抗壞血酸在石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料修飾電極上電化學(xué)行為及其測定

肖世秀 丁曼娜 周津?qū)? 呂保櫻 侯緒和 馮軍

摘? 要：石墨烯具有巨大的比表面積，優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是一種良好的電化學(xué)傳感材料.采用改進后的Hummers法制備石墨烯，并將石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料通過滴涂法修飾到玻碳電極表面.利用循環(huán)伏安法考察抗壞血酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為，并優(yōu)化實驗條件，用時間-電流曲線法在最佳條件下測定抗壞血酸的濃度，結(jié)果表明：在5×10-6～1.5×10-3 mol/L的濃度范圍內(nèi)，抗壞血酸的峰電流與濃度具有良好的線性關(guān)系，檢測限為? ? ? ? ? ? 8.8×10-7 mol/L，石墨烯/β-環(huán)糊精修飾電極表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力，可用于抗壞血酸樣品的檢測.

關(guān)鍵詞：石墨烯;β-環(huán)糊精;抗壞血酸;電化學(xué)

中圖分類號：O657.1? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.016

0? ? 引言

抗壞血酸（AA）是一種水溶性維生素，廣泛存在于水果、蔬菜中，對人體的新陳代謝起著重要的作用，并且影響著細胞分裂、基因表達和生物防御機制激活等基本生理過程.抗壞血酸在生物體內(nèi)的濃度必須處于一定的范圍，過高或過低都會導(dǎo)致疾病的發(fā)生[1].人體內(nèi)抗壞血酸濃度的變化與許多疾病有關(guān)，因此，監(jiān)測血液和尿液中的抗壞血酸對于臨床分析具有重要意義[2].目前常見的抗壞血酸的檢測方法有比色法[3-4]、紫外分光光度法[5]、色譜法和電化學(xué)方法[6-7]等，在這些檢測方法中，電化學(xué)方法因其簡單、響應(yīng)迅速、低成本、高靈敏度、選擇性好等優(yōu)勢吸引了越來越多的關(guān)注，在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用[8-11] .然而，直接在裸玻碳電極上對抗壞血酸進行檢測會導(dǎo)致氧化峰過寬，峰電流較小，無法進行靈敏檢測.因此，需要借助納米材料對電極進行修飾，以提高其導(dǎo)電性和催化性能.

石墨烯（Graphene，Gr）是一種只有一個碳原子層厚度的二維材料，具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如大的比表面積[12]、高熱導(dǎo)率[13]、高電子遷移率[14]、化學(xué)穩(wěn)定性等，這些優(yōu)異的性質(zhì)使得石墨烯材料被廣泛用于諸多領(lǐng)域[15]. 在電化學(xué)研究領(lǐng)域，已被普遍用于電極材料的修飾和生物傳感器的構(gòu)建. 此外，β-環(huán)糊精（β-CD）是一種環(huán)狀低聚糖，其結(jié)構(gòu)中心呈空心狀，故能對某些分子進行包結(jié)絡(luò)合.在電分析化學(xué)中，已有用石墨烯與其他納米復(fù)合材料修飾電極對抗壞血酸的測定[15-17]，利用石墨烯/β-環(huán)糊精修飾電極測定抗壞血酸還未見文獻報道.

本文采用改進的Hummers法合成Gr，通過范德華力將β-CD固定在Gr表面形成Gr/β-CD復(fù)合材料修飾電極，測試其對AA的電催化性能，并對AA在該電極上的電化學(xué)行為進行研究.

1? ?實驗部分

1.1? 儀器與試劑

CHI660E型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司），pH計（上海電科學(xué)儀器股份有限公司），電子天平（北京賽多利斯儀器有限公司），KQ3200D型數(shù)控超聲波清洗器（深圳市潔邁超聲清洗設(shè)備有限公司），DF-101S恒溫磁力攪拌器（鞏義予華儀器公司），掃描電子顯微鏡（SEM，日立S4800）.

鱗片石墨粉（國藥集團化學(xué)試劑有限公司），硝酸鈉，高錳酸鉀，甲醇，β-環(huán)糊精，抗壞血酸，磷酸二氫鉀，磷酸氫二鈉，80%水合肼，抗壞血酸等試劑均為分析純.

