DL-赖氨酸－β－环糊精/碳纳米管修饰电极的制备与应用研究

赵志伟 申贵隽谷灵燕

（大连大学环境与化学工程学院，辽宁大连116622）

DL-赖氨酸－β－环糊精/碳纳米管修饰电极的制备与应用研究

赵志伟 申贵隽＊谷灵燕

（大连大学环境与化学工程学院，辽宁大连116622）

对DL-赖氨酸－β－环糊精/碳纳米管修饰金电极的制备与应用进行了研究，建立了一种新的测定DL-赖氨酸的电化学分析方法。用循环伏安法研究了该修饰电极的选择性和灵敏度以及DL-赖氨酸在修饰电极上的氧化还原特性，结果表明该修饰电极对DL-赖氨酸具有显著的催化还原和选择作用。在pH＝5.6的磷酸盐缓冲溶液中，还原峰电流与DL-赖氨酸浓度在5～100mg/L范围内呈良好的线性关系，最低检出限为0.1mg/L。方法操作简便，可用于药剂中DL-赖氨酸含量的测定。

β－环糊精；多壁碳纳米管；修饰电极；DL-赖氨酸

0 前言

赖氨酸（Lysine）是人体必需氨基酸之一，在食物中含量甚低，加工过程中极易破坏，又不能在体内合成，但是它不仅是合成体内蛋白不可缺少的成分，而且还参与体内的能量代谢等过程，因此广泛应用于食品、饲料和医药工业。

目前，测定赖氨酸的方法有DBL法［1］、茚三酮比色法［2］、近红外光谱分析法［3］、FDNB法［4］、胍基反应法［5］、荧光分析法［6］、染料法［7］、分光光度法［9］、毛细管电泳法［10］等，但是这些方法大多涉及贵重的仪器和复杂的操作，并且灵敏度不高，使用受到限制，而电化学方法操作简单，快速，成本低廉，并且能够克服这些缺点，可以被应用于赖氨酸的测定。但是，未修饰的电极对赖氨酸的选择性和灵敏度差，并且反应缓慢［10］，因此，通过电聚合的方法将具有空腔结构的β－环糊精［11－12］和DL－赖氨酸共同修饰于电极表面，然后把具有导电催化效应的羧基化多壁碳纳米微管滴涂到电极表面，定量测定药剂中的赖氨酸含量。这种修饰电极制作简单，并有良好的稳定性和重现性，测定结果较为理想，与未修饰的金电极相比较，它具有选择性好、灵敏度高、线性范围宽等优点。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

CHI600C电化学工作站（上海辰华仪器公司）；三电极系统：金电极（天津艾达恒晟科技发展有公司）或修饰电极为工作电极，参比电极为饱和甘汞电极（天津市兰力科化学电子高技术有限公司），对电极为铂电极（天津艾达恒晟科技发展有限公司）；KQ-100DB型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；离心沉淀机80-1型（上海机械手术厂）；pHB-1型酸度计（上海宇隆仪器有限公司）；FA1604型分析天平（上海雷韵试验仪器制造有限公司）。

多壁碳纳米管（纯度＞95%，Φ8～15nm，中国科学院成都有机化学研究所）；β－环糊精（天津市盛铭宝商贸有限公司）；DL-赖氨酸（中国惠兴生化有限公司）；磷酸二氢钠－磷酸氢二钠（PBS缓冲溶液，自制）。赖氨肌醇维B口服溶液（济川药业股份有限公司）；所有试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。

1.2 修饰电极的制备

1.2.1 金电极预处理

将金电极在金相砂纸上打磨，然后在麂皮垫上依次用1.0，0.3和0.05μm的Al2O3粉末抛光，依次用无水乙醇和水充分超声清洗。将处理后的电极置于1.0mol/L的H2SO4溶液中，以50mV/s扫描速度，在－0.2～＋1.6V电位区间用循环伏安法（CV）扫描直至稳定［13］。将电极取出后用去离子水冲洗干净，然后将清洗完毕的电极保存在去离子水中备用。

1.2.2 DL-赖氨酸－β－环糊精/多壁碳纳米管修饰电极的制备

将5mLβ-CD（5×10－3mol/L），5mL DL-lys（100mg/L）和5mL H2SO4（0.5mol/L）混合到一起超声反应15min，然后以金电极为基体电极，在此介质中，溶液静置条件下。以100mV/s的扫描速度，－0.6～1.0V电位范围之间，通过循环伏安法扫描20圈至CV曲线稳定，然后取出电极，经去离子水淋洗电极表面，在红外灯下干燥。

