维生素B6在石墨烯/纳米Cu2O复合修饰电极上的电化学氧化

吴芳辉， 程立春， 陈 乐， 蔡征宇

(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002)

维生素B6(VB6)又称吡哆素，它是维持人体大脑和生理健康所必需的水溶性B族维生素，同时VB6还是人体内某些辅酶的组成成分，参与人体脂肪、糖、脑细胞以及氨基酸等各种代谢反应。目前关于VB6的检测方法主要有高效液相色谱法[1]、液相色谱法[2]、紫外分光光度法[3]、荧光法[4]和电化学法[5,6]等。其中，电化学方法操作简单、快速且成本较低因而在药物分析中倍受关注。

纳米Cu2O材料因独特的性质而在太阳能转换[7]、光催化降解[8]和气体传感器[9]等方面的应用引起了众多研究者的关注。但受到其导电性的影响，采用纳米Cu2O材料修饰电极测定药物分子的文献较少[10 - 12]。石墨烯(GR)是目前世界上最薄的材料且具有大的比表面积、优异的机械特性和精巧的电学特性[13,14]。不过单层石墨烯较易团聚，堆垛形成多层石墨烯甚至石墨，因此通过化学法处理石墨烯，在其表面引入活性基团来防止团聚，增加其溶解性是一个具有挑战性的课题。本文通过HNO3+H2SO4混酸氧化石墨烯，再掺杂自制的粒径均一的纳米Cu2O材料，构建新型复合修饰电极，并研究了VB6在该修饰电极上的电化学行为。结果发现，复合修饰电极充分发挥了氧化石墨烯(GO)和纳米Cu2O两种材料的协同作用，与单一材料修饰以及裸玻碳电极相比，电催化作用显著，最后成功用于实际药品中VB6的分析测定。

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

CHI660 D电化学工作站(上海辰华仪器公司)，实验采用三电极体系：玻碳电极(GCE)、纳米Cu2O/Nafion/GCE、GO/Nafion/GCE或纳米Cu2O/GO/Nafion/GCE为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。Spetrum one型傅里叶变换红外光谱仪(美国，PE公司)；Hitachi S-4800型扫描电子显微镜(日本，日立公司)；pHS-25型酸度计(上海精密科学仪器有限公司)。

VB6标准溶液：准确称取0.2060 g VB6标准品(中国生物药品制品检定所)溶于100 mL水中，配制 1.0×10-2mol/L的VB6标准储备溶液，置于4 ℃冰箱中避光保存，工作溶液通过每天逐级稀释获得。石墨烯购自南京先丰纳米材料科技有限公司(纯度大于95%)；全氟磺酸离子交换树脂(Nafion)(5%，V/V)购自中国瑞邦科技有限公司。其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2 纳米Cu2O材料的制备和石墨烯的氧化

在5.0 mL 0.05 mol/L CuCl2溶液中，搅拌下加入5 mL 0.20 mol/L NaOH溶液，继续搅拌30 min，再加入5.0 mL 0.07 mol/L L-抗坏血酸并搅拌2 h，可以观察到反应溶液逐渐变为褐色悬浮液。将得到的褐色沉淀物离心分离，并用二次蒸馏水和无水乙醇清洗至中性，最后将产物于真空干燥箱中干燥12 h，得到纳米Cu2O材料。称取一定量的石墨烯，加入8.0 mL体积比为1∶3的HNO3+H2SO4的混酸后，于50 ℃下水浴加热并辅以强功率超声6 h，得到棕色的悬浮液。将悬浮液离心分离并洗涤至中性，最后将得到的固体烘干，即得到氧化石墨烯(GO)。

1.3 修饰电极的制备

将玻碳电极(GCE，Φ=3 mm)分别在HNO3(1+1)、丙酮、乙醇和水中各超声3 min， 再用0.05 μm Al2O3悬糊液抛光成镜面后，放入0.50 mol/L H2SO4中，于-1.50～1.50 V进行循环伏安扫描至循环伏安图稳定。称取 1.0 mg纳米Cu2O和GO按不同比例混合的复合材料，加入1.0 mL含0.1% Nafion 的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声震荡2 h，形成浓度为1 mg/mL稳定、均一的纳米Cu2O、GO以及Nafion分散液。吸取 8.0 μL分散液涂布在处理过的GCE表面，室温真空条件下干燥后备用。

