,

(1. 天津職業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院, 天津 300410; 2. 天津大學(xué) 化工學(xué)院, 天津 300072)

維生素C是維持人體健康必需的維生素,對于防御感染性疾病有重要意義,研究表明維生素C缺乏可導(dǎo)致多種疾病,其含量測定被用于疾病診斷及營養(yǎng)分析中[1-2]。維生素C的測定方法包括碘量法、比色法等,但這些方法步驟繁瑣,不利于快速分析。有報道利用電化學(xué)伏安法測定維生素C的含量[3],這種方法多采用聚合物及無機化合物薄膜修飾電極,能夠快速、準(zhǔn)確地測定維生素C的含量,但存在檢出限偏高、測定靈敏度較低的缺點。因此需開發(fā)靈敏度高、快速、準(zhǔn)確的電化學(xué)方法。

離子液體(IL)由于具有電化學(xué)穩(wěn)定性、較寬的電化學(xué)窗口及良好的導(dǎo)電性,已被作為傳感材料應(yīng)用于電化學(xué)中[4]。納米粒子具有大比表面積和良好的電子遷移性,其在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用近年來成為熱點[5-6]。納米粒子與離子液體結(jié)合應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中,具有廣泛的應(yīng)用前景。

銀納米粒子(AgNPs)具有良好的導(dǎo)電性及生物兼容性,AgNPs應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中可極大地提高電極表面電荷遷移速率,有效改善電化學(xué)響應(yīng)信號,提高傳感器的靈敏度[7-8]。離子液體[BMIM]BF4具有良好的離子化及導(dǎo)電性能,同時可作為穩(wěn)定劑附著在納米粒子表面,對AgNPs有很好的分散作用,防止AgNPs的團聚。

本工作利用離子液體-銀納米粒子復(fù)合材料修飾玻碳電極,考察銀納米粒子及離子液體對修飾電極性能的影響規(guī)律,對修飾電極的動力學(xué)進行研究,計算不同銀濃度修飾電極的反應(yīng)擴散系數(shù),并對藥劑中的維生素C含量進行測定。

1 試驗部分

1．1 儀器與試劑

CHI 650型電化學(xué)分析儀,配三電極系統(tǒng)(修飾玻碳電極為工作電極,飽和甘汞電極為參比電極,Pt電極為輔助電極);TU-1810PC型紫外-可見分光光度儀;IRPrestige-21 SHIMADZU型島津傅里葉變換紅外光譜儀;JEM-2100F型場投射電子顯微鏡。

硝酸銀、氯化鉀、維生素C、甲基咪唑、溴代正丁烷、硼氫化鈉、檸檬酸鈉為分析純,試驗用水為去離子水。

1．2 離子液體的制備

取一定量甲基咪唑與溴代正丁烷,以甲苯為溶劑,回流反應(yīng)3 h;用丙酮、乙酸乙酯抽濾后,得到中間體溴代甲基咪唑[BMIM]Br;在常溫條件下,加入NaBF4攪拌6 h,直至反應(yīng)完全,即得離子液體[BMIM]BF4。

1．3 銀納米粒子的制備

取0.1 mol·L-1檸檬酸鈉溶液3 mL,加入氫氧化鈉溶液調(diào)pH至12,加入到三口燒瓶中;再加入0.1 mol·L-1硝酸銀溶液3 mL,電動攪拌,溶液呈褐色;再加入2 g·L-1維生素C溶液70 mL,于30 ℃水浴下,攪拌30 min后,停止反應(yīng)。用水及乙醇溶液對銀納米粒子進行離心清洗,清洗多次,利用紫外-可見分光光度儀掃描,直至光譜圖中250～650 nm處只有銀納米粒子峰即可。將清洗后的銀納米粒子在60 ℃進行真空干燥2 h。

1．4 修飾電極的制備

稱取干燥后的銀納米粒子,配制一系列濃度的銀納米粒子溶液,并與離子液體按照一定體積比混合,配制成一系列濃度的銀納米粒子-離子液體混合溶液。

首先將玻碳電極依次用0.1,0.3,0.05 μm的Al2O3粉拋光,而后用水清洗。進行裸電極測試,確定電極表面打磨好后,浸泡于0.1 mol·L-1半胱氨酸溶液中1 h后取出,用水沖洗后,分別取上述銀納米粒子-離子液體混合溶液,滴于拋光后的玻碳電極上,于30 ℃真空干燥5 min。

1．5 試驗方法

維生素C片劑處理:取標(biāo)示量為0.1 g·片-1維生素C片于研缽中研細(xì),稱取粉末若干,用水溶解,過濾后,在100 mL容量瓶中定容備用。

選取上述修飾電極為工作電極,飽和甘汞電極為參比電極,Pt電極為輔助電極,電極優(yōu)化測試在10,80 μmol·L-1維生素C的PBS溶液中進行,掃描范圍為-0.4～0.8 V。測定了藥劑中的維生素C含量,并進行了抗干擾試驗。

