電化學間接測量法研究谷胱甘肽在多壁碳納米管和活性炭上的吸附

湯 儆 曾 嶠 陳振東 黃向前

(福州大學化學化工學院,教育部食品安全和分析檢測重點實驗室,福州350108)

電化學間接測量法研究谷胱甘肽在多壁碳納米管和活性炭上的吸附

湯 儆*曾 嶠 陳振東 黃向前

(福州大學化學化工學院,教育部食品安全和分析檢測重點實驗室,福州350108)

選取谷胱甘肽(GSH)作為小分子代表物,利用Cr(VI)與GSH的相互作用,即K2Cr2O7/H2SO4溶液加入GSH前后Cr(VI)還原峰電流值的差異,通過差分脈沖伏安法(DPV)的測定,可以間接測出GSH的含量.嘗試將這種電化學間接測量法應用于研究多壁碳納米管(MWCNTs)與商業(yè)活性炭(AC)對GSH的吸附行為.利用該方法可以確立GSH在二者的吸附量(Q)與吸附平衡濃度(Ce)的關系,繪制吸附等溫曲線.根據(jù)Langmuir方程和Freundlich方程的擬合分析,證明了與商業(yè)活性炭相比,GSH在MWCNTs上的吸附更傾向Freundlich模型,即多分子層吸附.利用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進行形貌表征,發(fā)現(xiàn)MWCNTs具有發(fā)達的堆積孔結構,有利于GSH小分子內擴散和吸附,與實驗結果一致.

電化學間接測量法;谷胱甘肽;多壁碳納米管;活性炭;吸附機理

1 引言

作為一種新型的吸附材料,碳納米管具有高比表面積、高比表面能、高反應活性等優(yōu)點,1引起了國內外研究者的廣泛興趣.在環(huán)境監(jiān)測方面,與傳統(tǒng)吸附材料相比,對廢水中的農藥殘留物、多環(huán)酚類物種處理,碳納米管具有更快的吸附速率、更大吸附量,固相萃取作用突出;2-4在醫(yī)學理療方面,碳納米管對中分子毒素的優(yōu)異吸附為臨床灌流技術提供了新思路.5,6其中多壁碳納米管(MWCNTs),7除了具有一維中空管結構外,還具有豐富的堆積孔結構,進一步拓寬了其在吸附領域的應用.例如,在藥物運載與處理方面,陸續(xù)報道出了MWCNTs對活性藥物異甘草苷、雙氯芬酸的吸附研究.8,9因此, MWCNTs的潛在應用價值確立了MWCNTs對生物小分子、無機物吸附機理研究的必要性.

小分子物質一般是指分子量小于500道爾頓的一類具有生物活性的物質,其中還原型谷胱甘肽(GSH),由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成的,具有抗自由基、抗衰老、抗氧化的生物活性,是人體內重要的生物活性肽.10本文選取GSH作為小分子物質研究對象,將其與MWCNTs的吸附研究相結合,可開拓炭質材料在納米運輸、生物藥載等方面的實際應用.同時,考慮到小分子的多樣性,在光、熱、電上的性質不盡相同,令傳統(tǒng)的檢測方法存在一定的局限性.本文旨在不影響吸附的前提下,結合電化學技術的簡易、便捷特點,提出一種電化學間接測定的方法.通過優(yōu)化測定GSH的實驗條件,進而應用該方法,研究GSH在MWCNTs和活性炭(AC)上的物理化學吸附模型與機理.

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

試劑:谷胱甘肽(醫(yī)用注射型,1.8 g/瓶,重慶藥友制藥有限公司),重鉻酸鉀(AR),濃硫酸(AR),高純氮(99.999%),MWCNTs(用硝酸處理,廈門大學張鴻斌課題組11提供),活性炭選用商用碳腎(德國Gambro Dialysatoren Gmbl生產,型號為Adsorba 150C的碳腎(一次性使用血液灌流器))中的活性炭,其里面活性炭外包裹著一層纖維素膜,膜厚3-5 μm,活性炭比表面積為100 m2·g-1,為了便于比較,用研缽將活性炭研磨到粒度與MWCNTs粒度相近.

