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(唐山師范學(xué)院唐山市綠色專用化學(xué)品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,唐山 063000)

蘆丁是一種自然界中廣泛存在的黃酮類化合物,具有消炎、抗癌、防氧化和預(yù)防衰老等很多特性。因此,找到一種合適的方法來(lái)測(cè)定蘆丁的含量是非常必要的。蘆丁現(xiàn)有的測(cè)定方法主要有毛細(xì)管電泳法[1]、高效液相色譜法[2]、比色法[3]和熒光光譜法[4]等。但上述方法所使用的設(shè)備和試劑價(jià)格較高,并且檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng),操作過(guò)程復(fù)雜。電化學(xué)檢測(cè)法存在檢測(cè)速率快、所需試劑用量少、成本價(jià)格低廉且方法操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),并且由于蘆丁結(jié)構(gòu)中存在黃酮類糖苷基,電化學(xué)活性強(qiáng),所以很容易產(chǎn)生較好的電化學(xué)反應(yīng),文獻(xiàn)[5]采用電化學(xué)方法檢測(cè)苦蕎茶中蘆丁的含量,但其線性范圍窄,檢出限較高。

石墨烯(GR)結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能優(yōu)異,具有良好的導(dǎo)電性和較高的比表面積等優(yōu)點(diǎn),是一種良好的電化學(xué)傳感材料。目前,基于石墨烯-納米銀(GRAg NPs)復(fù)合材料的制備和應(yīng)用已有報(bào)道[6-11],但未見(jiàn)用于蘆丁的電化學(xué)測(cè)定。本工作制備了一種基于石墨烯-納米銀修飾電極(GR-Ag NPs/GCE)的新型蘆丁電化學(xué)傳感器,測(cè)定了蘆丁在修飾電極上的電化學(xué)行為。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LK 2005電化學(xué)工作站;三電極體系:石墨烯-納米銀復(fù)合材料修飾玻碳電極為工作電極(直徑為3 mm),飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑絲電極為對(duì)電極;SIGMA 300VP型掃描電子顯微鏡;TENSOR 37型傅里葉紅外吸收光譜儀;Agilent 1200型高效液相色譜儀;UV 2550型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。

蘆丁標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:1.0×10-3mol·L-1,稱取0.030 5 g蘆丁用乙醇在燒杯里攪拌至完全溶解,轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,用水定容至刻度,于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。使用時(shí)用水稀釋至所需濃度。

所用試劑均為分析純;試驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)方法

1)石墨烯-納米銀復(fù)合材料的制備 稱取硝酸銀30 mg和石墨烯30 mg,在水中超聲分散30 min后,在沸水浴加熱攪拌的條件下迅速加入30 g·L-1的檸檬酸三鈉溶液30 mL,反應(yīng)40 min,然后分別用乙醇、水進(jìn)行離心洗滌,在50℃烘箱內(nèi)烘干,制得石墨烯-納米銀復(fù)合材料,備用。

2)石墨烯-納米銀修飾電極的制備 將玻碳電極(GCE)在金相砂紙和麂皮上依次打磨、洗滌、超聲清洗,最后晾干備用。稱取10 mg石墨烯-納米銀復(fù)合材料于10 mL水中超聲分散,制得1.0 g·L-1的石墨烯-納米銀分散液,再移取5.0μL石墨烯-納米銀分散液修飾到玻碳電極上,紅外燈下烘干,制得石墨烯-納米銀修飾電極。采用同樣的方法可制得石墨烯修飾電極(GRE)。

以pH 3.4磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液為支持電解質(zhì),將含有蘆丁的電解質(zhì)溶液加入電解池中,以修飾電極為工作電極,用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法測(cè)定蘆丁的電化學(xué)行為。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯-納米銀復(fù)合材料的表征

石墨烯-納米銀復(fù)合材料的掃描電鏡圖見(jiàn)圖1。

圖1 石墨烯和石墨烯-納米銀的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscope images of graphene and GR-Ag NPs

