AgNWs/g-C3N4復(fù)合納米材料對香蘭素的電催化研究

鈕金芬， 王 凱， 馬璋騰斐， 姚秉華， 余曉皎

(西安理工大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710054)

石墨相氮化碳(g-C3N4)具有適宜的價帶、優(yōu)良的熱力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)帶位置，適用于光催化、光伏太陽能電池和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域[1]。而在眾多類型的納米金屬中，納米銀線粒子(AgNWs)因為它的優(yōu)異的電導(dǎo)率和氧化穩(wěn)定性，常常被用來作為修飾電極的合成材料。此外，它還擁有小尺寸效應(yīng)、廣譜抗菌性及量子尺寸效應(yīng)等，所以它在催化劑、電子行業(yè)醫(yī)療等方面都有廣泛的利用空間[2-3]。納米銀線粒子具有催化效應(yīng)，粒子尺寸較小，高比表面積的特點，更容易與溶液中的物質(zhì)接觸反應(yīng)，并且有更多的活性位點。當(dāng)納米銀線粒子與石墨相氮化碳形成復(fù)合材料時，二者之間的共軛耦合效應(yīng)可以有效提高電子在復(fù)合材料的傳遞[4-6]。

香蘭素廣泛應(yīng)用在食品添加劑和醫(yī)療行業(yè)中，能給人一種積極愉快的情緒體驗，具有抗癲癇和抗焦慮的作用。它還可用作食品工業(yè)中的抗氧化劑，并具有抗菌作用，還可以防止紫外線對皮膚的傷害。但是高劑量的香蘭素會對人的肝臟和腎臟造成潛在的損害[7]，因此尋找一種簡易、快速的香蘭素檢測方法對于食品中香蘭素的檢測具有重要的作用。

目前，香蘭素的測定方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用[7]、毛細(xì)管電泳法[8]、光度法[9]、液相色譜法、固相萃取-液相色譜法[10]、液相色譜法-質(zhì)譜聯(lián)用[11]等。與上述方法相比，電化學(xué)分析方法具有操作簡單、耗時短、分析成本低等優(yōu)點[12-14]，一些修飾電極如納米金修飾電極[15]等已被用于香蘭素的檢測中。但是目前還未有利用g-C3N4基修飾電極進(jìn)行食品中香蘭素測定的相關(guān)報道，利用g-C3N4良好的電學(xué)和光學(xué)性能將有助于開發(fā)出用于替代傳統(tǒng)檢測方法的新型電化學(xué)傳感器。

本文基于納米銀線顆粒比表面積大、電催化性和生物相容性好的特點，設(shè)計了AgNWs/g-C3N4修飾玻碳電極(GC)，并且詳細(xì)研究了香蘭素在該修飾電極上的電化學(xué)行為，成功地研制出一種新型香蘭素電化學(xué)傳感器，建立了一種測定香蘭素的新方法，結(jié)果表明該修飾電極可以應(yīng)用于對食品中香蘭素的檢測，并具有較低的檢出限、良好的穩(wěn)定性和較強的抗干擾能力，在實際樣品的測定中取得較為滿意的結(jié)果，具有一定實際應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

香蘭素(C8H8O3)，水合肼(N2H4·H2O)，氯化鈉(NaCl)，氯化鉀(KCl)，硝酸鈉(NaNO3)，氯化鈣(CaCl2)，九水合硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)，氯化鋅(ZnCl2)，硝酸銅(Cu(NO3)2)，苯甲酸(C7H6O2)，葡萄糖(C6H12O6)和磷酸氫二鈉(Na2HPO4)購買自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。三聚氰胺(C3H6N6，天津化學(xué)試劑廠)，硝酸銀(AgNO3，天津市富宇精細(xì)化工有限公司)，聚乙烯吡咯烷酮((C6H9NO)n，天津市大茂化學(xué)試劑廠)和檸檬酸鈉(天津化學(xué)試劑廠)所有試劑均為分析純。百事可樂購買自西安百事可樂飲料有限公司，巧克力購買自瑪氏食品有限公司，奶糖購買自旺旺(中國)投資有限公司。水源為去二級去離子水(自制)。