儀器:電化學實驗使用上海辰華CHI842B電化學工作站,結合自制標準三電極電化學體系,以Pt片為輔助電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,金電極(直徑Φ=2 mm,用0.05 μm的Al2O3拋光粉進行拋光處理)為工作電極.日本JEOL公司高分辨透射電鏡(JEM-2010)和美國FEI公司生產的場發(fā)射掃描電鏡(NOVA NANO SEM230)進行形貌表征.ZHWY-103D型恒溫培養(yǎng)振蕩器由上海智誠公司生產.

2.2 谷胱甘肽標準曲線的確立

以K2Cr2O7作為標準物,0.1 mol·L-1H2SO4作為電解質溶劑,分別配制濃度為0.01和0.09 mmol·L-1K2Cr2O7標準溶液.以生物超純水為溶劑,配制1 mmol·L-1的GSH標準溶液,置于冰箱4°C冷藏;用循環(huán)伏安法,差分脈沖伏安法對Cr(VI)溶液的電化學性質進行了研究測定,確立Cr(VI)的峰值電位.改變掃描速率(10-80 mV·s-1),分析Cr(VI)在金電極上的電化學過程;改變濃度(0-0.1 mmol·L-1),確定Cr(VI)溶液適于電化學測定的濃度范圍;選定濃度為0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4的 Cr(VI)標準溶液為母液,改變GSH的加入濃度(1×,測定差分脈沖伏安(DPV)的響應信號.根據(jù)Cr(VI)還原峰響應電流與GSH濃度的變化關系,繪制標準曲線.

2.3 吸附等溫曲線的繪制

稱取等量MWCNTs和活性炭分別加入20 mL 1 mmol·L-1的GSH溶液,進行不同時間的吸附實驗(吸附條件:振蕩器中的溫度為37°C,轉速為150 r· min-1).在0、10、40、90、120、180、210、240、270 min時選取吸附后的溶液進行電化學檢測.以吸附量與吸附時間的關系繪制吸附速率曲線,確定平衡吸附時間.配制0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 mmol·L-1的GSH溶液,各取20 mL,分別加入等量MWCNTs和活性炭進行吸附(吸附條件:振蕩器中的溫度為37°C,轉速為150 r·min-1),對吸附飽和溶液(吸附時間約為5 h)進行電化學檢測.以吸附量與吸附平衡濃度的關系繪制吸附等溫曲線.

2.4 MWCNTs及活性炭的表征

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對MWCNTs和活性炭進行形貌表征.利用透射電子顯微鏡(TEM)進一步觀察MWCNTs孔徑尺寸.

3 結果與討論

3.1 電化學間接測量GSH濃度的方法

有關GSH與金屬離子之間相互作用的研究報道很多,12-15Kitagawa等12對Cr(VI)與GSH的相互作用及其產物進行了電子順磁共振(EPR)研究,結果表明GSH能還原K2Cr2O7至Cr(V)或Cr(III),并認為由于谷胱甘肽合適的還原電位及強絡合能力,使得GSH與Cr(V)、Cr(III)的配合物在該實驗條件下較長時間內能穩(wěn)定存在.發(fā)現(xiàn)在硫酸體系中,GSH與Cr(VI)的相互作用同樣存在,因此根據(jù)GSH加入前后K2Cr2O7/H2SO4溶液電化學性質差異分析,可以達到間接測定出谷胱甘肽濃度的目的.

圖1(a)顯示了不同掃描速率下,金電極在0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4溶液中的循環(huán)伏安圖,其掃描速率分別為10、20、30、50、80 mV· s-1.從圖中可以看出,K2Cr2O7于0.6 V附近存在一不可逆還原峰,該峰歸屬為Cr(VI)的還原峰,反應式為:Cr(VI)+3e-→Cr(III),這與楊培慧等16對其電化學分析的研究結果相同.與此同時,發(fā)現(xiàn)該還原峰電流(Ip)值隨掃描速率(v)的增加而增大,如圖1(a)插圖所示,Ip與v1/2呈線性關系.表明在金電極上的電化學還原過程受擴散控制.

