可逆波循環(huán)伏安圖的測(cè)定及碳納米管修飾電極對(duì)維生素C的電催化檢測(cè)
——介紹一個(gè)電化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)

王琨琦，任真，紀(jì)曉娜，左妍，楊煥欣

長(zhǎng)春工程學(xué)院理學(xué)院，長(zhǎng)春 130012

循環(huán)伏安法是最重要的電分析化學(xué)研究方法之一，其主要優(yōu)點(diǎn)有：操作簡(jiǎn)單、快速、自動(dòng)化程度高、重復(fù)和再現(xiàn)性好、測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、靈敏度高、儀器價(jià)格低廉，因此在電化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)等研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。應(yīng)用循環(huán)伏安技術(shù)，工作電極的修飾起著至關(guān)重要的作用，20世紀(jì)70年代中期，化學(xué)方法修飾電極作為一門新興的技術(shù)快速發(fā)展起來(lái)，截至目前其也是電化學(xué)和電分析化學(xué)研究中最活躍的部分。它是通過(guò)化學(xué)修飾的方法在電極表面進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，將具有優(yōu)良化學(xué)性質(zhì)的分子、離子、聚合物固定在電極表面，造成某種微結(jié)構(gòu)，賦予電極某種特定的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，在分析測(cè)試過(guò)程中提高選擇性和靈敏度兩方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性[1]。在化學(xué)修飾電極備選材料中，碳納米管由于其獨(dú)特的電學(xué)性能、明顯的量子效應(yīng)、大的比表面積、高穩(wěn)定性以及強(qiáng)吸附等特性被使用于化學(xué)修飾電極。本實(shí)驗(yàn)利用裸玻碳電極結(jié)合Randles-Sevcik公式，在1 mmol·L?1K3Fe(CN)6體系中獲得了可逆波循環(huán)伏安圖，同時(shí)計(jì)算電極的有效面積。采用滴涂法將多壁碳納米管修飾于裸玻碳電極上，進(jìn)一步完成碳納米管修飾電極有效面積的測(cè)算，對(duì)比電極修飾前、后有效面積可知，碳納米管修飾電極可將電極的有效面積提高1.5倍，利用該修飾電極對(duì)藥片維C檢測(cè)獲得其純度為85%。我們?cè)O(shè)計(jì)的這一電化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上展現(xiàn)了循環(huán)伏安電化學(xué)理論到實(shí)踐應(yīng)用的巧妙構(gòu)思，實(shí)驗(yàn)進(jìn)程上展現(xiàn)出簡(jiǎn)單、易重復(fù)的鮮明特色，這兩點(diǎn)對(duì)于本科綜合實(shí)驗(yàn)課程來(lái)講難能可貴，方便為其他本科院校開(kāi)設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課程提供思路參考。另外，通過(guò)本綜合實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，堅(jiān)定了學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，提升了學(xué)生的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)操作水平，激發(fā)了學(xué)生從事科學(xué)研究的熱情。依托本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得以充分的培養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1) 學(xué)習(xí)和掌握循環(huán)伏安法的原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

2) 掌握可逆波循環(huán)伏安圖的特性以及測(cè)算電極有效面積的方法。

3) 學(xué)習(xí)和掌握碳納米管修飾電極的制備方法及利用其進(jìn)行維生素C檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

4) 培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的科研熱情。

2 實(shí)驗(yàn)原理

循環(huán)伏安法是一種常用的電化學(xué)研究方法，控制電極電勢(shì)以不同的速率，將對(duì)稱的三角波掃描電壓加在固定面積的工作電極和參比電極之間，電勢(shì)范圍內(nèi)使電極上交替發(fā)生不同的氧化和還原反應(yīng)，記錄工作電極上得到的電流與施加電位的關(guān)系曲線，即循環(huán)伏安圖，如本實(shí)驗(yàn)在1 mmol·L?1K3Fe(CN)6體系中測(cè)得圖1所示曲線。根據(jù)Randles-Sevcik公式[2](在25 °C時(shí))計(jì)算電極的有效面積：

