肖世秀 丁曼娜 周津?qū)? 呂保櫻 侯緒和 馮軍

摘? 要：石墨烯具有巨大的比表面積，優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是一種良好的電化學(xué)傳感材料.采用改進(jìn)后的Hummers法制備石墨烯，并將石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料通過(guò)滴涂法修飾到玻碳電極表面.利用循環(huán)伏安法考察抗壞血酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，用時(shí)間-電流曲線法在最佳條件下測(cè)定抗壞血酸的濃度，結(jié)果表明：在5×10-6～1.5×10-3 mol/L的濃度范圍內(nèi)，抗壞血酸的峰電流與濃度具有良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為? ? ? ? ? ? 8.8×10-7 mol/L，石墨烯/β-環(huán)糊精修飾電極表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力，可用于抗壞血酸樣品的檢測(cè).

關(guān)鍵詞：石墨烯;β-環(huán)糊精;抗壞血酸;電化學(xué)

中圖分類號(hào)：O657.1? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.016

0? ? 引言

抗壞血酸（AA）是一種水溶性維生素，廣泛存在于水果、蔬菜中，對(duì)人體的新陳代謝起著重要的作用，并且影響著細(xì)胞分裂、基因表達(dá)和生物防御機(jī)制激活等基本生理過(guò)程.抗壞血酸在生物體內(nèi)的濃度必須處于一定的范圍，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致疾病的發(fā)生[1].人體內(nèi)抗壞血酸濃度的變化與許多疾病有關(guān)，因此，監(jiān)測(cè)血液和尿液中的抗壞血酸對(duì)于臨床分析具有重要意義[2].目前常見(jiàn)的抗壞血酸的檢測(cè)方法有比色法[3-4]、紫外分光光度法[5]、色譜法和電化學(xué)方法[6-7]等，在這些檢測(cè)方法中，電化學(xué)方法因其簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、低成本、高靈敏度、選擇性好等優(yōu)勢(shì)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用[8-11] .然而，直接在裸玻碳電極上對(duì)抗壞血酸進(jìn)行檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致氧化峰過(guò)寬，峰電流較小，無(wú)法進(jìn)行靈敏檢測(cè).因此，需要借助納米材料對(duì)電極進(jìn)行修飾，以提高其導(dǎo)電性和催化性能.

石墨烯（Graphene，Gr）是一種只有一個(gè)碳原子層厚度的二維材料，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如大的比表面積[12]、高熱導(dǎo)率[13]、高電子遷移率[14]、化學(xué)穩(wěn)定性等，這些優(yōu)異的性質(zhì)使得石墨烯材料被廣泛用于諸多領(lǐng)域[15]. 在電化學(xué)研究領(lǐng)域，已被普遍用于電極材料的修飾和生物傳感器的構(gòu)建. 此外，β-環(huán)糊精（β-CD）是一種環(huán)狀低聚糖，其結(jié)構(gòu)中心呈空心狀，故能對(duì)某些分子進(jìn)行包結(jié)絡(luò)合.在電分析化學(xué)中，已有用石墨烯與其他納米復(fù)合材料修飾電極對(duì)抗壞血酸的測(cè)定[15-17]，利用石墨烯/β-環(huán)糊精修飾電極測(cè)定抗壞血酸還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道.

本文采用改進(jìn)的Hummers法合成Gr，通過(guò)范德華力將β-CD固定在Gr表面形成Gr/β-CD復(fù)合材料修飾電極，測(cè)試其對(duì)AA的電催化性能，并對(duì)AA在該電極上的電化學(xué)行為進(jìn)行研究.

1? ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 儀器與試劑

CHI660E型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司），pH計(jì)（上海電科學(xué)儀器股份有限公司），電子天平（北京賽多利斯儀器有限公司），KQ3200D型數(shù)控超聲波清洗器（深圳市潔邁超聲清洗設(shè)備有限公司），DF-101S恒溫磁力攪拌器（鞏義予華儀器公司），掃描電子顯微鏡（SEM，日立S4800）.

鱗片石墨粉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），硝酸鈉，高錳酸鉀，甲醇，β-環(huán)糊精，抗壞血酸，磷酸二氫鉀，磷酸氫二鈉，80%水合肼，抗壞血酸等試劑均為分析純.

1.2? ?石墨烯的制備

1.2.1? ?氧化石墨的制備

氧化石墨使用改進(jìn)后的Hummers法[18-19]進(jìn)行制備：準(zhǔn)確稱取1.25 g的硝酸鈉和7.5 g的高錳酸鉀一起加入到研缽中混合均勻，再研磨成細(xì)粉末.往1 000 mL的燒杯中加入60 mL濃硫酸（冰?。?，再將2.5 g的? ? ? 1 000目（[15 μm]）天然鱗片石墨緩慢加入到上述裝有濃硫酸的1 000 mL燒杯中，此過(guò)程要持續(xù)維持溫度在? -1～1 ℃.再將研細(xì)并混合均勻的硝酸鈉和高錳酸鉀細(xì)粉末緩慢地加入到上述溶液中，保持溫度5 ℃以下，反應(yīng)保持2 h.緊接著將其放入35 ℃的恒溫水浴鍋中恒溫1 h，再加入120 mL水，加熱使溫度逐漸上升到95 ℃，在該溫度下反應(yīng)30 min.接著加入熱水稀釋到350 mL，加入6%的過(guò)氧化氫溶液100 mL，使用抽濾裝置趁熱過(guò)濾，用1 mol/L的HCI溶液充分洗滌后得到濾餅，向?yàn)V液中加入氯化鋇溶液，直到濾液中無(wú)白色沉淀生成，即可證明無(wú)硫酸根離子存在.最后將濾餅放在50 ℃真空下干燥24 h，干燥完全的氧化石墨密封保存待用.

