 Advances in Analytical Chemistry 分析化学进展, 2013, 3, 15-21 http://dx.doi.org/10.12677/aac.2013.33004 Published Online August 2013 (http://www.hanspub.org/journal/aac.html) Electrochemical Sensor for Acetaminophen Based on Gold Nanoparticles* Ying Pang1, Fen Xu1,2#, Lixian Sun2 1College of Chemistry and Chemical Engineering, Liaoning Normal University, Dalian 2College of Material Science and Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Email: #xufen@guet.edu.cn Received: Sep. 4th, 2013; revised: Sep. 10th, 2013; accepted: Sep. 17th, 2013 Copyright © 2013 Ying Pang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: A kind of GNPs/GC modified electrode was prepared by electrodeposited gold nanoparticles on the surface of glassy carbon electrode based on the cyclic voltammetry. Electrochemical properties and surface morphology of the modified electrode were characterized. The electrochemical behaviors of acetaminophen (ACOP) at GNPs/GC elec- trode were investigated by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectrum (EIS). The influences of dif- ferent experimental conditions on the electrode performance were discussed. Under optimal conditions, a linear rela- tionship of ACOP concentration with peak current was obtained over the concentration range of 2.0 × 10−7 - 2.0 × 10−5 mol·L−1 and 1.4 × 10−4 - 3.78 × 10−3 mol·L−1, respectively. The detection limit was 3.6 × 10−8 mol·L−1 (S/N = 3:1) and the recovery was 97.7% - 101.0%. Keywords: Acetaminophen; Au Nanoparticles; Modified Electrode; Cyclic Voltammetry 基于金纳米粒子的对乙酰氨基酚传感器的研究* 庞 莹1，徐 芬1,2#，孙立贤 2 1辽宁师范大学化学化工学院，大连 2桂林电子科技大学材料科学与工程学院，桂林 Email: #xufen@guet.edu.cn 收稿日期：2013 年9月4日；修回日期：2013年9月10 日；录用日期：2013 年9月17 日 摘 要：本文采用循环伏安法将金纳米粒子修饰在玻碳电极表面，制备了GNPs/GC 修饰电极。对修饰电极进行 电化学及表面形貌的表征，并通过循环伏安法和交流阻抗法研究了 ACOP 在GNPs/GC 电极上的电化学行为。 本文探讨了不同实验条件对电极性能的影响，在最优条件下，ACOP 线性浓度范围分别为 2.0 × 10−7~2.0 × 10−5 mol·L−1和1.4 × 10−4~3.78 × 10−3 mol·L−1，其检出限为3.6 × 10−8 mol·L−1(S/N = 3:1)，回收率为 97.7%~101.0 %。 关键词：对乙酰氨基酚；金纳米粒子；修饰电极；循环伏安法 1. 引言 对乙酰氨基酚(ACOP 或Paracetamol)是世界上广 泛采用的药物之一，作为人们长期使用的乙酰苯胺类 药物，具有解热镇痛作用；可用于抵抗轻度至中度疼 痛。