金屬有機(jī)骨架材料修飾玻碳電極循環(huán)伏安法測(cè)定維生素C片中抗壞血酸

李慶偉，劉 崢＊ ，李?，?，郭征楠，魏 席，唐 群，張淑芬

（1．桂林理工大學(xué) 廣西電磁化學(xué)功能物質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林541004； 2．桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，桂林541004）

抗壞血酸易變質(zhì)，又名維生素C（Vc），其作為生物體內(nèi)必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)作為一種氧化劑和生物酶，可減緩自由基的傷害［1］。Vc借由新陳代謝產(chǎn)生，也可通過(guò)水果、蔬菜等攝入［2］，但其使用量必須嚴(yán)格按照《中華人民共和國(guó)食品安全法》規(guī)定［3］。維生素C對(duì)維護(hù)身體機(jī)能具有重要性［4］，如果長(zhǎng)期缺乏維生素C的攝入，可能會(huì)引起壞血病，進(jìn)而導(dǎo)致皮下黏膜出血、抵抗力低下。近些年，科學(xué)家提出了維生素C具有一定的抗癌作用［5－6］。因此，為了保證人們?nèi)粘５娘嬍辰】?，建立靈敏的維生素C的檢測(cè)方法，監(jiān)控其在食品、藥品中的添加量具有極其重要的意義。目前，常用的測(cè)定抗壞血酸的方法有色譜法［7－9］、直接碘 量法［10］、電化學(xué)法［11－12］、分光光度法［13］等。

化學(xué)修飾電極是人為對(duì)電極表面進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，將具有優(yōu)良電子傳遞特性的物質(zhì)通過(guò)電沉積、滴涂等方法固定在電極表面，使電極具有特定的電化學(xué)性質(zhì)。金屬有機(jī)骨架（MOFs）材料具有較高的比表面積、較大的孔隙率和較小的密度，且其孔道易于調(diào)節(jié)，這使得一些功能基團(tuán)很容易嵌入到MOFs材料的骨架中，同時(shí)MOFs材料合成方法簡(jiǎn)單、來(lái)源廣泛，以上特性為其作為電極修飾劑提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)電沉積法將MOFs材料修飾到電極表面，能夠很好地增加電極表面的接觸面積，進(jìn)而達(dá)到增加修飾電極峰電流的作用。本工作采用溶劑熱法合成了具有較大孔道 （1．062×1．068nm2）的 Zn－MOFs材料將Zn－MOFs材料修飾到玻碳電極表面，建立了一種能夠靈敏測(cè)定維生素C片中抗壞血酸含量的方法。

1 試驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Perkin－Elmer 2400型碳?xì)涞胤治鰞x；島津Shimadzu FTIR－8400 型 紅 外 光 譜 儀；Bruker SMART APEX CCD型單晶衍射儀；S－4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡；CHI 860D型電化學(xué)工作站，采用三電極體系：修飾電極為工作電極，Ag／AgCl電極為參比電極，鉑盤(pán)電極為輔助電極。

Zn－MOFs溶液：稱(chēng)取 Zn－MOFs 15mg在瑪瑙研缽中碾碎，于室溫下溶解于25mL水中，超聲至完全溶解，待用。

鐵氰化鉀溶液：5mmol·L－1，分別稱(chēng)取鐵氰化鉀0．082 3g和氯化鉀0．372 7g置于10mL燒杯中，加入水超聲溶解，用水定容至50mL，備用。使用時(shí)每次移取20mL至燒杯中。

抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：1，0．2，2×10－2mol·L－1，稱(chēng)取一定量的抗壞血酸溶于水中，充分溶解后，用水定容至25mL，置于陰涼處保存，用時(shí)稀釋成所需濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

pH 3，4，5，6，7的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）：按文獻(xiàn)［14］進(jìn)行配制。