1.2? ?石墨烯的制備

1.2.1? ?氧化石墨的制備

氧化石墨使用改進后的Hummers法[18-19]進行制備：準(zhǔn)確稱取1.25 g的硝酸鈉和7.5 g的高錳酸鉀一起加入到研缽中混合均勻，再研磨成細粉末.往1 000 mL的燒杯中加入60 mL濃硫酸（冰?。賹?.5 g的? ? ? 1 000目（[15 μm]）天然鱗片石墨緩慢加入到上述裝有濃硫酸的1 000 mL燒杯中，此過程要持續(xù)維持溫度在? -1～1 ℃.再將研細并混合均勻的硝酸鈉和高錳酸鉀細粉末緩慢地加入到上述溶液中，保持溫度5 ℃以下，反應(yīng)保持2 h.緊接著將其放入35 ℃的恒溫水浴鍋中恒溫1 h，再加入120 mL水，加熱使溫度逐漸上升到95 ℃，在該溫度下反應(yīng)30 min.接著加入熱水稀釋到350 mL，加入6%的過氧化氫溶液100 mL，使用抽濾裝置趁熱過濾，用1 mol/L的HCI溶液充分洗滌后得到濾餅，向濾液中加入氯化鋇溶液，直到濾液中無白色沉淀生成，即可證明無硫酸根離子存在.最后將濾餅放在50 ℃真空下干燥24 h，干燥完全的氧化石墨密封保存待用.

1.2.2? ?還原石墨烯的制備

1）往500 mL的圓底燒瓶中注入300 mL去離子水;2）再稱取300 mg上述制備好的氧化石墨加入圓底燒瓶中，加入氧化石墨后溶液呈紅棕色懸浮液，超聲振蕩6～8 h直至無顆粒狀物質(zhì);3）再加入6 mL的水合肼溶液，得到黑色懸浮液;4）將溫度慢慢升至95 ℃，用回流裝置進行回流24 h，用抽濾裝置趁熱過濾，濾餅再用5×100 mL的甲醇和5×100 mL的蒸餾水反復(fù)交替清洗濾餅，烘干備用.

1.3? ?Gr/β-CD復(fù)合材料制備

將合成的Gr通過超聲分散在去離子水中.隨后，向該懸浮液中加入β-CD溶液，并將混合物攪拌2 h，得到均勻的懸浮液，超聲處理30 min制備得到Gr/β-CD復(fù)合材料.

1.4? ?制備Gr/β-CD修飾電極

在實驗之前需將電極進行預(yù)處理.玻碳電極（GCE，d = 3 mm）分別用0.30 μm和0.05 μm的Al2O3拋光至鏡面，再依次在水、乙醇和水中超聲清洗1 min，晾干備用.然后，7 μL的Gr/β-CD懸浮液滴加至處理好的GCE表面上，晾干，從而制得Gr/β-CD復(fù)合材料修飾電極（Gr/β-CD/GCE）.

1.5? ?電化學(xué)檢測

實驗使用的是CHI660E電化學(xué)工作站，是以玻碳電極為工作電極，以飽和甘汞電極為參比電極，以鉑片電極為輔助電極組成的三電極體系.循環(huán)伏安法（CV）掃描速度為0.05 V/s，掃描電位范圍為? ? -0.6 ～ 0.6 V，0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖液（PBS）含0.1 mol/L KCl作為支持電解質(zhì).所有實驗均在室溫條件下進行.

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? ?石墨烯納米材料的形貌表征

為了更好地觀察石墨烯的形貌，利用掃描電鏡對其進行了表征，如圖1所示.由圖1可知，通過氧化還原法制備得到的石墨烯經(jīng)過超聲剝離后呈現(xiàn)較大的片狀，并具有很多石墨烯特有的層狀褶皺，這極大地增加了石墨烯的比表面積，從而增加電化學(xué)活性面積，實現(xiàn)抗壞血酸的靈敏測定.

2.2? ?抗壞血酸在不同電極上的循環(huán)伏安響應(yīng)

圖2是AA溶液在不同修飾電極上的循環(huán)伏安圖.由圖2可以看出，在PBS（pH= 6.5）為支持的電解質(zhì)溶液中，AA在裸電極（曲線a）上0.295 V出現(xiàn)一個氧化峰，峰形比較矮且寬，峰電流較小，說明在裸電極上電子傳遞速度較慢;當(dāng)電極上修飾了Gr之后（曲線b），背景電流明顯增大，AA峰形明顯且電流增大，表明石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，能夠快速并且靈敏地對AA作出電化學(xué)響應(yīng).相同濃度的AA在Gr/β-CD修飾電極上具有最大的電流響應(yīng)，表明了? Gr/β-CD不僅具有很強的導(dǎo)電性能，還具有高的催化活性，這是Gr和β-CD協(xié)同作用的結(jié)果.

2.3? ?Gr/β-CD修飾量的影響

為了考察工作電極表面修飾納米材料的負載量與電流響應(yīng)的關(guān)系，在掃描電位窗口、掃描速率、溫度等條件不變的情況下，通過改變納米材料在工作電極上的滴涂量，再通過循環(huán)伏安測得相應(yīng)的峰電流響應(yīng)值，實驗結(jié)果如圖3所示.結(jié)果表明，一開始峰電流隨著滴涂量的增加而增大，當(dāng)增加至7 μL時，峰電流達到最大值，繼續(xù)增加滴涂量峰電流反而減小.造成該現(xiàn)象的原因可能是滴涂量過多時會在玻碳電極上形成過厚的復(fù)合材料膜，不利于電子的傳遞;同時膜過厚會導(dǎo)致納米材料容易脫落，從而使得實際的反應(yīng)比表面積減小，電流也隨之減小.故實驗采用7 μL為最佳滴涂量.

