抗壞血酸在納米金/石墨烯復(fù)合物 修飾電極上的電化學(xué)行為研究

劉彥培，張艷麗，楊應(yīng)彩，龐鵬飛

(云南民族大學(xué) 民族藥資源化學(xué)國(guó)家民委-教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650500)

石墨烯(單原子層石墨晶體薄膜)是一種新型的由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀物質(zhì).石墨烯比表面積大(高達(dá)2600 m2/g)，具有良好的熱力學(xué)性能及優(yōu)異的電子傳遞性能[1-2].因此將其作為電極修飾材料可提高反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移速率，提高靈敏度，目前人們已將石墨烯廣泛應(yīng)用于電化學(xué)與生物傳感領(lǐng)域[3-5].納米金粒子有著特異的表面效應(yīng)，良好的電子學(xué)特性和生物兼容性而被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)與生物傳感器中[6-8].

抗壞血酸(ascorbic acid)又稱(chēng)維生素C(vitamin C)，在蔬菜和水果中含量較高.抗壞血酸具有抗氧化性，常用做食品添加劑.抗壞血酸參與體內(nèi)氨基酸的代謝，能增加肌體的抗病能力，可用于預(yù)防壞血病.因此抗壞血酸含量的測(cè)定在食品和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義.目前，測(cè)定方法主要有高效液相色譜法[9]、氧化還原滴定法[10]、熒光法[11]、光度法[12]、電化學(xué)分析法[13-14]等.其中電化學(xué)方法是一種簡(jiǎn)便、快速、可靠且適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法.

本文利用本實(shí)驗(yàn)室合成的石墨烯，通過(guò)直接滴涂法制備石墨烯修飾玻碳電極[15]，然后通過(guò)電沉積法在石墨烯表面電沉積納米金粒子制得復(fù)合材料.結(jié)合石墨烯、納米金粒子獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，利用其對(duì)AA的直接催化氧化作用，制備了納米金/石墨烯復(fù)合物修飾電極(AuNPs/GR/GCE)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗壞血酸快速、靈敏的檢測(cè)，與直接利用玻碳電極測(cè)定AA相比[16]，AuNPs/GR/GCE具有更高的靈敏度.該修飾電極制作工藝簡(jiǎn)單、成本較低，對(duì)AA的測(cè)定具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

CHI660D型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；pH計(jì)(梅特勒-托多利FE20型)；三電極體系：以AuNPs/GR/GCE為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極；KQ-250DA型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)； 抗壞血酸(北京芳草醫(yī)藥化工研制公司)；氯金酸(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；0.1 mol/L磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液；石墨烯分散液：稱(chēng)取10 mg石墨烯加入10 mL水中，用超聲分散約8 h形成黑色均勻的分散液.所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.

1.2 石墨烯的制備

氧化石墨的制備采用Hummers方法[17-19]，將2.5 g 1 000目天然鱗片石墨粉加入到冰浴冷卻的60 mL濃硫酸中，然后將1.25 g亞硝酸鈉和7.5 g高錳酸鉀研細(xì)并均勻混合后在攪拌下緩慢加入到上述溶液中，控制溫度在5 ℃以下攪拌反應(yīng)2 h后, 在35 ℃的恒溫水浴中維持1 h，緩慢加入120 mL水在95 ℃維持0.5 h, 用溫水稀釋至350 mL，倒入適量 6%的過(guò)氧化氫，趁熱過(guò)濾，用1 mol/L鹽酸充分洗滌濾餅至溶液中無(wú)SO42-(用氯化鋇溶液檢測(cè)),在50 ℃下真空干燥15 h，密封保存.

石墨烯的制備采用水合肼還原法[18-20]，將150 mg氧化石墨放入裝有150 mL水的三頸燒瓶中，超聲震蕩至無(wú)黑色顆粒狀物質(zhì)存在，加入3 mL水合肼溶液呈黑色懸浮液，緩慢將溫度升至95 ℃，回流24 h.用適量的水和甲醇分別洗滌濾餅，于50 ℃下干燥，密封保存.

