香草醛改性殼聚糖的合成及其電催化作用的研究

趙延慶（新疆地礦局第六地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心 哈密 839000）

香草醛改性殼聚糖的合成及其電催化作用的研究

趙延慶
（新疆地礦局第六地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心 哈密 839000）

在水溶液中，殼聚糖與香草醛發(fā)生席夫堿反應(yīng)，生成改性殼聚糖VCG。將改性的殼聚糖滴涂在玻碳電極表面，形成一層膜，通過(guò)靜電引力作用，吸附、富集帶負(fù)電的電子介體Fe（CN）63-，使其固定在電極表面，用循環(huán)伏安法研究了Fe（CN）63-香草醛改性殼聚糖GC修飾電極對(duì)抗壞血酸的催化氧化作用。與裸玻碳電極比較，此修飾電極進(jìn)一步提高了離子檢測(cè)靈敏度，如：抗壞血酸濃度在7×10-7mol/L～4×10-3mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9966，檢測(cè)限達(dá)到1×10-7。

香草醛 殼聚糖 化學(xué)修飾電極 席夫堿

1　實(shí)驗(yàn)原理

香草醛改性殼聚糖的合成制備是采用香草醛（3-甲氧基-4-羥基苯甲醛）對(duì)殼聚糖進(jìn)行接枝，發(fā)生席夫堿反應(yīng)，得到香草醛改性的殼聚糖（V-CTS）。反應(yīng)方程式如下：

2　主要儀器

（1）三電極系統(tǒng)。玻碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對(duì)電極LK-98微分電化學(xué)分析儀。

（2）KQ3200超聲波清洗器。

（3）PHS-3C型酸度計(jì)。

3　試劑

（1）香草醛（AR）。

（2）六氰合鐵（Ⅲ）酸鉀（AR，）標(biāo)準(zhǔn)溶液（1× 10-3mol/L）：準(zhǔn)確稱取六氰合鐵（Ⅲ）酸鉀0.0659 g于小燒杯中，用二次蒸餾水溶解，再轉(zhuǎn)移至200mL容量瓶中，定容，搖勻，于冰箱中冷藏保存，備用。

（3）抗壞血酸（AR）標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.1mol/L 25mL）。

（4）2mol/L的乙酸（AR）溶液：準(zhǔn)確量取2.86mL冰乙酸（1.05 g/mL）于容量瓶中，定容，搖勻，備用。

（5）甲醇（AR）、無(wú)水乙醇。

（6）0.1mol/L的NaOH溶液（AR）。

（7）0.1mol/L的磷酸二氫鉀（AR）磷酸鹽緩沖溶液（PBS，pH4.0～9.0）。

4　測(cè)定

4.1殼聚糖制備

準(zhǔn)確稱取1.000 g的殼聚糖微粒于錐形瓶中，用甲醇浸泡溶漲12 h（目的是使其表面積增大，使反應(yīng)更加充分）。清洗過(guò)濾，將溶漲的殼聚糖放入錐形瓶中，以水為溶劑，加入pH為6.0的緩沖溶液10mL。放入恒溫水浴中，升溫到70℃。邊攪拌，邊加入3 g香草醛。間隔的攪拌反應(yīng)體系，并注意加水（防止反應(yīng)體系水分蒸干）。反應(yīng)6 h左右，待反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物過(guò)濾，用蒸餾水清洗。再依次用乙醇、丙酮萃取，以除去未反應(yīng)的香草醛等雜質(zhì)。將所得產(chǎn)物過(guò)濾，在紅外燈下烘干即為香草醛改性的殼聚糖（VCTS）。其產(chǎn)物為淡黃色的顆粒狀固體。

4.2修飾電極的制備

將基體（GC）玻碳電極在砂紙上磨平，再用Al2O3拋光處理，并在超聲波清洗器中依次用HNO3（1+1）乙醇，二次水清洗5min。電極干燥后，用微量進(jìn)樣器取10 μL 5 g/L香草醛改性的殼聚糖溶液均勻地滴涂在電極表面，放在紅外燈下烘烤約30min，冷卻后將電極在10-3mol/L K3Fe（CN）6的磷酸鹽緩沖溶液（pH 6.0）中浸泡30min，取出用二次蒸餾水沖洗，待用。

5　結(jié)果與討論

5.1香草醛改性殼聚糖的檢測(cè)

5.1.1改性殼聚糖的熔點(diǎn)