1.2.2? ?還原石墨烯的制備

1）往500 mL的圓底燒瓶中注入300 mL去離子水;2）再稱取300 mg上述制備好的氧化石墨加入圓底燒瓶中，加入氧化石墨后溶液呈紅棕色懸浮液，超聲振蕩6～8 h直至無(wú)顆粒狀物質(zhì);3）再加入6 mL的水合肼溶液，得到黑色懸浮液;4）將溫度慢慢升至95 ℃，用回流裝置進(jìn)行回流24 h，用抽濾裝置趁熱過(guò)濾，濾餅再用5×100 mL的甲醇和5×100 mL的蒸餾水反復(fù)交替清洗濾餅，烘干備用.

1.3? ?Gr/β-CD復(fù)合材料制備

將合成的Gr通過(guò)超聲分散在去離子水中.隨后，向該懸浮液中加入β-CD溶液，并將混合物攪拌2 h，得到均勻的懸浮液，超聲處理30 min制備得到Gr/β-CD復(fù)合材料.

1.4? ?制備Gr/β-CD修飾電極

在實(shí)驗(yàn)之前需將電極進(jìn)行預(yù)處理.玻碳電極（GCE，d = 3 mm）分別用0.30 μm和0.05 μm的Al2O3拋光至鏡面，再依次在水、乙醇和水中超聲清洗1 min，晾干備用.然后，7 μL的Gr/β-CD懸浮液滴加至處理好的GCE表面上，晾干，從而制得Gr/β-CD復(fù)合材料修飾電極（Gr/β-CD/GCE）.

1.5? ?電化學(xué)檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)使用的是CHI660E電化學(xué)工作站，是以玻碳電極為工作電極，以飽和甘汞電極為參比電極，以鉑片電極為輔助電極組成的三電極體系.循環(huán)伏安法（CV）掃描速度為0.05 V/s，掃描電位范圍為? ? -0.6 ～ 0.6 V，0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖液（PBS）含0.1 mol/L KCl作為支持電解質(zhì).所有實(shí)驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行.

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? ?石墨烯納米材料的形貌表征

為了更好地觀察石墨烯的形貌，利用掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行了表征，如圖1所示.由圖1可知，通過(guò)氧化還原法制備得到的石墨烯經(jīng)過(guò)超聲剝離后呈現(xiàn)較大的片狀，并具有很多石墨烯特有的層狀褶皺，這極大地增加了石墨烯的比表面積，從而增加電化學(xué)活性面積，實(shí)現(xiàn)抗壞血酸的靈敏測(cè)定.

2.2? ?抗壞血酸在不同電極上的循環(huán)伏安響應(yīng)

圖2是AA溶液在不同修飾電極上的循環(huán)伏安圖.由圖2可以看出，在PBS（pH= 6.5）為支持的電解質(zhì)溶液中，AA在裸電極（曲線a）上0.295 V出現(xiàn)一個(gè)氧化峰，峰形比較矮且寬，峰電流較小，說(shuō)明在裸電極上電子傳遞速度較慢;當(dāng)電極上修飾了Gr之后（曲線b），背景電流明顯增大，AA峰形明顯且電流增大，表明石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，能夠快速并且靈敏地對(duì)AA作出電化學(xué)響應(yīng).相同濃度的AA在Gr/β-CD修飾電極上具有最大的電流響應(yīng)，表明了? Gr/β-CD不僅具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性能，還具有高的催化活性，這是Gr和β-CD協(xié)同作用的結(jié)果.

2.3? ?Gr/β-CD修飾量的影響

為了考察工作電極表面修飾納米材料的負(fù)載量與電流響應(yīng)的關(guān)系，在掃描電位窗口、掃描速率、溫度等條件不變的情況下，通過(guò)改變納米材料在工作電極上的滴涂量，再通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)得相應(yīng)的峰電流響應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.結(jié)果表明，一開(kāi)始峰電流隨著滴涂量的增加而增大，當(dāng)增加至7 μL時(shí)，峰電流達(dá)到最大值，繼續(xù)增加滴涂量峰電流反而減小.造成該現(xiàn)象的原因可能是滴涂量過(guò)多時(shí)會(huì)在玻碳電極上形成過(guò)厚的復(fù)合材料膜，不利于電子的傳遞;同時(shí)膜過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致納米材料容易脫落，從而使得實(shí)際的反應(yīng)比表面積減小，電流也隨之減小.故實(shí)驗(yàn)采用7 μL為最佳滴涂量.