2 結(jié)果與討論

2．1 離子液體及銀納米粒子的表征

將制備的離子液體進行傅里葉變換-紅外光譜(FT-IR)表征,譜圖見圖1。

圖1 離子液體[BMIM]BF4的傅里葉變換-紅外光譜圖Fig. 1 FT-IR spectrum of ionic liquid [BMIM]BF4

由圖1可知:所制備的離子液體的主要特征峰為3 413,1 628,1 570,1 167,1 050 cm-1。其中3 413 cm-1歸屬為芳香環(huán)上C-H的伸縮振動峰,1 628,1 570 cm-1歸屬為芳香環(huán)骨架振動峰,1 167 cm-1歸屬為芳環(huán)C-H面內(nèi)振動峰,1 050 cm-1歸屬為BF4基團的B-F振動峰,與離子液體標(biāo)準(zhǔn)品譜圖基本一致,證明合成的離子液體純度較高。

制備的銀納米粒子溶液呈深綠色,其紫外-可見吸收光譜圖見圖2。

圖2 銀納米粒子的紫外-可見吸收光譜圖Fig. 2 UV-Vis absorption spectrum of silver nanoparticles

由圖2可知:銀納米粒子的最大吸收峰出現(xiàn)在402 nm處,說明銀納米粒子尺寸較小。利用場投射電子顯微鏡表征銀納米粒子尺寸,見圖3,銀納米粒子尺寸在20 nm左右。

圖3 銀納米粒子的透射電子顯微鏡圖片F(xiàn)ig. 3 TEM image of silver nanoparticles

2．2 維生素C在修飾電極中的電化學(xué)行為

2．2．1 銀納米粒子濃度對修飾電極性能的影響

方波伏安法測試在濃度為80 μmol·L-1維生素C的PBS溶液中進行,首先以裸玻碳電極為工作電極,測試結(jié)果見圖4(曲線1),維生素C在裸電極中無氧化峰出現(xiàn)。試驗分別測定了維生素C在不同濃度銀納米粒子修飾的玻碳電極的電化學(xué)行為,見圖4(曲線2～7)。

1-裸電極;2～7對應(yīng)銀納米粒子的濃度依次為0,0.2, 0.6,1.0,1.5,3.0 mol·L-1圖4 維生素C在不同濃度銀納米粒子修飾電極的方波伏安圖Fig. 4 SWV diagrams of Vitamin C at the electrodes modified with AgNPs of various concentrations

由圖4可知:當(dāng)只有離子液體修飾電極時,峰電流信號不明顯;當(dāng)修飾溶液中銀納米粒子濃度增大時,維生素C氧化峰電流逐漸增大;當(dāng)修飾溶液中的銀納米粒子濃度繼續(xù)增大至3.0 mol·L-1后,峰電流消失。

結(jié)合交流阻抗圖5(曲線2～6)可知:高頻區(qū)半圓直徑即Rct值隨銀納米粒子濃度增大而變小。這是由于隨銀納米粒子在電極表面增多,電荷轉(zhuǎn)移速率加快。因此,隨著銀納米粒子濃度增大,對應(yīng)圖4(曲線6)中峰電流最大。

1-裸電極;2～7對應(yīng)銀納米粒子的濃度依次為0,0.2, 0.6,1.0,1.5,3.0 mol·L-1圖5 不同濃度銀納米粒子修飾電極的阻抗圖Fig. 5 Impedance diagrams of the electrodes modified with AgNPs of various concentrations

由圖5(曲線7)可知:對于由高濃度3.0 mol·L-1銀納米粒子-離子液體混合溶液修飾的電極,高頻區(qū)Rct值雖然較小,但低頻區(qū)直線斜率顯著變小,電極表面的物質(zhì)擴散變得不利,這成為反應(yīng)速率的控制步驟。因此,維生素C的電化學(xué)反應(yīng)不能發(fā)生,從而導(dǎo)致圖4(曲線7)中銀納米粒子濃度增大至3.0 mol·L-1時峰電流消失。

2．2．2 離子液體濃度對修飾電極性能的影響

試驗考察了銀納米粒子-離子液體混合修飾溶液中離子液體的體積分?jǐn)?shù)(0～10%)對于修飾電極性能的影響。

如圖6(曲線1)所示,當(dāng)不加離子液體時,即只有銀納米粒子修飾玻碳電極時,有一定的峰電流相應(yīng);當(dāng)修飾溶液中添加一定量的離子液體,可增強峰電流信號,如圖6(曲線3)所示,當(dāng)修飾液中離子液體的體積分?jǐn)?shù)為4%時,修飾電極的性能最好。這是由于適當(dāng)?shù)靥砑与x子液體有利于增強電極表面的導(dǎo)電性。但當(dāng)離子液體比例過高時,反而不利于峰電流的增大,這與離子液體黏度大、極性強有關(guān),離子液體的比例過高,抑制了反應(yīng)物及產(chǎn)物的擴散,因而降低了修飾電極的性能。

