度為0.850 mA /(cm2·mmol·L-1)，檢出限為0.058 μmol/L。制備的傳感器具有重復性好、穩定性高等特點，可用于實際煙草樣品中尼古丁的檢測。

中空介孔碳球;絲網印刷碳電極;尼古丁;電化學傳感器

尼古丁(Nicotine，1-甲基-2-(3-吡啶基)吡咯烷)即煙堿，是一種在煙草中含量較高的生物堿。尼古丁具有一定的藥理學作用，它能作用于人腦的中樞神經系統，使人情緒高漲，精神興奮。然而，長期過度攝入尼古丁將會產生諸多潛在危害，如可引發慢性堵塞性肺病、動脈粥樣硬化血管疾病等[1]。因此，對尼古丁的含量進行定量檢測具有重要意義。

鑒于介孔碳在電化學傳感器應用中表現出的良好性能，本文制備了中空介孔碳球修飾的絲網印刷碳電極(HMCS/SPCE)，構建了新型電化學傳感界面，用于尼古丁的電化學檢測。實驗還制備了多壁碳納米管(MWCNT)修飾的絲網印刷碳電極(MWCNT/SPCE)作為對照。結果表明，相比MWCNT/SPCE，HMCS/SPCE電極對尼古丁具有更高的檢測靈敏度，且構建的傳感器重復性和穩定性良好，可用于實際煙草樣品中尼古丁的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI 1040B、CHI 660D電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)，檢測裝置由三電極系統組成：修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極。S-4800場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，日立公司，Japan);JEM-1400透射電子顯微鏡(TEM，JEOL公司，Japan);D/MAX-2550轉靶X射線多晶衍射儀(XRD，Rigaku Co.,Japan);ESCALAB-250Xi X射線光電子能譜(XPS，Thermo-Fisher，USA);InVia Reflex激光顯微拉曼光譜儀(Renishaw Co.,UK);ASAP2010比表面及孔徑分析儀(Micromeritics公司，USA);Agilent 7890A GC/5975C MSD氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS，安捷倫公司，USA)。

尼古丁標準樣品(含量為98.54%，上海經科化學有限公司)，配成1 mg/mL的尼古丁標準樣品溶液用于檢測;正硅酸丙酯(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);多壁碳納米管(管徑10～20 nm，管長1～2 μm;深圳市納米港有限公司)。其余試劑均為分析純，未進一步處理;實驗用水為超純水(18.2 MΩ ·cm)。

1.2 中空介孔碳球(HMCS)的制備

HMCS的制備方法參照文獻[14]：6.92 mL正硅酸丙酯(TPOS，12 mmol)與140 mL 乙醇、20 mL水和6 mL氨水(25%)混合，室溫下攪拌15 min后，向混合液中加入0.8 g 間苯二酚和6.92 mL甲醛溶液(37%)，室溫下反應24 h。所得產物依次用乙醇和水洗滌，50 ℃真空干燥。將干燥后的產物煅燒(700 ℃，5 ℃·min-1，氮氣保護) 5 h，再與2 mol/L氫氧化鈉于80 ℃反應3～4 h去除二氧化硅，洗滌干燥后即得產物HMCS。

1.3 多壁碳納米管(MWCNT)的酸處理

稱取1 g MWCNT，加入30 mL濃硝酸和30 mL濃硫酸，超聲混合，80 ℃下攪拌回流2 h。冷卻后，溶液用1 000 mL水稀釋，靜置過夜。傾去上清液，剩余混合物離心、抽濾、洗滌至中性，產物于50 ℃下真空干燥得到酸化的MWCNT[15]。

1.4 電極的修飾

實驗室自制的絲網印刷碳電極(SPCE)作為工作電極，與鉑電極、Ag/AgCl電極構成三電極系統，于0.5 mol/L硫酸溶液中循環伏安掃描40圈，電位窗口為1.5～2.0 V。活化后的SPCE電極用水清洗，干燥后待用。

將合成的HMCS和酸化的MWCNT分別配成1 mg/mL的溶液，取10 μL滴涂于處理過的SPCE電極表面，室溫干燥，得到的修飾電極分別記為HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE，待用。

