香草醛改性壳聚糖的合成及其电催化作用的研究

2016-08-31赵延庆新疆地矿局第六地质大队实验测试中心哈密839000

新疆有色金属 2016年4期

赵延庆（新疆地矿局第六地质大队实验测试中心哈密 839000）

赵延庆
（新疆地矿局第六地质大队实验测试中心哈密 839000）

在水溶液中，壳聚糖与香草醛发生席夫碱反应，生成改性壳聚糖VCG。将改性的壳聚糖滴涂在玻碳电极表面，形成一层膜，通过静电引力作用，吸附、富集带负电的电子介体Fe（CN）63-，使其固定在电极表面，用循环伏安法研究了Fe（CN）63-香草醛改性壳聚糖GC修饰电极对抗坏血酸的催化氧化作用。与裸玻碳电极比较，此修饰电极进一步提高了离子检测灵敏度，如：抗坏血酸浓度在7×10-7mol/L～4×10-3mol/L范围内呈良好的线性关系，相关系数为0.9966，检测限达到1×10-7。

香草醛壳聚糖化学修饰电极席夫碱

1　实验原理

香草醛改性壳聚糖的合成制备是采用香草醛（3-甲氧基-4-羟基苯甲醛）对壳聚糖进行接枝，发生席夫碱反应，得到香草醛改性的壳聚糖（V-CTS）。反应方程式如下：

2　主要仪器

（1）三电极系统。玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极LK-98微分电化学分析仪。

（2）KQ3200超声波清洗器。

（3）PHS-3C型酸度计。

3　试剂

（1）香草醛（AR）。

（2）六氰合铁（Ⅲ）酸钾（AR，）标准溶液（1× 10-3mol/L）：准确称取六氰合铁（Ⅲ）酸钾0.0659 g于小烧杯中，用二次蒸馏水溶解，再转移至200mL容量瓶中，定容，摇匀，于冰箱中冷藏保存，备用。

（3）抗坏血酸（AR）标准溶液（0.1mol/L 25mL）。

（4）2mol/L的乙酸（AR）溶液：准确量取2.86mL冰乙酸（1.05 g/mL）于容量瓶中，定容，摇匀，备用。

（5）甲醇（AR）、无水乙醇。

（6）0.1mol/L的NaOH溶液（AR）。

（7）0.1mol/L的磷酸二氢钾（AR）磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH4.0～9.0）。

4　测定

4.1壳聚糖制备

准确称取1.000 g的壳聚糖微粒于锥形瓶中，用甲醇浸泡溶涨12 h（目的是使其表面积增大，使反应更加充分）。清洗过滤，将溶涨的壳聚糖放入锥形瓶中，以水为溶剂，加入pH为6.0的缓冲溶液10mL。放入恒温水浴中，升温到70℃。边搅拌，边加入3 g香草醛。间隔的搅拌反应体系，并注意加水（防止反应体系水分蒸干）。反应6 h左右，待反应结束后，将产物过滤，用蒸馏水清洗。再依次用乙醇、丙酮萃取，以除去未反应的香草醛等杂质。将所得产物过滤，在红外灯下烘干即为香草醛改性的壳聚糖（VCTS）。其产物为淡黄色的颗粒状固体。

4.2修饰电极的制备

将基体（GC）玻碳电极在砂纸上磨平，再用Al2O3抛光处理，并在超声波清洗器中依次用HNO3（1+1）乙醇，二次水清洗5min。电极干燥后，用微量进样器取10 μL 5 g/L香草醛改性的壳聚糖溶液均匀地滴涂在电极表面，放在红外灯下烘烤约30min，冷却后将电极在10-3mol/L K3Fe（CN）6的磷酸盐缓冲溶液（pH 6.0）中浸泡30min，取出用二次蒸馏水冲洗，待用。

