石墨烯-聚三聚氰胺修饰电极制备及对水果酸度测定

张晓静， 吴 湾， 谷 慧， 龙云飞， 陈 述*

(湖南科技大学化学化工学院，湖南湘潭 411201)

pH值是水质监测、人体健康、食品分析等检测中一项非常重要的评价指标[1]。目前常见的测定pH值的方法有pH指示剂法、pH试纸法或pH计法[2]。随着科学技术的进步，目前已经发展了多种性能优良的pH传感器，包括光学传感器[3 - 6]和电化学传感器[7 - 10]。与玻璃pH电极相比，光学pH传感器具有成本低、无电触点等优点，而电化学传感器以其灵敏度高、响应速度快、成本低、现场实时检测等优点而备受关注。

导电聚合物具有良好的导电性能，可作为分子导线实现生物活性物质与电极间直接传递电子[11]。聚三聚氰胺薄膜(pMel)是一种新型导电聚合物，它具备稳定性好、含氮量高、富含氨基等优点，是构建生物传感器的优良媒介体[12,13]。如用聚三聚氰胺薄膜修饰的电极可用于鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和肾上腺素(EP)的检测[14]。本研究以三聚氰胺(Mel)为单体，在酸性溶液中通过恒电位法在玻碳电极表面合成pMel薄膜。且进一步发现，在玻碳电极表面修饰石墨烯材料后，再电聚合pMel薄膜层，得到GS/pMel复合薄膜修饰电极，与纯pMel修饰电极相比，GS/pMel复合薄膜修饰电极的电化学性能显著提高。将GS/pMel复合薄膜修饰电极在不同pH值的缓冲溶液进行循环伏安扫描，pMel的氧化峰电位(Epa)与溶液的pH值在1.93～12.53范围内呈现良好的线性关系，相关系数为0.9969，响应斜率为58 mV/pH。该修饰电极表现出良好的测量稳定性，可用于测定果汁和水果活体的酸度。研究结果表明，GS/pMel复合薄膜修饰电极在测定果汁的酸度时响应时间短，与pH计测定的结果基本一致，具有较高的准确度和稳定性。最后，将该修饰电极成功地用于水果活体中pH的直接检测，突破了传统的pH计检测的局限性，有望在果蔬活体的酸度测定中得到广泛应用。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI 631电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；玻碳电极(直径3 mm，天津艾达恒晟科技发展有限公司)；R0401汞-硫酸亚汞电极(SMSE，天津艾达恒晟科技发展有限公司)；Pt丝(1 mm×30 mm，天津艾达恒晟科技发展有限公司)；BK-360C超声波清洗器(巴克超声设备(集团)有限公司)；雷磁pHS-3C pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)；PB3002-N电子天平(美国)；JSM-6380LV扫描电子显微镜(日本)。

三聚氰胺(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；KCl(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)；H2SO4(分析纯，株洲市星空化工有限公司)；K2SO4(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)；石墨烯(GS)为实验室自制；所有溶液都用二次蒸馏水配制。

水果样品为湘潭本地产品。

1.2 GS-pMel复合薄膜修饰电极的制备

将玻碳电极用金相砂纸打磨干净后，依次用1.0、0.3 μm的Al2O3粉末充分抛光，随后用二次蒸馏水彻底清洗，并在超声波清洗仪里超声清洗1～2 min，最后于室温下干燥。将新制GS溶液(0.5 mg/mL，10 μL)滴涂于玻碳电极表面，并用红外灯干燥，得到GS修饰电极。将该修饰电极置于H2SO4(0.05 mol/L)中进行循环伏安扫描(电位范围：-0.45～0.45 V；扫描速度：0.1 V/s；扫描圈数：3)。将GS修饰电极置于含KCl(0.1 mol/L)和H2SO4(0.05 mol/L)的Mel溶液(1 mmol/L)中，采用恒电位法进行电化学聚合(电位：1 V；聚合时间：200 s)，用水清洗，得到GS/pMel复合薄膜修饰电极。纯pMel薄膜修饰电极即将裸玻碳电极直接置于上述Mel溶液中电聚合得到。