1.5 實際樣品的制備

購得兩種不同品牌的香煙，按如下方法處理：取出卷煙煙草，在40 ℃下干燥2～3 h。稱取0.4 g 煙草樣品于40 mL乙醇中，超聲分散3 h，過濾，所得濾液為尼古丁實際樣品溶液，于4 ℃下保存待用。

1.6 電化學測試方法

循環伏安法(CV)、計時電流法(I～t)和計時電量法(Q～t)在CHI 1040B電化學工作站上進行。電極材料的電化學行為以及對尼古丁的定性測試采用CV 方法;修飾電極對尼古丁的定量測試采用I～t法，在特定的電位下，每隔50 s向5 mL 磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH 7.4)中連續加入一定量的尼古丁，直至飽和;電極修飾材料的電化學活性面積測試采用Q～t法，在含有1 mol/L KCl的0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中測試并計算。電化學交流阻抗譜(EIS)在CHI 660D電化學工作站上進行，在含有0.1 mol/L KCl 的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中檢測。

2 結果與討論

2.1 材料的制備及表征

圖1C為MWCNT和HMCS的XRD圖，圖中MWCNT在2θ值為26°處的特征峰對應為(002)晶面，為碳納米材料的石墨化結構[16];而HMCS的XRD圖則無明顯的峰，表明該材料為無定型碳。圖1D為材料的拉曼表征結果，由圖可知，MWCNT和HMCS的拉曼圖譜均有1個明顯的D和G峰，出峰位置分別在1 350.71、1 597.91 cm-1處。D峰是碳材料中的缺陷或不規則結構，G峰是拉曼活性E2g切線模式，主要是由于單晶石墨片相鄰的碳原子向相反方向移動形成的振動模式，表明D峰和G峰的相對強度之比和石墨化碳的缺陷位點相關[17]。由計算結果可知，HMCS的ID/IG值為1.510，高于MWCNT的值0.911 2，表明合成的HMCS的邊緣缺陷比MWCNT多，具有更好的導電性，更有利于電子傳遞[18]。

圖2 MWCNT和HMCS的XPS總圖(A)， MWCNT(插圖B)與 HMCS(插圖C)中C1s的分峰圖Fig.2 XPS spectra of MWCNT and HMCS(A); high-resolution XPS of C1s in MWCNT(insert B) and HMCS(insert C)

2.2 修飾電極的電化學表征

采用CV掃描以及EIS法對修飾電極的電化學性能進行表征。圖3A為在含有0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中對修飾電極進行CV掃描(電位窗口-0.2～0.7 V，掃速20 mV/s)的曲線圖。由圖所示，修飾電極MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的峰電流遠大于裸電極SPCE，這表明碳納米材料的修飾能夠極大地增強電極的導電性能。HMCS/SPCE電極的峰電流大于MWCNT/SPCE電極，說明HMCS的導電性優于MWCNT。圖3B為電極SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的EIS圖。通過比較圖中半圓的大小可知，3種電極的電阻由大到小依次為SPCE、MWCNT/SPCE和 HMCS/SPCE，證明HMCS的導電性好于MWCNT。電極材料的導電性是實現尼古丁電化學檢測的關鍵因素，這是因為良好的導電性有利于尼古丁電化學反應過程中的電子更快地轉移，從而提高檢測的靈敏度。

圖4 電極SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的Q～t圖Fig.4 Q-t plots of the bare SPCE, MWCNT/SPCE and HMCS/SPCE 0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]containing 1 mol/L KCl;potential window:-0.1～0.3 V;the time of sample interval:1.0×10-5 s;insert：relationship between Q and t1/2

使用計時電量法(Q～t)檢測修飾電極的有效活性面積。由Anson公式[22]Q=Qdl+Qads+2nFACD1/2π-1/2t1/2計算溶解常數D。

式中Qdl為雙電層電量，Qads為法拉第電量，n為參與反應的電子數，A為電活性面積，C為電解質的總濃度，D為溶解常數。在含有1 mol/L KCl的0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中，經計算D值為7.6×10-6cm2/s。圖4為SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE的Q～t圖，經數據換算后得到圖4中的插圖，由圖4插圖的斜率計算HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE、SPCE 的電活性面積分別為：12.04、1.496、0.167 8 cm2，HMCS/SPCE的電活性面積最大，遠高于其他兩種電極。電活性面積大使得材料與待測物質發生反應的活性位點增多，從而有利于提高對待測物質的檢測性能。