2.4? ? 緩沖溶液pH的影響

支持電解質(zhì)溶液的pH會影響Gr/β-CD/GCE對AA的催化效果.實驗選取pH 5.5 ～ 9.0范圍的PBS溶液.由圖4可知AA的氧化峰電流隨著電解質(zhì)溶液pH的增大而增大，在pH為6.5時達到最大值;當(dāng)pH大于6.5之后顯著下降，在pH=7.0 ～ 9.0范圍內(nèi)，AA的峰電流呈現(xiàn)一個緩慢下降的趨勢.因此，實驗選擇支持電解質(zhì)溶液的pH值為6.5.

2.5? ?掃描速率的影響

實驗考察掃描速率對峰電流的影響，實驗結(jié)果如圖5所示. 圖5（a）為在不同掃描速率下Gr/β-CD修飾電極對AA電流響應(yīng)的CV圖，由圖5（a）可知在40～240 mV/s掃速范圍內(nèi)，電極的電流響應(yīng)值隨掃描速率的增大而增大，AA的峰電位略向右偏移.? 圖5（b）為峰電流與掃描速率的關(guān)系圖，由圖5（b）可知：峰值電流Ipa與掃描速率v的平方根成線性關(guān)系，其回歸方程為Ipa=56.92v1/2+24.34.相關(guān)系數(shù)R2=0.995 7，表明抗壞血酸在Gr/β-CD修飾的玻碳電極上是一個受擴散控制的不可逆過程.

2.6? ?線性范圍和檢出限

在優(yōu)化的實驗條件下，在PBS（pH=6.5）溶液中，采用時間電流曲線法測定不同濃度下AA的電流響應(yīng)值，實驗結(jié)果如圖6所示. 圖6（a）為Gr/β-CD修飾電極在PBS支持電解質(zhì)中連續(xù)加入不同濃度的AA得到的計時電流曲線圖.由圖6（a）可知隨著AA濃度的增大，響應(yīng)電流也逐漸增大.由圖6（b）可知在5×10-6～? ? ? 1.5×10-3 mol/L濃度范圍內(nèi)，AA的氧化峰電流與濃度呈線性關(guān)系，線性方程為I=53.47c+1.262;線性相關(guān)系數(shù)R2=0.993 9，信噪比等于3時，檢測限為8.8×10-7? mol/L，實驗表明Gr/β-CD修飾電極能夠?qū)崿F(xiàn)對AA的檢測，并且具有較寬的線性范圍和較低的檢測限.

2.7? ?干擾實驗

干擾物質(zhì)的存在會對AA的電化學(xué)檢測造成一定影響. 實驗考察了修飾電極的抗干擾性能，在混合液中AA的濃度為1×10-3 mol/L，實驗測定了100倍的陽離子Ca2+、Na+、Mg2+、K+、Zn2+和陰離子[NO-3]、CI-、[CH3COO-]、[SO2-4]，以及50倍的甘氨酸、葡萄糖、蔗糖，對AA的測定幾乎不造成干擾;50倍的檸檬酸鈉及草酸對AA的測定有輕微影響，但可忽略不計，表明修飾電極具備一定的抗干擾能力.

2.8? ?重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

在最佳的實驗條件下進行重現(xiàn)性實驗，對1.5×10-4? mol/L AA溶液進行6次平行測定，實驗結(jié)果得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.5%.在穩(wěn)定性實驗中，將Gr/β-CD修飾的電極在含有1.5×10-4? mol/L AA的PBS溶液中進行循環(huán)伏安掃描30圈，其峰電位無明顯變化，而峰電流僅下降為原來的1.4%.電極放置兩周后，測得的電流響應(yīng)保持在初始響應(yīng)的90%.實驗結(jié)果表明制備電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好.

2.9? ?加標(biāo)回收實驗

將Gr/β-CD修飾電極用于市售維生素C片中AA含量的測定.取市售維生素C片研成粉末，超聲溶解后過濾，移取一定量用pH = 6.5的PBS溶液定容到100 mL作為樣品溶液，采用循環(huán)伏安法測定樣品中AA的含量，加標(biāo)回收實驗結(jié)果見表1，回收率為98% ～ 102%，說明本方法可用于實際樣品分析.

