基于Pd NPs/PDDA-GNs纳米复合材料构筑的电化学传感器检测双氯芬酸钠

范丽芳， 李婷婷， 郭玉晶*， 董 川

(山西大学环境科学研究所，太原 037000)

双氯芬酸钠(Dichlofenac Sodium,DS)是一种常见的非甾体抗炎药，该药具有退烧、止痛、消炎的功能，常用于临床上骨关节炎、术后疼痛、肺结核、尿路感染等疾病的治疗[1]。但是DS的过量使用或长期服用会导致一些不良反应，如血液毒性、溶血性贫血、嗜中性白血球减少等症状[2]。此外，DS的大量排放也会对环境造成一定的危害。据报道，当水体中DS的质量浓度达到5 μg/L，并在长时间的光照时会对鱼类的肾脏造成损伤[3]。因此，有必要对水体或人血清中的DS含量进行监测。目前，检测DS的方法有高效液相色谱法(HPLC)[4]、分光光度法[5,6]、毛细管电泳法[7]、液相色谱-质谱法(LC-MS)[8]等。然而，以上的方法常需要昂贵的仪器，复杂的样品处理程序以及专门的操作人员。相比之下，电化学方法具有操作简单、响应快速、灵敏度高、成本低等优势，已被越来越多的用于药物分析[9,10]。

石墨烯(GNs)是一种二维的碳材料，由于其大的比表面积、强的导电性、大的机械强度，GNs已被广泛地用作电极修饰材料。然而，单纯的GNs由于范德华力的存在易团聚，稳定性降低，进而影响其实际性能。为了使GNs能够稳定地分散到溶剂中，通常需要对其表面进行功能化。据文献报道[11]，聚二甲基二烯丙基氯化胺(PDDA)是一种带正电的聚合物，它可以减弱GNs片层之间的范德华力，提高其稳定性。Pd纳米粒子(Pd NPs)具有良好的导电性、催化性、生物相容性。用Pd NPs修饰GNs不仅增加了材料的导电性，还赋予纳米材料强的催化性能[12,13]。因此，以GNs、PDDA及Pd NPs结合制备的复合材料修饰电极，可以大大提高检测的灵敏度。

在本研究中，首先通过水热法合成了PDDA功能化的石墨烯(PDDA-GNs)，在此基础上，用NaBH4还原K2PdCl4得到PDDA-GNs负载Pd NPs(Pd NPs/PDDA-GNs)复合材料。该材料具有GNs大的表面积、强的导电性和Pd NPs良好的催化性。将Pd NPs/PDDA-GNs作为电极材料，既能增强电极的导电性，又能够催化DS在电极表面的氧化，进而放大电信号，提检测的灵敏度。以此构筑电化学传感器，用于DS的测定。考察了不同实验参数对传感器分析性能的影响，在最优的测试条件下，实现了对DS的快速、准确、灵敏检测。此外，将构建的电化学传感器用于对实际样品中DS含量的测定，取得满意结果。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

电化学工作站(CHI660E，上海辰华)；透射电子显微镜(JEM-2100，日本JEOL公司)；X-射线光电子能谱仪(AXIS ULTRA DLD，英国Kratos公司)。

聚二甲基二烯丙基氯化胺(PDDA，20%的水溶液，Sigma公司)；石墨粉(Alfa Aesar)；双氯芬酸(DS)、K2PdCl4(阿拉丁试剂公司)；NH3·H2O(25%～28%)、水合肼(80%)及NaBH4(天津第三化学试剂厂)；柠檬酸(CA)、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)等均购买于阿拉丁公司。支持电解液为0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=7.0)，试剂均为分析纯。实验用水为高纯水。

1.2 Pd NPs/PDDA-GNs纳米复合材料的合成

以石墨为原材料，通过改进的Hummers方法[14,15]合成1.0 mg/mL的氧化石墨烯(GO)水分散液。具体过程：将1.0 g石墨与0.50 g NaNO3加入到浓H2SO4(冰浴)中，再加入3.0 g KMnO4混合搅拌1 h后，用水稀释。向上述溶液中加入5%的H2O2，直至混合溶液变为亮黄色。将混合溶液过滤，洗涤。将得到的固体再次分散在水中，经超声得到GO悬浮液。

