石墨烯-纳米银修饰电极的制备及用于芦丁的测定

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(唐山师范学院唐山市绿色专用化学品重点实验室,唐山 063000)

芦丁是一种自然界中广泛存在的黄酮类化合物,具有消炎、抗癌、防氧化和预防衰老等很多特性。因此,找到一种合适的方法来测定芦丁的含量是非常必要的。芦丁现有的测定方法主要有毛细管电泳法[1]、高效液相色谱法[2]、比色法[3]和荧光光谱法[4]等。但上述方法所使用的设备和试剂价格较高,并且检测时间较长,操作过程复杂。电化学检测法存在检测速率快、所需试剂用量少、成本价格低廉且方法操作简便等优点,并且由于芦丁结构中存在黄酮类糖苷基,电化学活性强,所以很容易产生较好的电化学反应,文献[5]采用电化学方法检测苦荞茶中芦丁的含量,但其线性范围窄,检出限较高。

石墨烯(GR)结构独特、性能优异,具有良好的导电性和较高的比表面积等优点,是一种良好的电化学传感材料。目前,基于石墨烯-纳米银(GRAg NPs)复合材料的制备和应用已有报道[6-11],但未见用于芦丁的电化学测定。本工作制备了一种基于石墨烯-纳米银修饰电极(GR-Ag NPs/GCE)的新型芦丁电化学传感器,测定了芦丁在修饰电极上的电化学行为。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

LK 2005电化学工作站;三电极体系:石墨烯-纳米银复合材料修饰玻碳电极为工作电极(直径为3 mm),饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂丝电极为对电极;SIGMA 300VP型扫描电子显微镜;TENSOR 37型傅里叶红外吸收光谱仪;Agilent 1200型高效液相色谱仪;UV 2550型紫外-可见分光光度计。

芦丁标准储备溶液:1.0×10-3mol·L-1,称取0.030 5 g芦丁用乙醇在烧杯里搅拌至完全溶解,转移至100 mL容量瓶中,用水定容至刻度,于4 ℃冰箱保存备用。使用时用水稀释至所需浓度。

所用试剂均为分析纯;试验用水为二次蒸馏水。

1.2 试验方法

1)石墨烯-纳米银复合材料的制备 称取硝酸银30 mg和石墨烯30 mg,在水中超声分散30 min后,在沸水浴加热搅拌的条件下迅速加入30 g·L-1的柠檬酸三钠溶液30 mL,反应40 min,然后分别用乙醇、水进行离心洗涤,在50℃烘箱内烘干,制得石墨烯-纳米银复合材料,备用。

2)石墨烯-纳米银修饰电极的制备 将玻碳电极(GCE)在金相砂纸和麂皮上依次打磨、洗涤、超声清洗,最后晾干备用。称取10 mg石墨烯-纳米银复合材料于10 mL水中超声分散,制得1.0 g·L-1的石墨烯-纳米银分散液,再移取5.0μL石墨烯-纳米银分散液修饰到玻碳电极上,红外灯下烘干,制得石墨烯-纳米银修饰电极。采用同样的方法可制得石墨烯修饰电极(GRE)。

以pH 3.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液为支持电解质,将含有芦丁的电解质溶液加入电解池中,以修饰电极为工作电极,用循环伏安法和差分脉冲伏安法测定芦丁的电化学行为。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯-纳米银复合材料的表征

石墨烯-纳米银复合材料的扫描电镜图见图1。

图1 石墨烯和石墨烯-纳米银的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscope images of graphene and GR-Ag NPs

由图1可知:石墨烯呈现出的褶皱层状结构,是石墨烯的特征结构,说明石墨烯是一种良好的修饰材料载体。大量纳米银颗粒附着在石墨烯的层状结构上,银颗粒没有发生团聚,颗粒大小不均匀,一般小于200 nm,并且石墨烯表面层状结构清晰可见,因此纳米银修饰到石墨烯表面将更有利于提高石墨烯的表面积。

石墨烯-纳米银复合材料和石墨烯的红外光谱图见图2。

图2 石墨烯-纳米银和石墨烯的红外光谱图Fig.2 IR spectra of GR-Ag NPs and GR

由图2可知:1 240 cm-1与1 400 cm-1处吸收峰归属于C-O的伸缩振动。在1 579 cm-1处吸收峰归属于该材料中C＝O的伸缩振动峰。在3 137 cm-1和3 432 cm-1处的-OH伸缩振动峰主要来源于复合材料中水的吸收。在552 cm-1处的吸收峰可能来源于Ag-O的伸缩振动,表明石墨烯-纳米银复合材料制备成功。