將制備好的香草醛改性殼聚糖裝入毛細(xì)管中，用數(shù)字測(cè)熔儀測(cè)定其熔點(diǎn)為250℃，可以初步確定其為殼聚糖衍生物［33］。

5.1.2Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極的電化學(xué)行為

用裸玻碳電極對(duì)1×10-3mol/L的Fe（CN）63-的PBS （pH 6.0）溶液進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，再用Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對(duì)0.1mol/L的PBS（pH 6.0）溶液進(jìn)行多次循環(huán)伏安掃描，比較裸電極與修飾電極循環(huán)伏安圖的區(qū)別可知，修飾電極的峰電流比裸玻碳電極在Fe（CN）63-溶液中要高，氧化峰電位更負(fù)，表明已有部分Fe（CN）63-吸附在香草醛改性的殼聚糖膜內(nèi)，且膜中的Fe（CN）63-顯示了準(zhǔn)可逆的電化學(xué)行為。這是由于在酸性底液中，改性殼聚糖分子中的氨基發(fā)生質(zhì)子化。靠靜電引力吸附溶液中的陰離子Fe（CN）63-，對(duì)溶液中的Fe（CN）63-起吸附富集作用。將該修飾電極在底液中連續(xù)掃描，峰電流基本不變。這說(shuō)明Fe（CN）63-/改性殼聚糖/GC修飾電極有較高的穩(wěn)定性，F(xiàn)e（CN）63-在膜內(nèi)相當(dāng)牢固。在不同掃速下的CV圖可知，隨著掃速的降低，電位差逐漸減小。在低掃速時(shí)，修飾電極表現(xiàn)可逆的電化學(xué)性質(zhì)。且在20～100mV/s范圍內(nèi)，Ip與掃速的平方根有良好的線性關(guān)系，符合擴(kuò)散理論，這說(shuō)明Fe（CN）63-可以在膜內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)于溶液和電極表面之間。

5.1.3裸電極/殼聚糖修飾電極/香草醛殼聚糖修飾電極對(duì)AA的氧化比較

圖1　裸電極/殼聚糖修飾電極/香草醛殼聚糖修飾電極對(duì)AA的氧化比較

由圖1可知，在對(duì)AA的氧化催化作用上，殼聚糖修飾電極比裸電極有更大的峰電流，而香草醛改性的殼聚糖的峰電流最大，這說(shuō)明改性的殼聚糖修飾電極有更好的靈敏度和檢測(cè)限，更適合對(duì)樣品的測(cè)定。

5.1.4Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對(duì)抗壞血酸的氧化

用裸玻碳電極對(duì)2mmol/L的AA的PBS（pH 6.0）溶液進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，再分別用修飾電極對(duì)同濃度的AA的溶液（pH 6.0）及0.1mol/L的PBS進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，比較三個(gè)CV圖（圖2）。

圖2　Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對(duì)抗壞血酸的電催化氧化

圖2表明，當(dāng)溶液中含有2mmol/L的AA時(shí)，與空白底液中的電化學(xué)行為相比較：修飾電極的氧化電流顯著增加，氧化電位基本不變（曲線c），與AA在裸玻碳電極上的電化學(xué)行為相比（曲線a）修飾電極的氧化電流顯著增加。

圖3　Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對(duì)不同濃度AA的循環(huán)伏安圖

對(duì)不同濃度的AA進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，曲線如圖3所示。由圖3可知AA的氧化峰電流隨AA濃度的增加而增加，還原電流隨之減小。這表明，改性殼聚糖所吸附的Fe（CN）63-可以有效的催化溶液中的AA氧化，且催化峰電位與Fe（CN）63-的氧化電位一致，表明Fe（CN）63-起著電子介體的作用。

圖4　Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對(duì)AA的多次循環(huán)伏安圖

圖4為修飾電極催化AA的多次CV圖，第二周期峰比第一周期顯著降低，最終達(dá)到一穩(wěn)定值。這是由于荷正電荷的改性殼聚糖修飾膜對(duì)陰離子AA具有吸附富集作用，隨掃描圈數(shù)的增加，所吸附的AA被消耗，最終電極反應(yīng)受溶液中AA向電極表面的擴(kuò)散速率所控制，而達(dá)到平衡。但同一濃度的AA經(jīng)多次掃描，其相應(yīng)周期的峰電流值很接近，掃描一周后，攪拌溶液30 s左右即可恢復(fù)原來(lái)的峰高。

5.2實(shí)驗(yàn)條件的選擇

5.2.1掃速的選擇

配2mmol/L AA的磷酸鹽（pH 6.0）溶液，在掃速分別為20、40、60、80、100 V/s時(shí)對(duì)其進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，觀察其峰形及峰電流和峰電位的變化。每次掃描前均須攪拌溶液30 s以恢復(fù)表面AA的濃度?？芍?，對(duì)同一濃度的AA溶液，在不同掃速時(shí)其峰電流的變化較大而掃速對(duì)峰電位影響不大?？紤]到圖線的效果。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇掃速為60mV/s。

5.2.2掃描電位范圍的選擇

取2mmol/L的AA，改變掃描電位范圍分別-0.4V～0.8 V、-0.2 V～0.6 V、-0.2 V～0.8 V、-0.2 V～1.0 V進(jìn)行循環(huán)伏安掃描?？芍?dāng)起始電位變化時(shí)，峰電流、峰電位的變化不大，對(duì)AA的測(cè)定無(wú)影響，但掃描范圍為-0.4 V～0.8 V和-0.2 V～1.0 V時(shí)，循環(huán)掃描圖拉的很寬，圖形不美觀，而當(dāng)電位在-0.2 V～0.8 V之間峰形好，且AA的氧化峰及Fe（CN）63-的還原峰均在此區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)，故在本實(shí)驗(yàn)中，掃描電位范圍選在-2.0 V～0.8 V之間。

