直接电化学吗啡传感器制备研究成果

直接电化学吗啡传感器的制备研究

杨光明　杨　杰

摘　要:利用循环伏安法制备出金纳米管，壳聚糖将其固定在玻碳电极上，然后将模板溶解，制得金纳米管修饰的传感器，并将其用于海洛因代谢物吗啡的直接电化学测定。考察pH等条件对传感器测定吗啡的影响，结果表明在电位为0.448V条件下该传感器检测吗啡的线性范围为1.22×10^－7～7.44×10^－4 mol/ L，检测下限为4.06×10^－8mol/L。该传感器具有稳定性好、制作简单、使用寿命长等特点，为实际样品中吗啡的测定提供了一种新的简便手段。

关键词:吗啡　传感器　金纳米管　氧化铝模板

一、前　言

海洛因又称双乙酰吗啡，是当前滥用倾向最大、依赖潜力最强的毒品。它在体内的代谢很快，血中半衰期仅为3～9min，经体内的酯酶水解成6－单乙酰吗啡，而6－单乙酰吗啡45min就代谢成吗啡。吗啡是一种可以导致中枢神经系统混乱的酚类化合物，吸食吗啡可造成人注意力、思维和记忆性能的衰退，长期大剂量地使用吗啡，会引起精神失常，甚至导致呼吸停止而死亡。吗啡的极易成瘾性使得长期吸食者无论从身体上还是心理上都会对吗啡产生严重的依赖性，造成严重的毒物癖。因此，及时准确检测海洛因及其代谢物吗啡对于防止毒品泛滥、禁毒及戒毒、保护人民身心健康有着极为重大的意义。此外，吗啡还常常用于减轻患者的重度疼痛，特别是在手术中。

目前对海洛因代谢物吗啡的检测方法多为高效液相色谱法(HPLC)，但这种方法所需仪器昂贵。梁峰等人采用放射免疫法(RIA)和Visualine－Ⅱ尿液检测盒(VII)法，分析检测百色地区海洛因依赖者尿液中吗啡含量，但这种方法需要对吗啡抗体进行放射性标记，具有放射性危害。此外还有单克隆免疫色层法、毛细管气相色谱法、近红外光谱法、酶放大免疫法、气相色谱法、离子质谱分析法等。与其他方法相比，电化学分析法具有操作简单、灵敏度高、成本低等优点。Xu等人利用铁氰化钴修饰的电极通过安培法测定了吗啡的含量。Ho等人利用普鲁士蓝修饰的掺锡氧化铟电极通过安培法测定了吗啡的含量。但使用安培法测定时，受其他物质干扰较大。Niazi等人使用阳极吸附溶出差示脉冲伏安法(DPV)测定了人体内痕量吗啡。差示脉冲伏安法因具有较好的灵敏度和良好的选择性而得到广泛的应用。然而，以上电极的修饰较为简单，没有实现电极的阵列化。所以，仍需研究具有阵列化的纳米材料修饰的电极，用于直接电化学测定吗啡。

一维纳米材料由于自身的新颖的物理特性，并且可以作为联系纳米级电子学的纽带，受到人们相当广泛的关注。纳米电极集合主要由一维纳米结构材料有序排列而成，每一根纳米线(管)均可看做一个纳米电极。纳米电极具有高传质速率、低iR降、小时间常数、高电流密度等优良特性。现已证明，用纳米管修饰的电极检测微量离子和分子的敏感性远远超出常规电极。

金纳米管的制备方法有以下几种:(1)控制电流密度沉积法，如Zhang等人通过控制电流密度制得了金纳米管，但制备过程中需辅助试剂，时间长;(2)化学沉积法，步骤较烦琐，如Lu等人利用二氧化硅纳米线作为模板获得金纳米管的过程中，需辅助试剂，高温，并需将模板功能化。所以，采用简单的方法合成金纳米管材料并将其在电极表面上实现阵列化值得进一步开发和研究。循环伏安法常用做聚合物纳米管的制备，用于制备金属纳米管并不常见，但此方法简单，无需辅助试剂。另外，在特定的模板中沉积各种材料而构建纳米点阵的方法，具有制备简便、成本较低等优点，而且在尺度上可以突破刻蚀技术的局限性，具有广泛的应用前景。其中，阳极氧化铝模板法因具有制备成本低、工艺简单、孔洞分布均匀、密度大、尺寸分布狭窄、孔径参数容易调控等优点而被广泛应用于纳米材料的制备。

下文所介绍的实验利用氧化铝模板法和循环伏安法相结合，制备出金纳米管，其操作简单，节省时间。所制备出的金纳米管的直径约200 nm，与模板分子的孔径一致，纳米管的平均长度约为1.8μm。采用所制备的金纳米管修饰玻碳电极，制备出金纳米管修饰的传感器，并将其用于吗啡的直接电化学测定。相对于其他分析器件，该传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、线形范围宽和检测下限低等优点。此外，该传感器的制备简单，使用寿命长。

二、实验部分

(一)试剂和仪器

差示脉冲伏安在CH I 660电化学工作站(上海辰华仪器公司)上进行测定;扫描电镜图(SEM)由扫描电镜(XL30ESEM－TMP，Philips，Ltd. Holland)所得。实验所用的三电极体系中，修饰过的玻碳电极(GC)为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为对电极。

