基于石墨烯構(gòu)建的電化學(xué)傳感器測定抗壞血酸

王春艷，周健，湯洪波，李秋月，周曉燕

（宜春學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，江西宜春 336000）

抗壞血酸又稱維生素C，是一種重要的營養(yǎng)物質(zhì)，它可以預(yù)防壞血病、貧血、感冒、防癌、抗老化等。其在保障人體健康方面發(fā)揮著不可或缺的作用。人體自身不能生成抗壞血酸，只能通過攝入新鮮水果、蔬菜補(bǔ)充抗壞血酸。眾所周知，人體缺乏抗壞血酸可引起多種疾病，但攝入過量也會(huì)產(chǎn)生一些不良反應(yīng)。因此，測定食品中的抗壞血酸含量對飲食安全具有重要意義。目前，測定抗壞血酸的方法主要有高效液相色譜法、氧化還原滴定法、熒光法、光度法、電化學(xué)分析法[1-12]等。其中，電化學(xué)分析法操作簡便快速、準(zhǔn)確度高，是一種應(yīng)用前景良好的檢測方法。

碳納米材料自被發(fā)現(xiàn)以來一直都活躍在納米材料的研究領(lǐng)域中。其在電化學(xué)修飾電極上的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：表面積大；體積??；響應(yīng)時(shí)間短；靈敏度高和電子傳遞速率快等。碳納米材料主要包括富勒烯（fullerene，C60）、碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）和石墨烯（graphene，GR）等，以這些碳材料修飾電極已成為電化學(xué)分析中的一個(gè)重要分支。石墨烯是呈蜂窩狀的二維碳納米材料，導(dǎo)電性能好、比表面積大、熱力學(xué)性能良好、電子傳遞性能優(yōu)異。將其作為電極修飾材料不僅可提高反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移速率，還可提高靈敏度[13]。據(jù)報(bào)道[14-23]，石墨烯修飾電極已用于胭脂紅、Cu2+、葡萄糖、多巴胺等物質(zhì)的檢測中。目前，大多研究工作是將氧化石墨烯（graphene oxide，GO）滴涂在修飾電極表面，再電化學(xué)還原得到還原氧化石墨烯（ERGO）。而采用一步電沉積法可以直接將GO還原修飾至電極表面。此方法不僅綠色無污染、簡單方便，而且可以控制修飾層厚度。

本文通過一步電還原法制備石墨烯修飾電極，并將其用于研究AA的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該修飾電極對AA具有良好的電催化活性。在優(yōu)化條件下，將此修飾電極用于檢測橙汁中的AA含量，可以快速準(zhǔn)確的測定。

1 材料與方法

1.1 原料

抗壞血酸（分析純），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑股份有限公司；氧化鋁拋光粉，天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司；H2SO4（98%），無錫市展望化工試劑有限公司；KCl（分析純），西隴科學(xué)股份有限公司；NaCl（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；葡萄糖（分析純），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑股份有限公司；草酸（分析純），上海試劑總廠；檸檬酸（分析純），天津市福晨化學(xué)試劑廠；多巴胺（分析純），上海麥克林生化科技有限公司；Na2HPO4·12H2O（分析純），西隴科學(xué)股份有限公司；NaH2PO4·2H2O（分析純），西隴科學(xué)股份有限公司；K3Fe(CN)6（分析純），上海麥克林生化科技有限公司；K4Fe(CN)6·3H2O（分析純），上海麥克林生化科技有限公司；橙汁，購自某超市；實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

1.2 主要儀器設(shè)備

CHI660E電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；KQ-100B型數(shù)控超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；玻碳電極，天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司；鉑絲電極，天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司；飽和甘汞電極，天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 玻碳電極預(yù)處理

依次使用目數(shù)為1200、1500、4000目的砂紙對電極進(jìn)行打磨，每次打磨完成后，電極均要超聲清洗10 min后再進(jìn)行后續(xù)打磨或處理，3次打磨和洗滌完成后，晾干電極。然后，依次用1.00 μm，0.30 μm和0.05 μm的Al2O3粉末對電極進(jìn)行拋光處理。每次拋光處理后，電極依次放置于無水乙醇和二次蒸餾水中以超聲波輔助清洗，再晾干電極，備用。

1.3.2 ERGO修飾電極的制備

采用Hummers[24]法合成氧化石墨烯，再參照文獻(xiàn)[25]方法制備修飾電極：將制備的氧化石墨烯粉末置于磷酸鹽緩沖溶液（c=0.067 mol/L，pH=9.18）中超聲剝離，得到0.6 mg/mL GO膠體分散體，將電極浸入GO分散液中，在磁攪拌條件下，于-1.5 V～0.6 V電位范圍內(nèi)以25 mV/s的掃描速率循環(huán)掃描8圈，然后在空氣中自然晾干備用即制得石墨烯修飾電極，記為ERGO/GCE。

1.3.3 電化學(xué)測試

電化學(xué)測試采用三電極體系。其中，ERGO/GCE修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑電極為對電極。用循環(huán)伏安法研究抗壞血酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為及影響因素，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本文中涉及的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖均采用Origin 7.5軟件來完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的電化學(xué)表征