5.2.3吸附時(shí)間的影響

將香草醛殼聚糖修飾好的電極在1×10-3mol/L K3Fe（CN）6的磷酸鹽（pH 6.0）緩沖溶液中浸泡，改變浸泡時(shí)間分別為10、15、20、25、30、35、40min，再用浸泡后的電極對(duì)同濃度的AA溶液進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，由實(shí)驗(yàn)可知，峰電流隨介體吸附時(shí)間的增加而增大，當(dāng)達(dá)到30min時(shí)峰電流達(dá)到一穩(wěn)定值，表明吸附達(dá)到了平衡。實(shí)驗(yàn)選擇吸附時(shí)間為30min。

5.2.4香草醛殼聚糖修飾量的影響

改變香草醛殼聚糖的修飾量分別為5、10、15、20 μL，分別對(duì)同一濃度的AA溶液進(jìn)行掃描，記錄各自的峰電流和峰電位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性殼聚糖膜厚度對(duì)AA的催化有顯著影響。膜太薄則吸附電子介體的量太少；膜太厚，電極的電阻增大，響應(yīng)的峰電流降低。在本實(shí)驗(yàn)中，選擇10 μL的香草醛殼聚糖得到較大的峰電流。

5.2.5干擾實(shí)驗(yàn)

在2mmol/L AA的PBS溶液中，加入100倍的K+、Na+、PO44-；50倍的葡萄糖、維生素B1、乳酸、草酸、苯酚、間苯二酚、谷氨酸、精氨酸、組氨酸；20倍的尿酸、亞硝酸鹽等富含于食品中的物質(zhì)對(duì)測(cè)定結(jié)果無(wú)明顯干擾。同濃度的抗生素蛋白不干擾測(cè)定［34］。以上結(jié)果表明，此修飾電極對(duì)AA有較好的選擇性。

5.2.6重現(xiàn)性及線性范圍

在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)處理潔凈的玻碳電極進(jìn)行修飾，配置一系列不同濃度的AA溶液，用該修飾電極進(jìn)行掃描，記錄各峰電流及峰電位的變化，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，AA的濃度在7×10-7mol/L～4× 10-3mol/L內(nèi)呈很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9966，而在7×10-7mol/L以下，4×10-3mol/L以上曲線趨于平緩，即0.00025mol/L和0.005mol/L均超出了該方法的線性范圍。同一支修飾電極在2mmol/LAA的PBS底液中進(jìn)行測(cè)定，RSD為1.99%。重現(xiàn)性較好。

6　樣品測(cè)定

在6個(gè)25mL的容量瓶中，分別加入ph6.0的1mol/ L的磷酸鹽緩沖溶液2.5mL，加入少量二次水稀釋，依次加入0.0250mol/L的抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、2.00mL，用二次水定容搖勻。分別進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，測(cè)定AA的氧化峰電流。根據(jù)AA的濃度與氧化峰電流測(cè)量值Ip繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見圖5：

圖5　標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

將維生素C藥片碾碎，準(zhǔn)確稱取0.0500 g粉末于50mL燒杯中，加入二次水溶解，轉(zhuǎn)移至500mL容量瓶中，再加入50mL 1mol/L的磷酸鹽緩沖溶液，定容搖勻。干過(guò)濾，所得澄清溶液備用。

稱取黃瓜樣品4 g在研缽中搗爛成漿，加入10mL的PBS（pH6.0）提取液研磨、過(guò)濾。殘?jiān)^續(xù)提取2～3次，合并過(guò)濾，用提取液稀釋到100mL，經(jīng)超速離心后取清液50mL進(jìn)行測(cè)定，以標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算含量，分析結(jié)果見表1：

表1　樣品分析結(jié)果

7　結(jié)論

用香草醛和殼聚糖為原料，通過(guò)席夫堿反應(yīng)制備了香草醛改性殼聚糖，用它對(duì)玻碳電極進(jìn)行滴涂法修飾后，來(lái)測(cè)定抗壞血酸及食品（黃瓜）中AA的含量，取得較好的效果。此外，該修飾電極還可用于多巴胺、腎上腺素等的測(cè)定，都取得了較好的效果［34］，由于其靈敏度高、穩(wěn)定性好，其應(yīng)用前景很廣泛。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)殼聚糖在電化學(xué)方面的研究雖已得到重視，但在該領(lǐng)域?qū)ぞ厶羌捌溲苌锏难芯窟€需要做更多的工作，特別是用于對(duì)食品中AA的含量的測(cè)定有很好的效果。另外，由于殼聚糖的衍生物比殼聚糖具有更好的活性，所以在色譜，重金屬離子的吸附及分離等多個(gè)領(lǐng)域也值得重視和研究。

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收稿：2016-03-09

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.04.023