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：表面積大；體積?。豁憫?yīng)時間短；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。實驗結(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），國藥集團化學(xué)試劑股份有限公司；氧化鋁拋光粉，天津艾達恒晟科技發(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；實驗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，天津艾達恒晟科技發(fā)展有限公司；鉑絲電極，天津艾達恒晟科技發(fā)展有限公司；飽和甘汞電極，天津艾達恒晟科技發(fā)展有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 玻碳電極預(yù)處理

依次使用目數(shù)為1200、1500、4000目的砂紙對電極進行打磨，每次打磨完成后，電極均要超聲清洗10 min后再進行后續(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[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，所有實驗均在室溫條件下進行。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本文中涉及的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和繪圖均采用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。

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 實驗條件的優(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，AA在修飾電極上電化學(xué)響應(yīng)峰電流最大，沉積8圈時峰電流呈下降趨勢。這是因為當(dāng)膜的厚度過大時，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會影響修飾電極對AA的催化作用，采用循環(huán)伏安法進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，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)化的實驗條件下，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

在實際樣品檢測中，干擾物質(zhì)可能會影響檢測的結(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)，實驗結(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 實際樣品的測定及加標(biāo)回收實驗

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)準加入法進行測定，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算相對標(biāo)準偏差。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。實驗結(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)化的實驗條件下，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[27]相比本實驗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)生與之類似的實驗效果。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，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。