多壁碳纳米管修饰金膜电极的制备及其在血清As(Ⅲ)测定中的应用

张 璇， 曾 婷， 胡成国， 田秋霖*

(1.武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072；2.周大福珠宝文化产业园(武汉)有限公司黄陂分公司，湖北武汉 430399)

近年来，砷的污染问题引起了人们的广泛关注,这是由于砷具有很大的毒性和普遍存在性[1]。在水体中，无机砷通常以As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的形式存在。长期饮用含砷量高的水和食物可能会导致许多致命的疾病[2]。2001年，美国规定饮用水中的砷浓度不得超过10 pg/L，取代了之前50 pg/L的旧标准[3]。而欧盟提出了更严格的水中砷浓度的限制标准，规定水中砷不得超过1.4 pg/L。然而，近年来砷在医学界的作用引起人们的重视，特别是利用As2O3来治疗急性早幼粒细胞白血病获得了令人瞩目的成效[4]。但砷作为一种原生质毒物具有很高的毒性，长期的砷蓄积会对人体的各个器官造成严重危害。因此，准确、及时检测血液中砷的含量对于预防砷中毒有着重要的意义。

目前，砷有很多较成熟的测定方法，但都需要昂贵的仪器,且操作繁琐。相比而言，电化学方法由于仪器便宜、易携带、检测方便及灵敏度高而引起人们的兴趣。线性扫描伏安(LSV)法是一种操作简便的电化学分析方法，具有检测快速、结果准确等特点，在微量金属元素测定中应用广泛[5 - 7]。碳纳米管是一种新型的纳米材料，因具有大的比表面和较高的电活性引起了人们广泛的研究兴趣。近年来，有关碳纳米管修饰电极的研究获得了较好的成效，如抗坏血酸、肾上腺、多巴胺素等生物分子的分离检测[8，9]，细胞色素C的直接电子转移[10]，硫化氢的电化学检测[11]等。本文将羧化多壁碳纳米管(MWCNTs)修饰到Au膜电极表面制得修饰电极，并用于血清中As(Ⅲ)的测定。实验结果表明，该修饰电极对As(Ⅲ)具有灵敏的响应，且抗干扰性强。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

CHI830电化学工作站(上海辰华公司)，实验采用三电极体系：MWCNTs修饰Au膜电极为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为对电极。WCJ-8-2型温控式磁力搅拌器(江苏省泰县分析仪器厂)。

As(Ⅲ)标准溶液：称取0.132 g As2O3，置于1 000 mL容量瓶中，加入5 mL 20%NaOH溶液溶解后，用适量的稀H2SO4中和，再加10 mL稀H2SO4，用水稀释至刻度，摇匀，即得1 g/L As(Ⅲ)标准溶液，依次稀释成100 mg/L、10 mg/L、1 mg/L的标准溶液。导电银胶BQ6880E购自Uninwel公司，环氧树脂胶购自湖南神力实业有限公司。多壁碳纳米管(MWCNTs)、刚果红(CR)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、盐酸羟胺、柠檬酸三钠、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、HAuCl4、NaBH4等试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。投影胶片(PET)购自江苏无锡县东亭银幕厂。实验用水为二次蒸馏水。

血样由武汉大学中南医院血液科提供。

1.2 MWCNTs修饰Au膜电极的制备

1.2.1Au膜电极的制备纳米Au溶液由HAuCl4和NaBH4的柠檬酸钠溶液反应而成，参见文献方法[12]制备。PET分别经1 mol/L HNO3和乙醇超声清洗，干燥后将其置于0.01 mol/L CTAB溶液中，于45 ℃ 恒温水浴30 min，取出后用二次蒸馏水多次清洗。在5 mL圆底离心管中加入50 μL 0.2 mol/L盐酸羟胺溶液和100 μL 1%纳米Au溶液，使PET模板完全浸入，置于摇床上混摇20 min。重复多次直至PET表面呈现金黄色、测量电阻值约为100 Ω以下即可。将Au膜裁剪成大小均一的长方形小块，用银导电胶粘接上导线铜丝，干燥后用环氧树脂胶封住裸露在外面的银导电胶及铜丝，做成3.0×8.0 mm大小的电极备用。