我們以K3[Fe(CN)6]為探針，分別將裸玻碳電極和ERGO修飾的玻碳電極置于含有1 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.1 mol/L KCl的混合溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。圖1為裸玻碳電極和ERGO修飾玻碳電極分別在鐵氰化鉀溶液中的循環(huán)伏安曲線?？梢?，K3Fe(CN)6分子在裸GCE上表現(xiàn)出一對良好的氧化還原峰，相比較而言，ERGO修飾電極上鐵氰化鉀不僅表現(xiàn)出一對良好的氧化還原峰而且其氧化還原峰電流均明顯增大，表明使用ERGO修飾電極可以增加電子在電極表面的傳遞速率，其原因可能是ERGO具有較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性和電催化活性[26]。同時(shí)這也證明了ERGO己經(jīng)成功附著在電極的表面。

圖1 1 mmol/L K3[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中GCE、ERGO/GCE的循環(huán)伏安曲線Fig.1 Cyclic voltammetric curves of GCE, ERGO/GCE in 0.1 mol/L KCl solution containing 1 mmol/L K3[Fe(CN)6]

2.2 電化學(xué)阻抗譜測試表征修飾電極

為了探究ERGO/GCE的電子傳導(dǎo)能力，測試并對比了ERGO/GCE與GCE的電化學(xué)阻抗，如圖2所示ERGO/GCE電化學(xué)阻抗圖高頻區(qū)的半圓直徑小于GCE高頻端半圓直徑，說明ERGO/GCE相較于GCE具有更好的電子傳導(dǎo)性能，同時(shí)也表明石墨烯已成功修飾到電極表面。

圖2 ERGO/GCE(a)與GCE(b)在含有0.1 mol/L K3［Fe(CN)6］/K4［Fe(CN)6］的0.1 mol/L KCl溶液中的電化學(xué)阻抗圖Fig.2 Electrochemical impedance diagram of ERGO/GCE and GCE in 0.1 mol/L KCl solution containing 0.1 mol/L K3[Fe(CN)6] /K4[Fe(CN)6]

2.3 AA的電化學(xué)行為

在含有0.01 mol/L抗壞血酸電解液中，分別用裸玻碳電極、ERGO修飾電極對AA進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，研究AA在兩種電極的電化學(xué)行為。如圖3所示，在-1.5 V～1.5 V電位范圍內(nèi)，所有電極均有1個(gè)不可逆的氧化峰，而在空白電解液中（不含AA）兩種電極在相應(yīng)電位均未檢測到有峰出現(xiàn)。說明AA在這2種不同的電極表面均發(fā)生了不可逆反應(yīng)。當(dāng)在電極上修飾ERGO后，AA的氧化峰電流較在裸玻碳電極增大了0.17倍，且峰電位負(fù)移，說明石墨烯對AA的氧化具有良好的電催化作用。這可能由于石墨烯擁有大的比表面積和良好的電子傳遞性能，從而增大了電極的有效面積，電流響應(yīng)增強(qiáng)。

圖3 ERGO/GCE和裸GCE分別在0.01 mol/L AA溶液和空白溶液中的的循環(huán)伏安曲線Fig.3 cyclic voltammetry curves of ERGO/GCE and bare GCE in 0.01 mol/L AA solution and blank solution, respectively

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.4.1 沉積圈數(shù)的影響

通過控制沉積圈數(shù)考察了修飾電極上膜的厚度對AA響應(yīng)的影響。如圖4所示，曲線對應(yīng)的沉積圈數(shù)分別為：4、8、6。在沉積6圈時(shí)，AA在修飾電極上電化學(xué)響應(yīng)峰電流最大，沉積8圈時(shí)峰電流呈下降趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)膜的厚度過大時(shí)，電子在膜中的傳遞阻力變大，致使響應(yīng)電流降低。因此，選擇沉積圈數(shù)為6圈。

圖4 沉積圈數(shù)對AA峰電流的影響Fig.4 Effect of number of coils on peak current of AA

2.4.2 溶液pH值的影響

電解質(zhì)溶液的pH會(huì)影響修飾電極對AA的催化作用，采用循環(huán)伏安法進(jìn)一步研究了不同溶液pH值對0.01 mol/L AA在ERGO/GC上的電化學(xué)反應(yīng)的影響。圖5是不同pH值的0.2 mol/L PBS溶液中，0.01 mol/L AA在ERGO/GCE上的循環(huán)伏安圖，曲線對應(yīng)的pH值分別為：7.5、7.0、6.0、6.5。由圖5可見，氧化峰電位隨pH的改變并未發(fā)生明顯變化，說明沒有質(zhì)子參與抗壞血酸的氧化過程。當(dāng)pH值為6.5時(shí)AA的氧化峰電流值最大，因此，選擇0.2 mol/L PBS（pH=6.5）作為測試底液。

圖5 不同pH值緩沖溶液對抗壞血酸在石墨烯修飾電極上響應(yīng)的影響Fig.5 Different pH values of buffer solution against the influence of ascorbic acid response on graphene modified electrodes