通過電位增量、脈沖幅度、脈沖寬度、采樣寬度等參數(shù)條件的優(yōu)化,圖1(b)為金電極在0.1 mmol· L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4體系中對不同濃度GSH的差分脈沖伏安響應信號圖.由圖可見,隨著GSH濃度的依次增加,Cr(VI)還原峰電流值逐步減小,差分脈沖伏安響應信號也逐漸減弱.根據(jù)GSH濃度(C)與峰電流的關系作圖,如圖1(b)插圖所示,在0.01-0.18 mmol·L-1的濃度范圍內,GSH濃度與峰電流具有良好的線性關系,相關方程為Ip= 5.083-2.058C,線性系數(shù)R=0.9962,檢測限D為 0.017 mmol·L-1(D=3σ/S,其中σ為多次測量標準偏差,S為校準曲線斜率).

依據(jù)實驗結果,可推導Cr(VI)在金電極表面間接測定GSH濃度的電極反應機理如下:當Cr(VI)溶液中不含GSH時,Cr(VI)在金電極表面還原,于+ 0.6 V左右獲得還原峰,該過程受擴散控制,其電極反應歷程1為:Cr(VI)+3e-→Cr(III);當向含Cr(VI)溶液中加入GSH后,由于GSH將溶液中的Cr(VI)還原,形成中間態(tài)化合物,該化合物進一步迅速分解為Cr(III)的配合物,使Cr(VI)的濃度下降,從而使+ 0.6 V的還原峰電流減小,其反應歷程2為:Cr(VI)+ GSH→GS-Cr(IV)/GS-Cr(V)→GS-Cr(III).12,16兩歷程的差分脈沖伏安法(DPV)分析顯示,隨著谷胱甘肽濃度的加大,差分脈沖伏安響應信號逐漸減弱.根據(jù)響應信號的峰電流大小與GSH濃度的關系,可測定出GSH的濃度.

目前該方法可對不同中性、酸性的生物體系建立特定的測定條件,以滿足具體條件中谷胱甘肽測定的要求.與傳統(tǒng)檢測方法如分光光度法、液相色譜法17,18相比,在同等的檢測靈敏度與檢測限上,省去了基團衍生接入和復雜制備步驟,故在一定程度上顯示出電化學間接測定方法簡單、便宜、易小型化的優(yōu)勢.

3.2 電化學間接測定方法應用于GSH吸附模型的

對比研究

圖1 不同掃描速率(v)下金電極在0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4溶液中的循環(huán)伏安圖及Cr(VI)峰電流(Ip)與v1/2的關系圖(a),不同濃度GSH(C)下金電極在0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4的差分脈沖伏安響應信號圖及差分脈沖響應峰電流與GSH濃度的關系圖(b)Fig.1 CVs ofAu electrode in 0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4solution with different scan rates(v)and the dependence of peak current(Ip)of Cr(VI)on v1/2(a);DPV curves ofAu electrode in 0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1 H2SO4solution with different glutathione(GSH)concentrations(C)and the dependence of peak current of DPV on GSH concentration(b)