2 结果与讨论

2.1 纳米Cu2O和GO的表征

图1a为GO的红外表征图。可见，在1 722 cm-1和1 626 cm-1处出现了羧基特征吸收峰，在1 118 cm-1处出现了C-O-C特征吸收峰，在3 443 cm-1处出现了羟基特征吸收峰。表明处理后的石墨烯表面存在较多的含氧基团，改善了其分散性。从图1b可见，纳米Cu2O材料为形状比较规则的正方体颗粒状，其粒径大约为100 nm，且相互堆垛在一起。

图1 GO的红外光谱图(a)和纳米Cu2O的扫描电镜(SEM)图(b)Fig.1 FI-IR spectrum of GO(a) and the SEM image of nano Cu2O materials(b)

2.2 VB6在纳米Cu2O和GO修饰电极上的电化学行为

由图2中的循环伏安曲线可以看出，修饰电极在磷酸盐缓冲溶液(PBS)中于0～0.20 V电位范围内出现了一对氧化还原峰，该氧化峰对应于Cu2O氧化成CuO，还原峰对应于CuO还原成了Cu2O，说明纳米Cu2O材料已经成功修饰到玻碳电极表面。在加入浓度为5.0×10-5mol/L VB6后，发现VB6在该修饰电极上没有还原峰，只在约+0.73 V处有一明显的氧化峰，表明VB6在修饰电极上发生了不可逆氧化反应。相对于裸GCE、Cu2O/Nafion/GCE和GO/Nafion/GCE，VB6在Cu2O/GO/Nafion/GCE上氧化峰电流明显增加，且峰位负移，证实GO和纳米Cu2O的协同效应促进了电子在复合修饰电极表面的传递从而使对VB6有良好的催化氧化作用。

2.3 pH值的影响

研究了VB6在pH=6.0～8.5的0.1 mol/L PBS中的电化学行为，结果如图3a所示。实验表明，随着电解质溶液pH值的增加，VB6的氧化峰电流增加且在pH值为7.0 时达到最大值，实验选择 0.1 mol/L pH=7.0的PBS作为电解质并用于后续实验。

实验还研究了pH值与峰电位的关系。如图3b所示，随着pH值的增大，氧化峰电位发生负移，说明VB6的氧化过程有H+的参与，在pH值为6.0～8.5范围内，pH值与氧化峰电位呈线性关系，其线性方程为：Ep=1.20474-0.06417pH，其斜率为-64.17 mV/pH，接近理论值-59 mV/pH，说明参与电极反应过程的质子数和电子数相同。

图2 5.0×10-5 mol/L VB6在GCE、Cu2O/Nafion/GCE、GO/Nafion/GCE及Cu2O/GO/Nafion/GCE上于PBS(pH=7.0)中的循环伏安图Fig.2 Cyclic voltammograms of 5.0×10-5 mol/L VB6 on the bare GCE,Cu2O/Nafion/GCE,GO/Nafion/GCE and Cu2O/GO/Nafion /GCE in 0.1 mol/L phosphate buffer solution(pH=7.0)

图3 缓冲介质pH值对峰电流和峰电位的影响Fig.3 The relationship between peak current (a) and potential (b) with pH values of buffer solution

2.4 纳米Cu2O与GO掺杂比及其修饰量的影响

考察了纳米Cu2O和GO不同掺杂比例的修饰电极对测定VB6的影响，如图4所示。可以看出，当Cu2O与GO以1∶2的比例混合时，所构建的复合修饰电极对VB6的电催化氧化作用最好。固定掺杂比例为1∶2 的Cu2O和GO的分散液用于修饰电极。进一步研究了修饰量对测定VB6的影响。如图5所示，随着修饰量的增加，氧化峰电流随之增大，这是因为修饰电极表面对VB6的吸附效率随着修饰量的增加而增加，从而使氧化峰电流增加。当修饰剂用量超过 8.0 μL时，氧化峰电流反而降低，说明此时修饰膜厚度阻碍了VB6的传质以及与电极之间的电子交换。本实验选择修饰剂用量为 8.0 μL。

图4 不同掺杂比例的Cu2O和GO复合修饰电极对测定VB6的影响Fig.4 The effect of different proportions of Cu2O and GO composites modified electrode for determination of VB6

图5 修饰量对VB6氧化峰电流的影响Fig.5 The effect of amount of suspension on peak current of VB6

2.5 富集电位及富集时间的影响

实验发现，在1.20～-0.20 V电位范围内，随着富集电位的负移，氧化峰电流逐渐增大，而在-0.10～-1.20 V范围内，氧化峰电流又逐渐减小，所以实验选择富集电位为-0.20 V。

