电化学间接测量法研究谷胱甘肽在多壁碳纳米管和活性炭上的吸附

汤 儆 曾 峤 陈振东 黄向前

(福州大学化学化工学院,教育部食品安全和分析检测重点实验室,福州350108)

电化学间接测量法研究谷胱甘肽在多壁碳纳米管和活性炭上的吸附

汤 儆*曾 峤 陈振东 黄向前

(福州大学化学化工学院,教育部食品安全和分析检测重点实验室,福州350108)

选取谷胱甘肽(GSH)作为小分子代表物,利用Cr(VI)与GSH的相互作用,即K2Cr2O7/H2SO4溶液加入GSH前后Cr(VI)还原峰电流值的差异,通过差分脉冲伏安法(DPV)的测定,可以间接测出GSH的含量.尝试将这种电化学间接测量法应用于研究多壁碳纳米管(MWCNTs)与商业活性炭(AC)对GSH的吸附行为.利用该方法可以确立GSH在二者的吸附量(Q)与吸附平衡浓度(Ce)的关系,绘制吸附等温曲线.根据Langmuir方程和Freundlich方程的拟合分析,证明了与商业活性炭相比,GSH在MWCNTs上的吸附更倾向Freundlich模型,即多分子层吸附.利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行形貌表征,发现MWCNTs具有发达的堆积孔结构,有利于GSH小分子内扩散和吸附,与实验结果一致.

电化学间接测量法;谷胱甘肽;多壁碳纳米管;活性炭;吸附机理

1 引言

作为一种新型的吸附材料,碳纳米管具有高比表面积、高比表面能、高反应活性等优点,1引起了国内外研究者的广泛兴趣.在环境监测方面,与传统吸附材料相比,对废水中的农药残留物、多环酚类物种处理,碳纳米管具有更快的吸附速率、更大吸附量,固相萃取作用突出;2-4在医学理疗方面,碳纳米管对中分子毒素的优异吸附为临床灌流技术提供了新思路.5,6其中多壁碳纳米管(MWCNTs),7除了具有一维中空管结构外,还具有丰富的堆积孔结构,进一步拓宽了其在吸附领域的应用.例如,在药物运载与处理方面,陆续报道出了MWCNTs对活性药物异甘草苷、双氯芬酸的吸附研究.8,9因此, MWCNTs的潜在应用价值确立了MWCNTs对生物小分子、无机物吸附机理研究的必要性.

小分子物质一般是指分子量小于500道尔顿的一类具有生物活性的物质,其中还原型谷胱甘肽(GSH),由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成的,具有抗自由基、抗衰老、抗氧化的生物活性,是人体内重要的生物活性肽.10本文选取GSH作为小分子物质研究对象,将其与MWCNTs的吸附研究相结合,可开拓炭质材料在纳米运输、生物药载等方面的实际应用.同时,考虑到小分子的多样性,在光、热、电上的性质不尽相同,令传统的检测方法存在一定的局限性.本文旨在不影响吸附的前提下,结合电化学技术的简易、便捷特点,提出一种电化学间接测定的方法.通过优化测定GSH的实验条件,进而应用该方法,研究GSH在MWCNTs和活性炭(AC)上的物理化学吸附模型与机理.

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

试剂:谷胱甘肽(医用注射型,1.8 g/瓶,重庆药友制药有限公司),重铬酸钾(AR),浓硫酸(AR),高纯氮(99.999%),MWCNTs(用硝酸处理,厦门大学张鸿斌课题组11提供),活性炭选用商用碳肾(德国Gambro Dialysatoren Gmbl生产,型号为Adsorba 150C的碳肾(一次性使用血液灌流器))中的活性炭,其里面活性炭外包裹着一层纤维素膜,膜厚3-5 μm,活性炭比表面积为100 m2·g-1,为了便于比较,用研钵将活性炭研磨到粒度与MWCNTs粒度相近.

仪器:电化学实验使用上海辰华CHI842B电化学工作站,结合自制标准三电极电化学体系,以Pt片为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,金电极(直径Φ=2 mm,用0.05 μm的Al2O3抛光粉进行抛光处理)为工作电极.日本JEOL公司高分辨透射电镜(JEM-2010)和美国FEI公司生产的场发射扫描电镜(NOVA NANO SEM230)进行形貌表征.ZHWY-103D型恒温培养振荡器由上海智诚公司生产.