1.2 g-C3N4的制備

將稱量好的10 g三聚氰胺放到剛玉坩堝內(nèi)，先在50 ℃條件下干燥1 h，然后在加蓋的條件下，從20 ℃開始，以5 ℃/min的升溫速度，達(dá)到550 ℃后，恒溫煅燒2 h，得到淡黃色塊狀的固體，即為塊狀C3N4。在上述實驗的基礎(chǔ)上，將0.5 g塊狀的C3N4放入水和乙醇溶液中，通過超聲剝離8 h后離心分離，所得固體樣品用超純水和乙醇各清洗三次，80 ℃條件下烘干10 h，所得催化劑為片狀C3N4，記為g-C3N4。

1.3 AgNWs/g-C3N4復(fù)合催化劑的制備

稱取30 mg的g-C3N4分散于20 mL超純水和10 mL異丙醇的混合溶液中，進(jìn)行超聲分散1 h，然后依次加入一定質(zhì)量的AgNO3、10 mg聚乙烯吡咯烷酮、5 mg的檸檬酸鈉，通氮氣20 min，然后迅速滴加2 mL水合肼(此過程需要注意密封和持續(xù)攪拌，防止AgNWs團聚)。通過改變AgNO3的加入質(zhì)量(2.5 mg、8.4 mg、15 mg、19 mg、47 mg、88 mg)分別制得不同比例的AgNWs與g-C3N4(5%、15%、25%、30%、50%、65%)復(fù)合催化劑，并將所得催化劑記為AgNWs/g-C3N4-X(X代表所加入AgNO3的理論Ag產(chǎn)量所占總質(zhì)量的百分比)。

1.4 修飾電極的制備

修飾電極制備前，裸玻碳電極需要在涂有0.05 μm的氧化鋁拋光粉懸濁液的麂皮拋光墊上，以順時針、逆時針以及“8”字型垂直摩擦，以對玻碳電極進(jìn)行拋光，再使用超純水和無水乙醇把玻碳電極清洗干凈，實驗結(jié)束同樣需要上述步驟進(jìn)行電極的清洗。

取12 mg催化劑置于5 mL離心管中，后加入1 mL超純水進(jìn)行超聲混合分散，而后移取10 μL分散液均勻滴到玻碳電極上，即得到不同催化劑修飾電極，以下實驗若無特殊說明，所有的工作電極均為此方法制備。

1.5 實際樣品處理

根據(jù)文獻(xiàn)[16]對實際樣品進(jìn)行處理：百事可樂先經(jīng)過超聲儀(300 W，40 KHz)進(jìn)行超聲10 min，過濾后直接使用。

稱取5 g奶糖和巧克力分別溶于20 mL的乙醇溶液中，待其完全溶解后以9 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，取上層清液移入25 mL的容量瓶中，用蒸餾水稀釋到刻度待用。

1.6 磷酸緩沖液配置

稱取適量的Na2HPO4和NaH2PO4固體，分別攪拌溶解，在2個250 mL的容量瓶中配制成0.1 mol/L的Na2HPO4溶液和NaH2PO4溶液，后按比例配得pH為5.8的磷酸鹽緩沖溶液(PBS，0.1 mol/L)。

1.7 樣品的表征

采用X射線衍射相分析(phase analysis of X-ray diffraction，XRD)對所制備材料的晶相進(jìn)行分析。

本實驗使用的X射線衍射儀型號為XRD-6100，其陰極的工作電壓為40 kV，陽極靶材為Cu，對材料的掃描范圍設(shè)定為10°～80°，掃描速度為10°/min。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品的形貌進(jìn)行表征。