將上述電化學間接檢測方法,應用于MWCNTs與商業(yè)活性炭對GSH吸附對比研究.選取MWCNTs與活性炭的投加量為0.02 g,GSH溶液初始濃度C0= 1 mmol·L-1,在不同時間段(0、10、40、90、120、180、210、240、270 min)內進行恒溫37°C吸附實驗,以0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4的Cr(VI)標準溶液為母液對各吸附分段溶液進行電化學檢測.確立吸附量(Q)與吸附時間(t)的關系,繪制出對應吸附速率曲線,如圖2(a)所示.從實驗結果可以看出,在時間段0-270 min內,GSH在MWCNTs上的吸附比較迅速,其吸附速率是活性炭的2-3倍.相應的,從MWCNTs的SEM形貌表征圖來看,如圖2(b)所示,其相互纏繞的MWCNTs形成發(fā)達的空隙結構,這種孔又稱“堆積孔”,7孔徑等于管之間的距離.相比,活性炭的表面卻較平坦,孔徑稀疏,見圖2(c). MWCNTs的堆積孔結構遠比活性炭發(fā)達.因此可印證,發(fā)達的堆積孔結構有利于小分子物質的內擴散及吸附.可見,與現(xiàn)有吸附材料相比,在吸附動力學上,MWCNTs具有明顯的優(yōu)勢.

圖2 MWCNTs與活性炭對GSH吸附速率曲線圖(a)及對應吸附前的MWCNTs(b)和活性炭(c)的SEM圖Fig.2 Adsorption rate curves of GSH with MWCNTs and activated carbon(a),SEM images of MWCNTs(b)and activated carbon(c)before adsorption

根據(jù)上述吸附速率曲線結果可知,當振蕩時間大于4 h,滿足GSH在MWCNTs與活性炭上的吸附量飽和.因此,設置5 h的振蕩時間為吸附平衡時間,選取投加量為0.02 g的MWCNTs與活性炭,對不同濃度GSH溶液(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mmol·L-1)進行吸附測定.確立平均吸附量(Qave)與吸附平衡濃度(Ce)的關系,繪制吸附等溫曲線.三次的實驗平均結果如圖3(a)所示,對于不同濃度的GSH, MWCNTs都能保持較高的吸附量,在低濃度區(qū)(0-1.0 mmol·L-1),MWCNTs的吸附量相比活性炭大1-2倍,而在高濃度區(qū)(1.2-1.4 mmol·L-1),受飽和吸附的影響,兩者的可比性降低.但總體來看,相同條件下MWCNTs的吸附效果優(yōu)于活性炭.這可以利用MWCNTs的TEM圖進行說明,從圖3(b)的TEM形貌特征圖,可觀察本文所使用的MWCNTs外徑在30-50 nm之間,壁厚約為10-20 nm,文獻19-21研究發(fā)現(xiàn),MWCNTs孔徑分布主要包括各管內腔與單管纏繞組成的堆積間隙,同時經(jīng)過酸處理,在碳管表面形成某些含氧官能團,進一步增加了MWCNTs的比表面與孔容親和性.推測不僅僅包括MWCNTs表面、碳束中MWCNTs之間形成的空隙,其凹槽以及其管內腔也都能在小分子擴散吸附的過程中被充分利用到.在一定濃度范圍內,直鏈烷烴狀的GSH可能吸附進入了MWCNTs的層層間隙,達到多分子層累積吸附,因而顯示了較高的吸附能力.總體來說,在對小分子的吸附能力上, MWCNTs具有更佳的潛力.

圖3 MWCNTs與活性炭對GSH吸附等溫曲線圖(a)以及對應吸附前的MWCNTs的TEM圖(b)Fig.3 Adsorption isotherms of GSH with MWCNTs and activated carbon(a)and TEM image of MWCNTs before adsorption(b)

表1 MWCNTs與活性炭對GSH吸附對應Langmuir與Freundlich等溫線的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of Freundlich and Langmuir isotherm models for adsorption of GSH on MWCNTs and activated carbon

為更進一步研究其吸附機理,利用吸附等溫線擬合成數(shù)學方程,在一定程度上反映吸附的類型.常見描述固體吸附劑在稀溶液中的等溫吸附的數(shù)學方程主要有兩種,即Langmuir方程(L型)和Freundlich方程(F型).22Langmuir方程的推導基于吸附劑表面均勻,發(fā)生單分子層吸附的假設,較好地描述了低、中壓力范圍的吸附等溫線.其數(shù)學表達式為:

,其中Qm和b為Langmuir系數(shù).Freundlich方程是來自于實驗的經(jīng)驗公式,它適合描述在表面非均勻的吸附材料上的多分子層吸附.其數(shù)學表達式為:,其中,K和 n是Freundlich系數(shù).通常Freundlich系數(shù)可用來表示吸附能力的相對大小.

