氧化石墨烯-自掺杂聚苯胺纳米复合材料高灵敏检测氯霉素

罗世忠， 赵金龙， 陈怀银， 杨 涛*

(青岛科技大学化学与分子工程学院，山东青岛 266042)

氯霉素(Chloramphenicol,CAP)是一种人工合成的具有较强杀菌能力的广谱抗生素[1]，曾广泛用于各种敏感菌感染的治疗，但CAP会对人体的造血系统产生严重的危害，引起不良反应，甚至可引起不可逆的再生障碍性贫血，对人体的消化系统和神经系统有较强的毒副作用[2，3]。由于抗生素的滥用和制药企业的随意排放，水体中常检测到CAP。目前检测CAP的分析技术主要有表面等离子体共振[4]、高效液相色谱法[5]、光致化学发光法[6]、微生物法[7]、气相色谱法[8]、电化学方法[9,10]等。相对于其它检测方法，电化学法因具有检测快速、操作简单、成本低、灵敏度高等优点而备受研究者的关注。Kor等人[11]用多壁碳纳米管-十六烷基三甲基溴化铵-聚二苯胺修饰的玻碳电极(GCE)实现了对CAP的高灵敏检测，检测限达到2.0×10-9mol/L。此外，我们课题组制备了自掺杂聚苯胺(SPAN)-MoS2纳米复合材料，该复合材料在CAP的电化学检测中表现出了协同效应[12]。近年来，石墨烯纳米材料由于其具有较大的比表面积、较高的电化学催化活性和良好的稳定性而作为载体材料被广泛应用于构建生物传感器[13]。尤其是基底上具有由堆叠的站立石墨烯片组成的碳纳米墙结构吸引了极大的关注[14]。

本文利用液相剥离法制备了氧化石墨烯(GNO)-SPAN复合纳米材料，这种方法借助交联的磺酸化聚苯胺纳米纤维(一种苯胺和间-氨基苯磺酸的共聚物[15])，在超声的过程中同步嵌插，实现了GNO的分离和分散。超声过程促进了GNO团聚体的分离，并且使SPAN扩散进入到堆叠的GNO中，此过程中SPAN充当了层间距的增大剂。最终，得到了具有大面积、波纹状的独特的三维交联的纳米墙结构。由于SPAN和GNO之间强烈的π-π*堆积作用和静电排斥作用，这种三维结构具有较高的稳定性，并且极大地提高了该复合材料的导电性和活性表面积。此外，该复合材料可以借助共轭作用很容易地吸附大量的CAP。这使得该GNO -SPAN纳米复合材料在CAP的电化学分析检测中获得协同效应，表现出较高的灵敏度、低的检测限和良好的选择性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI 660C电化学分析仪(上海辰华仪器公司)，采用三电极系统：GCE及其修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极；JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)(日本,JEOL)；KQ-50E型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；艾科浦超纯水系统(重庆颐洋企业发展有限公司)；pHS-25型pH计(上海雷磁仪器厂)。

石墨粉(国药集团化学试剂有限公司)；苯胺(天津市大茂化学试剂厂)；氨基苯磺酸(纯度>98.0%，Fluka)；十六烷基三甲基溴化铵(天津市博迪化工有限公司)；CAP(纯度>98.0%，生工生物工程有限公司)；灭菌袋装鲜牛奶(青岛某超市)。pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液(PBS)：分别准确称取2.1250 g NaCl，1.3858 g Na2HPO4，0.1295 g NaH2PO4,用去离子水定容至250 mL。其它试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1复合材料的制备氧化石墨(GO)采用改进的Hummers方法合成[16]。单纯的GNO是通过在水相中剥离制得的，在超声作用下，GO片层的间距逐渐加大，最后从GO本体上剥离下来形成层状的GNO。SPAN参考文献方法[17]制得。准确称取一定量的GO和SPAN，定容到100 mL容量瓶中，超声一段时间，得到0.1 g/L的GNO -SPAN溶液。

1.2.2修饰电极的制备GCE打磨如文献方法[18]。将上述配制好的GNO -SPAN悬浊液，超声一定时间。取20 μL 0.1 moL/L GNO -SPAN悬浮液均匀涂布在上述处理过的GCE电极表面，在空气中自然晾干后得到GNO -SPAN/GCE。为了方便对比，以类似的方法制备了GNO/GCE和SPAN/GCE。

1.2.3电化学检测将不同材料的修饰电极在CAP溶液中进行差分脉冲伏安(DPV)扫描，实验参数如下：电压范围：-0.4～-1.0 V，振幅：0.05 V，脉冲宽度：0.05 s，采样周期：0.0167 s。

2 结果与讨论

2.1 复合材料表征

图1为GNO、SPAN和GNO -SPAN的扫描电镜(SEM)图像。由图1A可以看出GNO表面比较光滑并且有少许的褶皱。而SPAN为均匀的纳米纤维状网络结构(图1B)。在超声作用下，当SPAN扦插到GNO纳米片层中时，该GNO -SPAN复合材料(图1C)不仅呈现出SPAN的纳米纤维形貌，还存在直立的GNO纳米墙结构，并呈现出均一的、大面积的、波纹状的形貌。该GNO -SPAN纳米复合材料独特的结构使其拥有更大的比表面积、更高的导电性能和电催化活性。