将电极于含有体积比为1∶1的浓度均为5.0×10-5mol·L-1铁氰化钾-亚铁氰化钾的0.10 mol·L-1氯化钾溶液中进行电化学阻抗测定,见图3。

图3 不同电极的交流阻抗图Fig.3 EIS of different electrodes

由图3可知:裸玻碳电极的阻抗较为明显,大约为100Ω,石墨烯修饰电极的阻抗与其相比较小,大约为50Ω,这归因于石墨烯具有较好的导电能力;石墨烯-纳米银修饰电极的阻抗比石墨烯修饰电极的阻抗还小,约为15Ω,可能是因为石墨烯-纳米银复合材料促进了电子的传递,进一步说明石墨烯-纳米银复合材料已经成功修饰到了玻碳电极上。

2.2 不同电极上的电化学行为

将电极在1.0 mmol·L-1的铁氰化钾溶液中循环伏安扫描。裸玻碳电极的氧化还原峰电流最小,仅达到5μA,而使用石墨烯修饰电极测定时,氧化还原峰电流增大,达到了15μA,这归因于石墨烯良好的导电性能;石墨烯-纳米银修饰电极的氧化还原峰电流最大,达到了约35μA。根据Randles-Sevcik方程,计算裸玻碳电极、石墨烯修饰电极、石墨烯-纳米银修饰电极的有效面积分别为0.059,0.15,0.32 cm2,相对于裸玻碳电极和石墨烯修饰电极来说,石墨烯-纳米银修饰电极具有更大的有效电极面积,更有利于电子的传递,这与扫描电镜、交流阻抗表征得到的结论一致。因此,将石墨烯-纳米银复合材料修饰到电极表面更有利于提高传感器分析方法的灵敏度。

2.0×10-5mol·L-1芦丁标准溶液在不同电极上的循环伏安图见图4。

图4 2.0×10-5 mol·L-1芦丁标准溶液在不同电极上的循环伏安曲线Fig.4 CV curves of 2.0×10-5 mol·L-1 rutin standand solution on different electrodes

由图4可知:裸玻碳电极测定芦丁的氧化峰峰电流最小,约为2μA,石墨烯修饰电极测定的峰电流较大,达到了35μA,石墨烯-纳米银修饰电极测定的峰电流达到了110μA,与裸玻碳电极相比,其峰电流增大了50倍,这可能是由于石墨烯独特的电子结构,与纳米银协同加速了芦丁在修饰电极表面的电子转移速率,增强了电极的导电性,石墨烯-纳米银修饰电极对芦丁具有较好的电催化活性,提高了电极检测芦丁的灵敏度。

2.3 试验条件的选择

2.3.1 缓冲溶液

以石墨烯-纳米银修饰电极作为工作电极,测定了2.0×10-5mol·L-1的芦丁标准溶液在相同pH的磷酸氢二钠-柠檬酸、邻苯二甲酸氢钾-盐酸、柠檬酸-柠檬酸钠以及乙酸-乙酸钠缓冲溶液中的循环伏安响应,见图5。

图5 GR-Ag NPs/GCE在不同缓冲溶液中的循环伏安曲线Fig.5 CV curves of GR-Ag NPs/GCE in different buffer solutions

由图5可知:在磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中石墨烯-纳米银修饰电极测定的芦丁氧化峰峰形最好,峰电流最大。因此,试验选用磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液。

2.3.2 缓冲溶液的pH和扫描速率

试验考察了缓冲溶液的pH在2.0～6.0内对芦丁峰电流和峰电位的影响,结果见图6。

图6 GR-Ag NPs/GCE在不同pH的缓冲溶液中的循环伏安曲线Fig.6 CV curves of GR-Ag NPs/GCE in different pH buffer solutions

试验考察了不同扫描速率对2.0×10-5mol·L-1芦丁标准溶液电化学行为的影响,结果见图7。

图7 不同扫描速率下的循环伏安图Fig.7 Cyclic voltammograms with different scan rates

由图7可知:扫描速率(v)从20 mV·s-1增大至200 mV·s-1时,氧化峰电流(Ipa)、还原峰电流(Ipc)也增大,并且呈线性,线性回归方程为Ipa＝2.23v-14.18,相关系数为0.998 5,Ipc＝-1.83v＋15.27,相关系数为0.998 5,这说明芦丁在石墨烯-纳米银修饰电极上的电极反应是一个受吸附控制的过程[9]。将阳极峰电位(Epa)和阴极峰电位(Epc)与扫描速率的对数绘图,Epa和Epc均与lgv呈线性关系,其线性回归方程分别为Epa＝0.075 lnv＋0.165,Epc＝-0.029 lnv＋0.309,相关系数分别为0.999 0,0.997 0。根据Laviron模型[12],计算得到电子转移系数(α)为0.72,电子转移数(n)为1.2,该计算数值略低于文献[13]报道值,表观速率常数(k)为5.1 s-1高于文献[7]报道值,这表明芦丁在修饰电极上发生了更快速的电子转移。

