金納米棒-碳納米管-氧化石墨烯復(fù)合物用于香草醛測(cè)定

鄧克勤*， 劉新艷， 令玉林

(理論有機(jī)化學(xué)與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭 411201)

香草醛(Vanillin,VA)是一種食品添加劑，因其具有特殊的芳香氣味已被用于飲料、藥物、食品、糖果和香水等工業(yè)。然而，過度的攝入香草醛會(huì)影響人體的肝臟和腎臟功能，因而引發(fā)頭痛、惡心和嘔吐等癥狀[1]。因此，發(fā)展一種簡(jiǎn)單、高靈敏的香草醛檢測(cè)方法是非常重要的。目前，香草醛的主要檢測(cè)方法有高效液相色譜法、氣相色譜法、薄層色譜法、毛細(xì)管電泳法、紫外-可見光譜法和電化學(xué)檢測(cè)法等[2 - 7]。其中，電化學(xué)法多利用具有高電化學(xué)活性或高電催化性能的納米材料來修飾電極，通過靈敏的方波伏安法、差分脈沖伏安法等進(jìn)行檢測(cè)[6 - 7]。迄今為止，金納米棒(AuNRs)附著于碳納米管與氧化石墨烯復(fù)合物(CNTs-GO)的研究還未見報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)制備了金納米棒-碳納米管-氧化石墨烯三元復(fù)合物(AuNRs-CNTs-GO)，并將其用于修飾玻碳電極(GCE)，并比較了香草醛在不同修飾電極上的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AuNRs-CNTs-GO/GCE對(duì)香草醛有更好的電催化和富集作用。用它制作的香草醛傳感器具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、高的靈敏度和低的檢測(cè)限。與文獻(xiàn)報(bào)道方法相比，AuNRs-CNTs-GO/GCE表現(xiàn)了更佳的香草醛檢測(cè)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI760C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；三電極系統(tǒng)：以GCE或修飾GCE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。Tecnai G2F20透射電子顯微鏡(荷蘭，Philip)；U-4100紫外-可見分光光度計(jì)(日本，Hitachi)。

氧化石墨烯(GO)、碳納米管(CNTs,純度>98%,直徑20～30 nm,長(zhǎng)度0.5～2.0 μm)均來自南京先豐納米材料科技有限公司，NaBH4和香草醛購(gòu)自上?；瘜W(xué)試劑公司，AgNO3、HAuCl4、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、抗壞血酸均購(gòu)于Sigma-Aldrich公司，其他試劑均為分析純。水為超純水。

1.2 納米復(fù)合物的制備

金納米棒(AuNRs)按文獻(xiàn)方法[8]制備。碳納米管在3∶1(V∶V)的H2SO4(98%)和HNO3(68%)中回流純化3 h。碳納米管-氧化石墨烯(CNTs-GO)復(fù)合物按已報(bào)道的方法[9]制備。金納米棒-碳納米管-氧化石墨烯三元復(fù)合物(AuNRs-CNTs-GO)按如下步驟制備：將1.0 mL AuNRs溶液(1.0 nmol/L)逐滴緩慢加入到5 mL CNTs-GO溶液(0.5 mg/mL)中，在緩慢攪拌條件下，室溫反應(yīng)2 h，然后將混合溶液離心并重新分散到水中。為了比較不同材料的催化性能，在相似的實(shí)驗(yàn)條件還制備了AuNRs-GO/GCE。

1.3 傳感器的制備

GCE在金相砂紙上打磨、拋光后，依次用濃HNO3、NaOH溶液、丙酮、超純水各超聲清洗5 min。在潔凈的GCE表面滴加4 μL AuNRs-CNTs-GO溶液，室溫干燥。將干燥后的電極放入0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，利用循環(huán)伏安法，在-0.4～+0.8 V，掃速為100 mV/s下循環(huán)掃描10圈以穩(wěn)定電極，即制得AuNRs-CNTs-GO/GCE。此外，為了比較不同修飾電極的性能，氧化石墨烯修飾電極(GO/GCE)、碳納米管修飾電極(CNTs/GCE)、金納米棒-氧化石墨烯修飾電極(AuNRs-GO/GCE)、碳納米管-氧化石墨烯修飾電極(CNTs-GO/GCE)用相似的方法制得。