采用V（HNO3）∶V（HCl）＝1∶3回流12h的方法将MWNTs羧基化，用NaOH（0.01mol/L）洗至pH值为近中性时止，离心后干燥。称取5.0mg预处理过的MWNTs于5.0mL DMF（N，N-二甲基甲酰胺）中超声分散30min，最后得到稳定的黑色分散液。取适量滴在DL－赖氨酸－β－环糊精修饰电极的表面，红外灯下烘干即制得DL-lys-β-CD/MWNTs修饰电极，放在PBS缓冲溶液中保存，待用。

1.2.3 对比修饰电极制备

将5mL DL－赖氨酸（100mg/L），5mL去离子水和5mL H2SO4（0.5mol/L）混合到一起超声反应15min，其它实验步骤同1.2.2，即得到DL-lys/MWNTs修饰电极；将5mLβ-CD（5×10－3mol/L），5mL去离子水和5mL H2SO4（0.5mol/L）混合到一起超声反应15min，其它实验步骤同1.2.2，即得到β-CD/MWNTs修饰电极。

2 结果与讨论

2.1 电聚合膜的循环伏安法表征

以为探针分子，分别测定了裸金电极，β-CD/MWNTs修饰电极，DL-Lys/MWNTs修饰电极、MWNTs修饰电极，DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极的循环伏安图（图1）。图1中，K3［Fe（CN）6］探针分子在裸金电极上的氧化峰与还原峰对称性良好，具有良好的可逆性，而在DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极（曲线e）上的氧化峰正移，峰型变宽，峰电流显著减小，甚至还原峰消失，探针分子在修饰电极上的可逆性严重减弱。可能由于修饰电极表面β-CD和氨基酸形成的包络物分子含-COOR基团，具有较高的负电荷密度，因此这种静电排斥抵制铁氰化钾到达修饰电极的表面，从而阻止其在电极表面的电子传递。这表明，DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极表面的电活性物质增加［11］，电极表面已经形成了一定覆盖率的膜层，抑制了K3［Fe（CN）6］探针分子向金电极表面的扩散，可以证明电极的修饰结果较好［14－15］。此外，曲线e与b，c，d相比较，曲线b，c，d三者几乎相同，并且与曲线a的峰电流相差不大，这说明只有DL-Lys，β-CD和MWNTs共同修饰于金电极表面时，才会有较好的修饰效果。

图1 不同电极在铁氰化钾中的循环伏安响应曲线Figure 1 Cyclic voltammograms of different electrodes in Potassium ferricyanide solution.

2.2 DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极的电化学性能2.2.1 灵敏度

将裸金电极和不同的修饰电极，以50mV/s的扫描速度，在－0.8～1.0V电位范围之间，用循环伏安法扫描20mg/L的DL-lys，结果如图2所示。图3为DL-lys在修饰电极表面可能发生的氧化还原反应。图2中，该修饰电极的氧化峰电流很小，是由于在酸性介质中H＋对DL-lys的氧化反应起到了抑制作用，金电极优先失去了电子［16］；还原峰产生较大的峰电流是因为DL-lys在电极表面发生了加氢的还原反应，生成了醛基化合物。同时，DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极的峰电流的绝对值最大，较裸金电极高出两个数量级，较其它修饰电极高出两倍左右，说明该修饰电极具有较好的灵敏度。此外，与曲线a相比，曲线b，c，d相差不多，表明该修饰电极灵敏度提高是由于DL-Lys和β-CD的共同作用，而不是因为DL-lys和β-CD的单独作用或电极在酸性介质中循环扫描活化的影响。

图2 不同修饰电极在DL－赖氨酸中的循环伏安图Figure 2 Cyclic voltammograms of different modified electrodes in DL-lysine solution.

2.2.2 选择性

以DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极，分别在PBS缓冲底液、DL-赖氨酸（20mg/L）、L-色氨酸、DL苯丙氨酸和DL－谷氨酸介质中，以50mV/s的扫速，在－0.6～1.0V电位范围内用循环伏安法扫描，结果如图4所示。图4中，与缓冲溶液峰电流相近的依次是DL－谷氨酸，DL-苯丙氨酸，L-色氨酸和DL-赖氨酸，同时，赖氨酸与其它氨基酸的峰电位相差0.08V左右。氨基酸的峰电流与缓冲溶液越接近，表明修饰电极对该种氨基酸的响应值越差，并且它们之间的峰电位有明显的区别，证明了DL-Lysβ-CD/MWNTs修饰电极对DL-赖氨酸具有良好的选择性。

图3 DL-lys在修饰电极上的化学反应Figure 3 Chemical reactions of DL-lys on the modified electrodes.

