用于灵敏电化学检测克伦特罗尔的活化多孔硬碳电极

《Microchemical Journal》：Activated porous hard carbon electrode for the sensitive electrochemical detection of clenbuterol

高效检测 clenbuterol 的多孔硬碳电极材料研究 |

　　

徐艳雪|高曦兰|程杰|陈虹|陶涛|刘茂平|肖丹

成都大学高等研究院，中国四川省成都市成洛大道2025号

摘要

由于在畜牧业中非法使用克仑特罗（CLB）导致了多种疾病的发生，因此开发准确且便捷的CLB检测方法变得至关重要。由于CLB具有电化学活性，电化学策略已被证明能够实现对其的检测。为了改善电极表面的微环境以增强检测效果，仍需开发性能更优的传感材料。在本研究中，利用咖啡豆废弃物制备了一种环保的多孔硬碳（PHC），用于便捷地检测CLB。表征结果显示，PHC具有多孔结构和晶格无序性。在电化学测试中，PHC表现出高活性表面、良好的导电性和优异的化学稳定性。CLB在PHC改性的玻璃碳电极（PHC/GCE）上产生了明显的阳极峰。KOH/H?O?活化的PHC/GCE（b-PHC/GCE）的峰电流显著增强，约为PHC/GCE的2.5倍。通过SWV和DPV测得的线性动态范围为50 nM–7.0 μM，检出限（3σ/s）分别为10.2 nM和8.8 nM。在肉样中未检测到CLB，回收率在88.8%–98.7%之间，相对标准偏差（RSD）为5.09%。结果通过LC-MS/MS进行了验证。PHC具有低成本、环保和优异传感性能的优势。该传感器的活化过程简单快捷，实际应用中表现出可靠性，能够快速监测有害添加物的存在。

引言

克仑特罗（CLB），化学名为羟甲基叔丁基肾上腺素，是一种广受欢迎的β2-肾上腺素受体激动剂，常用于治疗支气管哮喘、呼吸道过敏、气道阻塞和慢性阻塞性肺疾病[1]。此外，CLB因其促进蛋白质合成和脂质分解的能力而受到滥用，尤其是那些希望增加肌肉与脂肪比例的人群，如健美运动员和模特[2]。因此，CLB也被非法添加到动物饲料中以促进生长和增加肌肉质量[1]。由于其较长的代谢周期，CLB容易在动物体内积累并通过食物链传播[3]。然而，过量或长期无节制地摄入CLB会对心血管和神经系统产生有害副作用，导致心律不齐，甚至引发严重的心肌疾病、脑痛和剧烈震颤[4]。因此，全球范围内都建议限制或禁止使用CLB[5]。因此，开发准确便捷的食品中CLB检测方法显得十分重要。

迄今为止，已经提出了多种CLB检测方法，包括高效液相色谱（HPLC）[6]、液相色谱与串联质谱联用（LC-MS/MS）[7]、气相色谱-质谱（GC-MS）[3]、比色法[8]、表面增强拉曼散射光谱（SERS）[9][10]、酶联免疫吸附测定[11]、荧光光谱[12]、化学发光（CL）方法[13]、电化学发光（ECL）方法[14]以及电化学方法[15][16][17][18][19][20][21]。其中，电化学方法因其简单性、快速响应、易操作和低成本而受到广泛关注。CLB中的芳香胺基团具有电化学活性，因此可以利用电化学策略进行检测。为了获得足够的灵敏度和选择性，需要对电极界面进行修饰。目前已证实，纳米材料[17][18]、分子印迹聚合物（MIP）[19]、抗体[20]以及寡核苷酸（如ssDNA和RNA）[5][21]等可以改善传感界面的微环境，从而提高检测性能。然而，这些传感界面仍存在制备复杂、过程周期长、成本高和重复性不足等问题。因此，人们一直在努力开发具有高灵敏度、选择性、稳定性和重复性等优异性能的创新材料，同时兼具低成本和环保优势。

在各种材料中，碳材料在构建传感界面方面发挥着重要作用。传统的碳材料（如玻璃碳、石墨、石墨烯和碳纳米管等）[22][23]之外，近年来生物质衍生的硬碳（BHCs）因其低成本、环保性和可持续性而受到关注[24][25]。已有研究表明，可以使用核桃壳[26]、竹子[27]、入侵植物[28]、菜籽粕[29]和橄榄壳[30]等生物质制备BHCs。近年来，BHCs主要被用作钠离子电池的阳极[26][27][28][29][30]。然而，BHCs的优异性能也使其成为制备电化学传感平台的理想材料。硬碳的非晶态类似于玻璃碳的非石墨化结构，但与石墨和软碳的层状有序结构不同。与软碳相比，硬碳的碳层间距更大，随机排列的短程有序碳层堆叠导致其具有众多缺陷和微孔[24]。这种复杂的微观结构提高了表面活性，同时具备高工作电位、优异的导电性以及物理和化学稳定性，使其非常适合用于传感平台的制备。

在本研究中，通过一步煅烧法制备了一种多孔硬碳（PHC）。以咖啡豆废弃物为前驱体，在氩气气氛中于1300°C下直接煅烧（方案1）。生物质纤维的交织结构为碳化过程中微孔的形成提供了支撑。形态学表征显示，微孔表面附着有许多次级纳米结构。因此，PHC具有较大的表面积、高表面能和大量的活性位点。PHC的晶体形态为无序状态，类似于玻璃碳。实验还证实，酸碱处理有利于PHC的表面活化。结果表明，经过碱处理的PHC改性的玻璃碳电极（b-PHC/GCE）对CLB表现出良好的响应（方案1）。b-PHC/GCE通过多种电化学方法检测CLB，获得了宽的线性范围和较低的检出限。在肉样中的回收实验也证明了b-PHC/GCE在实际应用中的可靠性，显示了其在传感器制造中的应用潜力。

材料表征

PHC通过SEM、TEM和XPS进行了表征。SEM清晰地展示了PHC的多孔形态（图1和图S1）。PHC的粒径均低于500 μm（图S1）。颗粒表面分布着众多微孔，这些微孔甚至延伸到内部。初级孔的直径约为5–50 μm（图1a），包含纳米颗粒和一些延伸到内部的次级通道（图1b）。随着煅烧温度的升高……

结论

本研究通过一步煅烧法制备了一种由咖啡豆废弃物衍生的多孔硬碳（PHC）。PHC不仅具备硬碳的一般优点，还具有较大的表面积和表面活性。经过KOH/H?O?简单化学活化后，制备的b-PHC/GCE对CLB表现出出色的电化学响应，与其他两种有害添加剂沙丁胺醇（Salbutamol）和拉克托帕明（Ractopamine）有明显区别。在优化条件下……

作者贡献声明

徐艳雪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、方法学设计、概念构思。高曦兰：软件开发、数据管理。程杰：撰写 – 审稿与编辑、项目监督。陈虹：软件开发。陶涛：结果验证、方法学设计、实验研究。刘茂平：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。肖丹：结果验证、资源获取、项目资助、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Shiyanjia实验室（www.shiyanjia.com）提供的XPS和TEM测试支持。感谢陶先生及四川省食品检验研究院提供的肉样悬浮液和LC-MS/MS测试帮助。同时感谢成都大学肉类加工重点实验室的支持。