3? ? 結(jié)論

本實驗采用改進的Hummers法成功制備石墨烯，并將石墨烯/β-CD復(fù)合材料修飾在玻碳電極，實驗采用循環(huán)伏安法和電流-時間曲線法研究了抗壞血酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為.實驗結(jié)果表明：抗壞血酸在石墨烯/β-CD修飾電極上的氧化電流明顯增加，修飾電極對抗壞血酸顯示出良好的電催化活性;同時具備良好的靈敏性和選擇性，獲得8.8×10-7 mol·L-1的低檢測限，該修飾電極可用于實際樣品中抗壞血酸的測定.

參考文獻

[1]? ? DU J，CULLEN J J，BUETTNER G R. Ascorbic acid：chemistry，biology and the treatment of cancer[J].Biochimica et Biophysica Acta-reviews on Cancer，2012，1826（2）：443-457.

[2]? ? GAI P B，ZHANG H J，ZHANG Y S，et al. Simultaneous electrochemical detection of ascorbic acid，dopamine and uric acid based on nitrogen doped porous carbon nanopolyhedra[J]. Journal of Materials Chemistry B，2013，1（21）：2742-2749.

[3]? ? WANG G Q，CHEN Z P，CHEN L X. Mesoporous silica-coated gold nanorods： towards sensitive colorimetric sensing of ascorbic acidvia target-induced silver overcoating[J]. Nanoscale，2011，3（4）：1756-1759.

[4]? ? PENG J，LING J，ZHANG X Q，et al. A rapid，sensitive and selective colorimetric method for detection of ascorbic acid[J]. Sensors and Actuators：B. Chemical，2015，221：708-716.

[5]? ? VERMEIR S，HERTOG M，SCHENK A，et al. Evaluation and optimization of high-throughput enzymatic assays for fast? L-ascorbic acid quantification in fruit and vegetables[J]. Analytica Chimica Acta，2008，618（1）：94-101.

[6]? ? WANG Y L，RUI Y P，LI F J，et al. Electrodeposition of nickel hexacyanoferrate/layered double hydroxide hybrid film on the gold electrode and its application in the electro analysis of ascorbic acid[J]. Electrochim Acta，2014，117：398-404.

[7]? ? HUANG H P，YUE Y F，CHEN Z Z，et al. Electrochemical sensor based on a nanocomposite prepared from TmPO4 and graphene oxide for simultaneous voltammetric detection of ascorbic acid，dopamine and uric acid[J].Microchimica Acta，2019，186（3）： 189.

[8]? ? 張軍麗，魏雨，潘慶才. 檸檬酸/多壁碳納米管修飾電極電化學(xué)檢測多巴胺和抗壞血酸[J].化學(xué)世界，2017，58（6）：321-326.

[9]? ? 王俊，張攀峰，李莉，等. 抗壞血酸在石墨烯修飾電極的電化學(xué)行為研究[J].化學(xué)工程師，2018，32（8）：9-13，17.

[10]? ?ZHANG L Q，F(xiàn)ENG J，CHOU K C，et al. Simultaneously electrochemical detection of uric acid and ascorbic acid using glassy carbon electrode modifified with chrysanthemum-like titanium nitride[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry，2017，803：11-18.

[11]? ?楊蘭蘭. 基于硅溶膠和納米粒子構(gòu)建電化學(xué)發(fā)光傳感器的研究及應(yīng)用[D]. 柳州：廣西科技大學(xué)，2014.

[12]? ?CHAE H K，SIBERIO-P?REZ D Y，KIM J，et al. A route to high surface area，porosity and inclusion of large molecules in crystals[J]. Nature，2004，427（6974）：523-527.

[13]? ?BALANDIN A A，GHOSH S，BAO W Z，et al. Superior thermal conductivity of single-layer graphene[J]. Nano Letters，2008， 8（3）：902-907.

[14]? ?BOLOTIN K I，SIKES K J，JIANG Z，et al. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene[J]. Solid State Communications， 2008，146（9-10）：351-355.

[15]? ?周文翠，楊靜，朱仁霞，等. 羥基磷灰石納米線/還原氧化石墨烯/納米金復(fù)合材料基傳感器在抗壞血酸檢測中的應(yīng)用研究[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，39（4）：416-422.

[16]? ?劉琳，朱秋晟，陳金春. 一鍋煮合成石墨烯/氧化亞銅復(fù)合物用于抗壞血酸電化學(xué)檢測[J].廣東化工，2017，44（15）：111-112，129.

[17]? ?翟江麗，于曉宇，范亞，等. 石墨烯/ZnO 納米復(fù)合材料修飾電極測定抗壞血酸[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報，2017，39（2）：20-23.

[18]? ?HUMMERS W，OFFEMAN R. Preparation of graphite oxide[J]. Journal of the American Chemical Society，1958，80（6）：1339.

[19]? ?劉彥培，張艷麗，楊應(yīng)彩，等. 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[J].云南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，23（4）：251-255.