曲線1～5對應(yīng)離子液體的體積分?jǐn)?shù)分別為0,2%, 4%,8%,10% 銀納米粒子在電極修飾溶液中的濃度均為1.0 mol·L-1圖6 維生素C在不同體積分?jǐn)?shù)離子液體修飾電極上的方波伏安圖Fig. 6 SWV diagrams of Vitamin C on the electrodes modified with ionic liquid of various volume ratios

2．2．3 掃描速率對修飾電極電化學(xué)行為影響

對修飾電極進行優(yōu)化后,在濃度為10 μmol·L-1維生素C溶液中,考察了掃描速率(v)對峰電流(Ip)的影響,見圖7。

曲線1～5對應(yīng)的掃描速率依次為0.02,0.04, 0.06,0.08,0.1 V·s-1圖7 不同掃描速率下維生素C在修飾電極上的循環(huán)伏安曲線Fig. 7 CV curves of Vitamin C on the modified electrodes under different scan rates

通過計算可知:Ip與v1/2呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.996 7。

2．3 修飾電極的電化學(xué)動力學(xué)測定

根據(jù)Randles-Savcik公式(1),計算修飾電極的有效面積。

Ip=2.69×105n3/2AD1/2cv1/2(1)

式中:Ip為峰電流,A;n為電子轉(zhuǎn)移數(shù);A為電極有效面積,cm2;D為擴散系數(shù),cm2·s-1;v為掃描速率,V·s-1;c為濃度,mol·L-1。

測定了不同掃描速率下修飾電極在0.1 mol·L-1KCl及2×10-4mol·L-1K3[Fe(CN)6]溶液中峰電流,對Ip-v1/2進行了回歸,回歸方程為Ip=46.90v1/2+3.120×106,已知0.1 mol·L-1KCl中K3[Fe(CN)6]的擴散系數(shù)D為6.3×10-6cm2·s-1,由回歸方程直線斜率可得出電極有效面積,利用計時電量法(CC)計算擴散系數(shù)。

利用CC法測出不同濃度的維生素C的Q-t1/2關(guān)系式,由公式(2)計算出維生素C不同濃度的擴散系數(shù)D,見表1。

(2)

式中:Q為計時電量法電量,C;n為電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù);F為法拉第常數(shù),96 485 C·mol-1;A為電極面積,cm2;D為擴散系數(shù);cm2·s-1;t為電解時間,s;Qdl為雙電層的充電電量,C。

表1 CC法測定擴散系數(shù)D的結(jié)果Tab. 1 Determination results of diffusion coefficiet D by CC method

由表1可知,隨著維生素C濃度的增大,擴散系數(shù)減小。

2．4 片劑中的維生素C含量測定

2．4．1 線性范圍及靈敏度考察

利用修飾電極測定了方波伏安法中峰電流隨維生素C濃度變化的曲線圖。當(dāng)維生素C濃度在5～100 μmol·L-1內(nèi),峰電流與濃度呈線性關(guān)系,Ip(μA)=-0.424 7c(μmol·L-1)-0.443 8,相關(guān)系數(shù)為0.998 7,靈敏度為0.4 μA/μmol·L-1。

2．4．2 抗干擾試驗

在10 μmol·L-1維生素C的PBS溶液中加入10倍的葡萄糖及過氧化氫,當(dāng)相對誤差在±5%以內(nèi)均不干擾測定。

2．4．3 維生素C片劑測定及精密度考察

將處理的維生素C片劑樣品按試驗方法測定,平行測定5次,測定值與文獻[9]基本一致,測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于2.0%,方法具有較高的精密度。

以離子液體-銀納米粒子復(fù)合材料修飾玻碳電極,并對維生素C溶液進行了電化學(xué)測試。通過方波伏安法及交流阻抗法測試了不同濃度銀納米粒子及離子液體修飾電極的性能,結(jié)果表明:銀納米粒子濃度為1.5 mol·L-1,離子液體體積分?jǐn)?shù)為4%的修飾溶液修飾電極性能最佳。利用修飾電極考察了掃描速率及維生素C濃度對峰電流變化的影響。對維生素C溶液的電化學(xué)擴散系數(shù)進行了計算,擴散系數(shù)隨維生素C溶液的濃度增大而減小。利用優(yōu)化電極測定了藥劑中的維生素C含量,結(jié)果與文獻值較為接近,方法準(zhǔn)確度、精密度較高。

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