5　结果与讨论

5.1香草醛改性壳聚糖的检测

5.1.1改性壳聚糖的熔点

将制备好的香草醛改性壳聚糖装入毛细管中，用数字测熔仪测定其熔点为250℃，可以初步确定其为壳聚糖衍生物［33］。

5.1.2Fe（CN）63-/香草醛壳聚糖/GC修饰电极的电化学行为

用裸玻碳电极对1×10-3mol/L的Fe（CN）63-的PBS （pH 6.0）溶液进行循环伏安扫描，再用Fe（CN）63-/香草醛壳聚糖/GC修饰电极对0.1mol/L的PBS（pH 6.0）溶液进行多次循环伏安扫描，比较裸电极与修饰电极循环伏安图的区别可知，修饰电极的峰电流比裸玻碳电极在Fe（CN）63-溶液中要高，氧化峰电位更负，表明已有部分Fe（CN）63-吸附在香草醛改性的壳聚糖膜内，且膜中的Fe（CN）63-显示了准可逆的电化学行为。这是由于在酸性底液中，改性壳聚糖分子中的氨基发生质子化。靠静电引力吸附溶液中的阴离子Fe（CN）63-，对溶液中的Fe（CN）63-起吸附富集作用。将该修饰电极在底液中连续扫描，峰电流基本不变。这说明Fe（CN）63-/改性壳聚糖/GC修饰电极有较高的稳定性，Fe（CN）63-在膜内相当牢固。在不同扫速下的CV图可知，随着扫速的降低，电位差逐渐减小。在低扫速时，修饰电极表现可逆的电化学性质。且在20～100mV/s范围内，Ip与扫速的平方根有良好的线性关系，符合扩散理论，这说明Fe（CN）63-可以在膜内往返运动于溶液和电极表面之间。

5.1.3裸电极/壳聚糖修饰电极/香草醛壳聚糖修饰电极对AA的氧化比较

图1　裸电极/壳聚糖修饰电极/香草醛壳聚糖修饰电极对AA的氧化比较

由图1可知，在对AA的氧化催化作用上，壳聚糖修饰电极比裸电极有更大的峰电流，而香草醛改性的壳聚糖的峰电流最大，这说明改性的壳聚糖修饰电极有更好的灵敏度和检测限，更适合对样品的测定。

5.1.4Fe（CN）63-/香草醛壳聚糖/GC修饰电极对抗坏血酸的氧化

用裸玻碳电极对2mmol/L的AA的PBS（pH 6.0）溶液进行循环伏安扫描，再分别用修饰电极对同浓度的AA的溶液（pH 6.0）及0.1mol/L的PBS进行循环伏安扫描，比较三个CV图（图2）。

图2　Fe（CN）63-/香草醛壳聚糖/GC修饰电极对抗坏血酸的电催化氧化

图2表明，当溶液中含有2mmol/L的AA时，与空白底液中的电化学行为相比较：修饰电极的氧化电流显著增加，氧化电位基本不变（曲线c），与AA在裸玻碳电极上的电化学行为相比（曲线a）修饰电极的氧化电流显著增加。

图3　Fe（CN）63-/香草醛壳聚糖/GC修饰电极对不同浓度AA的循环伏安图

对不同浓度的AA进行循环伏安扫描，曲线如图3所示。由图3可知AA的氧化峰电流随AA浓度的增加而增加，还原电流随之减小。这表明，改性壳聚糖所吸附的Fe（CN）63-可以有效的催化溶液中的AA氧化，且催化峰电位与Fe（CN）63-的氧化电位一致，表明Fe（CN）63-起着电子介体的作用。

图4　Fe（CN）63-/香草醛壳聚糖/GC修饰电极对AA的多次循环伏安图

图4为修饰电极催化AA的多次CV图，第二周期峰比第一周期显著降低，最终达到一稳定值。这是由于荷正电荷的改性壳聚糖修饰膜对阴离子AA具有吸附富集作用，随扫描圈数的增加，所吸附的AA被消耗，最终电极反应受溶液中AA向电极表面的扩散速率所控制，而达到平衡。但同一浓度的AA经多次扫描，其相应周期的峰电流值很接近，扫描一周后，搅拌溶液30 s左右即可恢复原来的峰高。

5.2实验条件的选择

5.2.1扫速的选择

配2mmol/L AA的磷酸盐（pH 6.0）溶液，在扫速分别为20、40、60、80、100 V/s时对其进行循环伏安扫描，观察其峰形及峰电流和峰电位的变化。每次扫描前均须搅拌溶液30 s以恢复表面AA的浓度。可知，对同一浓度的AA溶液，在不同扫速时其峰电流的变化较大而扫速对峰电位影响不大。考虑到图线的效果。因此，本实验选择扫速为60mV/s。

5.2.2扫描电位范围的选择

取2mmol/L的AA，改变扫描电位范围分别-0.4V～0.8 V、-0.2 V～0.6 V、-0.2 V～0.8 V、-0.2 V～1.0 V进行循环伏安扫描。可知，当起始电位变化时，峰电流、峰电位的变化不大，对AA的测定无影响，但扫描范围为-0.4 V～0.8 V和-0.2 V～1.0 V时，循环扫描图拉的很宽，图形不美观，而当电位在-0.2 V～0.8 V之间峰形好，且AA的氧化峰及Fe（CN）63-的还原峰均在此区间内出现，故在本实验中，扫描电位范围选在-2.0 V～0.8 V之间。

5.2.3吸附时间的影响

将香草醛壳聚糖修饰好的电极在1×10-3mol/L K3Fe（CN）6的磷酸盐（pH 6.0）缓冲溶液中浸泡，改变浸泡时间分别为10、15、20、25、30、35、40min，再用浸泡后的电极对同浓度的AA溶液进行循环伏安扫描，由实验可知，峰电流随介体吸附时间的增加而增大，当达到30min时峰电流达到一稳定值，表明吸附达到了平衡。实验选择吸附时间为30min。