2.2 谷胱甘肽标准曲线的确立

以K2Cr2O7作为标准物,0.1 mol·L-1H2SO4作为电解质溶剂,分别配制浓度为0.01和0.09 mmol·L-1K2Cr2O7标准溶液.以生物超纯水为溶剂,配制1 mmol·L-1的GSH标准溶液,置于冰箱4°C冷藏;用循环伏安法,差分脉冲伏安法对Cr(VI)溶液的电化学性质进行了研究测定,确立Cr(VI)的峰值电位.改变扫描速率(10-80 mV·s-1),分析Cr(VI)在金电极上的电化学过程;改变浓度(0-0.1 mmol·L-1),确定Cr(VI)溶液适于电化学测定的浓度范围;选定浓度为0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4的 Cr(VI)标准溶液为母液,改变GSH的加入浓度(1×,测定差分脉冲伏安(DPV)的响应信号.根据Cr(VI)还原峰响应电流与GSH浓度的变化关系,绘制标准曲线.

2.3 吸附等温曲线的绘制

称取等量MWCNTs和活性炭分别加入20 mL 1 mmol·L-1的GSH溶液,进行不同时间的吸附实验(吸附条件:振荡器中的温度为37°C,转速为150 r· min-1).在0、10、40、90、120、180、210、240、270 min时选取吸附后的溶液进行电化学检测.以吸附量与吸附时间的关系绘制吸附速率曲线,确定平衡吸附时间.配制0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 mmol·L-1的GSH溶液,各取20 mL,分别加入等量MWCNTs和活性炭进行吸附(吸附条件:振荡器中的温度为37°C,转速为150 r·min-1),对吸附饱和溶液(吸附时间约为5 h)进行电化学检测.以吸附量与吸附平衡浓度的关系绘制吸附等温曲线.

2.4 MWCNTs及活性炭的表征

利用扫描电子显微镜(SEM)对MWCNTs和活性炭进行形貌表征.利用透射电子显微镜(TEM)进一步观察MWCNTs孔径尺寸.

3 结果与讨论

3.1 电化学间接测量GSH浓度的方法

有关GSH与金属离子之间相互作用的研究报道很多,12-15Kitagawa等12对Cr(VI)与GSH的相互作用及其产物进行了电子顺磁共振(EPR)研究,结果表明GSH能还原K2Cr2O7至Cr(V)或Cr(III),并认为由于谷胱甘肽合适的还原电位及强络合能力,使得GSH与Cr(V)、Cr(III)的配合物在该实验条件下较长时间内能稳定存在.发现在硫酸体系中,GSH与Cr(VI)的相互作用同样存在,因此根据GSH加入前后K2Cr2O7/H2SO4溶液电化学性质差异分析,可以达到间接测定出谷胱甘肽浓度的目的.

图1(a)显示了不同扫描速率下,金电极在0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4溶液中的循环伏安图,其扫描速率分别为10、20、30、50、80 mV· s-1.从图中可以看出,K2Cr2O7于0.6 V附近存在一不可逆还原峰,该峰归属为Cr(VI)的还原峰,反应式为:Cr(VI)+3e-→Cr(III),这与杨培慧等16对其电化学分析的研究结果相同.与此同时,发现该还原峰电流(Ip)值随扫描速率(v)的增加而增大,如图1(a)插图所示,Ip与v1/2呈线性关系.表明在金电极上的电化学还原过程受扩散控制.

通过电位增量、脉冲幅度、脉冲宽度、采样宽度等参数条件的优化,图1(b)为金电极在0.1 mmol· L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4体系中对不同浓度GSH的差分脉冲伏安响应信号图.由图可见,随着GSH浓度的依次增加,Cr(VI)还原峰电流值逐步减小,差分脉冲伏安响应信号也逐渐减弱.根据GSH浓度(C)与峰电流的关系作图,如图1(b)插图所示,在0.01-0.18 mmol·L-1的浓度范围内,GSH浓度与峰电流具有良好的线性关系,相关方程为Ip= 5.083-2.058C,线性系数R=0.9962,检测限D为 0.017 mmol·L-1(D=3σ/S,其中σ为多次测量标准偏差,S为校准曲线斜率).