2.4? ? 緩沖溶液pH的影響

支持電解質(zhì)溶液的pH會(huì)影響Gr/β-CD/GCE對(duì)AA的催化效果.實(shí)驗(yàn)選取pH 5.5 ～ 9.0范圍的PBS溶液.由圖4可知AA的氧化峰電流隨著電解質(zhì)溶液pH的增大而增大，在pH為6.5時(shí)達(dá)到最大值;當(dāng)pH大于6.5之后顯著下降，在pH=7.0 ～ 9.0范圍內(nèi)，AA的峰電流呈現(xiàn)一個(gè)緩慢下降的趨勢(shì).因此，實(shí)驗(yàn)選擇支持電解質(zhì)溶液的pH值為6.5.

2.5? ?掃描速率的影響

實(shí)驗(yàn)考察掃描速率對(duì)峰電流的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示. 圖5（a）為在不同掃描速率下Gr/β-CD修飾電極對(duì)AA電流響應(yīng)的CV圖，由圖5（a）可知在40～240 mV/s掃速范圍內(nèi)，電極的電流響應(yīng)值隨掃描速率的增大而增大，AA的峰電位略向右偏移.? 圖5（b）為峰電流與掃描速率的關(guān)系圖，由圖5（b）可知：峰值電流Ipa與掃描速率v的平方根成線性關(guān)系，其回歸方程為Ipa=56.92v1/2+24.34.相關(guān)系數(shù)R2=0.995 7，表明抗壞血酸在Gr/β-CD修飾的玻碳電極上是一個(gè)受擴(kuò)散控制的不可逆過(guò)程.

2.6? ?線性范圍和檢出限

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，在PBS（pH=6.5）溶液中，采用時(shí)間電流曲線法測(cè)定不同濃度下AA的電流響應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示. 圖6（a）為Gr/β-CD修飾電極在PBS支持電解質(zhì)中連續(xù)加入不同濃度的AA得到的計(jì)時(shí)電流曲線圖.由圖6（a）可知隨著AA濃度的增大，響應(yīng)電流也逐漸增大.由圖6（b）可知在5×10-6～? ? ? 1.5×10-3 mol/L濃度范圍內(nèi)，AA的氧化峰電流與濃度呈線性關(guān)系，線性方程為I=53.47c+1.262;線性相關(guān)系數(shù)R2=0.993 9，信噪比等于3時(shí)，檢測(cè)限為8.8×10-7? mol/L，實(shí)驗(yàn)表明Gr/β-CD修飾電極能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)AA的檢測(cè)，并且具有較寬的線性范圍和較低的檢測(cè)限.

2.7? ?干擾實(shí)驗(yàn)

干擾物質(zhì)的存在會(huì)對(duì)AA的電化學(xué)檢測(cè)造成一定影響. 實(shí)驗(yàn)考察了修飾電極的抗干擾性能，在混合液中AA的濃度為1×10-3 mol/L，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了100倍的陽(yáng)離子Ca2+、Na+、Mg2+、K+、Zn2+和陰離子[NO-3]、CI-、[CH3COO-]、[SO2-4]，以及50倍的甘氨酸、葡萄糖、蔗糖，對(duì)AA的測(cè)定幾乎不造成干擾;50倍的檸檬酸鈉及草酸對(duì)AA的測(cè)定有輕微影響，但可忽略不計(jì)，表明修飾電極具備一定的抗干擾能力.

2.8? ?重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)1.5×10-4? mol/L AA溶液進(jìn)行6次平行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.5%.在穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中，將Gr/β-CD修飾的電極在含有1.5×10-4? mol/L AA的PBS溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描30圈，其峰電位無(wú)明顯變化，而峰電流僅下降為原來(lái)的1.4%.電極放置兩周后，測(cè)得的電流響應(yīng)保持在初始響應(yīng)的90%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明制備電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好.

2.9? ?加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

將Gr/β-CD修飾電極用于市售維生素C片中AA含量的測(cè)定.取市售維生素C片研成粉末，超聲溶解后過(guò)濾，移取一定量用pH = 6.5的PBS溶液定容到100 mL作為樣品溶液，采用循環(huán)伏安法測(cè)定樣品中AA的含量，加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，回收率為98% ～ 102%，說(shuō)明本方法可用于實(shí)際樣品分析.

3? ? 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的Hummers法成功制備石墨烯，并將石墨烯/β-CD復(fù)合材料修飾在玻碳電極，實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)伏安法和電流-時(shí)間曲線法研究了抗壞血酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：抗壞血酸在石墨烯/β-CD修飾電極上的氧化電流明顯增加，修飾電極對(duì)抗壞血酸顯示出良好的電催化活性;同時(shí)具備良好的靈敏性和選擇性，獲得8.8×10-7 mol·L-1的低檢測(cè)限，該修飾電極可用于實(shí)際樣品中抗壞血酸的測(cè)定.

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