由圖1可知:石墨烯呈現(xiàn)出的褶皺層狀結(jié)構(gòu),是石墨烯的特征結(jié)構(gòu),說(shuō)明石墨烯是一種良好的修飾材料載體。大量納米銀顆粒附著在石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)上,銀顆粒沒(méi)有發(fā)生團(tuán)聚,顆粒大小不均勻,一般小于200 nm,并且石墨烯表面層狀結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn),因此納米銀修飾到石墨烯表面將更有利于提高石墨烯的表面積。

石墨烯-納米銀復(fù)合材料和石墨烯的紅外光譜圖見(jiàn)圖2。

圖2 石墨烯-納米銀和石墨烯的紅外光譜圖Fig.2 IR spectra of GR-Ag NPs and GR

由圖2可知:1 240 cm-1與1 400 cm-1處吸收峰歸屬于C-O的伸縮振動(dòng)。在1 579 cm-1處吸收峰歸屬于該材料中C＝O的伸縮振動(dòng)峰。在3 137 cm-1和3 432 cm-1處的-OH伸縮振動(dòng)峰主要來(lái)源于復(fù)合材料中水的吸收。在552 cm-1處的吸收峰可能來(lái)源于Ag-O的伸縮振動(dòng),表明石墨烯-納米銀復(fù)合材料制備成功。

將電極于含有體積比為1∶1的濃度均為5.0×10-5mol·L-1鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀的0.10 mol·L-1氯化鉀溶液中進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)定,見(jiàn)圖3。

圖3 不同電極的交流阻抗圖Fig.3 EIS of different electrodes

由圖3可知:裸玻碳電極的阻抗較為明顯,大約為100Ω,石墨烯修飾電極的阻抗與其相比較小,大約為50Ω,這歸因于石墨烯具有較好的導(dǎo)電能力;石墨烯-納米銀修飾電極的阻抗比石墨烯修飾電極的阻抗還小,約為15Ω,可能是因?yàn)槭?納米銀復(fù)合材料促進(jìn)了電子的傳遞,進(jìn)一步說(shuō)明石墨烯-納米銀復(fù)合材料已經(jīng)成功修飾到了玻碳電極上。

2.2 不同電極上的電化學(xué)行為

將電極在1.0 mmol·L-1的鐵氰化鉀溶液中循環(huán)伏安掃描。裸玻碳電極的氧化還原峰電流最小,僅達(dá)到5μA,而使用石墨烯修飾電極測(cè)定時(shí),氧化還原峰電流增大,達(dá)到了15μA,這歸因于石墨烯良好的導(dǎo)電性能;石墨烯-納米銀修飾電極的氧化還原峰電流最大,達(dá)到了約35μA。根據(jù)Randles-Sevcik方程,計(jì)算裸玻碳電極、石墨烯修飾電極、石墨烯-納米銀修飾電極的有效面積分別為0.059,0.15,0.32 cm2,相對(duì)于裸玻碳電極和石墨烯修飾電極來(lái)說(shuō),石墨烯-納米銀修飾電極具有更大的有效電極面積,更有利于電子的傳遞,這與掃描電鏡、交流阻抗表征得到的結(jié)論一致。因此,將石墨烯-納米銀復(fù)合材料修飾到電極表面更有利于提高傳感器分析方法的靈敏度。

2.0×10-5mol·L-1蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同電極上的循環(huán)伏安圖見(jiàn)圖4。

圖4 2.0×10-5 mol·L-1蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同電極上的循環(huán)伏安曲線Fig.4 CV curves of 2.0×10-5 mol·L-1 rutin standand solution on different electrodes

由圖4可知:裸玻碳電極測(cè)定蘆丁的氧化峰峰電流最小,約為2μA,石墨烯修飾電極測(cè)定的峰電流較大,達(dá)到了35μA,石墨烯-納米銀修飾電極測(cè)定的峰電流達(dá)到了110μA,與裸玻碳電極相比,其峰電流增大了50倍,這可能是由于石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu),與納米銀協(xié)同加速了蘆丁在修飾電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率,增強(qiáng)了電極的導(dǎo)電性,石墨烯-納米銀修飾電極對(duì)蘆丁具有較好的電催化活性,提高了電極檢測(cè)蘆丁的靈敏度。