2 结果与讨论

2.1 pMel薄膜在裸电极表面和GS修饰电极表面的聚合

图1A为裸玻碳电极(曲线a)和GS修饰电极(曲线b)的循环伏安图，修饰了GS的电极双电层明显增大。进一步在裸玻碳电极和GS修饰电极上电聚合pMel得到pMel薄膜修饰电极和GS/pMel复合薄膜修饰电极，于0.05 mol/L H2SO4中进行循环伏安图扫描，如图1B所示。GS/pMel复合薄膜修饰电极和pMel薄膜修饰电极都有一对氧化还原峰，为pMel的特征氧化还原峰，源于偶氮键(-N=N-)与氮氮单键(-NH-NH-)之间可逆转换[15]。其中，GS/pMel复合薄膜修饰电极氧化峰电位Epa=0.21 V，还原峰电位Epc=0.15 V，氧化峰电流Ipa=53.77 μA；pMel薄膜修饰电极氧化峰电位Epa=0.21 V，还原峰电位Epc=0.12 V，氧化峰电流Ipa=10.77 μA。GS/pMel复合薄膜修饰电极氧化峰电流较pMel薄膜修饰电极提高了5倍，这说明GS显著提高pMel在电极上的聚合和固载。

图1 (A)裸玻碳电极(a)和GS修饰电极(b)于H2SO4(0.05 mol/L)中的循环伏安(CV)图；(B)pMel(a)和GS/pMel(b)修饰电极在H2SO4(0.05 mol/L)中的CV图(vs. SMSE)Fig.1 (A)The CVs of GC-bare(a) and GC-GS(b) in H2SO4(0.05 mol/L);(B) The CVs of GC-pMel(a) and GC-GS/pMel(b) in H2SO4(0.05 mol/L)scan rate:0.1 V/s.

利用扫描电子显微镜(SEM)进一步对GS和GS/pMel复合材料的表面形貌进行比较。图2(A)为纯GS修饰电极表面SEM图，可见呈现典型的纳米片层状堆叠和褶皱卷曲状态；图2(B)为GS/pMel复合修饰电极，可见在GS片层已被聚合物包裹覆盖，且表面出现明显的球状颗粒。这说明电聚合过程中复合材料已经成功制备。

图2 GS(A)与GS/pMel(B)修饰电极的扫描电镜(SEM)形貌图Fig.2 SEM images of GS(A) and GS/pMel(B) modified electrode

2.2 GS/pMel复合薄膜修饰电极对pH的响应

将GS/pMel复合薄膜修饰电极置于磷酸盐缓冲溶液(pH=1.93～8.49)及Na2CO3-NaOH缓冲液(pH=8.98～12.53)中进行循环伏安扫描，结果如图3A所示。随着溶液pH值的增大，pMel的氧化峰和还原峰电位均呈规律性负移。氧化峰电位Epa与pH在1.93～12.53范围内呈良好的线性关系(图3B)，线性回归方程：Epa(V)=0.2771-0.0578pH，线性相关系数R=0.9969；还原峰电位与pH间的关系为：Epa(V)=0.0671-0.0588pH,R=0.9842；二者响应基本一致，但氧化峰的线性相关系数相对更好。故本文选择氧化峰的结果作为确定依据。GS/pMel复合薄膜修饰电极对pH响应的灵敏度约为58 mV/pH，与Nernst响应理论值59 mV/pH接近。该标准曲线可用于以下试样测定结果的pH计算。

图3 (A)GS/pMel复合薄膜修饰电极于系列磷酸盐缓冲溶液(pH=1.93～8.49)和系列Na2CO3-NaOH缓冲液(pH=8.98～12.53)中的循环伏安图；(B)Epa-pH曲线Fig.3 (A) CVs of GC-GS/pMel in PBS(pH=1.93 - 8.49) and Na2CO3-NaOH(pH=8.98 - 12.53)；(B)The curve of Epa-pH scan rate:0.1 V/s.

图4 GS/pMel复合薄膜修饰电极于脐橙汁(A)、冰糖橙汁(B)和柑橘汁(C)中测得的CV图Fig.4 CVs of GS-pMel modified electrode in juice of navel orange(A),ice sugar orange(B) and citrus(C) scan rate:0.1 V/s.