如表1所示的擬合結果,這兩個方程均能較好地描述GSH在MWCNTs和活性炭上的吸附.通過R值的比較,兩種吸附劑的吸附類型都傾向于Freundlich方程.在Freundlich方程的擬合中,發(fā)現(xiàn)MWCNTs的吸附K值明顯高于活性炭,K越大,表明吸附劑的吸附能力越強;1/n越小,表明吸附劑的吸附性能越好,1/n介于0.1-0.5時,表明容易吸附.而求算出MWCNTs對應的1/n值為0.1334,介于0.1-0.5之間,表明MWCNTs更易吸附GSH,吸附能力優(yōu)于活性炭.基于小分子的吸附機理研究, MWCNTs傾向于Freundlich模型,即表現(xiàn)為表面非均勻多分子層吸附.這一模型的建立也印證了如上MWCNTs的SEM和TEM形貌圖的解析.

4 結論

根據(jù)Cr(VI)與GSH的相互作用,確立了GSH的電化學間接測量法.實驗所得的線性系數(shù)R在0.99以上,同時實驗穩(wěn)定性較好,與傳統(tǒng)的檢測手段相比,設備簡單,操作方便,可應用在GSH的吸附結果檢測中.通過吸附等溫曲線分析可知,GSH在MWCNTs及活性炭上的吸附更傾向于Freundlich多分子層吸附.通過TEM和SEM表征觀察MWCNTs,發(fā)現(xiàn)MWCNTs有發(fā)達的堆積孔結構,有利于小分子的內擴散及吸附.與實驗結果相符,即MWCNTs相比活性炭有較快的吸附速率及較大的吸附量.與現(xiàn)有的材料相比,在活性小分子物質的吸附方面, MWCNTs具有良好的應用前景,同時考慮到體系的復雜,下一步將進一步功能化MWCNTs的表面,以提高其生物的選擇性吸附.

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November 28,2011;Revised:February 8,2012;Published on Web:February 24,2012.

Electrochemical Indirect Measurement for the Study of Glutathione Adsorption on Multiwalled Carbon Nanotubes and Activated Carbon

TANG Jing*ZENG Qiao CHEN Zhen-Dong HUANG Xiang-Qian
(Key Laboratory of Analysis and Detection Technology for Food Safety,Ministry of Education,College of Chemistry and Chemical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,P.R.China)

Because of the chemical reaction between Cr(VI)ions and glutathione,the peak reduction current of Cr(VI)ions decreases while adding glutathione(GSH)into a K2Cr2O7/H2SO4solution.Thus the concentration of GSH can be detected indirectly by differential pulse voltammetry(DPV)analysis.This electrochemical indirect method was used to study the adsorption of GSH on multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs)and activated carbon(AC),and can be used to determine the equilibrium relationship between GSH adsorption and its concentration.Unlike the result obtained from the active carbon,GSH adsorption on MWCNTs agrees better with that predicted by the Freundlich equation compared to that predicted by the Langmuir equation.The morphologies of MWCNTs and activated carbon were observed with scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy(TEM). The abundance of aggregated pores in MWCNTs is beneficial for the diffusion and adsorption of small GSH molecules,suggesting that MWCNTs could be developed as an adsorbent for small molecular substances.

Electrochemical indirect measurement;Glutathione;MWCNTs;Activated carbon; Adsorption mechanism

10.3866/PKU.WHXB201202242

?Corresponding author.Email:jingtang@fzu.edu.cn;Tel:+86-591-22866165.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21073038,21173048).

國家自然科學基金(21073038,21173048)資助項目

O643;O646