離子液體-銀納米粒子修飾電極的制備及其在測(cè)定維生素C中的應(yīng)用

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(1. 天津職業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院, 天津 300410; 2. 天津大學(xué) 化工學(xué)院, 天津 300072)

維生素C是維持人體健康必需的維生素,對(duì)于防御感染性疾病有重要意義,研究表明維生素C缺乏可導(dǎo)致多種疾病,其含量測(cè)定被用于疾病診斷及營養(yǎng)分析中[1-2]。維生素C的測(cè)定方法包括碘量法、比色法等,但這些方法步驟繁瑣,不利于快速分析。有報(bào)道利用電化學(xué)伏安法測(cè)定維生素C的含量[3],這種方法多采用聚合物及無機(jī)化合物薄膜修飾電極,能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)定維生素C的含量,但存在檢出限偏高、測(cè)定靈敏度較低的缺點(diǎn)。因此需開發(fā)靈敏度高、快速、準(zhǔn)確的電化學(xué)方法。

離子液體(IL)由于具有電化學(xué)穩(wěn)定性、較寬的電化學(xué)窗口及良好的導(dǎo)電性,已被作為傳感材料應(yīng)用于電化學(xué)中[4]。納米粒子具有大比表面積和良好的電子遷移性,其在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用近年來成為熱點(diǎn)[5-6]。納米粒子與離子液體結(jié)合應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中,具有廣泛的應(yīng)用前景。

銀納米粒子(AgNPs)具有良好的導(dǎo)電性及生物兼容性,AgNPs應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中可極大地提高電極表面電荷遷移速率,有效改善電化學(xué)響應(yīng)信號(hào),提高傳感器的靈敏度[7-8]。離子液體[BMIM]BF4具有良好的離子化及導(dǎo)電性能,同時(shí)可作為穩(wěn)定劑附著在納米粒子表面,對(duì)AgNPs有很好的分散作用,防止AgNPs的團(tuán)聚。

本工作利用離子液體-銀納米粒子復(fù)合材料修飾玻碳電極,考察銀納米粒子及離子液體對(duì)修飾電極性能的影響規(guī)律,對(duì)修飾電極的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,計(jì)算不同銀濃度修飾電極的反應(yīng)擴(kuò)散系數(shù),并對(duì)藥劑中的維生素C含量進(jìn)行測(cè)定。

1 試驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

CHI 650型電化學(xué)分析儀,配三電極系統(tǒng)(修飾玻碳電極為工作電極,飽和甘汞電極為參比電極,Pt電極為輔助電極);TU-1810PC型紫外-可見分光光度儀;IRPrestige-21 SHIMADZU型島津傅里葉變換紅外光譜儀;JEM-2100F型場(chǎng)投射電子顯微鏡。

硝酸銀、氯化鉀、維生素C、甲基咪唑、溴代正丁烷、硼氫化鈉、檸檬酸鈉為分析純,試驗(yàn)用水為去離子水。

1．2 離子液體的制備

取一定量甲基咪唑與溴代正丁烷,以甲苯為溶劑,回流反應(yīng)3 h;用丙酮、乙酸乙酯抽濾后,得到中間體溴代甲基咪唑[BMIM]Br;在常溫條件下,加入NaBF4攪拌6 h,直至反應(yīng)完全,即得離子液體[BMIM]BF4。

1．3 銀納米粒子的制備

取0.1 mol·L-1檸檬酸鈉溶液3 mL,加入氫氧化鈉溶液調(diào)pH至12,加入到三口燒瓶中;再加入0.1 mol·L-1硝酸銀溶液3 mL,電動(dòng)攪拌,溶液呈褐色;再加入2 g·L-1維生素C溶液70 mL,于30 ℃水浴下,攪拌30 min后,停止反應(yīng)。用水及乙醇溶液對(duì)銀納米粒子進(jìn)行離心清洗,清洗多次,利用紫外-可見分光光度儀掃描,直至光譜圖中250～650 nm處只有銀納米粒子峰即可。將清洗后的銀納米粒子在60 ℃進(jìn)行真空干燥2 h。

1．4 修飾電極的制備

稱取干燥后的銀納米粒子,配制一系列濃度的銀納米粒子溶液,并與離子液體按照一定體積比混合,配制成一系列濃度的銀納米粒子-離子液體混合溶液。

首先將玻碳電極依次用0.1,0.3,0.05 μm的Al2O3粉拋光,而后用水清洗。進(jìn)行裸電極測(cè)試,確定電極表面打磨好后,浸泡于0.1 mol·L-1半胱氨酸溶液中1 h后取出,用水沖洗后,分別取上述銀納米粒子-離子液體混合溶液,滴于拋光后的玻碳電極上,于30 ℃真空干燥5 min。

1．5 試驗(yàn)方法

維生素C片劑處理:取標(biāo)示量為0.1 g·片-1維生素C片于研缽中研細(xì),稱取粉末若干,用水溶解,過濾后,在100 mL容量瓶中定容備用。

選取上述修飾電極為工作電極,飽和甘汞電極為參比電極,Pt電極為輔助電極,電極優(yōu)化測(cè)試在10,80 μmol·L-1維生素C的PBS溶液中進(jìn)行,掃描范圍為-0.4～0.8 V。測(cè)定了藥劑中的維生素C含量,并進(jìn)行了抗干擾試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2．1 離子液體及銀納米粒子的表征