在选定的富集电位-0.2 V下，当富集时间从2 s增加到60 s时，VB6溶出峰电流明显增加，之后电流增加缓慢，这是因为随着富集时间的增加，电极表面吸附的VB6越多，从而峰电流也明显的增加，超过了60 s后电极吸附达到了饱和，峰电流增加缓慢。实验选择的富集时间是60 s。

2.6 扫速的影响

实验研究了扫描速度在10～300 mV/s范围内VB6在Cu2O/GO/Nafion/GCE上的循环伏安行为。如图6所示，随着扫描速度的增加，氧化峰电流也随之增加，同时氧化峰在不断正移。实验还发现VB6的氧化峰电流与扫描速度在 10～300 mV/s之间存在良好的线性关系，线性方程为：ipa(μA)=0.11922+0.7441v1/2((mV/s)1/2)，相关系数r=0.9993，表明VB6在该修饰电极上的反应受扩散过程控制。

2.7 线性关系、检出限及电极重现性

采用示差脉冲伏安法在上述最佳实验条件下对VB6进行测定，发现VB6浓度在5.0×10-8～1.5×10-4mol/L范围内与氧化峰电流呈良好的线性关系(图7)，其线性回归方程为:ip(μA)=0.84856+0.18887c(μmol/L)，相关系数r=0.9970，检出限(S/N=3)为2.1×10-8mol/L。上述结果证明，该修饰电极对于VB6的测定优于其它电化学传感器[5，6]。

用同一支电极在1 h之内对含2.5×10-5mol/L VB6的溶液进行11次平行测定，相对标准偏差(RSD)为3.8%，表明该修饰电极的重现性好。将该修饰电极在4 ℃下保存3 d，用示差脉冲伏安法测定的电流仍能达到原有电流的91%，可见该修饰电极的稳定性较好。

图6 扫速对峰电流的影响；内插图为峰电流与扫速平方根的校正曲线Fig.6 The effect of scan rates on peak current;Inset is calibration curvefrom top to bottom：10，25，50，75，100，125，150，200，250，300 mV/s.

图7 VB6在Cu2O/GO/Nafion/GCE上的示差脉冲伏安图;左内插图为校正曲线Fig.7 Differential pulse voltammograms of VB6 on Cu2O/GO/Nafion/GCE in the phosphate buffer solution(pH=7.0);Inset is calibration curvefrom top to bottom:5.0×10-8,1.0×10-7,5.0×10-7,1.0×10-6,5.0×10ss-6,1.0×10-5,2.0×10-5,5.0×10-5,1.0×10-4,1.5×10-4 mol/L.

2.8 干扰试验

为防止体系中共存物质的干扰，在修饰电极构建中添加了能对抗阴离子干扰的Nafion膜[16]，进一步研究一些金属离子和有机物对VB6测定的影响，在允许±5%误差的范围内，在2.5×10-5mol/L的VB6中加入500倍的Na+、Cl-、K+、葡萄糖，100倍的尿素、抗坏血酸、维生素K1，50倍的Mg2+、Zn2+、Fe3+、Ni2+几乎无干扰，表明该体系测定VB6的选择性较好。

2.9 样品测定

采取建立的方法，分别对市售VB6药片(南京白敬宇制药公司生产，标示值为10 mg/tablet)和VB6注射液(芜湖康奇制药公司生产，标示值为50 mg/mL)进行测定。取VB6药片10片100 mg，研磨后用50 mL蒸馏水超声溶解，过滤，然后稀释至100 mL，配制成4.86×10-3mol/L的VB6样品溶液。取10 μL该溶液和2 μL过滤后的VB6注射液于pH=7.0 PBS中平行测定8 次。结果如表1所示。

表1 样品中VB6的测定结果

3 结论

本文研究了VB6在纳米Cu2O和氧化石墨烯复合修饰电极上的电化学行为，结果表明，与裸玻碳电极、纳米Cu2O以及氧化石墨烯修饰电极相比，VB6在复合修饰电极上约+0.73 V处产生的氧化峰电流显著增大，氧化峰电位明显负移，说明氧化石墨烯和纳米Cu2O复合后制备成修饰电极发挥了协同作用，从而对VB6的电化学氧化具有较强的催化作用。氧化峰电流与VB6的浓度在一定范围内呈良好的线性关系，检出限达2.1×10-8mol/L。该方法简便、快速、灵敏度较高，不仅可推广用于VB6的在线分析，而且拓展了石墨烯和金属氧化物纳米材料在电化学传感领域的应用。