但过量的摄入对乙酰氨基酚会影响人体的消化系 统、泌尿系统、血液系统、呼吸系统，严重会抑制呼 吸中枢，并导致肝损伤[1]。因此，其质量检测十分重 要。电化学法操作简便，检测速度快，具有较高灵敏 度[2]。 *本文得到国家自然科学基金项目(21173111, 51071081, 51071146, 50671098, 51071146, 21075011)；广西信息材料重点实验室重点基 金(桂科能 1210908-217-Z)的资金资助，特此感谢。 #通讯作者。 Copyright © 2013 Hanspub 15  基于金纳米粒子的对乙酰氨基酚传感器的研究 近年来，采用电化学方法测定 ACOP 的研究取得 了很大进展。Mingqi Li[3]等制备了 PANI-MWCNTs 复 合材料修饰电极灵敏测定ACOP 的含量。Fen Xu[4]等 研制了一种新型的 DA电聚合膜用来测定 ACOP，大 大提高了灵敏度。王正国[5]等将 ACOP 在纳米金/十二 烷基苯磺酸钠修饰电极上的电化学行为进行了研究。 段连生[6]等制备了碳纳米管粉末微电极(CNTPME)， 研究了 ACOP 在CNTPME 上的电化学行为。Gareth P. Keeley[7]等制备了热解碳薄膜，采用电化学法同时测 定了对乙酰氨基酚和多巴胺。Chun-Xuan Xu[8]等人采 用Ti O2-GR/PMR 修饰玻碳电极测定 ACOP，灵敏度 较高。 金纳米粒子(GNPs)具有很好的电催化行为和加 速电子传输的能力，利用这些特性制备的金纳米粒子 修饰电极已应用于电化学分析[9,10]。由于金纳米粒子 有上述特点，本文将氯金酸溶液作为修饰电极的材 料，采用循环伏安法(CV)制备了 GNPs/GC修饰电极， 并通过扫描电镜和电化学法对电极形貌和化学特性 进行了表征。同时，研究了 ACOP 在该电极上的电化 学行为。 2. 实验部分 2.1. 试剂与仪器 HAuCl4·4H2O购自天津光复精细化工研究所；对 乙酰氨基酚(ACOP)为分析纯，购自 Aladdin Chemistry Co. Ltd.，并用无水乙醇配制成 1.0 × 10−2 mol·L−1 ACOP 储备液，使用时用磷酸盐缓冲溶液稀释至所需 浓度；铁氰化钾，氯化钾等其它试剂均为分析纯。用 Na2HPO4和NaH 2PO4配制成 0.1 mol·L−1磷酸盐缓冲溶 液(pH = 6.2)。实验中所用水均为二次蒸馏水，所有实 验均在室温下进行。 电化学实验是在IM6e 电化学工作站(Zahner- Elektrik, Kronach, German)上进行的；所有电化学实验 均采用三电极系统，修饰的玻碳电极(直径3 mm，购于 武汉高仕睿联科有限公司)为工作电极，Ag/AgCl (饱和 KCl)电极为参比电极，Pt 电极为对电极。SK3310 LHC 超声波清洗器(购于上海科导超声仪器有限公司)。交流 阻抗在 5.0 × 10−3 mol·L−1 K 3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] + 0.1 mol·L−1 KCl 溶液中进行，交流电压的振幅为 5 mV， 频率变化范围为 0.1~100 kHz。扫描电镜分析(SEM)在 JSM-5610LV SEM (JEOL, Japan)仪器上进行。 2.2. 实验方法 在修饰前将玻碳电极分别在1500目和2000 目的 金相砂纸上打磨后，依次在1.0、0.3 μm的氧化铝粉 上打磨抛光至镜面，然后在1:1 HNO3 (V/V)、无水乙 醇、二次蒸馏水中各超声洗涤 15 min，室温下晾干备 用。采用循环伏安法将玻碳电极置于含 0.5 mg·L−1的 HAuCl4混合溶液中进行循环伏安扫描 60 圈，其扫描 速度为 100 mV·s−1，扫描电位范围为−1.5~2.5 V，即 得 到GNPs/GC 电极。将所制备的修饰电极在室温下， 保存于 pH 6.2 PBS 缓冲溶液中备用。 将浓度为 1.0 × 10−2 mol·L−1的ACOP 储备液用 pH 6.2 的磷酸盐缓冲溶液稀释至 2.0 × 10−4 mol·L−1，移 取 15 ml 至电解池中，以 GNPs/GC 电极作为工作电极， 采用循环伏安法进行扫描，电位范围−0.2~0.8 V，扫 描速度为 50 mV·s−1，得到 ACOP 再修饰电极上的循 环伏安曲线；并对所得到的曲线进行分析。 3. 结果与讨论 3.1. 修饰电极的扫描电镜分析 用扫描电子显微镜(SEM) 对裸玻碳电极和 GNPs/GC 电极的表面形貌进行表征，如图 1。图 1(a) 为裸玻碳电极的SEM 图，其表面是光滑的，没有物 质；而在 GNPs/GC 电极表面(见图 1(b))可看到有一层 分布均匀的颗粒，这说明金纳米粒子被成功修饰在电 极表面上。由于金纳米粒子均匀地分布在电极表面， 因此，它增大了电极的比表面积，促进了电极表面的 电子转移，起到了电催化的作用。 3.2. 