圖1 可逆波循環(huán)伏安圖

式(1)中，A為電極的有效面積，cm2；D0為反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)，cm2·s?1；n為電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；v為掃描速度，V·s?1；c0為反應(yīng)物的濃度，mol·s?3；ip為峰電流，A。另外，由于碳納米管表面帶有較多的功能基團(tuán)，可以對(duì)某些物質(zhì)的電化學(xué)行為產(chǎn)生特有的催化效應(yīng)，維生素C的檢測(cè)就是基于此。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1) 可逆波循環(huán)伏安圖的測(cè)定及電極有效面積的測(cè)算。

2) 碳納米管修飾電極對(duì)抗壞血酸的電催化響應(yīng)。

3) 碳納米管修飾電極對(duì)藥片維生素C的電催化檢測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)部分

4.1 儀器

CHI602A電化學(xué)工作站1臺(tái)(上海晨華)；鉑片對(duì)電極1支(紅色)；玻碳工作電極1支(d= 4 mm) (天津艾達(dá)，綠色)；飽和甘汞參比電極1支(天津艾達(dá)，白色)；50 mL三孔電解槽1個(gè)；20 μL數(shù)字電動(dòng)移液器(大龍儀器有限公司) ；拋光布1片；50 mL燒杯1個(gè)；100 mL容量瓶5個(gè)；洗瓶1個(gè)；KQ5200E型超聲波清洗器(江蘇省昆山市)；電子天平1臺(tái)；紅外燈1臺(tái)。

4.2 試劑

鐵氰化鉀(K3Fe(CN)6，分析純，上海試劑一廠)；氯化鉀(KCl，分析純，分北京化工廠)；十二水合磷酸氫二鈉(NaH2PO4·12H2O，分析純，北京化工廠)；二水合磷酸二氫鈉(Na2HPO4·2H2O，分析純，西隴化工股份有限公司)；抗壞血酸(C6H806，分析純，北京化工廠)；N,N-二甲基甲酰胺(HCON(CH3)2，分析純，天津天泰精細(xì)化學(xué)品有限公司)；多壁碳納米管(直徑20–30 nm，先豐納米XFNAN0，INC)；三氧化二鋁粉拋光粉；蒸餾水(優(yōu)普系列超純水機(jī)UPR-11-15TNZP制備)；維生素C片(東北制藥集團(tuán)沈陽(yáng)第一制藥有限公司)。

5 實(shí)驗(yàn)步驟

5.1 溶液配制

5.1.1 配制1 mmol?L?1K3Fe(CN)6和0.1 mol?L?1KCl混合溶液

稱取0.0329 g K3Fe(CN)6，0.7456 g KCl，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶。

5.1.2 配制100 mL 0.1 mol?L?1pH = 5.8的磷酸鹽(PBS)緩沖溶液

稱取2.58 g NaH2PO4·2H2O，0.44 g Na2HPO4·12H2O，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶中。

5.1.3 配制1 mmol?L?1的抗壞血酸溶液

稱取0.176 g抗壞血酸，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶中，取出10 mL溶液稀釋至100 mL容量瓶中。

5.1.4 配制維生素C溶液

取維生素C一片(50.0 mg)，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶中。

5.1.5 配制碳納米管分散液

5.0 mg碳納米管溶于5 mLN,N-二甲基甲酰胺溶液，超聲分散30 min，每次使用前超聲分散均勻[3]。

5.2 電極處理

將新的玻碳電極表面先經(jīng)金剛砂紙粗研和細(xì)磨后，再用不同粒徑的Al2O3粉在拋光布上進(jìn)行拋光。拋光后先洗去表面污物，再移入超聲波中清洗，每次1–2 min，重復(fù)三次，直至清洗干凈。

5.3 碳納米管修飾電極的制備

取20 μL超聲30 min的碳納米管分散液滴在清洗干凈的玻碳電極表面，用紅外燈烤干。

5.4 搭建電化學(xué)三電極體系

按如圖2所示，將1 mmol·L?1K3Fe(CN)6溶液移入50 mL三孔電解池中，依次連接裸玻碳工作電極(綠色)，飽和甘汞參比電極(白色)，鉑片對(duì)電極(紅色)，并測(cè)定裸玻碳電極的氧化還原峰電位和電流值[3]。