图1 GNO(A)、SPAN(B)、GNO -SPAN(C)的扫描电镜(SEM)图像Fig.1 SEM images of GNO (A),SPAN (B) and GNO -SPAN (C)

图2 不同修饰电极在1.0×10-4 mol/L CAP溶液中的DPV图Fig.2 DPVs of 1.0×10-4 mol/L CAP at GNO -SPAN/GCE (a),GNO/GCE (b),SPAN/GCE (c) and bare GCE (d)

2.2 修饰电极的电化学表征

实验用1.0×10-4mol/L CAP作为检测目标溶液，采用差分脉冲伏安法(DPV)，考察了不同修饰电极催化CAP的电化学行为。不同修饰电极在1.0×10-4mol/L CAP溶液中扫描的DPV图见图2。相较于GNO/GCE(曲线b)、SPAN/GCE(曲线c)以及裸GCE(曲线d)，GNO -SPAN/GCE电极(曲线a)显示出最强的还原信号。这说明GNO -SPAN材料可以促进电极表面和CAP之间的电子传递，主要归因于GNO -SPAN所拥有的特殊的芳环结构和负电荷性，可以吸附有共轭结构的、带正电荷的CAP。同时，这也体现了在CAP的电化学检测中SPAN和GNO之间具有极好的协同作用。

2.3 实验条件的优化

GNO -SPAN纳米复合材料由一定比例的GO和SPAN混合并同步超声所得。因此该复合材料的导电性能和电催化能力主要由GNO/SPAN的比例和超声时间所决定。分别对比了不同GO-SPAN比例和不同超声时间的GNO -SPAN对CAP的电化学行为。实验结果表明：当GO-SPAN比例为1∶2时，GNO -SPAN/GCE对CAP的电化学信号最大，这主要是由于SPAN和GNO在超声过程中嵌插得比较均匀，形成了大面积的波纹状GNO -SPAN纳米复合材料。分别选择超声时间为10、20、30、40、50 min试验，随着超声时间的增加，CAP的还原峰电流也相应增大，当超声时间为30 min时，CAP的电化学信号最强。这主要是由于随着超声过程的进行，SPAN逐渐嵌插在GNO片层中，在超声30 min时，形成的GNO -SPAN纳米复合材料具有最大的表面积。因此最佳的超声时间为30 min，GO-SPAN比例为1∶2，此时该复合材料对CAP的检测最为灵敏，溶出峰电流最大。

图3 PBS溶液pH值与CAP还原峰电流曲线关系图Fig.3 Plots of the peak current of 1.0×10-4 mol/L CAP versus different pH values of PBS

图4 不同浓度CAP溶液的DPV图Fig.4 (A) DPVs for the determination of different CAP concentrations;(B) Calibration plots of the reduced peak current versus different concentrations of CAP.Error bars are the standard deviation of three replicates.c(from a to g):100,50,10,5,1,0.5,0.1 μmol/L.

选择pH值的变化范围为5.0到9.0进行试验。从图3可以看出，当pH值从5.0变化到7.0时，CAP的还原峰电流不断增加。在pH达到7.0时，峰电流达到最大值。随着pH值的进一步增加，峰电流反而减小。这可能是因为，碱性环境不利于还原过程中的电子传递。因此，pH值7.0为最佳值。

2.4 不同浓度CAP的检测

在最优实验条件下，对一系列不同浓度的CAP进行DPV法测定。从图4可以看出随着CAP的浓度的增加，其还原峰电流强度也会随之增大。图4内插图为CAP浓度与其电流强度的曲线图，从中可以得出：在1.0×10-7～1.0×10-4mol/L浓度范围内，呈现良好的线性关系，其线性方程为:ip= 0.0635c+1.3412(R2=0.9958)，检测限为9.4×10-8mol/L。

2.5 选择性实验

考察了共存物对CAP检测的干扰[19]。结果显示，在相对误差不超过±5%的情况下，500倍的尿酸、头孢氨苄、环丙沙星、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Co2+，100倍的金霉素、阿莫西林、葡萄糖、抗坏血酸、Fe3+、Ba2+、Cu2+、Cd2+，50倍的对氯苯酚、2,4-二硝基苯酚、2,6-二甲基对硝基苯酚对1.0×10-6mol/L CAP的检测不产生干扰。

2.6 牛奶中CAP的检测

我们采用标准加入法对牛奶样品中的CAP含量进行了测定[11]，结果如表1所示。从表中可以看出，该方法在实际样品的检测中具有较好的准确性。

表1 牛奶样品中检测CAP的结果

3 结论

制备了新的GNO -SPAN纳米复合材料，并用于CAP的电化学分析检测。由于GNO片层与交联的SPAN之间强烈的π-π*堆积作用和静电排斥作用，GNO -SPAN纳米复合材料具有较高的导电性、稳定性和电化学催化活性。借助于复合材料的协同作用以及对CAP良好的吸附作用，实现了CAP的高灵敏检测。该方法具有优异的选择性和良好的回收率，可以用于实际样品中CAP的检测。