所用試劑均為分析純，試驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1．2 試驗(yàn)方法

1．2．1 Zn－MOFs合成方法

將10mL含有0．5mmol Zn（NO3）2·10H2O、0．5mmol噻吩－2，5－二甲酸 （2，5－tdc）、0．5mmol 4，4′－聯(lián)吡啶（4，4′－pydc）和1mmol氫氧化鈉的混合溶液，室溫下在燒杯中磁力攪拌1h，然后將混合液轉(zhuǎn)移至25mL帶有聚四氟乙烯襯底的水熱反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放入烘箱加熱到170℃晶化72h。72h后進(jìn)行程序降溫至100℃，保溫10h，關(guān)掉烘箱讓其在自然狀態(tài)下冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜，釜中生成無(wú)色針狀晶體，過(guò)濾，收集產(chǎn)物，自然晾干后，產(chǎn)率為75%。

ZnC16O4H10N2S元素分析（理論值）：C%49．02（49．09%）；H%2．55（2．52%）；紅外光譜分析（溴化鉀壓片）：3 592cm－1（芳環(huán)C－H 伸縮振動(dòng)），1 554 cm－1（C＝O 伸縮振動(dòng)），405cm－1（Zn－O伸縮振動(dòng)）；經(jīng)X單晶衍射儀確認(rèn)ZnC16O4H10N2S晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 ZnC16O4H10N2S的晶體結(jié)構(gòu)（50%橢球概率，對(duì)稱(chēng)操作A：x＋1，y，z；B：－x＋1，－y＋1，－z＋2；C：－x＋1，y－1／2，－z＋3／2）Fig．1 Crystal structure of ZnC16O4H10N2S shown as 50%thermal ellipsoid probability（symmetry codes A：x＋1，y，z；B：－x＋1，－y＋1，－z＋2；C：－x＋1，y－1／2，－z＋3／2）

1．2．2 玻碳電極的預(yù)處理

用0．5μm的氧化鋁拋光粉將直徑為2mm的玻碳電極在拋光布上拋光呈鏡面，然后在超聲波輔助下依次在無(wú)水乙醇、丙酮、水中各清洗10min。將清洗好的玻碳電極置于0．5mol·L－1硫酸溶液中，以100mV·s－1掃描速率于電位－0．6～1．5V進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，以清洗電極，直到開(kāi)路電位穩(wěn)定，然后將玻碳電極取出用水在超聲波輔助下清洗干凈，最后置于陰涼處干燥待用。玻碳電極每次測(cè)定前都要經(jīng)過(guò)預(yù)處理。

1．2．3 Zn－MOFs修飾玻碳電極的制備

將預(yù)處理好的玻碳電極浸泡在配制好的Zn－MOFs溶液中，以pH 5的PBS為支持電解液，在電位為－1．7～1．7V，掃描速率為100mV·s－1的條件下，用循環(huán)伏安法掃描40圈，通過(guò)電沉積法將Zn－MOFs修飾到玻碳電極（GCE）表面，然后放置于陰涼處晾干，最終制得Zn－MOFs修飾玻碳電極，記為Zn－MOFs／GCE。

2 結(jié)果與討論

2．1 Zn－MOFs／GCE的電化學(xué)表征

以pH 5的PBS為支持電解液，在電位為－1．7～1．7V，掃描速率為100mV·s－1的條件下，將玻碳電極浸入配制好的Zn－MOFs溶液中，進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。連續(xù)循環(huán)掃描40圈得到穩(wěn)定的循環(huán)伏安曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 Zn－MOFs／GCE連續(xù)掃描的循環(huán)伏安曲線Fig．2 CVs of Zn－MOFs／GCE with continuous scanning

由圖2可知：Zn－MOFs薄膜在玻碳電極表面上生長(zhǎng)，氧化峰電位和還原峰電位分別出現(xiàn)在－0．972，－1．16V處，氧化還原峰歸屬于 MOFs化合物中Zn2＋／Zn電對(duì)發(fā)生的電極反應(yīng)。

將GCE和Zn－MOFs／GCE浸泡在配制好的5mmol·L－1鐵氰化鉀溶液中，在電位為－0．2～0．7V，掃描速率為100mV·s－1的條件下，獲得GCE與Zn－MOFs／GCE的循環(huán)伏安曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線Fig．3 CVs of different modified electrodes