依据实验结果,可推导Cr(VI)在金电极表面间接测定GSH浓度的电极反应机理如下:当Cr(VI)溶液中不含GSH时,Cr(VI)在金电极表面还原,于+ 0.6 V左右获得还原峰,该过程受扩散控制,其电极反应历程1为:Cr(VI)+3e-→Cr(III);当向含Cr(VI)溶液中加入GSH后,由于GSH将溶液中的Cr(VI)还原,形成中间态化合物,该化合物进一步迅速分解为Cr(III)的配合物,使Cr(VI)的浓度下降,从而使+ 0.6 V的还原峰电流减小,其反应历程2为:Cr(VI)+ GSH→GS-Cr(IV)/GS-Cr(V)→GS-Cr(III).12,16两历程的差分脉冲伏安法(DPV)分析显示,随着谷胱甘肽浓度的加大,差分脉冲伏安响应信号逐渐减弱.根据响应信号的峰电流大小与GSH浓度的关系,可测定出GSH的浓度.

目前该方法可对不同中性、酸性的生物体系建立特定的测定条件,以满足具体条件中谷胱甘肽测定的要求.与传统检测方法如分光光度法、液相色谱法17,18相比,在同等的检测灵敏度与检测限上,省去了基团衍生接入和复杂制备步骤,故在一定程度上显示出电化学间接测定方法简单、便宜、易小型化的优势.

3.2 电化学间接测定方法应用于GSH吸附模型的

对比研究

图1 不同扫描速率(v)下金电极在0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4溶液中的循环伏安图及Cr(VI)峰电流(Ip)与v1/2的关系图(a),不同浓度GSH(C)下金电极在0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4的差分脉冲伏安响应信号图及差分脉冲响应峰电流与GSH浓度的关系图(b)Fig.1 CVs ofAu electrode in 0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4solution with different scan rates(v)and the dependence of peak current(Ip)of Cr(VI)on v1/2(a);DPV curves ofAu electrode in 0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1 H2SO4solution with different glutathione(GSH)concentrations(C)and the dependence of peak current of DPV on GSH concentration(b)

将上述电化学间接检测方法,应用于MWCNTs与商业活性炭对GSH吸附对比研究.选取MWCNTs与活性炭的投加量为0.02 g,GSH溶液初始浓度C0= 1 mmol·L-1,在不同时间段(0、10、40、90、120、180、210、240、270 min)内进行恒温37°C吸附实验,以0.1 mmol·L-1K2Cr2O7+0.1 mol·L-1H2SO4的Cr(VI)标准溶液为母液对各吸附分段溶液进行电化学检测.确立吸附量(Q)与吸附时间(t)的关系,绘制出对应吸附速率曲线,如图2(a)所示.从实验结果可以看出,在时间段0-270 min内,GSH在MWCNTs上的吸附比较迅速,其吸附速率是活性炭的2-3倍.相应的,从MWCNTs的SEM形貌表征图来看,如图2(b)所示,其相互缠绕的MWCNTs形成发达的空隙结构,这种孔又称“堆积孔”,7孔径等于管之间的距离.相比,活性炭的表面却较平坦,孔径稀疏,见图2(c). MWCNTs的堆积孔结构远比活性炭发达.因此可印证,发达的堆积孔结构有利于小分子物质的内扩散及吸附.可见,与现有吸附材料相比,在吸附动力学上,MWCNTs具有明显的优势.

图2 MWCNTs与活性炭对GSH吸附速率曲线图(a)及对应吸附前的MWCNTs(b)和活性炭(c)的SEM图Fig.2 Adsorption rate curves of GSH with MWCNTs and activated carbon(a),SEM images of MWCNTs(b)and activated carbon(c)before adsorption

根据上述吸附速率曲线结果可知,当振荡时间大于4 h,满足GSH在MWCNTs与活性炭上的吸附量饱和.因此,设置5 h的振荡时间为吸附平衡时间,选取投加量为0.02 g的MWCNTs与活性炭,对不同浓度GSH溶液(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mmol·L-1)进行吸附测定.确立平均吸附量(Qave)与吸附平衡浓度(Ce)的关系,绘制吸附等温曲线.三次的实验平均结果如图3(a)所示,对于不同浓度的GSH, MWCNTs都能保持较高的吸附量,在低浓度区(0-1.0 mmol·L-1),MWCNTs的吸附量相比活性炭大1-2倍,而在高浓度区(1.2-1.4 mmol·L-1),受饱和吸附的影响,两者的可比性降低.但总体来看,相同条件下MWCNTs的吸附效果优于活性炭.这可以利用MWCNTs的TEM图进行说明,从图3(b)的TEM形貌特征图,可观察本文所使用的MWCNTs外径在30-50 nm之间,壁厚约为10-20 nm,文献19-21研究发现,MWCNTs孔径分布主要包括各管内腔与单管缠绕组成的堆积间隙,同时经过酸处理,在碳管表面形成某些含氧官能团,进一步增加了MWCNTs的比表面与孔容亲和性.推测不仅仅包括MWCNTs表面、碳束中MWCNTs之间形成的空隙,其凹槽以及其管内腔也都能在小分子扩散吸附的过程中被充分利用到.在一定浓度范围内,直链烷烃状的GSH可能吸附进入了MWCNTs的层层间隙,达到多分子层累积吸附,因而显示了较高的吸附能力.总体来说,在对小分子的吸附能力上, MWCNTs具有更佳的潜力.