本實驗使用VEGA3 SBH型掃描電子顯微鏡對所制備材料的形貌進(jìn)行分析,采用透射電子顯微鏡對催化劑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，使用FEI Tecnai G2 F20型透射電子顯微鏡對所制備樣品進(jìn)行表征。

1.8 電化學(xué)實驗

電化學(xué)實驗采用三電極體系進(jìn)行電化學(xué)測定，見圖1，以玻碳電極或修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，所有測定均在CHI660B電化學(xué)工作站進(jìn)行，以0.1 mol/L，pH=5.8的PBS溶液為電解質(zhì)，用計時電流法，開路電位為起始電位，0.3 V為終止電位，電解120 s，后靜置30 s，再進(jìn)行循環(huán)伏安掃描(CV)和微分脈沖伏安掃描(DPV)。

圖1 測定香蘭素濃度三電極體系實物圖Fig.1 Three electrode system for determination of vanillin concentration

實驗前，修飾電極需在空白PBS緩沖液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，直至電流處于穩(wěn)定狀態(tài)。每次測完后仍需在空白PBS緩沖液中掃描10圈恢復(fù)電極表面活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

為了對所制備的g-C3N4和AgNWs以及AgNWs/g-C3N4復(fù)合催化劑進(jìn)行物相分析，了解所制備催化劑內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，對所制備的材料進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖2。由圖2可見g-C3N4樣品在XRD圖譜中能觀察到位于13.1°的(100)晶面和27.5°的(002)晶面，(100)晶面是g-C3N4的庚嗪環(huán)的結(jié)構(gòu)，而(002)晶面則是g-C3N4層層堆疊表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)[16]，這兩個晶面暴露的比例則可以用這兩個峰的強度來表示。

圖2 g-C3N4與AgNWs/g-C3N4-X復(fù)合催化劑的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of g-C3N4 and AgNWs/g-C3N4-X samples

在圖2AgNWs/g-C3N4復(fù)合催化劑的XRD圖譜中可以看出38.1°、44.3°、64.2°以及77.5°衍射峰分別表示AgNWs的(111)、(200)、(220)以及(311)衍射晶面[17]。位于27.5°的特征峰是g-C3N4的(002)衍射晶面，表現(xiàn)出g-C3N4層層堆疊的性質(zhì)，這是因為片狀g-C3N4在van der Waals力的作用下發(fā)生了聚集和卷曲，但該處峰強度十分低，并且隨著Ag的復(fù)合比例增加而降低，這說明負(fù)載了AgNWs后，片狀結(jié)構(gòu)變得更為穩(wěn)定。

2.2 SEM和TEM分析

為了觀測到所制備樣品的微觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行SEM和TEM分析，見圖3。

圖3(a)～(c)分別為片狀g-C3N4的SEM譜圖以及AgNWs/g-C3N4-15復(fù)合催化劑的SEM譜圖和TEM譜圖。

由圖3可見，AgNWs與g-C3N4分散均勻，尺寸較小，AgNWs直徑約為30 nm，大多數(shù)AgNWs長度大于2 μm，有少部分團聚，右邊可以看到g-C3N4被剝離成了片狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出單層或少數(shù)多層的結(jié)構(gòu)。由圖3(c)中可以觀測到0.236 nm和0.204 nm的晶格間距，這歸屬于AgNWs的(111)和(200)晶面間距，而由圖3(c)插圖中可以看出AgNWs均勻負(fù)載在g-C3N4的表面。

圖3 g-C3N4和AgNWs/g-C3N4-15復(fù)合材料的SEM圖譜以及AgNWs/g-C3N4-15復(fù)合材料的TEM圖譜Fig.3 SEM images of g-C3N4 and AgNWs/g-C3N4，and the TEM image of AgNWs/g-C3N4-15