5.2.4香草醛壳聚糖修饰量的影响

改变香草醛壳聚糖的修饰量分别为5、10、15、20 μL，分别对同一浓度的AA溶液进行扫描，记录各自的峰电流和峰电位，实验结果表明，改性壳聚糖膜厚度对AA的催化有显著影响。膜太薄则吸附电子介体的量太少；膜太厚，电极的电阻增大，响应的峰电流降低。在本实验中，选择10 μL的香草醛壳聚糖得到较大的峰电流。

5.2.5干扰实验

在2mmol/L AA的PBS溶液中，加入100倍的K+、Na+、PO44-；50倍的葡萄糖、维生素B1、乳酸、草酸、苯酚、间苯二酚、谷氨酸、精氨酸、组氨酸；20倍的尿酸、亚硝酸盐等富含于食品中的物质对测定结果无明显干扰。同浓度的抗生素蛋白不干扰测定［34］。以上结果表明，此修饰电极对AA有较好的选择性。

5.2.6重现性及线性范围

在最佳的实验条件下，对处理洁净的玻碳电极进行修饰，配置一系列不同浓度的AA溶液，用该修饰电极进行扫描，记录各峰电流及峰电位的变化，在最佳实验条件下，AA的浓度在7×10-7mol/L～4× 10-3mol/L内呈很好的线性关系，相关系数为0.9966，而在7×10-7mol/L以下，4×10-3mol/L以上曲线趋于平缓，即0.00025mol/L和0.005mol/L均超出了该方法的线性范围。同一支修饰电极在2mmol/LAA的PBS底液中进行测定，RSD为1.99%。重现性较好。

6　样品测定

在6个25mL的容量瓶中，分别加入ph6.0的1mol/ L的磷酸盐缓冲溶液2.5mL，加入少量二次水稀释，依次加入0.0250mol/L的抗坏血酸标准溶液0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、2.00mL，用二次水定容摇匀。分别进行循环伏安扫描，测定AA的氧化峰电流。根据AA的浓度与氧化峰电流测量值Ip绘制标准曲线，结果见图5：

图5　标准曲线图

将维生素C药片碾碎，准确称取0.0500 g粉末于50mL烧杯中，加入二次水溶解，转移至500mL容量瓶中，再加入50mL 1mol/L的磷酸盐缓冲溶液，定容摇匀。干过滤，所得澄清溶液备用。

称取黄瓜样品4 g在研钵中捣烂成浆，加入10mL的PBS（pH6.0）提取液研磨、过滤。残渣继续提取2～3次，合并过滤，用提取液稀释到100mL，经超速离心后取清液50mL进行测定，以标准曲线法计算含量，分析结果见表1：

表1　样品分析结果

7　结论

用香草醛和壳聚糖为原料，通过席夫碱反应制备了香草醛改性壳聚糖，用它对玻碳电极进行滴涂法修饰后，来测定抗坏血酸及食品（黄瓜）中AA的含量，取得较好的效果。此外，该修饰电极还可用于多巴胺、肾上腺素等的测定，都取得了较好的效果［34］，由于其灵敏度高、稳定性好，其应用前景很广泛。目前，国内对壳聚糖在电化学方面的研究虽已得到重视，但在该领域对壳聚糖及其衍生物的研究还需要做更多的工作，特别是用于对食品中AA的含量的测定有很好的效果。另外，由于壳聚糖的衍生物比壳聚糖具有更好的活性，所以在色谱，重金属离子的吸附及分离等多个领域也值得重视和研究。

［1］李启隆.电分析化学，北京师范大学出版社，1995，496.

［2］Lane R.F.，Hubbard A.T.，J.Phus.Chem.，1973，77.

［3］B.F.Wakins，J.P.Calvo，J.M.Pingarron，Talanta.1994，41（2）: 289.

［4］兰雁华，陆光汉，姚胜来，宋丰.分析化学，1999，26（10）: 1192.

［5］孙元喜，谷珍，周性尧.分析化学，2000，5，1271.

［6］M.A.Ruiz，M.P.Calvo，J.M.Pingarron，Talanta.1994，41（2）: 289.

［7］S.Dong，Y.Wang，Wlectroanalysis.1989，25（1）:99.

［8］董绍俊，吕紫玲.化学学报，1986，44（5）：32.

［9］How W，Ji H，Wang E.Talanta.1992，39（2）：45.

［10］Ji H，Wang E.J Chromatography.1987，12（2）：111.

［11］Dong S，Denki Kagaku.Jpn.1991，59：664.

［12］Song S，Zhang W，Dong S.Chin.Sci.Bull.1990，35：1961.