2.3 GS/pMel复合薄膜修饰电极用于果汁和水果活体的酸度测定

2.3.1 果汁酸度的测定先将GS/pMel复合薄膜修饰电极于H2SO4(0.05 mol/L)中进行循环伏安扫描至电流稳定。分别于脐橙、冰糖橙和柑橘表皮处用小刀切开2 cm，将果汁分别收集于3个20 mL烧杯中。将上述GS/pMel复合薄膜修饰电极依次置于果汁中进行循环伏安扫描，另制备两支GS/pMel复合薄膜修饰电极，重复上述测定。如图4所示，3支不同的电极的扫描曲线相近，对同一种水果果汁pH的测定结果基本一致，具有较好的重复性。图4A中3次扫描的氧化峰电位Epa分别为0.0608 V、0.0712 V和0.0691 V， 平均值0.0670 V，标准偏差为0.0045，根据标准曲线计算得pH值为3.64。图4B中3次扫描的氧化Epa分别为0.1023 V、0.0915 V和0.0984 V，平均值0.0974 V，标准偏差为0.0045，根据标准曲线计算得pH值为3.11。图4C中3次扫描的氧化峰电位Epa分别为0.1592 V、0.1531 V和0.1518 V，平均值0.1547 V，标准偏差为0.0033，根据标准曲线计算得pH值为2.03。进一步用pH计和精密pH试纸对各果汁进行比较测定，结果如表1所示。采用pH计和精密pH试纸对各果汁测定的pH值与GS/pMel复合薄膜修饰电极测得的结果基本一致，这说明本方法具有较高的准确性。

表1 不同分析方法测定实际样品pH的结果

2.3.2 水果活体的酸度直接测定在进行实际样品pH测试之前，先将GS/pMel复合薄膜修饰电极于H2SO4(0.05 mol/L)中进行循环伏安扫描至电流稳定。分别于脐橙、冰糖橙和柑橘表皮临近位置用小玻璃棒刺开三个适合于各电极的口子，注意开口的位置要确保3个小孔的汁液可以相通。将GS/pMel复合薄膜修饰电极、参比电极SMSE和辅助电极铂丝分别固定于3个孔中，进行循环伏安扫描3圈，如图5所示。GS/pMel复合薄膜修饰电极在不同的活体中得到氧化峰的形状基本稳定，脐橙、冰糖橙和柑橘的Epa分别为0.0608 V、0.1023 V和0.1421 V，根据标准曲线计算得pH值分别为3.74、3.02和2.34。依次将上述3个水果的果汁收集并进行酸度测定，结果如2.3.1所示。采用本法对同一只水果分别进行活体和果汁酸度测定，结果具有可比性，这充分说明了本法具有高度的重复性、稳定性和准确性。

图5 GS/pMel复合薄膜修饰电极在脐橙活体(A)、冰糖橙活体(B)和柑橘活体(C)中的循环伏安曲线(vs.SMSE)Fig.5 CVs of GS/pMel modified electrode navel orange(A),ice sugar orange(B) and citrus(C) scan rate:0.1 V/s.

3 结论

本研究采用滴涂法和恒电位聚合法，成功地制备了性能优良的GS/pMel复合薄膜修饰电极。与纯pMel薄膜修饰电极相比，该修饰电极的pMel氧化还原特征峰得到明显增强。循环伏安扫描结果表明，GS可以显著提高pMel在电极上的聚合和固载，是电聚合pMel的优良载体。GS/pMel复合薄膜修饰电极的氧化峰电位与系列缓冲溶液的pH值(1.93～12.53)具有良好的线性关系，将修饰电极应用于脐橙、冰糖橙和柑橘活体酸度的测定，测试结果一致，说明GS/pMel复合薄膜修饰电极具备准确测定果蔬活体酸度的能力。本研究制备的GS/pMel复合薄膜修饰电极制备过程简单，尺寸较小，性能稳定，克服了玻璃电极的缺陷，是具有较高应用价值的pH电化学传感器。