静电纺聚丙烯腈/聚苯胺复合材料的制备及电化学发光检测阿奇霉素

王童飞， 李学暖， 李天昊， 唐婷范， 覃丹凤,2， 程 昊*,3

(1.广西糖资源绿色加工重点实验室，广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州 545006； 2.广西科技大学医学部，广西柳州 545005； 3.蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西南宁 530004)

静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的一种方法。由纳米纤维制得的无纺布具有孔隙率高，比表面积大，纤维精细程度与均一性高，长径比大等优点[1]。静电纺丝法还可以用于制备碳纳米纤维(CNFs)[2]，CNFs具有良好的化学性能[3]、高比表面积[4]、良好的导电性[5]等特征，被广泛用于柔性导电织物[6]、电化学检测[7]等方面。聚丙烯氰(PAN)又称腈纶，它是一种性能较好的碳纳米纤维前驱体材料[8]。聚苯胺(PANI)是一种特殊的导电聚合物[9]，俗称导电塑料[10]，具有制备成本低、工艺简单，化学稳定性强等特征。经不同的酸掺杂后还会改变其导电性、电容和耐腐蚀性[11、12]等。PANI因合成路线简单、原料价格便宜、空间结构多样、物理化学性质稳定等优点，在导电聚合物方面受到广泛关注[13]。

静电纺丝PAN纳米纤维是制备CNFs最常用的前驱体聚合物[14]。碳纳米材料可用于核酸检测[15]和食用色素检测[16]。近年来，有报道将纳米材料用于药物检测，如俞清华等[17]使用rGO柔性电极为基底,在其表面修饰拟酶材料,利用电化学分析技术研究了其在水杨酸检测方面的应用；王强明等[18]通过热解法制备了硼、氮掺杂的碳纳米管(BNC)并将其负载在石墨毡(GF)基底上,在其表面原位生成普鲁士蓝(PB)纳米颗粒，构建BNC@PB/GF复合电极，并用于检测药物分子异烟肼(INZ)；李利军等[19]将碳纳米管用于电化学发光检测富马酸酮替芬。本文采用静电纺丝制备了一种PAN/PANI复合材料，该复合纳米材料可用于阿奇霉素(Azithromycin，AZM)的检测。阿奇霉素是一种新型大环内酯类抗生素[20]，它是由红霉素A9-酮基肟后经Beck-man重排，N-甲基化等一系列反应所得。1980年被克罗地亚Pliva公司研制，并在世界范围内上市，至今已应用30余年[21]，具有血药浓度高、半衰期较长、依从性好等特点[22]。口服AZM治疗经常伴有胃肠道的各种不良反应，如腹部绞痛、腹泻、恶心、呕吐以及导致心脏活动异常或有潜在性致命心律不齐和容易诱发耐药性等缺点[23]，因此，有必要对于AZM进行快速准确的定量检测。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

材料形貌和结构表征在荷兰飞纳ProX型扫描电子显微镜(SEM)和德国布鲁克D8 Advance型X射线衍射(XRD)仪上完成。AZM的电化学行为和电化学发光强度均由MPI-E电致化学发光分析仪(西安瑞迈分析仪器有限公司)测定。本实验采用三电极系统：Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，工作电极为CNFs修饰的玻碳电极(GCE)，采用循环伏安法(CV)考察AZM的电化学行为和电致化学发光行为。

AZM标准品购买于上海源叶生物科技有限公司。聚丙烯腈(PAN，MW=150 000 g/mol)购买于上海麦克林生化科技有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)购买于广东光华科技股份有限公司；5%Nafion溶液、丙酮及所有试剂均为分析纯，未做进一步处理。实验用水全部为超纯水。

AZM分散片购于柳州一心堂大药房，生产厂家为石家庄四药有限公司。

1.2 PAN/PANI纳米材料的制备

将制备好的PANI分散在DMF中，搅拌2 h，超声2 h。再在DMF中缓慢加入PAN，搅拌12 h，即可得到静电纺丝前驱体。将前驱体溶液吸入注射器，在19 kV高压下进行纺丝得到PAN/PANI的纳米纤维。用马弗炉预氧化，将PAN/PANI复合纳米纤维在空气中以5 ℃/min 的速率升温至250 ℃，维持2 h。将预氧化完成的材料在N2保护下以5 ℃/min的速率加热至800 ℃进行碳化，自然冷却至室温即可得到CNFs材料。

1.3 CNFs修饰电极的制备

将异丙醇和超纯水按照1∶4的比例混合，再加入0.05% Nafion溶液，超声混合均匀。将适量CNFs纳米材料超声分散于上述溶液中，制备1.5 mg/mL CNFs材料悬浮液。用移液枪准确移取5 μL的上述悬浮液至预处理好的GCE表面，在室温条件下待分散液完全蒸发，则得CNFs修饰电极。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