2.3 实验条件优化

在pH＝4.8～6.4范围内改变底液的pH值，测定DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极上20mg/L的DL-lys的峰电流。DL-lys的还原峰电流绝对值大小在pH＝4.8～6.4范围内先增大后减小，在pH＝5.6时达到最大，故选择pH＝5.6的PBS为最佳底液。在20～160mV/s范围内改变扫描速率进行实验，100mV/s时峰电流的绝对值最大，故实验选择100mV/s的扫描速率。用DL-Lys和β-CD修饰电极，扫描次数为20时，峰电流的绝对值最大，故选择实验的最佳扫描次数为20次。

图4 修饰电极在不同氨基酸中的循环伏安图Figure 4 The cyclic voltammogram of modified electrode in the different amino acids solutions.

2.4 工作曲线、重线性和稳定性

在最佳实验条件下，用循环伏安法对不同浓度的DL－赖氨酸标准溶液进行了定量测定，浓度在5～100mg/L范围内的线性关系为I（μA）＝0.734 2C－335.08，相关系数Y＝0.966 8，最低检出限为0.1mg/L，如图5所示。图5中，峰电位随着DL-lys浓度的增加而增大，这个实验结果与能斯特方程反映的规律完全一致。

用DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极对20mg/L的DL-赖氨酸标准溶液连续测定10次，测定结果的相对标准偏差（RSD）为2.5%，说明该修饰电极重现性良好。

DL-Lys-β-CD/MWNTs修饰电极在室温、空气流通的条件下保存14d，对DL-lys标准溶液响应电流基本不变，说明该电极具有较好的稳定性。

2.5 样品分析及加标回收实验

在最佳实验条件下，对赖氨肌醇维b12口服液经稀释处理后得到50mg/L的样品溶液，用修饰好的电极连续测定3次，并在样品中加入DL-赖氨酸标准溶液进行加标回收实验，结果见表1。实验结果表明，该修饰电极对DL-赖氨酸的测定，具有较好的准确度和精密度。

图5 DL-lys标准溶液的循环伏安图与标准曲线Figure 5 The cyclic voltammograms of DL-lys standard solutions and standard curve.

表1 样品测定及回收率实验Table 1 Determination of the sample and results of recovery test /（mg·L－1）

3 结论

论文研究了DL－赖氨酸在DL－赖氨酸－β－环糊精/碳纳米管修饰电极上的电化学行为。由于环糊精与DL－赖氨酸之间强烈的相互作用，共同修饰于电极表面后，增加了对DL-赖氨酸的响应，而且多壁碳纳米管具有大的比表面积以及较多的活性位点，能够提高DL-赖氨酸检测的灵敏度，使得DL-赖氨酸在DL-lys-β-CD/MWNTs修饰金电极上显示了很好的氧化还原活性。修饰电极具有选择性好、灵敏度高、电化学稳定性好和抗干扰能力强等优点，表现出优越的导电性能。该修饰电极可用于测定药剂中的DL－赖氨酸，并将具有较好的应用前景。

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Preparation and Application of DL-lysine-β-cyclodextrin/Carbon Nanotube Modified Electrode

ZHAO Zhiwei，SHEN Guijun＊，GU Lingyan
（College of Environmental and Chemical Engineering，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China）

A DL-lysine-β-cyclodextrin/carbon nanotube modified gold electrode was prepared and its application was studied.Based on this，a new electrochemical analysis method was developed for the determination of DL-lysine.The selectivity and sensitivity of the modified electrodes and the oxidation reduction properties of DL-lysine on the modified electrodes were investigated by cyclic voltammetry.The results showed that the modified electrodes exhibited significant catalytic reduction and selectivity for DL-lysine.A good linear relationship between the reductive peak current and the concentration of DL-lysine in the range of 5～100mg/L was obtained in phosphate buffer solution with pH＝5.6，and the detection limit was 0.1mg/L.The method is simple and can be used for the determination of DL-lysine content in medicament.

β-cyclodextrin；multiwall carbon nanotubes；modified electrode；DL-lysine

O657.1；TH832

：A

：2095-1035（2015）01-0070-05

2014-09-24

：2014-11-13

大连市科技计划项目（2012E15-8F169）资助

赵志伟，男，学生。E-mail：18042656813＠163.com

＊通信作者：申贵隽，男，教授，硕士生导师，主要从事电分析化学分析方面研究。E-mail：sgj0501＠163.com

10.3969/j.issn.2095-1035.2015.01.020