圖2 電極裝置圖

5.5 操作電化學(xué)工作站

開(kāi)啟電化學(xué)工作站及計(jì)算機(jī)電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)電化學(xué)程序，選擇循環(huán)伏安法CV，設(shè)定參數(shù)Parameter，輸入表1中所示參數(shù)。

表1 電化學(xué)程序中參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊運(yùn)行電化學(xué)工作站，開(kāi)始掃描，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存盤后，記錄氧化還原峰電位Epc、Epa及峰電流Ipc、Ipa。改變掃描速度為0.10、0.14、0.18、0.22、0.26和0.30 V·s?1，分別作循環(huán)伏安圖，將上述循環(huán)伏安圖疊加比較。

5.6 碳納米管修飾電極的循環(huán)伏安曲線測(cè)定

將制備好的碳納米管修飾電極取代玻碳電極按照上述實(shí)驗(yàn)步驟5.4–5.5進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，記錄不同掃描速率下碳納米管修飾電極的氧化還原峰電位Epc、Epa及峰電流Ipc、Ipa，并保存譜圖。

5.7 碳納米管修飾電極對(duì)抗壞血酸及藥品維生素C片的測(cè)定

室溫下，將50 mL三孔電解槽通入高純氮?dú)獬?5–25 min，采用碳納米管修飾電極為工作電極，在?0.4 – 0.4 V范圍內(nèi)，100 mV·s?1的掃速下，于不用濃度的抗壞血酸PBS溶液及維生素C片-PBS溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

6.1 可逆波循環(huán)伏安疊加圖的繪制

以1 mmol·L?1K3Fe(CN)6溶液作為支持電解質(zhì)，在電位窗為?0.2 – 0.7 V的范圍內(nèi)，裸玻碳電極分別在掃描速度為0.10、0.14、0.18、0.22、0.26和0.30 V·s?1時(shí)，進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表2；曲線疊加于圖3中。

圖3 掃描速度為0.10、0.14、0.18、0.22、0.26、0.30 V?s?1的循環(huán)伏安疊加圖

表2 裸玻碳電極循環(huán)伏安測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表2數(shù)據(jù)和圖3可知：盡管掃描速率發(fā)生了改變，但是每一條曲線其陰極、陽(yáng)極峰都表現(xiàn)出互相對(duì)稱的特性，且當(dāng)掃描速率為0.10 V·s?1時(shí)，兩峰電流值之比約等于1，Ipc/Ipa= 0.96 ≈ 1，電位差ΔEp= 77 mV，表明裸玻碳電極上發(fā)生了可逆的電化學(xué)反應(yīng)，獲得了一系列不同掃描速率的可逆波循環(huán)圖。

6.2 計(jì)算裸玻碳電極和碳納米管修飾電極的有效面積

根據(jù)Randles-Sevcik公式，ip= (2.69 × 105)n3/2AD01/2v1/2c0，其中K3Fe(CN)6的擴(kuò)散系數(shù)D0= 1 × 10?5cm2·s?1；電子轉(zhuǎn)移數(shù)n= 1[2]，采用線性回歸法分別計(jì)算出裸玻碳電極與碳納米管修飾電極的有效面積分別是0.0940和0.1422 cm2，列入表2和表3中，裸玻碳電極經(jīng)過(guò)碳納米管修飾后其有效面積提高了1.5倍，裸玻碳電極、碳納米管修飾電極峰電流與掃速平方根的線性回歸關(guān)系如圖4、圖5所示。

表3 碳納米管修飾電極循環(huán)伏安測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖4 裸玻碳電極峰電流與掃速平方根的線性關(guān)系

圖5 碳納米管修飾電極峰電流與掃速平方根的線性關(guān)系

6.3 碳納米管修飾電極對(duì)抗壞血酸濃度及實(shí)際樣品維生素C片的響應(yīng)