2 結(jié)果與討論

2.1 GO-AuNRs納米復(fù)合物的表征

圖1為AuNRs、CNTs-GO和AuNRs-CNTs-GO的紫外-可見吸收光譜。如圖所示，AuNRs在波長(zhǎng)508 nm處有弱的橫向表面等離子體振動(dòng)峰，而735 nm處有強(qiáng)的縱向表面等離子體共振峰。CNTs-GO在254 nm處有一強(qiáng)吸收峰，為CNTs-GO復(fù)合物中C=C鍵的π→π*躍遷所產(chǎn)生[10]。當(dāng)AuNRs附著于CNTs-GO表面后，兩個(gè)典型的紅移峰分別出現(xiàn)在262 nm和751 nm。這表明AuNRs成功地固定在CNTs-GO上。圖2為AuNRs-CNTs-GO的透射電鏡(TEM)圖，它展現(xiàn)了網(wǎng)狀的CNTs構(gòu)造以及褶皺的GO形態(tài)，這可能是由于GO纏繞封裝CNTs引起的。此外，AuNRs均勻的分散在CNTs-GO上，這是由于AuNRs和CNTs-GO之間有強(qiáng)烈的靜電作用。這表明AuNRs-CNTs-GO三元復(fù)合物被成功合成。AuNRs在CNTs-GO上的均勻分布有望提高對(duì)香草醛的電催化活性。

圖1 AuNRs、CNTs-GO和AuNRs-CNTs-GO的紫外-可見(UV-Vis)光譜Fig.1 UV-Vis spectra of AuNRs,CNTs-GO and AuNRs-CNTs-GO

圖2 AuNRs-CNTs-GO的透射電鏡(TEM)圖Fig.2 TEM image of AuNRs-CNTs-GO

圖3 不同電極在10 μmol/L香草醛中的循環(huán)伏安(CV)圖Fig.3 CVs of different electrodes in 10 μmol/L of VA

2.2 香草醛在不同修飾電極上的電化學(xué)行為

圖3為香草醛在不同修飾電極上的循環(huán)伏安(CV)圖。在GCE上，一不可逆的氧化峰出現(xiàn)在+0.62 V(曲線a)。在GO/GCE上，香草醛的氧化峰電流明顯提高(曲線b)，表明GO能催化氧化香草醛。對(duì)于AuNRs-GO/GCE，有一更強(qiáng)的氧化峰出現(xiàn)(曲線c)，這表明AuNRs-GO/GCE對(duì)香草醛具有更強(qiáng)的電催化作用。此外，還研究了香草醛在CNTs-GO/GCE和CNTs/GCE上的電化學(xué)行為。在CNTs/GCE上，在+0.60 V處出現(xiàn)不可逆氧化峰(曲線e)。與CNTs/GCE相比，香草醛在CNTs-GO/GCE上，出現(xiàn)了一對(duì)提高的準(zhǔn)可逆氧化還原峰，氧化峰電位為+0.58 V，峰電位負(fù)移了20 mV，還原峰電位為+0.52 V(曲線d)，并且背景電流下降非常明顯。這表明CNTs-GO對(duì)香草醛有更好的電催化作用，這是由于CNTs和GO之間存在協(xié)同催化作用所致。最后，AuNRs-CNTs-GO三元復(fù)合物用于修飾電極，我們可以發(fā)現(xiàn)一對(duì)更高的香草醛氧化還原峰(曲線f)，其氧化峰電流分別為GCE、GO/GCE、AuNRs-GO/GCE的38.7、14.5、8.1倍，為CNTs/GCE和CNTs-GO/GCE的5.2和3.1倍。這表明復(fù)合物AuNRs-CNTs-GO結(jié)合提升了AuNRs、CNTs和GO三者的優(yōu)勢(shì)，如優(yōu)良的導(dǎo)電性、高電催化性、大比表面積及強(qiáng)吸附能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