将2.5 mL质量浓度1.0 mg/mL的GO悬浮液与50 μL 10%的PDDA混合并搅拌后，加入100 μL NH3·H2O 和 50 μL 80%的N2H4搅拌30 min。将混合溶液放入60 ℃水浴中加热3.5 h，并自然冷却。随后加入200 μL 10 mg/mL的K2PdCl4溶液，在快速搅拌下逐滴加入2.0 mL 20 mmol/L新配制的NaBH4溶液，反应30 min后，得到黑色悬浮液，用0.22 μm的滤膜过滤，得到Pd NPs/PDDA-GNs。除了不加入K2PdCl4和NaBH4，PDDA功能化的石墨烯(PDDA-GNs)纳米复合材料的合成方法与上述类似。

1.3 电化学传感器的构建及DS的电化学检测

图1显示了Pd NPs/PDDA-GNs复合材料的合成及构建的电化学传感器检测DS的示意图。

图1 Pd NPs/PDDA-GNs 的合成及电化学传感器检测DS的示意图

玻碳电极(GCE)在修饰之前，先依次用粒径为1.0、0.30、0.050 μm的Al2O3粉末进行打磨，并用乙醇、水依次超声清洗，在N2气氛下吹干电极表面。最后，将0.25 mg/mL的Pd NPs/PDDA-GNs复合材料滴涂于GCE表面，室温下干燥，制备得到Pd NPs/PDDA-GNs/GCE修饰电极。

在最优实验条件下，将修饰好的电极浸入含有不同浓度DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，富集30 min，用示差脉冲伏安法(DPV)检测DS，电位扫描范围是0.36～0.84 V。根据峰电流与目标物浓度之间的对应关系对DS进行定量测定。

2 结果与讨论

2.1 Pd NPs/PDDA-GNs纳米复合材料的表征

图2 K2PdCl4(a)、GO(b)和Pd NPs/PDDA-GNs复合材料(c)的紫外-可见吸收光谱

图3A为PDDA-GNs的透射电镜(TEM)图，可以清楚地看到PDDA-GNs卷曲的片状结构。图3B显示了Pd NPs/PDDA-GNs纳米复合材料的表面形貌，可以看到立方体状的Pd NPs均匀地分散在PDDA-GNs的表面，表明Pd NPs/PDDA-GNs复合材料已被合成。

此外，通过X射线光电子能谱(XPS)技术分析了Pd NPs/PDDA-GNs复合材料的表面化学成分，如图4所示。图4A为Pd NPs/PDDA-GNs的XPS总谱，Pd 3d(340.4 eV)和N 1s(402.55 eV)的峰分别来自Pd NPs和PDDA。图4B是N 1s的XPS图，N 1s的峰位于402.55 eV处。图4C是Pd 3d XPS图，Pd 3d5/2和Pd 3d3/2的峰分别位于335.9 eV和340.9 eV处。图4D是Pd NPs/PDDA-GNs中C 1s的峰。如图所示，当GO被还原后，C-C(284.6 eV)峰最强，而其它与O相关的化学键强度大大减弱。进一步证实了Pd NPs/PDDA-GNs复合材料被成功合成。

图4 Pd NPs/PDDA-GNs(A)X射线光电子能谱(XPS)总谱、N 1s(B)、Pd 3d(C)和 C 1s(D)的XPS谱图

另外，采用循环伏安法(CV)比较GCE、PDDA-GNs/GCE、Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在10 μmol/L DS溶液中的电化学性能。如图5所示，DS在GCE表面发生氧化反应，在0.53 V附近有一个很小的氧化峰(曲线a)。当用PDDA-GNs纳米材料修饰GCE后，DS的氧化峰电流增高，但峰形不明显，且较差(曲线b)。然而在Pd NPs/PDDA-GNs/GCE上，DS的氧化峰明显，峰电流增强，且峰形较好，这归因于GNs良好的导电性和Pd NPs较强的催化活性。

图5 GCE(a)、PDDA-GNs/GCE(b)和Pd NPs/PDDA-GNs/GCE(c)在含有10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中的循环伏安(CV)图，扫速为0.05 V/s

2.2 扫描速度对Pd NPs/PDDA-GNs/GCE电化学性能的影响

图6为Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在10 μmol/L DS溶液中，于不同扫描速下的CV图。可以看到随着扫速的增加，DS的氧化峰峰电流逐渐增大，峰位置向右移动，并且扫速与峰电流呈现良好的线性关系，线性方程式为：Ipa(μA)=0.560+7.59v(R2=0.996),表明Pd NPs/PDDA-GNs/GCE表面DS的氧化过程为表面吸附控制[17]。此外，DS的氧化峰电位与扫速的对数成线性关系，线性方程为：Epa=0.495+0.0737logv。根据Laviron[18]公式，计算得到电子转移数为2。