1.2.2MWCNTs修饰Au膜电极的制备按照文献报道的方法[13]制备MWCNTs-CR水相分散液。用移液枪准确移取15 μL处理好的MWCNTs溶液，滴涂到制备好的Au膜电极表面。室温干燥8 h后，将得到的电极用少量DMF洗涤除去残留的CR，干燥2 h，即得到一次性可抛弃型MWCNTs修饰Au膜电极。

1.3 线性扫描伏安法测定As(Ⅲ)

采用三电极体系，测试过程采用搅拌模式。

1.3.1标准溶液的测定在3 mol/L HCl中加入一定体积的10 mg/L As(Ⅲ)标准溶液。在-0.3 V电位，搅拌富集4 min，静止10 s。记录-0.3～0.6 V的线性扫描伏安(LSV)图，测量As(Ⅲ)溶出峰电流的大小，由此计算痕量As(Ⅲ)的浓度。

1.3.2全血样品的测定取4 ℃下解冻的全血样品3 mL，置于塑料离心管中，加入一定体积250 μg/mL As(Ⅲ)溶液，再加入1 mL 1 mol/L的HNO3，搅拌，静置消化2 h,于10 000 r/min下离心消解5 min。将上清液转移至另一洁净离心管中，用1 mol/L NaOH溶液调节溶液pH为中性后，待测。

2 结果与讨论

图1 Au膜电极(a)和多壁碳纳米管修饰Au膜电极(b)的扫描电镜(SEM)图

2.1 MWCNTs修饰Au膜电极的表征

图1是原始Au膜电极和MWCNTs修饰Au膜电极的扫描电镜(SEM)图。由图1a可以看出，Au膜电极表面沉积一层致密的Au粒子层，大部分直径范围在200～230 nm。由图1b可以看出Au膜电极表面已经完全被MWCNTs所覆盖。被覆盖后的Au膜电极表面具有粗糙多孔结构，可以允许As(Ⅲ)自由进入到修饰电极的内层空间。此外，电极被表面粗糙的MWCNTs覆盖后，电极表面积也将大大增加，能够增强电极对As(Ⅲ)的电化学响应，增加检测灵敏度，降低检出限。

2.2 MWCNTs修饰Au膜电极的电化学特性

图2 纯Au膜电极阵列和修饰MWCNTs Au膜电极阵列在含5.0 mmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6的1 mol/L KCl溶液中的循环伏安图

图在Au膜电极和MWCNTs修饰Au膜电极上的电化学阻抗(EIS)谱

图4 标准溶液中As(Ⅲ)在纯Au膜电极阵列(a)和MWCNTs修饰Au膜电极阵列(b)上的线性扫描伏安图

2.3MWCNTs修饰Au膜电极上As(Ⅲ)的溶出伏安分析

2.3.1As(Ⅲ)在两种电极上的电化学响应图4是As(Ⅲ)在Au膜电极(图4a)和MWCNTs修饰Au膜电极(图4b)上的溶出伏安响应。通过对比可以发现，用MWCNTs修饰Au膜后，电极对As(Ⅲ)的响应信号明显增强，同一浓度下As(Ⅲ)的溶出峰电流明显增加。说明MWCNTs的加入在一定程度上促进了As(Ⅲ)的富集，提高了测定的灵敏度。

2.3.2支持电解质的选择分别以pH为4.00和pH为6.86的1 mol/L H2SO4、HCl、HNO3、KCl、NaH2PO4、HAc、NaAc溶液作为支持电解质。结果表明，As(Ⅲ)在酸性条件下有响应，但以HCl为支持电解质，其浓度为3 mol/L 时溶出峰的峰形最好，空白值低，稳定性好。

2.3.3MWCNTs修饰量的选择以样品溶液为介质，通过响应信号确定了MWCNTs的修饰量。分别滴涂15 μL的0.5 mg/mL、1 mg/mL、2 mg/mL、3 mg/mL溶液于Au膜表面。结果表明，滴涂量从0.5 mg/mL到2 mg/mL的增加过程中，As(Ⅲ)的峰电流逐渐增大，但在3 mg/mL时，没有明显增加。所以实验选择15 μL的2 mg/mL MWCNTs溶液为最佳修饰量。