不同濃度的AuNRs溶液(0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 nmol/L)被用來制備AuNRs-CNTs-GO。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用高濃度的AuNRs制備的AuNRs-CNTs-GO對(duì)香草醛具有更高的電流響應(yīng)，但1.5 nmol/L的AuNRs溶液能使CNTs-GO在4 h內(nèi)聚集，2 nmol/L的AuNRs可使CNTs-GO在1 h后出現(xiàn)非常明顯的聚集。但1 nmol/L的AuNRs在24 h內(nèi)沒有引發(fā)聚集。因此，我們選擇1 nmol/L的AuNRs用于制備AuNRs-CNTs-GO。

AuNRs-CNTs-GO/GCE對(duì)香草醛的強(qiáng)吸附作用可以放大香草醛的檢測(cè)信號(hào)。因此，香草醛在電極表面的富集是非常重要的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)富集電位從-0.10 V增加到+0.30 V時(shí)，香草醛的氧化峰電流(ipa)逐步增強(qiáng)，但是ipa隨富集電位的進(jìn)一步升高反而降低，因此優(yōu)化的富集電位設(shè)定在+0.3 V。富集時(shí)間也影響香草醛的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，峰電流隨富集時(shí)間的增加而迅速升高，在6 min后達(dá)到最大的電流響應(yīng)。這表明，AuNRs-CNTs-GO/GCE能有效地富集香草醛，其飽和的表面吸附時(shí)間在+0.3 V電位下為6 min。

電解質(zhì)的pH影響香草醛的峰電流。從5.5至8.4的pH范圍，ipa隨pH的升高緩慢增加，然后迅速降低，最大的ipa出現(xiàn)在pH=6.5，因此本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選pH為6.5。

2.4 AuNRs-CNTs-GO/GCE的性能

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，利用AuNRs-CNTs-GO/GCE測(cè)定了不同濃度香草醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的差分脈沖伏安(DPV)曲線(圖4)。圖4中嵌入圖A為香草醛在低濃度下的曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)香草醛的陽(yáng)極峰電流與其濃度在0.01～0.4和0.4～40.0μmol/L兩個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)呈線性關(guān)系(嵌入圖B)。對(duì)應(yīng)的回歸方程分別為：ipa(μA)=0.02+0.27c(μmol/L)(R2=0.994)和ip,a(μA)=0.10+0.13c(μmol/L)(R2=0.996)。檢測(cè)限是2.0 nmol/L。

圖4 AuNRs-CNTs-GO/GCE在不同濃度香草醛溶液中的差分脈沖伏安(DPV)圖Fig.4 DPVs of AuNRs-CNTs-GO/GCE in different concentrations of vamllin solution From bottom to up:0,0.01,0.06,0.12,0.20,0.26,0.4,0.6,0.8,2.0,2.5,4.5,5.0,7.5,10.0,14.0,20.0,26.0,and 40.0 μmol/L.The inset shows DPVs of low concentrations of vamllin(A) and the plot of ip,a versus the concentration of vamllin(B).

通過測(cè)定1 μmol/L香草醛的氧化峰電流，考察了AuNRs-CNTs-GO/GCE的重現(xiàn)性。對(duì)同批次4個(gè)新制備的修飾電極，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為8.2%。單個(gè)電極對(duì)香草醛進(jìn)行10次連續(xù)測(cè)定，RSD為5.1%。修飾電極在溫度4 ℃冷藏兩周后，峰電流沒有明顯下降，三周后仍能保持92.1%的峰電流值。這表明該電極有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

奶粉、蛋糕和餅干樣品從超市購(gòu)買。將2克樣品分散于10 mL乙醇中，超聲60 min，離心，用PBS(pH=6.5)稀釋收集的離心液，經(jīng)檢測(cè)均發(fā)現(xiàn)含有香草醛，再采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行回收率測(cè)定。其回收率在94.5%～110.6%之間，RSD為2.5～9.8%，這表明該電極有望用于食品中香草醛的定量測(cè)定。

3 結(jié)論

本文制備了金納米棒-多壁碳納米管-氧化石墨烯復(fù)合物，并將其用于修飾玻碳電極，該修飾電極對(duì)香草醛有高電催化氧化作用，利用差分脈沖伏安法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)香草醛的高靈敏檢測(cè)。