2.4.3 掃描速率的影響

圖6 修飾電極上AA在不同掃速下的循環(huán)伏安圖（a）及AA峰電流與掃速之間的關(guān)系圖（b）Fig.6 Cyclic voltammograms of AA on modified electrodes at different scan rates (a) and the relationship between AA peak current and scan rate (b)

選用pH值為6.50的PBS電解液，研究了掃描速率對AA氧化峰電流及電位的影響。圖6是不同掃速條件下，0.01 mol/L AA在ERGO/GCE上的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線，曲線對應(yīng)的掃描速率（mV/s）分別為：25、75、125、175。由圖6a可見，當(dāng)掃描速率在25 mV/s～175 mV/s變化時(shí)，AA的氧化峰電流隨著掃描速率的增加而逐漸增大，并且其氧化峰電流與掃描速率的平方根呈線性關(guān)系如圖6b所示，AA的線性回歸方程為I=17.966V1/2-0.8513，R2=0.9945（I：μA，V：mV/s），說明AA在ERGO/GCE上的電化學(xué)過程受擴(kuò)散控制。

2.5 AA線性關(guān)系及檢出限

采用循環(huán)伏安法測定了不同濃度的AA在ERGO/GEO修飾電極上的電流響應(yīng)。結(jié)果表明（由圖7所示），在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，測得AA氧化峰電流與其濃度在2×10-5mol/L～1.7×10-3mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。在2×10-5mol/L～1.7×10-3mol/L范圍內(nèi)，AA的氧化峰電流隨著濃度的增加呈線性增大，其線性回歸方程I=13.929c+4.5163，R2=0.991（I：μA，c：mmol/L），檢出限為9×10-6mol/L（S/N=3）。

圖7 抗壞血酸濃度與氧化峰電流的線性關(guān)系Fig.7 Linear relationship between ascorbic acid concentration and oxidation peak current

2.6 ERGO修飾電極的重現(xiàn)性及穩(wěn)定性

為了評估ERGO/GCE修飾電極的重現(xiàn)性，用ERGO/GEO修飾電極對濃度為1×10-3mol/L的AA進(jìn)行5次平行測定，其響應(yīng)電流的RSD值為3.65%，表明該電極具有良好的重現(xiàn)性。將同一支ERGO/GCE修飾電極室溫放置7 d后檢測1×10-3mol/LAA的響應(yīng)，結(jié)果顯示峰電流為最初響應(yīng)電流的98.81%，說明該修飾電極穩(wěn)定性良好。

2.7 干擾測試

在實(shí)際樣品檢測中，干擾物質(zhì)可能會(huì)影響檢測的結(jié)果。因此，在最優(yōu)測定條件下將ERGO/GCE修飾電極置于含有1×10-3mol/L AA的0.2 mol/L PBS（pH=6.5）溶液中，采用循環(huán)伏安法考察一些常見干擾物質(zhì)對該修飾電極電化學(xué)響應(yīng)的影響。在允許相對誤差±5%范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明10倍濃度的Na+、Cl-和100倍濃度的葡萄糖對AA的檢測沒有顯著影響，1倍濃度的草酸、檸檬酸對AA的檢測沒有影響，0.1倍濃度的多巴胺不干擾AA的檢測。

表1 樣品測定及加標(biāo)回收結(jié)果Table 1 Sample determination and standard recovery results

2.8 實(shí)際樣品的測定及加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

移取一定體積的橙汁至100 mL容量瓶中，用pH=6.5的磷酸鹽緩沖溶液稀釋至標(biāo)線，以ERGOGCE修飾電極作為工作電極，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行測定，結(jié)果如表1所示，表中每組數(shù)據(jù)測定五次取平均值并計(jì)算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。由表1可知，樣品加標(biāo)回收率為97.95%～98.68%，測定結(jié)果的RSD為4.19%～4.46%。

3 結(jié)論

本文采用電化學(xué)還原法，通過一步電沉積制得石墨烯修飾電極，研究了AA在此修飾電極上的電化學(xué)行為，并考察了掃速和pH值等對電化學(xué)傳感器性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與裸玻碳電極相比，石墨烯修飾電極對AA具有更好的電催化活性。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，AA的濃度在2.00×10-5mol/L～1.70×10-3mol/L范圍內(nèi)與其氧化峰電流呈線性關(guān)系，檢出限為9×10-6mol/L（S/N=3）。與文獻(xiàn)[27]相比本實(shí)驗(yàn)通過一步電沉積法直接將氧化石墨烯還原修飾至電極表面。此方法不僅綠色無污染、簡單方便，而且可以控制修飾層厚度。并且將制備的修飾電極用于研究AA的電化學(xué)行為，能產(chǎn)生與之類似的實(shí)驗(yàn)效果。將修飾電極用于橙汁中AA含量的測定，回收率在97.95%～98.68%之間。該電化學(xué)傳感器具有穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，其對抗壞血酸的響應(yīng)性能良好。本文建立的電化學(xué)方法可為檢測橙汁中AA含量提供參考。