2.3 試驗(yàn)條件的選擇

2.3.1 緩沖溶液

以石墨烯-納米銀修飾電極作為工作電極,測(cè)定了2.0×10-5mol·L-1的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液在相同pH的磷酸氫二鈉-檸檬酸、鄰苯二甲酸氫鉀-鹽酸、檸檬酸-檸檬酸鈉以及乙酸-乙酸鈉緩沖溶液中的循環(huán)伏安響應(yīng),見(jiàn)圖5。

圖5 GR-Ag NPs/GCE在不同緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.5 CV curves of GR-Ag NPs/GCE in different buffer solutions

由圖5可知:在磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中石墨烯-納米銀修飾電極測(cè)定的蘆丁氧化峰峰形最好,峰電流最大。因此,試驗(yàn)選用磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液。

2.3.2 緩沖溶液的pH和掃描速率

試驗(yàn)考察了緩沖溶液的pH在2.0～6.0內(nèi)對(duì)蘆丁峰電流和峰電位的影響,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 GR-Ag NPs/GCE在不同pH的緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.6 CV curves of GR-Ag NPs/GCE in different pH buffer solutions

試驗(yàn)考察了不同掃描速率對(duì)2.0×10-5mol·L-1蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液電化學(xué)行為的影響,結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同掃描速率下的循環(huán)伏安圖Fig.7 Cyclic voltammograms with different scan rates

由圖7可知:掃描速率(v)從20 mV·s-1增大至200 mV·s-1時(shí),氧化峰電流(Ipa)、還原峰電流(Ipc)也增大,并且呈線性,線性回歸方程為Ipa＝2.23v-14.18,相關(guān)系數(shù)為0.998 5,Ipc＝-1.83v＋15.27,相關(guān)系數(shù)為0.998 5,這說(shuō)明蘆丁在石墨烯-納米銀修飾電極上的電極反應(yīng)是一個(gè)受吸附控制的過(guò)程[9]。將陽(yáng)極峰電位(Epa)和陰極峰電位(Epc)與掃描速率的對(duì)數(shù)繪圖,Epa和Epc均與lgv呈線性關(guān)系,其線性回歸方程分別為Epa＝0.075 lnv＋0.165,Epc＝-0.029 lnv＋0.309,相關(guān)系數(shù)分別為0.999 0,0.997 0。根據(jù)Laviron模型[12],計(jì)算得到電子轉(zhuǎn)移系數(shù)(α)為0.72,電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)為1.2,該計(jì)算數(shù)值略低于文獻(xiàn)[13]報(bào)道值,表觀速率常數(shù)(k)為5.1 s-1高于文獻(xiàn)[7]報(bào)道值,這表明蘆丁在修飾電極上發(fā)生了更快速的電子轉(zhuǎn)移。

2.3.3 復(fù)合材料用量

以石墨烯-納米銀分散液為修飾劑,試驗(yàn)考察了修飾劑不同用量(1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0μL)對(duì)蘆丁峰電流的影響,結(jié)果表明:隨著修飾劑用量的增多,蘆丁在修飾電極上的氧化峰電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)修飾劑用量為5.0μL時(shí),蘆丁的氧化峰電流最大。當(dāng)修飾劑用量大于5.0μL時(shí),蘆丁峰電流減小,這可能是因?yàn)楦街陔姌O上復(fù)合材料太多,從而導(dǎo)致電極的活性位點(diǎn)減少,導(dǎo)電性變差,所以氧化峰電流會(huì)變低。因此,試驗(yàn)選擇石墨烯-納米銀分散液的用量為5.0μL。

2.4 電極的選擇性

在濃度為2.0×10-5mol·L-1的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入常見(jiàn)干擾物質(zhì),用石墨烯-納米銀修飾電極考察了常見(jiàn)干擾物質(zhì)對(duì)蘆丁測(cè)定的影響。結(jié)果表明:當(dāng)相對(duì)誤差為±5%時(shí),50倍的槲皮素、多巴胺,100倍的K＋、Mn2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、CO32-、SO42-,200倍的抗壞血酸、葡萄糖、淀粉、苯丙氨酸、甘氨酸、半胱氨酸等對(duì)蘆丁的測(cè)定均無(wú)影響。結(jié)果表明,石墨烯-納米銀修飾電極對(duì)蘆丁的選擇性較為優(yōu)良。