图3 MWCNTs与活性炭对GSH吸附等温曲线图(a)以及对应吸附前的MWCNTs的TEM图(b)Fig.3 Adsorption isotherms of GSH with MWCNTs and activated carbon(a)and TEM image of MWCNTs before adsorption(b)

表1 MWCNTs与活性炭对GSH吸附对应Langmuir与Freundlich等温线的拟合参数Table 1 Fitting parameters of Freundlich and Langmuir isotherm models for adsorption of GSH on MWCNTs and activated carbon

为更进一步研究其吸附机理,利用吸附等温线拟合成数学方程,在一定程度上反映吸附的类型.常见描述固体吸附剂在稀溶液中的等温吸附的数学方程主要有两种,即Langmuir方程(L型)和Freundlich方程(F型).22Langmuir方程的推导基于吸附剂表面均匀,发生单分子层吸附的假设,较好地描述了低、中压力范围的吸附等温线.其数学表达式为:

,其中Qm和b为Langmuir系数.Freundlich方程是来自于实验的经验公式,它适合描述在表面非均匀的吸附材料上的多分子层吸附.其数学表达式为:,其中,K和 n是Freundlich系数.通常Freundlich系数可用来表示吸附能力的相对大小.

如表1所示的拟合结果,这两个方程均能较好地描述GSH在MWCNTs和活性炭上的吸附.通过R值的比较,两种吸附剂的吸附类型都倾向于Freundlich方程.在Freundlich方程的拟合中,发现MWCNTs的吸附K值明显高于活性炭,K越大,表明吸附剂的吸附能力越强;1/n越小,表明吸附剂的吸附性能越好,1/n介于0.1-0.5时,表明容易吸附.而求算出MWCNTs对应的1/n值为0.1334,介于0.1-0.5之间,表明MWCNTs更易吸附GSH,吸附能力优于活性炭.基于小分子的吸附机理研究, MWCNTs倾向于Freundlich模型,即表现为表面非均匀多分子层吸附.这一模型的建立也印证了如上MWCNTs的SEM和TEM形貌图的解析.

4 结论

根据Cr(VI)与GSH的相互作用,确立了GSH的电化学间接测量法.实验所得的线性系数R在0.99以上,同时实验稳定性较好,与传统的检测手段相比,设备简单,操作方便,可应用在GSH的吸附结果检测中.通过吸附等温曲线分析可知,GSH在MWCNTs及活性炭上的吸附更倾向于Freundlich多分子层吸附.通过TEM和SEM表征观察MWCNTs,发现MWCNTs有发达的堆积孔结构,有利于小分子的内扩散及吸附.与实验结果相符,即MWCNTs相比活性炭有较快的吸附速率及较大的吸附量.与现有的材料相比,在活性小分子物质的吸附方面, MWCNTs具有良好的应用前景,同时考虑到体系的复杂,下一步将进一步功能化MWCNTs的表面,以提高其生物的选择性吸附.

(1) Iijima,S.Nature 1991,354,56.

(2) Chen,C.L.;Wang,X.K.Ind.Eng.Chem.Res.2006,45,9144.

(3) El-Sheikh,A.H.;Sweileh,J.A.;Al-Degs,Y.S.Anal.Chim. Acta 2007,604,119.

(4) Hong,Y.N.;Cai,Y.Q.;Shi,Y.L.;Wei,F.S.;Liu,J.M.;Mou, S.F.;Jiang,G.B.Anal.Chim.Acta 2007,594,81.

(5) Li,G.F.;Wan,J.X.;Hang,X.Q.;Zeng,Q.;Tang,J.Chin.J. Biomed.Eng.2011,28,758.[李桂芬,万建新,黄向前,曾 峤,汤 儆.生物医学工程学杂志,2011,28,758.]