2.3.3 复合材料用量

以石墨烯-纳米银分散液为修饰剂,试验考察了修饰剂不同用量(1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0μL)对芦丁峰电流的影响,结果表明:随着修饰剂用量的增多,芦丁在修饰电极上的氧化峰电流呈现先增大后减小的趋势;当修饰剂用量为5.0μL时,芦丁的氧化峰电流最大。当修饰剂用量大于5.0μL时,芦丁峰电流减小,这可能是因为附着在电极上复合材料太多,从而导致电极的活性位点减少,导电性变差,所以氧化峰电流会变低。因此,试验选择石墨烯-纳米银分散液的用量为5.0μL。

2.4 电极的选择性

在浓度为2.0×10-5mol·L-1的芦丁标准溶液中加入常见干扰物质,用石墨烯-纳米银修饰电极考察了常见干扰物质对芦丁测定的影响。结果表明:当相对误差为±5%时,50倍的槲皮素、多巴胺,100倍的K＋、Mn2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、CO32-、SO42-,200倍的抗坏血酸、葡萄糖、淀粉、苯丙氨酸、甘氨酸、半胱氨酸等对芦丁的测定均无影响。结果表明,石墨烯-纳米银修饰电极对芦丁的选择性较为优良。

2.5 线性范围和检出限

芦丁在最佳试验条件下的差分脉冲伏安曲线(DPV)见图8。

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图8 不同浓度芦丁在GR-Ag NPs/GCE上的DPV曲线Fig.8 DPV curves of rutin at GR-Ag NPs/GCE in different concentrations

由图8可知:芦丁的浓度在1.0×10-7～2.5×10-5mol·L-1时,芦丁峰电流与其浓度呈线性关系,线性回归方程为y＝-49.6x-5.0,相关系数为0.998 0,检出限(3S/N)为1.0×10-8mol·L-1。

2.6 电极重现性和稳定性

在优化的试验条件下,将同一个石墨烯-纳米银修饰电极重复测定2.0×10-5mol·L-1芦丁标准溶液8次,相对标准偏差(RSD)为1.1%,表明石墨烯-纳米银修饰电极的重现性良好。将石墨烯-纳米银修饰电极保存在冰箱中,每2 d测定一次2.0×10-5mol·L-1的芦丁标准溶液,20 d后芦丁的峰电流变为原来的96.5%,说明石墨烯-纳米银修饰电极具有较长的使用寿命。

2.7 样品分析

试验选取芦丁片剂和苦荞为实际样品,并将差分脉冲伏安法测定数据与高效液相色谱法[14]和紫外-可见分光光度法[15]测定的结果进行对比,结果见表1。表1中芦丁片剂样品、苦荞样品的测定值单位分别为mg·片-1和g/100 g。

表1 不同测定方法的结果比对(n＝3)Tab.1 Comparison of result obtained by different methods(n＝3)

由表1可知:3种方法测定芦丁片剂样品的结果相符合,苦荞样品中芦丁含量经过F检验法和t检验法计算差分脉冲伏安法与高效液相色谱法检测结果无显著性差异(α＝0.05),差分脉冲伏安法与紫外-可见分光光度法测定结果也无显著性差异(α＝0.05),说明差分脉冲伏安法对芦丁测定的准确度高。

2.8 回收试验

按试验方法对芦丁片剂样品和苦荞样品进行测定,并进行加标回收试验,结果见表2。

表2 回收试验结果(n＝5)Tab.2 Results of test for recovery(n＝5)

由表2可知:用加标回收试验评估石墨烯-纳米银修饰电极在实际样品检测中的应用,芦丁片剂中芦丁的平均回收率为98.9%～101%,苦荞样品中芦丁的平均回收率为99.4%～103%,说明该修饰电极十分可靠。

本工作制备了石墨烯-纳米银修饰电极。与裸玻碳电极和石墨烯修饰电极相比,石墨烯-纳米银修饰电极测定芦丁的响应电流明显增大,极大地增强了电极的导电性能,而且该电极重现性、稳定性良好,线性范围宽,检出限低,这为芦丁的测定和研究提供了一种新的方法,发展前景可观。