2.5 線性范圍和檢出限

蘆丁在最佳試驗(yàn)條件下的差分脈沖伏安曲線(DPV)見(jiàn)圖8。

科學(xué)合理的建筑規(guī)劃和形態(tài)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)惡劣的氣候環(huán)境，它包括建筑物整體容積的確定、建筑物的形狀和建筑形式的組合、建筑物的日照和朝向。譬如，陽(yáng)光和方向的選擇原則是獲得充足的陽(yáng)光，避免冬天流通的強(qiáng)風(fēng)，在夏季利用自然通風(fēng)來(lái)防止太陽(yáng)輻射。同時(shí)，建筑受社會(huì)歷史條件、歷史條件、地理?xiàng)l件、城市規(guī)劃、道路、環(huán)境等因素的制約，建筑物樓面的朝向和設(shè)計(jì)應(yīng)考慮多種影響因素。

圖8 不同濃度蘆丁在GR-Ag NPs/GCE上的DPV曲線Fig.8 DPV curves of rutin at GR-Ag NPs/GCE in different concentrations

由圖8可知:蘆丁的濃度在1.0×10-7～2.5×10-5mol·L-1時(shí),蘆丁峰電流與其濃度呈線性關(guān)系,線性回歸方程為y＝-49.6x-5.0,相關(guān)系數(shù)為0.998 0,檢出限(3S/N)為1.0×10-8mol·L-1。

2.6 電極重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

在優(yōu)化的試驗(yàn)條件下,將同一個(gè)石墨烯-納米銀修飾電極重復(fù)測(cè)定2.0×10-5mol·L-1蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液8次,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.1%,表明石墨烯-納米銀修飾電極的重現(xiàn)性良好。將石墨烯-納米銀修飾電極保存在冰箱中,每2 d測(cè)定一次2.0×10-5mol·L-1的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液,20 d后蘆丁的峰電流變?yōu)樵瓉?lái)的96.5%,說(shuō)明石墨烯-納米銀修飾電極具有較長(zhǎng)的使用壽命。

2.7 樣品分析

試驗(yàn)選取蘆丁片劑和苦蕎為實(shí)際樣品,并將差分脈沖伏安法測(cè)定數(shù)據(jù)與高效液相色譜法[14]和紫外-可見(jiàn)分光光度法[15]測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表1。表1中蘆丁片劑樣品、苦蕎樣品的測(cè)定值單位分別為mg·片-1和g/100 g。

表1 不同測(cè)定方法的結(jié)果比對(duì)(n＝3)Tab.1 Comparison of result obtained by different methods(n＝3)

由表1可知:3種方法測(cè)定蘆丁片劑樣品的結(jié)果相符合,苦蕎樣品中蘆丁含量經(jīng)過(guò)F檢驗(yàn)法和t檢驗(yàn)法計(jì)算差分脈沖伏安法與高效液相色譜法檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著性差異(α＝0.05),差分脈沖伏安法與紫外-可見(jiàn)分光光度法測(cè)定結(jié)果也無(wú)顯著性差異(α＝0.05),說(shuō)明差分脈沖伏安法對(duì)蘆丁測(cè)定的準(zhǔn)確度高。

2.8 回收試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法對(duì)蘆丁片劑樣品和苦蕎樣品進(jìn)行測(cè)定,并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 回收試驗(yàn)結(jié)果(n＝5)Tab.2 Results of test for recovery(n＝5)

由表2可知:用加標(biāo)回收試驗(yàn)評(píng)估石墨烯-納米銀修飾電極在實(shí)際樣品檢測(cè)中的應(yīng)用,蘆丁片劑中蘆丁的平均回收率為98.9%～101%,苦蕎樣品中蘆丁的平均回收率為99.4%～103%,說(shuō)明該修飾電極十分可靠。

本工作制備了石墨烯-納米銀修飾電極。與裸玻碳電極和石墨烯修飾電極相比,石墨烯-納米銀修飾電極測(cè)定蘆丁的響應(yīng)電流明顯增大,極大地增強(qiáng)了電極的導(dǎo)電性能,而且該電極重現(xiàn)性、穩(wěn)定性良好,線性范圍寬,檢出限低,這為蘆丁的測(cè)定和研究提供了一種新的方法,發(fā)展前景可觀。