图6 含10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在不同扫速下的CV图

2.3 pH值对Pd NPs/PDDA-GNs电化学性能的影响

将Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在不同pH值的10 μmol/L DS溶液中富集30 min，采用CV法检测其电化学响应。如图7所示，pH从5.0增加到9.0，峰电位逐渐向左移动，表明DS的氧化是一个质子化过程。氧化峰峰电流在pH=7.0时达到最大，且pH为7.0接近生理pH值，所以将7.0作为最佳pH值，用于所有测试中。此外，DS氧化峰峰电位与不同的pH值成线性关系，线性拟合方程为：Epa(V)=0.930-0.043pH，该线性方程式的斜率是-43 mV/pH，与理论值-59 mV/pH相接近，因此电极上DS的氧化是一个等电子等质子转移过程[19]，即两电子两质子转移过程。

图7 0.1 mol/L不同pH的PBS(pH=5.0～9.0)中10 μmol/L DS在Pd NPs/PDDA-GNs/GCE上的CV图(插图为pH与DS峰电流的线性关系)

2.4 实验条件的优化

首先，考察了Pd NPs/PDDA-GNs在GCE上的负载量对DS氧化峰峰电流的影响。将制备的不同Pd NPs/PDDA-GNs/GCE浸入含有10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，富集30 min，测试CV响应。结果表明，随着Pd NPs/PDDA-GNs修饰体积的增加，DS的峰电流逐渐增大，在8.0 μL时达到最大，超过8.0 μL，峰电流减小。这是因为修饰层变厚降低了电子在电极表面的传递速率。因此，将8.0 μL作为复合材料的最佳修饰量。其次，对DS在修饰电极上的富集时间进行了优化，结果显示反应在30 min时峰电流达到最大，即DS在修饰电极表面达到吸附平衡，超过30 min，峰电流稍有下降，所以最佳富集时间为30 min。

2.5 Pd NPs/PDDA-GNs/GCE对DS的电化学检测

在最佳实验条件下，将Pd NPs/PDDA-GNs/GCE分别浸入不同浓度的DS溶液中，通过DPV法测定电化学响应。如图8A所示，随着DS浓度的增大，峰电流逐渐增高，分别在浓度0.6～10 μmol/L和10～40 μmol/L范围内，DS的峰电流与浓度成线性关系。如图8B所示，在低浓度范围内，线性方程为：Ipa=2.36+2.36c(μmol/L)，相关系数为0.999；在高浓度范围内的线性方程是：Ipa=20.4+0.496c(μmol/L)，相关系数0.991，对DS的检出限(S/N=3)是0.08 μmol/L。与其它修饰电极[1,20]相比，该方法拥有较低的检出限。

图8 (A)Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在DS溶液(浓度分别为0.6、0.8、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10、15、20、25、30、35、40 μmol/L)中的示差脉冲伏安(DPV)曲线；(B)峰电流对DS浓度的校准曲线

2.6 传感器的选择性考察

图9 Pd NPs/PDDA-GNs/GCE对DS测定的选择性

2.7 传感器重现性和稳定性考察

为了考察该传感器的重现性，将同一根电极重复修饰10次，每次修饰后浸入含10 μmol/L DS的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，采用DPV法测其值，所得结果的相对标准偏差为4.2%，表明该传感器有着良好的重现性。此外，将Pd NPs/PDDA-GNs/GCE在4 ℃条件下放置两周，然后测定10 μmol/L DS的DPV峰电流，峰电流只下降了6%，证明该传感器具有较好的稳定性。

3 结论

本研究通过水热法合成了Pd NPs/PDDA-GNs纳米复合材料，该材料结合了GNs大的表面积和良好的导电性，以及Pd NPs较强的催化性。基于Pd NPs/PDDA-GNs纳米复合材料构建了电化学传感器，实现了对DS的高灵敏、高选择性检测，其线性范围是0.6～40 μmol/L，检出限可达0.08 μmol/L。该传感器操作简单，稳定性好，灵敏度高，成本低，有望成为一种重要的医用检测手段。