將制備的離子液體進(jìn)行傅里葉變換-紅外光譜(FT-IR)表征,譜圖見圖1。

圖1 離子液體[BMIM]BF4的傅里葉變換-紅外光譜圖Fig. 1 FT-IR spectrum of ionic liquid [BMIM]BF4

由圖1可知:所制備的離子液體的主要特征峰為3 413,1 628,1 570,1 167,1 050 cm-1。其中3 413 cm-1歸屬為芳香環(huán)上C-H的伸縮振動(dòng)峰,1 628,1 570 cm-1歸屬為芳香環(huán)骨架振動(dòng)峰,1 167 cm-1歸屬為芳環(huán)C-H面內(nèi)振動(dòng)峰,1 050 cm-1歸屬為BF4基團(tuán)的B-F振動(dòng)峰,與離子液體標(biāo)準(zhǔn)品譜圖基本一致,證明合成的離子液體純度較高。

制備的銀納米粒子溶液呈深綠色,其紫外-可見吸收光譜圖見圖2。

圖2 銀納米粒子的紫外-可見吸收光譜圖Fig. 2 UV-Vis absorption spectrum of silver nanoparticles

由圖2可知:銀納米粒子的最大吸收峰出現(xiàn)在402 nm處,說明銀納米粒子尺寸較小。利用場(chǎng)投射電子顯微鏡表征銀納米粒子尺寸,見圖3,銀納米粒子尺寸在20 nm左右。

圖3 銀納米粒子的透射電子顯微鏡圖片F(xiàn)ig. 3 TEM image of silver nanoparticles

2．2 維生素C在修飾電極中的電化學(xué)行為

2．2．1 銀納米粒子濃度對(duì)修飾電極性能的影響

方波伏安法測(cè)試在濃度為80 μmol·L-1維生素C的PBS溶液中進(jìn)行,首先以裸玻碳電極為工作電極,測(cè)試結(jié)果見圖4(曲線1),維生素C在裸電極中無氧化峰出現(xiàn)。試驗(yàn)分別測(cè)定了維生素C在不同濃度銀納米粒子修飾的玻碳電極的電化學(xué)行為,見圖4(曲線2～7)。

1-裸電極;2～7對(duì)應(yīng)銀納米粒子的濃度依次為0,0.2, 0.6,1.0,1.5,3.0 mol·L-1圖4 維生素C在不同濃度銀納米粒子修飾電極的方波伏安圖Fig. 4 SWV diagrams of Vitamin C at the electrodes modified with AgNPs of various concentrations

由圖4可知:當(dāng)只有離子液體修飾電極時(shí),峰電流信號(hào)不明顯;當(dāng)修飾溶液中銀納米粒子濃度增大時(shí),維生素C氧化峰電流逐漸增大;當(dāng)修飾溶液中的銀納米粒子濃度繼續(xù)增大至3.0 mol·L-1后,峰電流消失。

結(jié)合交流阻抗圖5(曲線2～6)可知:高頻區(qū)半圓直徑即Rct值隨銀納米粒子濃度增大而變小。這是由于隨銀納米粒子在電極表面增多,電荷轉(zhuǎn)移速率加快。因此,隨著銀納米粒子濃度增大,對(duì)應(yīng)圖4(曲線6)中峰電流最大。

1-裸電極;2～7對(duì)應(yīng)銀納米粒子的濃度依次為0,0.2, 0.6,1.0,1.5,3.0 mol·L-1圖5 不同濃度銀納米粒子修飾電極的阻抗圖Fig. 5 Impedance diagrams of the electrodes modified with AgNPs of various concentrations

由圖5(曲線7)可知:對(duì)于由高濃度3.0 mol·L-1銀納米粒子-離子液體混合溶液修飾的電極,高頻區(qū)Rct值雖然較小,但低頻區(qū)直線斜率顯著變小,電極表面的物質(zhì)擴(kuò)散變得不利,這成為反應(yīng)速率的控制步驟。因此,維生素C的電化學(xué)反應(yīng)不能發(fā)生,從而導(dǎo)致圖4(曲線7)中銀納米粒子濃度增大至3.0 mol·L-1時(shí)峰電流消失。

2．2．2 離子液體濃度對(duì)修飾電極性能的影響

試驗(yàn)考察了銀納米粒子-離子液體混合修飾溶液中離子液體的體積分?jǐn)?shù)(0～10%)對(duì)于修飾電極性能的影響。

如圖6(曲線1)所示,當(dāng)不加離子液體時(shí),即只有銀納米粒子修飾玻碳電極時(shí),有一定的峰電流相應(yīng);當(dāng)修飾溶液中添加一定量的離子液體,可增強(qiáng)峰電流信號(hào),如圖6(曲線3)所示,當(dāng)修飾液中離子液體的體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí),修飾電極的性能最好。這是由于適當(dāng)?shù)靥砑与x子液體有利于增強(qiáng)電極表面的導(dǎo)電性。但當(dāng)離子液體比例過高時(shí),反而不利于峰電流的增大,這與離子液體黏度大、極性強(qiáng)有關(guān),離子液體的比例過高,抑制了反應(yīng)物及產(chǎn)物的擴(kuò)散,因而降低了修飾電極的性能。