1.3 納米金/石墨烯復(fù)合物修飾電極的制備

將玻碳電極分別在粒徑為0.3 μm和0.05 μm的Al203懸濁液上拋光成鏡面，然后依次在水、無(wú)水乙醇、水中分別超聲清洗3 min，在室溫下晾干.取6 μL、1.0 mg / mL均勻的石墨烯分散液滴涂在玻碳電極表面，在紅外燈下靜置烘干后得到石墨烯修飾電極.將此修飾電極用水沖洗，晾干，置于15 mL、0.1 mg/mL氯金酸溶液中，于-0.6～1.2 V下電沉積6圈，取出后用水反復(fù)沖洗，即制得AuNPs/GR/GCE.

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

移取適量的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(pH = 4.0)于電解池中，加入一定量的抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，以AuNPs/GR/GCE為工作電極，以飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲為輔助電極，用循環(huán)伏安法研究抗壞血酸的電化學(xué)行為.

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試底液的選擇

本實(shí)驗(yàn)考察了硝酸鉀、醋酸-醋酸鈉、鹽酸、磷酸氫二鈉-檸檬酸等作為支持電解質(zhì)時(shí)AA的循環(huán)伏安行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0.1 mol/L磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中，AA的氧化峰電流最大，并且峰形較好.

2.2 石墨烯和納米金修飾量的選擇

納米金/石墨烯復(fù)合膜的厚度會(huì)影響AA氧化峰電流的大小.實(shí)驗(yàn)研究了石墨烯的修飾量和納米金的電沉積圈數(shù)對(duì)抗壞血酸氧化峰電流的影響，結(jié)果表明當(dāng)石墨烯的修飾量為6 μL(1.0 mg/mL),電沉積納米金6圈時(shí)氧化峰電流最大，故本實(shí)驗(yàn)采用6 μL石墨烯(1.0 mg /mL)并且電沉積納米金6圈修飾的玻碳電極作為工作電極.

2.3 納米金/石墨烯復(fù)合物的表征

納米金/石墨烯復(fù)合物在玻碳電極表面的SEM圖見(jiàn)圖1，從圖中可以看出，納米金粒子均勻地分散到石墨烯的表面.

2.4 AA在不同修飾電極上的電化學(xué)行為

1 mmol/L AA 在裸電極GCE(a)、石墨烯修電極GR/GCE(b)和納米金/石墨烯復(fù)合物修飾電極AuNPs/GR/GCE(c)以0.1 mol/L的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(pH = 4.0)作為支持電解質(zhì)，掃描電位范圍為-0.6～0.6 V，掃速為0.1 V/s的循環(huán)伏安曲線(xiàn)見(jiàn)圖2. 從圖中可以看出，AA 在不同的修飾電極上均發(fā)生不可逆的氧化反應(yīng)，AA 在裸玻碳電極上只出現(xiàn)一個(gè)微弱的氧化峰(曲線(xiàn)a)，而在GR/GCE上，AA的氧化峰電流顯著增大(曲線(xiàn)b)，說(shuō)明石墨烯對(duì)AA的氧化有明顯的電催化作用，這是因?yàn)槭┑谋缺砻娣e大而且具有良好的電子傳遞能力.與前兩者比較，AuNPs/GR/GCE則具有更明顯的氧化峰(曲線(xiàn)c)，這是因?yàn)榧{米金作為良好的導(dǎo)電性物質(zhì)，改善了電極的性能，對(duì)AA的電催化作用增強(qiáng).