2.3 尼古丁的電化學檢測

采用HMCS/SPCE電極對尼古丁進行電化學定性檢測，結果表明，未加入尼古丁時，溶液的CV曲線無明顯的氧化峰，向溶液中加入50 μmol/L尼古丁后，在電位為+0.6 V時，尼古丁開始發生氧化，在+0.8 V時出現1個明顯的氧化峰。對比SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE對50 μmol/L尼古丁的CV 響應可知，HMCS/SPCE修飾電極對尼古丁的電化學響應遠大于另兩種電極。

為了進一步研究尼古丁在HMCS/SPCE修飾電極上的電化學行為，在pH 7.4的PBS 溶液中加入50 μmol/L尼古丁，于不同掃速下(10～100 mV/s)進行CV掃描。由結果可知電流的響應值隨著掃速的增加而增大，通過計算+0.60 V處峰電流Ip與掃描速率v的關系發現兩者呈正相關，表明尼古丁在該電極上的檢測過程為表面控制過程。

圖5 不同濃度尼古丁在電極上的計時電流響應Fig.5 Chronoamperometric responses of different electrodes 0.1 mol/L PBS,pH 7.4;potential window：+0.8 V vs.Ag/AgCl

在對尼古丁進行定量檢測前，對檢測電位和溶液的pH值進行優化。結果表明，檢測電位為+0.8 V、溶液pH值為7.4時，尼古丁的響應達到最大。因此，實驗選擇安培檢測尼古丁的優化條件為：檢測電位+0.8 V，pH 7.4。在此條件下，得到不同濃度尼古丁在電極SPCE、MWCNT/SPCE和HMCS/SPCE上的計時電流響應(圖5)。計算得到電極HMCS/SPCE對尼古丁檢測的線性范圍為0～500 μmol/L(r2=0.997)，而MWCNT/SPCE和SPCE對尼古丁檢測的線性范圍分別為0～450 μmol/L和0～250 μmol/L。電極HMCS/SPCE、MWCNT/SPCE和SPCE對尼古丁檢測的靈敏度分別為0.850、0.395、0.123 mA/(cm2·mmol·L-1)，對應的檢出限分別為0.058、0.08、0.20 μmol/L。這些結果證明了由HMCS修飾的電極能夠實現尼古丁的良好檢測，其原因如下：①HMCS的導電性好。根據尼古丁在電極上發生氧化反應的機理[2]可知，尼古丁的氧化主要是其吡咯烷上發生N-甲基羥基化作用，伴隨著兩個電子的轉移，HMCS良好的導電性能夠加快電極反應速度，提高檢測靈敏度;②電極HMCS/SPCE的電活性面積大。尼古丁的氧化反應發生在電極界面上，電極的電活性面積大，則能提供更大的反應界面，從而實現尼古丁的高靈敏檢測。

2.4 實際樣品的檢測

表1 實際煙草樣品中尼古丁的檢測

a.samples were diluted for 125 times with 0.1 mol/L PBS(pH 7.4) before electrochemical detection with HMCS/SPCE;b.samples were detected directly without any dilution before the detection by GC-MS

采用構建的傳感器對煙草中尼古丁的濃度進行分析，并與氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)的檢測數據進行比對，結果如表1所示。GC-MS測得尼古丁的濃度分別為723.6 μmol/L和213.8 μmol/L，用HMCS/SPCE檢測結果為732.5 μmol/L和230.0 μmol/L，兩種測試方法所得結果相近，表明本文所構建的HMCS/SPCE電化學傳感器適用于尼古丁的檢測。

3 結 論

本文采用一步法合成了中空介孔碳球(HMCS)，用其修飾絲網印刷碳電極(SPCE)，構建了用于檢測尼古丁的新型電極(HMCS/SPCE)。基于HMCS材料的良好導電性和大的活性面積，制備的傳感器HMCS/SPCE可實現對尼古丁的高靈敏檢測，且具有良好的重復性和穩定性;所構建的傳感器能夠對實際煙草樣品中的尼古丁含量進行檢測。

[1] Bastida G,Beltrán B.WorldJ.Gastroenterol.,2011,17:2740-2747.

[2] Suffredini H B,Santos M C,De Souza D,Codognoto L,Homem-de-Mello P,Honório K M,Silva A B F,Machado S A S,Avaca L A.Anal.Lett.,2005,38:1587-1599.