修饰电极的电化学性质 将裸玻碳电极、GNPs/GC 电极分别在5.0 × 10−3 mol·L−1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] + 0.1 mol·L−1 KCl溶 液中进行循环伏安扫描，扫描速度为 100 mV·s−1，结 果见图 2。比较两支电极的 CV 曲线，可观察到修饰 了GNPs 后的玻碳电极的CV 曲线的氧化峰和还原峰 电流均较裸玻碳电极的峰电流有所增大，且峰电位差 变小，这说明金纳米粒子使电极的比表面积增大，促 进了[Fe(CN)6]3−/[Fe(CN)6]4−电子对在电极上的电子转 移，具有很好的导电性能。 Copyright © 2013 Hanspub 16  基于金纳米粒子的对乙酰氨基酚传感器的研究 (a) GC electrode; (b) GNPs/GC electrode. Figure 1. SEM images of the modified electrodes 图1. 不同电极的扫描电镜图 (a) GC electrode; (b) GNPs/GC electrode. Figure 2. Cyclic voltammograms of different electrodes in 5.0 × 10−3 mol·L−1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] + 0.1 mol·L−1 KCl solutions 图2. 不同电极在 5.0 × 10−3 mol·L−1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] + 0.1 mol·L−1 KCl中的 CV 曲线 图3为裸玻碳电极和 GNPs/GC 电极在 5.0 × 10−3 mol·L−1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] + 0.1 mol·L−1 KCl中 的交流阻抗图谱。对交流阻抗图谱进行电路模拟(等效 电路图见图 3)，其中裸玻碳电极(见图 3中a曲线)的 阻抗(Ret)约为 300 Ω。而修饰上 GNPs 后，电极表面 发生电化学反应的阻抗大大降低(见图 3中b曲线)， 经拟合约为 30 Ω。这进一步说明GNPs 起到了增强电 子传输的作用，促进了[Fe(CN)6]3−/4−电子对与电极间 的电子转移。 3.3. ACOP在修饰电极上的电化学行为 图4为裸玻碳电极和 GNPs/GC 电极在 2.0 × 10−4 mol·L−1 ACOP溶液中的 CV曲线，其扫描速率为 50 mV· s −1。从图中可看出，ACOP 在裸玻碳电极上只有 一个氧化峰，是典型的不可逆电极过程；而在 GNPs/GC 电极上其 CV 曲线上出现了一对氧化还原 峰，且氧化峰电流明显提高，约为裸玻碳电极的 10 (a) GC electrode; (b) GNPs/GC electrode. Figure 3. Curves of EIS of different electrodes in the 5.0 × 10−3 mol·L−1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] + 0.1 mol·L−1 KCl solution 图3. 不同电极在 5.0 × 10−3 mol·L−1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] + 0.1 mol·L−1 KCl溶液中的交流阻抗 (a) GC electrode; (b) GNPs/GC electrode. Figure 4. Cyclic voltammograms of different electrodes in PBS (pH 6.2) with 2.0 × 10−4 mol·L−1 ACOP 图4. 不同电极在 2.0 × 10−4 mol·L−1ACOP 的PBS (pH 6.2)的CV 曲 线 倍以上。这表明金纳米粒子使 ACOP 电极反应变为准 可逆过程，并且对电子传递起到了良好的促进的作 用。 如图 4中b曲线，ACOP的氧化峰的峰电位为 0.235 V，与裸玻碳电极相比负移了 0.085 V，表明 ACOP 的氧化过电位明显降低；其还原峰电位在 0.205 V处，氧化峰与还原峰的电位差 ΔEp为30 mV。由文 献[11]可知，根据能斯特体系可逆性的判断依据[ΔEp = 2.303RT/(nF)]，即 ΔEp = 59.16/n (测试温度为 25℃)， 可得 ΔEp理论 = 29.58 mV。可见 ΔEp实验值与理论值非 常接近，这表明在玻碳电极上修饰了 GNPs 后，ACOP 在此电极上的电化学可逆性得到明显改善。 