氧化铝模板从Whatman公司购得(AAO，Anodisc 47，0.2μm);吗啡购于公安部物证鉴定中心;实验过程中使用的其他试剂均为分析纯，所用水均为二次蒸馏水。测定吗啡时，使用的支持电解液为pH 6.2的0.2mol/L磷酸氢二钠－0.1mol/L柠檬酸盐溶液。

(二)金纳米管的制备

先用王水(HCl∶HNO₃= 3∶1)洗净实验用的玻璃器皿。取10mL 1.0%的氯金酸和1 mL 1.0mol/L的高氯酸，使之混合均匀，作为电沉积的电解液。将制作好的氧化铝模板、铂电极以及饱和甘汞电极组成三电极体系，在电解液中浸泡10min，使氧化铝模板充分浸泡，电解液进入孔内，润湿内壁。然后接通电源，在0.3V～0.7V范围以100mv/s速度扫描5min，取出模板，用蒸馏水冲洗干净，晾干。

(三)金纳米管修饰传感器的制备

将玻碳电极(φ= 3mm)在金相砂纸上打磨，接着用Al₂ O₃悬浊液将电极表面抛光成镜面，电极再依次放入硝酸(1∶1)、丙酮、二次蒸馏水中各超声洗涤5min，晾干。

将2.5μL壳聚糖(0.5%)滴在电极表面，取一小块沉积有金的氧化铝模板(金黄色面向电极表面)固定在玻碳电极表面上，过夜干燥。再用1mol/L NaOH溶液溶去氧化铝模板，1h后，有金黄色出现，然后用蒸馏水冲洗干净。待模板干燥后，得到金纳米管修饰的电极。干燥后金纳米管紧紧地贴在玻碳电极表面上，所以电极有较好的稳定性和导电性。

三、结果与讨论

(一)金纳米管的形貌表征

在制备过程中，氧化铝膜的颜色由银白色变成金黄色，说明金纳米管已经在模板孔内部生成。溶去模板即获得金纳米管修饰电极。图1为金纳米电极的扫描电镜图。纳米管的平均直径约为200nm，与模板分子的孔径一致，纳米管的平均长度约为1.8μm。同时，通过电镜图看到，纳米管的形貌较规则，尺寸均匀，纳米管电极中大部分纳米管都是垂直排列的，这使得可以将每一根纳米管看做一个单独的微电极。

图1　金纳米管的SEM图

(二)电化学法测定吗啡的机理

吗啡在酸性(pH2)和中性(pH6)媒介中，以不同的机制发生电催化氧化。图2显示了在pH= 6.2的缓冲溶液中典型的循环伏安曲线。将含有2.54×10^－4mol/L吗啡的缓冲液(b)与空白缓冲液(a)比较，氧化还原峰增大，表明吗啡在金纳米管修饰的电极上发生了电催化氧化。

图2　加入吗啡前后的循环伏安图

可能的反应方程式为:

MO→MO·+ e^－+H+

2MO·→PMO

(三) pH值对吗啡测定的影响条件的优化实验考察了pH值从5.0到7.0范围内金纳米管修饰电极的响应电流值，图3显示了10m l含有1.32×10^－4mol/L吗啡的缓冲溶液在不同pH值时电极的响应情况。发现在pH为6.2时电极对吗啡的响应最佳，所以本实验选用pH为6.2的0.2mol/L磷

酸氢二钠－0.1mol/L柠檬酸缓冲溶液作为测试底液。

图3　pH值对金纳米管修饰电极响应的影响(www.chuimin.cn)

(四)金纳米管修饰电极的响应性能

图4是在优化条件下加入不同浓度吗啡时金纳米管修饰电极的差示脉冲伏安曲线。从图4可以看出，随着吗啡浓度的不断增加，在+0.448V处氧化峰的峰电流也随之变大。金纳米管修饰电极测定吗啡溶液的校正曲线的线性范围是1.22×10^－7～7.44×10^－4 mol/L，检测下限为4.06×10^－8 mol/L，回归方程为I(μA)= 0.12+ 4.80C(mol/L)，相关系数为0.995。

图4　电极对不同浓度的吗啡的差示脉冲响应

(五)回收率的测定

用该传感器进行吗啡回收率的测定，结果列于下表。结果表明，回收结果较好，说明本传感器能用于吗啡的测定。

样品中吗啡回收率的测定

(六)重现性及稳定性

电极对吗啡的测定有很好的重现性，对含有2.54×10^－4 mol/L的吗啡溶液连续进行5次测定，相对标准偏差为5.14%。电极在30天后测定含有2.54×10^－4 mol/L的吗啡溶液仍能保持原来响应的96.2%。

四、小结

本文中，我们采用循环伏安法的方法制备出金纳米管，并将其固定在电极表面，形成金纳米管修饰电极，其对吗啡的响应性能优于普通玻碳电极。可卡因、葡萄糖、抗坏血酸、尿酸等可能的干扰物质对电极的测定没有明显的干扰。金纳米管修饰电极具有选择性高、检测下限低、样品不需要经过任何预处理步骤等优点。此外，该传感器的制备操作简单，使用寿命长。

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