[4] Highton L,Kadara R O,Jenkinson N,Logan Riehl B,Banks C E.Electroanalysis,2009,21:2387-2389.

[5] Sims M J,Rees N V,Dickinson E J,Compton R G.Sens.Actuators:B,2010,144:153-158.

[6] Xiong H Y,Zhao Y F,Liu P,Zhang X H,Wang S F.Microchim.Acta,2010,168:31-36.

[7] Goodarzi Z,Maghrebi M.J.Nanostruct.Chem.,2015,5:237-242.

[8] Xiao H,Sun L,Yan H,Wang W,Liu J,Yan Q,Chao L,Xie Q,Wen J,Yin D.Anal.Methods,2015,7:1147-1153.[9] Ndamanisha J C,Guo L P.Anal.Chim.Acta,2012,747:19-28.

[10] Ndamanisha J C,Guo L P.Bioelectrochemstry,2009,77:60-63.

[11] Jia N,Wang Z Y,Yang G F,Shen H B,Zhu L Z.Electrochem.Comm.,2007,9:233-238.

[12] Zhou M,Ding J,Gou L P,Shang Q K.Anal.Chem.,2007,79:5328-5335.

[13] Liu L,Zhao H L,Shi L B,Lan M B.Electrochim.Acta,2017,227:69-76.

[14] Zhang H,Noonan O,Huang X,Yang Y,Xu C,Zhou L,Yu C.ACSNano,2016,10:4579-4586.

[15] Kim S D,Kim J W,Im J S,Lee Y S.J.FluorineChem.,2007,128:60-64.

[16] Liu M S,Lin C C,Huang I T,Wang C C.Int.Commun.HeatMass,2005,32:1202-1210.

[17] Zhou M,Guo J,Guo L P,Bai J.Anal.Chem.,2008,80:4642-4650.

[18] Zhong J H,Zhang J,Jin X,Liu J Y,Li Q,Li M H,Cai W,Wu D Y,Zhan D,Ren B.J.Am.Chem.Soc.,2014,136:16609-16617.

[19] Gong H,Kim S T,Lee J D,Yim S.Appl.Surf.Sci.,2013,266:219-224.

[20] Zhou J H,Sui Z J,Zhu J,Li P,Chen D,Dai Y C,Yuan W K.Carbon,2007,45:785-796.

[21] Han J,Xu G,Ding B,Pan J,Dou H,Macfarlane D.J.Mater.Chem.A,2014,2:5352-5357.

[22] Niu X H,Lan M B,Zhao H L,Chen C.Anal.Chem.,2013,85:3561-3569.

Electrochemical Detection of Nicotine Using Screen-printed Carbon Electrodes Modified with Hollow Mesoporous Carbon Spheres

ZHAO Hong-li1*,LI Xiao-qing1,SHI Li-bo1,LIU Li1,LAN Min-bo1,ZHANG Qian2

(1.School of Chemistry and Molecular Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;2.Shanghai Tobacco Group Co.,Ltd.Shanghai 200082,China)

A novel modified electrode(HMCS/SPCE) was developed to electrochemically detect nicotine based on screen-printed carbon electrodes(SPCE) modified with hollow mesoporous carbon spheres(HMCS) synthesized through one step process.HMCS and HMCS/SPCE were characterized by scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM),X-ray diffraction(XRD),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and Raman spectrometry.Due to the superior electrical conductivity and high electrochemical active sites of HMCS,nicotine was significantly electro-oxidized on the interface of HMCS/SPCE.The proposed sensor provided linear responses upon nicotine in the concentration range of 0-500 μmol/L.The sensitivity was 0.850 mA/(cm2·mmol·L),and the limit of detection was calculated to be 0.058 μmol/L.With a favourable reproducibility and a good stability,the sensor could be used to detect nicotine in cigarette samples accurately.

hollow mesoporous carbon sphere;screen-printed carbon electrodes;nicotine;electrochemical sensor

2017-03-09；

2017-04-12

上海市科委國際合作項目(16520710800)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.08.009

O657.1;O629.3

A

1004-4957(2017)08-0998-06

*通訊作者：趙紅莉，博士，副研究員，研究方向：電化學傳感器，Tel:021-64250557,E-mail:honglizhao@ecust.edu.cn