Copyright © 2013 Hanspub 17  基于金纳米粒子的对乙酰氨基酚传感器的研究 Copyright © 2013 Hanspub 18 3.4. 缓冲溶液 pH 值的影响 = −0.9966)，这说明 ACOP 的反应过程有质子参与 [12]。 由于 ACOP的分子结构中既有羧基、又有羟基， 所以选择具有适当 pH值的缓冲溶液对 ACOP 的氧化 峰峰电流响应有很大影响，本文考察了底液 pH 值 (5.8~7.0)对ACOP 氧化峰电流和峰电位的影响(见图 5)。由 图5(a)可知，随 pH 值的增加，ACOP 在修饰电 极上的峰电流先增大后减小，pH 值在6.2 时峰电流达 到最大。因此本实验选择 pH为6.2 的磷酸盐缓冲溶 液。 3.5. 修饰圈数的影响 金纳米粒子的修饰量对 ACOP 的峰电流有影响， 可通过控制修饰圈数来控制修饰量。分别制备修饰圈 数为 10 圈、20 圈、40 圈、60 圈、80 圈、100 圈的 GNPs/GC 电极，通过循环伏安法检测不同修饰量的 GNPs/GC 电极对 ACOP 的响应(见图 6)。实验结果表 明：当扫描圈数从 10 圈增加至 60 圈，ACOP 的氧化 峰电流随着圈数的增加而增大；当扫描圈数继续增大 到100 圈后，氧化峰电流随着圈数的增加有所降低。 由图 5(b)可看出，ACOP 在修饰电极上的氧化峰 电位随 pH 的增加而负移，氧化峰电位随 pH 的增加 呈线性变化，即 Epa(V) = −0.09643 pH + 0.86071 (r 1-7: pH 5.8, 6.0, 6.2, 6.4, 6.6, 6.8, 7.0. Figure 5. Effects of solution pH on the oxidation peak current and the oxidation peak potential of ACOP 图5. 缓冲溶液 pH 对ACOP 氧化峰电流和峰电位的影响 Figure 6. Effect of scan cycles on the oxidation peak current of ACOP 图6. 不同修饰圈数对 ACOP 峰电流的影响  基于金纳米粒子的对乙酰氨基酚传感器的研究 这由于当修饰的 GNPs 超过一定量后可能发生了团 聚，因而增大了电极表面的电阻，导致ACOP 与电极 之间的电子交换受阻所致。由实验结果可知，当修饰 量为 60圈时电流响应最佳，故本文选用的 GNPs/GC 电极修饰圈数为 60 圈。 3.6. 扫描速率的影响 扫描速率会影响 ACOP 的电化学行为。将修饰电 极置于含 2.0 × 10−4 mol·L−1 ACOP的溶液(PBS, pH 6.2) 中，测定 CV 曲线，改变扫描速度观察实验现象(见图 7(A))。结果表明，扫描速率在 20~250 mV/s 范围内， 随着扫速的增加，氧化峰的峰电流逐渐增大，氧化峰 电位逐渐正移。ACOP 的峰电流与扫描速率的平方根 (v1/2)呈线性关系(见图7(B))，其氧化峰电流线性回归 方程为 Ipa(μA) = −13.27951 + 10.87205v1/2 (r = 0.99763) ，还原峰电流线性回归方程为 Ipc(μA) = 8.32017 − 3.27488v1/2 (r = 0.9997)。说明 ACOP 在 GNPs/GC 修饰电极上的电化学反应是扩散控制过程 [13]。当扫描速率较小时，氧化峰电流较小，灵敏度较 低；同时随扫描速率的增大，还原峰电位发生负移， 氧化峰电位发生正移。这表明随扫描速率增大，氧化 峰电流增大、灵敏度增大；但峰电位差也增大，ACOP 在该电极上的可逆性变差。因此，电化学实验选择扫 速率为 50 mV/s。 描 3.7. 氧化峰电流与药物浓度的线性关系及电极 的重复性、重现性 在最佳条件下，ACOP在2 × 10−7~2.0 × 10−5 mol·L−1 和1.4 × 10−4~3.78 × 10−3 mol·L−1范围内，ACOP 的浓 度与氧化峰电流呈良好线性关系(见图 8)，其回归方程 分别为 Ipa(μA) = 1.13782c (μmo l·L−1) + 1.45035 (r = 0.99965)和Ipa(μA) = 0.0263c (μmol ·L−1) + 57.1029 (r = 0.99952)，ACOP 的检出限为 3.6 × 10−8 mol·L−1(S/N = 3:1)。实验考察了所制备的 GNPs/GC 电极的重复性和 重现性。用同一支GNPs/GC 修饰电极在 2.0 × 10−4 mol·L−1的ACOP中连续测试 10 次，得到的标准偏差 为1.5%。另外，在相同条件下制备 5支不同的 GNPs/GC 修饰电极，分别在 2.0 × 10−4 mol·L−1的ACOP 中进行 测量，得到的标准偏差为 2.0%，这表明该药物传感器 具有良好的重复性和重现性。 3.8. 干扰试验 参考文献[14]以常见的无机离子和常用药物等共存 物质对修饰电极进行了干扰测试。