曲線1～5對(duì)應(yīng)離子液體的體積分?jǐn)?shù)分別為0,2%, 4%,8%,10% 銀納米粒子在電極修飾溶液中的濃度均為1.0 mol·L-1圖6 維生素C在不同體積分?jǐn)?shù)離子液體修飾電極上的方波伏安圖Fig. 6 SWV diagrams of Vitamin C on the electrodes modified with ionic liquid of various volume ratios

2．2．3 掃描速率對(duì)修飾電極電化學(xué)行為影響

對(duì)修飾電極進(jìn)行優(yōu)化后,在濃度為10 μmol·L-1維生素C溶液中,考察了掃描速率(v)對(duì)峰電流(Ip)的影響,見圖7。

曲線1～5對(duì)應(yīng)的掃描速率依次為0.02,0.04, 0.06,0.08,0.1 V·s-1圖7 不同掃描速率下維生素C在修飾電極上的循環(huán)伏安曲線Fig. 7 CV curves of Vitamin C on the modified electrodes under different scan rates

通過計(jì)算可知:Ip與v1/2呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.996 7。

2．3 修飾電極的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)測(cè)定

根據(jù)Randles-Savcik公式(1),計(jì)算修飾電極的有效面積。

Ip=2.69×105n3/2AD1/2cv1/2(1)

式中:Ip為峰電流,A;n為電子轉(zhuǎn)移數(shù);A為電極有效面積,cm2;D為擴(kuò)散系數(shù),cm2·s-1;v為掃描速率,V·s-1;c為濃度,mol·L-1。

測(cè)定了不同掃描速率下修飾電極在0.1 mol·L-1KCl及2×10-4mol·L-1K3[Fe(CN)6]溶液中峰電流,對(duì)Ip-v1/2進(jìn)行了回歸,回歸方程為Ip=46.90v1/2+3.120×106,已知0.1 mol·L-1KCl中K3[Fe(CN)6]的擴(kuò)散系數(shù)D為6.3×10-6cm2·s-1,由回歸方程直線斜率可得出電極有效面積,利用計(jì)時(shí)電量法(CC)計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)。

利用CC法測(cè)出不同濃度的維生素C的Q-t1/2關(guān)系式,由公式(2)計(jì)算出維生素C不同濃度的擴(kuò)散系數(shù)D,見表1。

(2)

式中:Q為計(jì)時(shí)電量法電量,C;n為電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù);F為法拉第常數(shù),96 485 C·mol-1;A為電極面積,cm2;D為擴(kuò)散系數(shù);cm2·s-1;t為電解時(shí)間,s;Qdl為雙電層的充電電量,C。

表1 CC法測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)D的結(jié)果Tab. 1 Determination results of diffusion coefficiet D by CC method

由表1可知,隨著維生素C濃度的增大,擴(kuò)散系數(shù)減小。

2．4 片劑中的維生素C含量測(cè)定

2．4．1 線性范圍及靈敏度考察

利用修飾電極測(cè)定了方波伏安法中峰電流隨維生素C濃度變化的曲線圖。當(dāng)維生素C濃度在5～100 μmol·L-1內(nèi),峰電流與濃度呈線性關(guān)系,Ip(μA)=-0.424 7c(μmol·L-1)-0.443 8,相關(guān)系數(shù)為0.998 7,靈敏度為0.4 μA/μmol·L-1。

2．4．2 抗干擾試驗(yàn)

在10 μmol·L-1維生素C的PBS溶液中加入10倍的葡萄糖及過氧化氫,當(dāng)相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)均不干擾測(cè)定。

2．4．3 維生素C片劑測(cè)定及精密度考察

將處理的維生素C片劑樣品按試驗(yàn)方法測(cè)定,平行測(cè)定5次,測(cè)定值與文獻(xiàn)[9]基本一致,測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于2.0%,方法具有較高的精密度。

以離子液體-銀納米粒子復(fù)合材料修飾玻碳電極,并對(duì)維生素C溶液進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試。通過方波伏安法及交流阻抗法測(cè)試了不同濃度銀納米粒子及離子液體修飾電極的性能,結(jié)果表明:銀納米粒子濃度為1.5 mol·L-1,離子液體體積分?jǐn)?shù)為4%的修飾溶液修飾電極性能最佳。利用修飾電極考察了掃描速率及維生素C濃度對(duì)峰電流變化的影響。對(duì)維生素C溶液的電化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,擴(kuò)散系數(shù)隨維生素C溶液的濃度增大而減小。利用優(yōu)化電極測(cè)定了藥劑中的維生素C含量,結(jié)果與文獻(xiàn)值較為接近,方法準(zhǔn)確度、精密度較高。

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