實(shí)驗(yàn)考察了在不同的掃描速率下AuNPs/GRGCE對(duì)AA響應(yīng)電流的影響，掃描速率分別為0.05、0.10、0.15、0.20、0.30 、0.40、0.50 V/s，電極在含1×10-3mol/ L AA 的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液 (pH = 4.0) 中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，在0.05 ～ 0.5 V范圍內(nèi)AA的氧化峰電流隨掃描速率的增大而增加.并且峰電流(Ipa)與掃速 (v) 呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，見(jiàn)圖4，線(xiàn)性方程為：Ipa=116.921v+28.623，相關(guān)系數(shù)R=0.999 0，說(shuō)明電極過(guò)程受吸附控制.

2.5 底液pH值對(duì)AA催化作用的影響

支持電解質(zhì)溶液的pH會(huì)影響AuNPs/GR/GCE對(duì)AA的催化作用，在pH值為2.2～7.0范圍內(nèi)，用循環(huán)伏安法考察了磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液的pH值對(duì)修飾電極的影響見(jiàn)圖5，結(jié)果表明在pH = 4.0時(shí)氧化峰電流最大，故本實(shí)驗(yàn)在pH = 4.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中進(jìn)行.同時(shí)隨著底液pH值的增大，AA的氧化峰電位發(fā)生了明顯的負(fù)移，且在pH為2.2～7.0范圍內(nèi)與 AA 的氧化峰電位呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性方程為Epa=0.365-0.055 pH，R=0.993 1,其斜率為-0.055 V/pH，這說(shuō)明參與電極反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相同.

2.6 線(xiàn)性范圍和檢出限

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)不同濃度的AA進(jìn)行循環(huán)伏安法測(cè)定，氧化峰電流與AA 的濃度在7 ～ 500 μmol/L(圖6)和1 ～ 30 mmol/L(圖7)范圍內(nèi)呈良好的線(xiàn)性，其線(xiàn)性方回歸方程分別為：Ipa= 1.525 +0.042 0c(μmol/L)，R=0.996 1；Ipa= 47.831 +17.299c(mmol/L)，R=0.997 8；檢出限為5 μmol/L(信噪比=3).

2.7 干擾實(shí)驗(yàn)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，以AuNPs/GR/GCE工作電極，在含1 mmol/L AA的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液中，考察了以下物質(zhì)對(duì)AA測(cè)定的影響，結(jié)果表明10倍的葡萄糖，草酸，Cl-， NO3-， K+, Na+等對(duì)AA的測(cè)定沒(méi)有明顯干擾，說(shuō)明此方法對(duì)AA的測(cè)定具有良好的選擇性.

2.8 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

連續(xù)對(duì)1 mmol/L的AA連續(xù)測(cè)定10次，其RSD值為3.2 %；用相同的方法制備5支AuNPs/GR/GCE并對(duì)1 mmol/L的AA進(jìn)行檢測(cè)，其RSD值為4.6%，說(shuō)明此修飾電極具有良好的重現(xiàn)性.將電極在室溫下放置15 d后再對(duì)1 mmol/L的AA進(jìn)行測(cè)定，氧化峰電流為原來(lái)響應(yīng)值的 95.6%，表明電極的穩(wěn)定性較好.

2.9 實(shí)際樣品的測(cè)定

取5片市售的維生素C藥片( 0.1 g/片)研細(xì)，準(zhǔn)確稱(chēng)取0.024 g用水溶解,過(guò)濾， 定容在 100 mL 容量瓶中，采用循環(huán)伏安法測(cè)定其中AA含量，加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表1)，回收率在97.69 % ～ 103.5 % 之間，可用于實(shí)際樣品的中AA的測(cè)定.

3 結(jié)語(yǔ)

本文制備了納米金/石墨烯復(fù)合物修飾玻碳電極，研究了AA在此復(fù)合物修飾電極上的電化學(xué)行為，表明其對(duì)AA有較強(qiáng)的電催化作用，響應(yīng)性能優(yōu)于普通的玻碳電極和石墨烯修飾玻碳電極，并且具有較好的選擇性、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性，可用于AA的檢測(cè).

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