碳納米管修飾電極在0.1 mol·L?1PBS (pH = 5.8)的緩沖體系內(nèi)，在電位窗為?0.4 – 0.44 V范圍內(nèi)，以0.1 V·s?1的掃描速度，改變抗壞血酸的濃度，進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試，所得峰電流與抗壞血酸濃度的關(guān)系如圖6所示。其線性回歸方程y= ?5.47 × 10?5x? 1.01 × 10?5，其線性相關(guān)系數(shù)為0.984，線性范圍為0.00–0.59 mmol·L?1，檢出限為0.065 mmol·L?1。即峰電流與抗壞血酸濃度的線性相關(guān)。在上述實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)實(shí)際藥品維生素C片進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果回歸于上述線性方程(見(jiàn)圖6紅色三角形)，確定維生素C片的純度為85.0%。

圖6 峰電流與抗壞血酸濃度的線性關(guān)系

7 教學(xué)建議

1) 建議本綜合實(shí)驗(yàn)分三個(gè)模塊進(jìn)行教學(xué)(大約8個(gè)小時(shí))[4]：第一模塊是清洗裸玻碳電極和測(cè)算裸玻碳電極的有效面積；第二模塊是制備碳納米管修飾電極和計(jì)算碳納米管修飾電極的有效面積；第三模塊是繪制維生素C標(biāo)準(zhǔn)曲線及對(duì)實(shí)際藥品維生素C片的檢測(cè)。

2) 本綜合實(shí)驗(yàn)每個(gè)模塊都可以成為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以作為整體綜合實(shí)驗(yàn)的一部分來(lái)進(jìn)行，兩種方式均可有效地培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3) 進(jìn)行本綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并以獨(dú)立小組的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，要求小組成員分工協(xié)作。在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，學(xué)生要先通過(guò)查閱期刊文獻(xiàn)來(lái)了解循環(huán)伏安法的原理和特性以及測(cè)算電極有效面積的方法，其次了解碳納米管修飾電極的制備方法，以便后續(xù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌亻_(kāi)展，最后根據(jù)文獻(xiàn)的調(diào)研成果，確定藥品維生素C片檢測(cè)的最優(yōu)條件。

8 注意事項(xiàng)

1) 在使用超聲波清洗玻碳電極時(shí)，時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制在1–2分鐘內(nèi)，超聲時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)。

2) 本實(shí)驗(yàn)使用藥品和試劑都應(yīng)為分析純，實(shí)驗(yàn)用水應(yīng)為蒸餾水，以防止雜質(zhì)干擾電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

3) 碳納米管修飾電極制備過(guò)程中，應(yīng)保持碳納米管分散體系均勻。

4) 實(shí)驗(yàn)中所用到的儀器都要嚴(yán)格按照操作說(shuō)明書進(jìn)行，并注意規(guī)范操作。

9 思考題

1) 如何通過(guò)循環(huán)伏安法測(cè)得的電極反應(yīng)參數(shù)來(lái)判斷電極反應(yīng)的可逆程度？

2) 如何判斷玻碳電極表面是否處理干凈？

3) 為什么碳納米管修飾電極在電分析化學(xué)中被廣泛采用？

4) 未來(lái)哪些材料還可以用來(lái)制備電化學(xué)修飾電極？

5) 為什么電解槽在實(shí)驗(yàn)前要通入高純度氮?dú)?5–25分鐘？

10 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電化學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)，首先使用裸玻碳電極繪制出了可逆波循環(huán)伏安圖，其次，利用Randles-Sevcik公式計(jì)算出裸玻碳電極和碳納米管修飾電極的有效面積，通過(guò)碳納米管修飾電極對(duì)維生素C的電催化作用，完成了對(duì)實(shí)際藥品維生素C片的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：裸玻碳電極兩峰的電流值近似相等(Ipc/Ipa= 0.96 ≈ 1)，峰峰電位差ΔEp約為77 mV，循環(huán)伏安圖的可逆效果良好。碳納米管修飾電極的有效面積是裸玻碳電極有效面積的1.5倍。碳納米管修飾電極對(duì)抗壞血酸可以產(chǎn)生線性響應(yīng)，相關(guān)系數(shù)為0.984，實(shí)際藥品維生素C片的純度為85.0%。本實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)，將電化學(xué)循環(huán)伏安法的原理、操作和應(yīng)用知識(shí)充分融合，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生實(shí)踐實(shí)驗(yàn)操作水平，激發(fā)學(xué)生科研熱情，從而開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新性思維。