由圖3可知：GCE出現(xiàn)了一對(duì)氧化還原峰，峰電流不大；Zn－MOFs／GCE出現(xiàn)了一對(duì)明顯的氧化還原峰，還原峰電位（Epc）為0．452V，還原峰電流（Ipc）為 －2．824×10－5A，氧 化 峰 電位 （Epa）為0．218V，氧化峰電流（Ipa）為3．732×10－5A。這可能是由于Zn－MOFs修飾到玻碳電極后（MOFs材料本身具有孔道結(jié)構(gòu)）增加了玻碳電極接觸面的表面積，同時(shí)Zn－MOFs／GCE的表面修飾膜也可促進(jìn)Fe（CN6）3－／Fe（CN6）4－電子對(duì)在電極上的轉(zhuǎn)移。由圖3還可看出：曲線1的氧化還原峰電流變化較明顯，氧化還原峰電位間隔較小，電極反應(yīng)可逆程度增大。

2．2 Zn－MOFs／GCE的掃描電鏡表征

通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)玻碳電極和Zn－MOFs／GCE的表面形貌，不同修飾電極的掃描電鏡圖見(jiàn)圖4。

圖4 不同修飾電極的掃描電鏡圖Fig．4 SEM images of different modified electrodes

由圖4可知：玻碳電極表面很光滑，僅存在少量 缺陷；Zn－MOFs／GCE表面由于形成了MOFs化合物層，存在大量的點(diǎn)狀顆粒，說(shuō)明Zn－MOFs薄膜（粒子膜）已經(jīng)在玻碳電極表面上生成。

2．3 抗壞血酸在Zn－MOFs／GCE上的電化學(xué)行為

以pH 5的PBS為支持電解液在電位為－0．2～0．7V，掃描速率為100mV·s－1的條件下，考察了抗壞血酸在GCE和Zn－MOFs／GCE上的電化學(xué)行為。GCE、Zn－MOFs／GCE在8×10－3mol·L－1抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液中的循環(huán)伏安曲線見(jiàn)圖5。

圖5 GCE、Zn－MOFs／GCE在8×10－3 mol·L－1抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig．5 CVs of GCE and Zn－MOFs／GCE in the presence of 8×10－3 mol·L－1 Vc standard solution

由圖5可知：曲線1沒(méi)有出現(xiàn)氧化還原峰，表明抗壞血酸在GCE上不能被氧化；Zn－MOFs薄膜修飾到玻碳電極上后，曲線2出現(xiàn)了明顯的氧化峰，表明抗壞血酸在Zn－MOFs／GCE上被氧化。

2．4 掃描速率的選擇

以pH 5的PBS為支持電解液，考察了掃描速率為20～1 000mV·s－1時(shí)對(duì)抗壞血酸在 Zn－MOFs／GCE上的電催化氧化的影響，不同掃描速率下Zn－MOFs／GCE的循環(huán)伏安曲線見(jiàn)圖6。

圖6 不同掃描速率下Zn－MOFs／GCE的循環(huán)伏安曲線Fig．6 CVs of Zn－MOFs／GCE at different scanning rates

由圖6可知：隨著掃描速率的增大，氧化峰電位向正方向移動(dòng)，氧化峰、還原峰電流隨著掃描速率的增加而增加；當(dāng)掃描速率在400mV·s－1以內(nèi)時(shí)，峰電流和掃描速率呈線性關(guān)系，其線性回歸方程為y＝－0．001 640 x－0．778 3，相關(guān)系數(shù)為0．996。峰電流和掃描速率呈線性關(guān)系表示抗壞血酸氧化的電極反應(yīng)受吸附控制。試驗(yàn)選擇掃描速率為100mV·s－1。

2．5 支持電解液酸度的選擇

以100mV·s－1掃描速率，分別在pH 3，4，5，6，7的PBS中加入適量的抗壞血酸，考察酸度對(duì)抗壞血酸在Zn－MOFs／GCE上的電催化氧化的影響，不同酸度下Zn－MOFs／GCE的循環(huán)伏安曲線見(jiàn)圖7。