2.4 实验条件的优化

2.4.1扫描电位的选择固定起始电位为0.3 V，改变终止电位进行实验。结果表明，在0.4～0.6 V电位范围内，随着电位的增大，峰电流增大很快；大于0.6 V，峰电流无明显增大，且在0.8 V后峰电流不稳定，见图4。本实验选用电位为0.6 V。固定终止电位为0.6 V，进行试验，结果表明，起始电位在-0.3 V时，制得的修饰电极的响应电流最大，故本实验选用扫描电位为-0.3～0.6 V。

2.4.2富集时间实验考察了在30～300 s的富集时间范围内，同一As(Ⅲ)浓度下富集时间和峰电流的关系。结果表明，富集时间由30 s延长到240 s时，峰电流值增加较快，而240 s延长到300 s时，电流值则增加缓慢。综合考虑灵敏度和分析时间，选择240 s作为最佳富集时间。

2.4.3扫描速度的选择图5是As(Ⅲ)在MWCNTs修饰Au膜电极上，于不同扫速下的LSV曲线。从图中可以看出，As(Ⅲ)的还原峰电流随扫描速度的增加而增加，在10～200 mV/s扫速范围内，峰电流和扫描速度成正比，表明该电极为吸附控制过程。0.1 V/s扫速时峰形最好，实验确定扫速为0.1 V/s。

2.4.4干扰试验以Zn2+、Fe2+、Cu2+以及血样中可能含有的柠檬酸、抗坏血酸等为例进行干扰试验。分别取一定体积的1 mol/L上述溶液，加入100 μg/L As(Ⅲ)溶液中，实验结果发现上述物质的存在对As(Ⅲ)的检测并无干扰。

2.5 方法的线性范围

在5 mL 3 mol/L HCl中，在优化条件下，用LSV法考察了As(Ⅲ)在MWCNTs修饰Au膜电极上峰电流与其浓度的关系，见图6。结果表明，As(Ⅲ)的氧化峰电流与其浓度在20～100 μg/L 范围内呈线性关系，回归方程为：y=1.4022+0.0181x,相关系数为0.9975，检出限为10 μg/L。

图5 As(Ⅲ)在MWCNTs修饰Au膜电极上不同扫描速度下的线性扫描伏安图

图6 As(Ⅲ)在MWCNTs修饰Au膜电极上峰电流与其浓度的线性关系

2.6 稳定性和重现性

实验表明MWNTs修饰Au膜电极在空气中放置15 d后，其响应信号与原来相比仅减少了6%，表明Au膜电极具有良好的稳定性。用自制的同一支改性Au膜电极平行7次测定50 μg/L 的As(Ⅲ)溶液，其相对标准偏差(RSD)为2.0%；用7支不同修饰电极对样品进行测定，其RSD为2.2%。表明MWCNTs修饰Au膜电极具有良好的重现性。

2.7 血样的测定

使用制备的MWCNTs修饰Au膜电极，采用LSV法对全血样品进行加入回收试验。分别取30、40、70、80、90 μL已消化好的血液样品，加入到5 mL 3 mol/L HCl中，配成浓度依次为30、40、70、80和90 μg/L的血砷溶液，在优化条件下测定。实验表明，检测结果与实际值均较好吻合，回收率较好，见表1。表明该MWCNTs修饰Au膜电极可用于全血样品中As(Ⅲ)含量的准确测定。

表1 全血样中As(Ⅲ)的加标回收实验

3 结论

制备了MWCNTs修饰Au膜电极，并将其作为检测血砷的电化学传感器。采用LSV法在最优条件下，该传感器对血砷有高灵敏响应，且抗干扰性强，测定线性范围宽，具有很好的稳定性和重现性，因此有望发展成为商品化的一次性检测血砷的传感器，用于临床血砷的快速灵敏检测。