实验表明：对于 2 × 10−4 mol/L的ACOP 及测量误差在±5%以内，500 倍 的K+、Na+、Mg2+、甘露醇、蔗糖、β-环糊精，200 倍的维生素 B2、葡萄糖，100 倍的 L-谷氨酸、L-赖氨 酸及 50 倍的维生素B12 对ACOP 测定均不产生干扰。 表明该电极具有一定的抗干扰能力。 Figure 7. (A) Cyclic voltammograms of GNPs /GC electrode in 2.0 × 10−4 mol·L−1 ACOP solution at various scan rates (from a to g): 20, 50, 80, 100, 150, 200, 250 mV·s−1, respectively; (B) The relationship between the peak currents and v1/2 图7. (A) 不同扫速下 GNPs/GC 电极在 2.0 × 10-4 mol·L−1 ACOP溶液中的 CV 曲线；(B) 氧化峰电流和还原峰电流与 v1/2 的关系 Copyright © 2013 Hanspub 19  基于金纳米粒子的对乙酰氨基酚传感器的研究 3.9. 回收率实验及修饰电极的寿命 用已知浓度的 ACOP 原料配置三种不同浓度的样 品，按照本实验方法进行操作。利用加标回收法测定 ACOP 的含量，结果见表 1。由表1可知，其回收率 为97.7%~101.0%。 本文还考察了所制备的 GNPS/GC 电极的储存稳 定性。GNPS/GC 电极不用时，储存在室温下 pH 6.2 的磷酸盐缓冲液中，每隔一段时间测试其在 2.0 × 10−4 mol·L−1 ACOP溶液中的氧化峰电流值。结果表明：该 电极连续测量 20 天后，其峰电流仅降低了原来的 5.5%。说明该电极具有较好的储存稳定性。 4. 结论 本文采用循环伏安法将金纳米粒子修饰在玻碳 电极表面，制备了 GNPS/GC 电极，并对其实验条件 进行了优化。结果表明：当修饰圈数是 60 圈，扫描 速率是 50 mV/s，磷酸盐缓冲溶液pH = 6.2时，修饰 Figure 8. Calibration curves of the modified electrode for detecting ACOP 图8. ACOP浓 度与氧化电流的关系 Table 1. Recovery test of ACOP (n* = 5) 表1. ACOP的 回收率 (n* = 5) Samples (×10−7 mol·L−1) Added (×10−7 mol·L−1) Found (×10−7 mol·L−1) Recoveries % 2.00 4.00 5.95 98.75 2.00 6.00 8.06 101.0 20.00 35.00 55.01 100.03 20.00 50.00 69.99 99.98 200.00 200.00 395.36 97.7 200.00 1700.00 1902.63 100.15 电极对 ACOP 的催化效果最好。氧化峰峰电流随 ACOP 浓度在 2.0 × 10−7~2.0 × 10−5 mol·L−1和1.4 × 10−4~3.78 × 10−3 mol·L−1范围内呈线性关系，相关系数 分别为 0.99965 和0.99952。检出限是3.6 × 10−8 mol·L−1 (S/N = 3:1)。该电极用于测定 ACOP 具有灵敏度高、 重复性和重现性好，稳定性好的特点。样品回收率在 97.7%~101.0%。 5. 致谢 感谢国家自然科学基金项目(21173111、51071081、 51071146、50671098、51071146、21075011)，广西信 息材料重点实验室重点基金(桂科能 1210908-217-Z ) 对本文的资金资助。 参考文献 (References) [1] B. D. Clayton, Y. N. Stock. Basic pharmacology for nurses. Mosby Inc., Harcourt Health Sciences Company, St. Louis, 2001. [2] J. C. Song, J. Yang, J. F. Zeng, J. Tan and L. Zhang. Graphite oxide film-modified electrode as an electrochemical sensor for acetaminophen. Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 155 (1): 220-225. [3] M. Q. Li, L. H. Jing. 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