圖7 不同酸度下Zn－MOFs／GCE的循環(huán)伏安曲線Fig．7 CVs of Zn－MOFs／GCE with different acidity

由圖7可知：pH為3～6時(shí)，氧化峰電位向正方向移動(dòng)。考慮到抗壞血酸在堿性溶液中易于氧化而失效，在水溶液中迅速變質(zhì)，是強(qiáng)還原劑，而酸性溶液對(duì)參比電極和工作電極損害較大，試驗(yàn)選擇pH 5的PBS為支持電解液。

2．6 干擾試驗(yàn)

試驗(yàn)采用食品中常見(jiàn)的6種添加劑作為干擾物，向1×10－3mol·L－1抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液20mL中添加15～25μL高濃度的上述6種常見(jiàn)干擾物，考察飲料中常見(jiàn)干擾物對(duì)Zn－MOFs／GCE測(cè)定抗壞血酸的影響，以相對(duì)誤差超過(guò)±5．0%作為產(chǎn)生干擾的標(biāo)準(zhǔn)。以下物質(zhì)（以倍數(shù)計(jì)）不干擾測(cè)定：氯化鈉、氯化鉀（150），乙酸鈉（100），檸檬黃、胭脂紅、葡萄糖（50）。這說(shuō)明這些共存物質(zhì)不干擾抗壞血酸的測(cè)定，Zn－MOFs／GCE對(duì)抗壞血酸具有良好的選擇性。

2．7 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

將1，0．2，2×10－2mol·L－1抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液用pH 5的PBS稀釋成4×10－5，6×10－5，8×10－5，1×10－4，2×10－4，4×10－4，6×10－4，8×10－4，1×10－3，2×10－3，4×10－3，6×10－3，8×10－3，1×10－2mol·L－1的抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄Zn－MOFs／GCE在上述抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液系列中的循環(huán)伏安曲線，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明：抗壞血酸的濃度在4×10－5～1×10－2mol·L－1內(nèi)與其對(duì)應(yīng)的氧化峰電流呈線性關(guān)系，線性回歸方程為I＝－1 037c＋0．017 65，相關(guān)系數(shù)為0．996 0，檢出限（3s／k）為6．7×10－6mol·L－1。

2．8 Zn－MOFs／GCE的穩(wěn)定性和可重復(fù)性

在pH 5的PBS中，在－0．2～0．7V 電位下進(jìn)行循環(huán)伏安連續(xù)掃描，檢測(cè)Zn－MOFs／GCE的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：在100mV·s－1掃描速率下循環(huán)100個(gè)連續(xù)周期后，循環(huán)伏安曲線的氧化峰高度沒(méi)有明顯變化。此外，Zn－MOFs／GCE在空氣下暴露3周后峰電流無(wú)明顯變化（＜3%）。

試驗(yàn)制備了4個(gè)Zn－MOFs／GCE并檢測(cè)它們對(duì)2×10－3mol·L－1抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的響應(yīng)，測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0．025%，這表明本方法具有明顯的重現(xiàn)性。Zn－MOFs／GCE對(duì)2×10－3mol·L－1抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)測(cè)定9次，測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2．7%，表明該修飾電極具有可重復(fù)性。

2．9 樣品分析

選取3種不同品牌的Vc片進(jìn)行分析。分別稱(chēng)取0．071g 1＃片劑（標(biāo)示Vc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%），0．423g 2＃片劑（標(biāo)示 Vc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%），0．564g 3＃片劑（標(biāo)示 Vc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%），用10mL水溶解，并用水定容至100mL。移取樣品溶液10．00mL，采用循環(huán)伏安掃描，測(cè)定抗壞血酸含量，再進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品分析結(jié)果（n＝5）Tab．1 Analytical results of samples（n＝5）

由表1可知：加標(biāo)回收率為91．0%～109%，RSD為0．80%～1．9%，表明本方法的精密度和準(zhǔn)確度較好。

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