2.3 電催化實驗分析

2.3.1不同修飾電極對香蘭素電催化的研究

分別以裸玻碳電極，g-C3N4修飾電極以及不同復(fù)合比例的AgNWs/g-C3N4-X修飾玻碳電極為工作電極，在香蘭素濃度為10 μmol/L的PBS溶液中進(jìn)行微分脈沖伏安掃描(DPV)，結(jié)果見圖4。

從圖4可看出，裸玻碳電極對10 μmol/L香蘭素的PBS溶液只有微小的氧化峰，說明裸玻碳電極對香蘭素有微弱的催化效果，g-C3N4修飾電極在0.7 V處有明顯的響應(yīng)峰，而AgNWs/g-C3N4復(fù)合催化劑比單一的g-C3N4材料在對香蘭素的電催化過程中表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，特別是對于AgNWs/g-C3N4-15和AgNWs/g-C3N4-30催化劑，峰電流強度比單一片狀的g-C3N4增強了一整個數(shù)量級。

圖4 不同復(fù)合比例的AgNWs/g-C3N4-X和g-C3N4修飾電極在10 μmol/L香蘭素的PBS溶液中(0.1 mol/L，pH=5.8)的DPV掃描圖Fig.4 DPV of vanillin(the concentration of vanillin is of 10-5 mol/L) on AgNWs/g-C3N4-X and g-C3N4-X modified electrode in PBS (0.1 mol/L，pH=5.8)

圖5所示為經(jīng)不同AgNWs修飾劑用量的AgNWs/g-C3N4-X復(fù)合材料與響應(yīng)峰電流的大小關(guān)系圖。

圖5 AgNWs/g-C3N4-X與香蘭素峰電流(ip)變化關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the ratio of AgNWs/g-C3N4-X and vanillin peak current (ip)

從圖5可以看出隨著AgNWs含量的不斷增加，香蘭素的響應(yīng)峰電流也在不斷增加。這是因為當(dāng)修飾劑量較少時，活性位點會首先隨著AgNWs在g-C3N4中含量的增大而增大，則香蘭素的響應(yīng)電流也會隨之增加。當(dāng)AgNWs在g-C3N4中含量達(dá)到一定量時，電活性位點到達(dá)了飽和程度，響應(yīng)峰電流不會再增大。AgNWs含量過高會導(dǎo)致g-C3N4在表面的含量減少，也證明AgNWs/g-C3N4對香蘭素的電催化時二者的協(xié)同作用導(dǎo)致，二者之間有一個最佳的配比。而當(dāng)AgNWs的含量為25%時會出現(xiàn)一個低谷，這可能是由于材料的特異性引起的。本研究中二者的最佳配比是AgNWs的含量為15%。

2.3.2AgNWs/g-C3N4修飾電極對不同濃度香蘭素溶液的電催化研究

以AgNWs/g-C3N4-15修飾電極為工作電極，對不同濃度香蘭素的PBS溶液中進(jìn)行微分脈沖伏安掃描(DPV)，結(jié)果見圖6。圖6中香蘭素溶液濃度分別為3 μmol/L、6 μmol/L、9 μmol/L、15 μmol/L、30 μmol/L、45 μmol/L、75 μmol/L以及95 μmol/L。

圖6 不同濃度香蘭素在AgNWs/g-C3N4-15修飾電極上的DPV掃描圖(0.1 mol/L PBS，pH=5.8)Fig.6 DPV of vanillin at different concentrations on AgNWs/g-C3N4-15modified electrode (0.1 mol/L PBS, pH=5.8)

圖7為香蘭素濃度與其峰電流的線性相關(guān)曲線，由圖7可知當(dāng)以AgNWs/g-C3N4-15材料修飾的玻碳電極為工作電極，香蘭素濃度和響應(yīng)峰電流有著較好的線性相關(guān)性，在3～95 μmol/L的濃度范圍內(nèi)，線性回歸方程為：ip=0.04986c+0.3842(ip的單位為μA，c的單位為μmol/L)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9983。最低檢測限為6.2×10-6mol/L，而GB2760-2014規(guī)定香蘭素食品添加國家標(biāo)準(zhǔn)的5.0×10-4mol/L，該方法檢測限低于國家標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用于實際樣品測定。