(6) Ye,C.;Gong,Q.M.;Lu,F.P.;Liang,J.Acta Phys.-Chim.Sin. 2007,23,1321.[叶 超,巩前明,卢方平,梁 吉.物理化学学报,2007,23,1321.]

(7) Jia,Z.;Wang,Z.;Liang,J.;Wei,B.;Wu,D.Carbon 1999,37, 903.

(8) Xiong,Z.H.;Wang,L.;Zhou,J.G.;Liu,J.M.Acta Phys.-Chim.Sin.2010,26,2890.[熊振湖,王 璐,周建国,刘建明.物理化学学报,2010,26,2890.]

(9)Han,B.;Chen,W.;Wang,X.C.;Li,L.;Yan,H.;Li,W.X.New Carbon Mater.2010,25,75.[韩 博,陈 文,王新春,李 乐,严 欢,李文新.新型炭材料,2010,25,75.]

(10) Voet,D.;Voet,J.G.Biochemistry;Wiley:New York,1990;pp 380-385.

(11) Chen,P.;Zhang,H.B.;Lin,G.D.;Cai,Q.R.Chem.J.Chin. Univ.1998,19,765.[陈 萍,张鸿斌,林国栋,蔡启瑞.高等学校化学学报,1998,19,765.]

(12) Kitagawa,S.;Seki,H.;Kametani,F.;Sakurai,H.Inorg.Chim. Acta 1988,152,251.

(13)Han,X.W.;Qu,M.;Hu,J.H.;Xu,Y.T.;Yang,K.H.Chemistry 1994,50.[韩秀文,屈 铭,胡皆汉,许永庭,杨开海.化学通报,1994,50.]

(14) Mah,V.;Jalilehvand,F.Chem.Res.Toxicol.2010,23,1815.

(15) Podanyi,B.;Rrid,R.S.J.Am.Chem.Soc.1988,110,3805.

(16) Yang,P.H.;Zhang,W.H.;Zhao,Q.X.;Cai,J.Y.Chin.J.Inorg. Chem.2005,21,495.[杨培慧,张文豪,赵秋香,蔡继业.无机化学学报,2005,21,495.]

(17) George,L.E.Arch.Biochem.Biophys.1959,82,70.

(18) Ba,N.T.;Roll,F.J.Anal.Biochem.1989,179,236.

(19)Yang,Q.H.;Hou,P.X.;Bai,S.;Wang,M.Z.;Cheng,H.M. Chem.Phys.Lett.2001,345,18.

(20) Ye,C.;Gong,Q.M.;Lu,F.P.;Liang,J.Sep.Purif.Technol. 2007,58,2.

(21) Lu,C.;Chung,Y.L.;Chang,K.F.Water Res.2005,39,1184.

(22) Negi,A.S.;Anand,S.C.A Textbook of Physical Chemistry; Wiley Eastern:New York,1985;pp 724-728.

November 28,2011;Revised:February 8,2012;Published on Web:February 24,2012.

Electrochemical Indirect Measurement for the Study of Glutathione Adsorption on Multiwalled Carbon Nanotubes and Activated Carbon

TANG Jing*ZENG Qiao CHEN Zhen-Dong HUANG Xiang-Qian
(Key Laboratory of Analysis and Detection Technology for Food Safety,Ministry of Education,College of Chemistry and Chemical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,P.R.China)

Because of the chemical reaction between Cr(VI)ions and glutathione,the peak reduction current of Cr(VI)ions decreases while adding glutathione(GSH)into a K2Cr2O7/H2SO4solution.Thus the concentration of GSH can be detected indirectly by differential pulse voltammetry(DPV)analysis.This electrochemical indirect method was used to study the adsorption of GSH on multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs)and activated carbon(AC),and can be used to determine the equilibrium relationship between GSH adsorption and its concentration.Unlike the result obtained from the active carbon,GSH adsorption on MWCNTs agrees better with that predicted by the Freundlich equation compared to that predicted by the Langmuir equation.The morphologies of MWCNTs and activated carbon were observed with scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy(TEM). The abundance of aggregated pores in MWCNTs is beneficial for the diffusion and adsorption of small GSH molecules,suggesting that MWCNTs could be developed as an adsorbent for small molecular substances.

Electrochemical indirect measurement;Glutathione;MWCNTs;Activated carbon; Adsorption mechanism

10.3866/PKU.WHXB201202242

∗Corresponding author.Email:jingtang@fzu.edu.cn;Tel:+86-591-22866165.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21073038,21173048).

国家自然科学基金(21073038,21173048)资助项目

O643;O646