2.1.1 扫描电镜(SEM)图1为CNFs的SEM图像。从图1a和图1c可以看出材料为较直的碳纤维材料，PANI的加入并没有改变材料的整体形貌，但在纺丝和碳化的过程当中，PANI使碳纤维互相吸引发生交叉。由图1b和1d中可以看到PANI颗粒被串在纳米纤维当中，证明PANI在静电纺丝阶段就被纺入了纳米材料。因此证明通过熔融静电纺丝成功地将溶解性较差的PANI和具有较好可纺性的PAN复合，制备出了一种新型纳米材料。

图1 CNFs材料在不同放大倍数(a)(b)(c)(d)下的SEM图像Fig.1 SEM images of the prepared CNFs material (a)(b)(c)(d) under different magnifications

2.1.2 能谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)采用EDS分析对CNFs材料进行扫描，从图2中可以看出C、N、O元素在材料中分布均匀，表明成功将N元素掺杂进了复合材料。采用XPS对CNFs样品的元素和化学键种类作了进一步表征和分析，结果如图3a。材料由C、N、O 3种元素组成，含量分别为84.92%、8.13%、6.95%。由图3b可知，C 1s在材料中有sp2-C(284.5 eV)、sp3-C(285.2 eV)、C=O/C-N(287.9 eV)3种形式。如图3c所示，N 1s在材料中有3种形式，分别是位于398.3 eV的吡啶N、399.8 eV的吡咯N和400.8 eV的石墨N。图3d为O 1s的两种形式，O 1s具有C=O(531.5 eV)和C-O(532.4 eV)两个解析峰，含氮基团和极性氧的存在，能够提高修饰电极的电化学性能。

图2 CNFs材料中C、O、N的EDS分布图Fig.2 EDS mapping of C,O,N in CNFs

图3 CNFs材料的XPS图(a)和C 1s(b)、N 1s(c)、O 1s(d)特征峰谱图Fig.3 XPS spectra of CNFs (a),C 1s (b),N 1s (c)，and O 1s (d)

2.1.3 X射线衍射(XRD)图4为材料CNFs的XRD分析结果，由图中可以看到，CNFs的峰位置在2θ=25.5°和2θ=43°处。分别对应(002)、(101)两个晶面。证明CNFs为无序性的碳材料。

图4 CNFs材料的XRD图Fig.4 XRD pattern of CNFs

2.2 实验条件优化

2.2.1 缓冲溶液及其pH值的选择图5为PBS在不同pH下对电致化学发光强度的影响。AZM的发光强度在pH值为6.5时最大。因此选择该pH=6.5的PBS作为最适缓冲液。

图5 发光强度随缓冲溶液pH变化曲线Fig.5 Effect of buffer pH value on ECL intensity

图6 发光强度随CNFs的修饰量变化曲线Fig.6 Effect of the CNFs modification volume on ECL intensity

2.3 线性方程的建立

在优化后的实验条件下，研究了发光强度随AZM浓度的变化规律，结果如图7所示。由图7a可以看出，发光强度随AZM浓度的增加而升高，光信号的出峰位置为8～12 s这一时间区域中，峰形窄而高，说明修饰电极对AZM发光强度选择性较好。图7b是发光强度与AZM浓度的关系曲线，在1.0×10-7～9×10-5mol/L范围内，AZM浓度与ECL强度呈现良好的线性关系，线性方程为：y=94.97x+133.87(R2=0.999)。

图7 不同浓度阿奇霉素的电致化学发光曲线(a)和标准曲线(b)Fig.7 ECL curves at different concentrations of azithromycin (a) and calibration curve (b)

2.4 CNFs修饰电极的选择性、重复性和重现性

在最优的条件下探讨了CNFs对AZM检测的重复性，使用同一根修饰电极对AZM进行了5次检测，由此5次检测峰电流计算得其RSD为4.10%，说明重复性良好。在相同的条件下制备了5根CNFs修饰电极，由5根电极检测峰电流数据计算得出其RSD为4.67%，说明检测的重现性良好。

2.5 实际样品的检测

取一片AZM分散片溶于水中，超声0.5 h，稀释得到AZM浓度为10～30 μmol/L的试液。用CNFs修饰电极对AZM分散片中AZM含量进行测定，回收率在96.66%～102.59%之间，RSD小于5%。结果表明这种新型的修饰电极在复杂样品中能对AZM有效检测和准确定量。

表1 阿奇霉素分散片样品中的AZM的检测Table 1 Detection of azithromycin in azithromycin dispersible tablets

图8 和体系的电化学行为和电致化学发光行为Fig.8 EC(a)and ECL(b)curves of

3 结论