圖7 不同濃度香蘭素溶液與峰電流(ip)關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the concentration of vanillin and peak current (ip)

2.3.3干擾實驗與穩(wěn)定性

實驗考察了飲料、巧克力和奶糖中常見的金屬離子和共存物質(zhì)對香蘭素伏安行為的影響，對香蘭素測定時各種共存物質(zhì)的干擾情況進(jìn)行了研究。當(dāng)相對測量誤差<5%時，50倍的檸檬酸、維生素C、Na2HPO4、NaCl、KCl、NaNO3、CaCl2、Zn(NO3)2和Fe(NO3)3·9H2O，20倍的苯甲酸和葡萄糖等不干擾測定，見表1。因此該修飾電極可以用于實際樣品中香蘭素的測定。

表1 干擾離子對AgNWs/g-C3N4-15測定香蘭素的影響Tab.1 Effect of interfering ions on vanillinmeasured by AgNWs/g-C3N4-15

用AgNWs/g-C3N4-15修飾電極為工作電極，對10 μmol/L香蘭素的PBS溶液進(jìn)行三次測量來評估電化學(xué)傳感器的重復(fù)性。后將該修飾電極置于4 ℃冰箱中保存2 d后，在相同條件下平行測定香蘭素3次，從表2測試結(jié)果可知，AgNWs/g-C3N4-15對香蘭素的檢測具有良好的穩(wěn)定性。

表2 AgNWs/g-C3N4-15對香蘭素檢測的穩(wěn)定性Tab.2 Reproducibility of AgNWs/g-C3N4 on vanillin

2.3.4實際樣品分析實驗

將巧克力、奶糖和百事可樂樣品制備成分析樣品后，移取樣品溶液1 mL到電解池中，加入到空白PBS溶液中，搖勻，以AgNWs/g-C3N4-15修飾電極為工作電極，采用DPV法進(jìn)行加標(biāo)回收實驗，重復(fù)測定3次。然后加入一定濃度的香蘭素溶液，再次進(jìn)行3次測定實驗，方法的回收率結(jié)果見表3。從表3中結(jié)果可以看出，巧克力和奶糖樣品的回收率可達(dá)96.83%～101.9%，而可口可樂樣品中的香蘭素并不能被檢測出來，這可能是由于飲料中香蘭素的含量過低[16,18]，超出該方法的檢測限所致。這表明該電化學(xué)法能夠準(zhǔn)確，快速，高靈敏的測定部分實際樣品中香蘭素的含量。

表3 樣品中香蘭素含量的測定和回收率(n=3)Tab.3 Determination and recovery of vanillinin samples (n=3)

3 結(jié) 論

本研究研制出一種新型香蘭素電化學(xué)傳感器，建立了一種測定香蘭素的新方法，該方法可以用于實際樣品中香蘭素的測定。

論文首先使用高溫煅燒法制備了塊狀C3N4，然后使用超聲法對其剝離制備了g-C3N4。利用化學(xué)還原法，以AgNO3為銀源，直接還原納米銀粒子到片狀的g-C3N4上，制備了AgNWs/g-C3N4電極修飾材料，并將其用于香蘭素的電催化研究。

電催化實驗結(jié)果表明，AgNWs/g-C3N4修飾材料具有比單一g-C3N4更好的電催化活性。復(fù)合催化劑具有優(yōu)越的電性能是由于AgNWs與g-C3N4復(fù)合后二者之間的共軛耦合效應(yīng)，C3N4孔缺陷可以減弱AgNWs的團聚，同時AgNWs的存在又避免了g-C3N4分子自身的堆疊，同時復(fù)合材料又保持了大比表面積的特點，因而AgNWs/g-C3N4復(fù)合材料對香蘭素具有更加優(yōu)良的電催化效果。