抗坏血酸在石墨烯/β-环糊精复合材料修饰电极上电化学行为及其测定

肖世秀 丁曼娜 周津宁 吕保樱 侯绪和 冯军

摘  要：石墨烯具有巨大的比表面积，优异的导电性能，是一种良好的电化学传感材料.采用改进后的Hummers法制备石墨烯，并將石墨烯/β-环糊精复合材料通过滴涂法修饰到玻碳电极表面.利用循环伏安法考察抗坏血酸在该修饰电极上的电化学行为，并优化实验条件，用时间-电流曲线法在最佳条件下测定抗坏血酸的浓度，结果表明：在5×10-6～1.5×10-3 mol/L的浓度范围内，抗坏血酸的峰电流与浓度具有良好的线性关系，检测限为            8.8×10-7 mol/L，石墨烯/β-环糊精修饰电极表现出良好的稳定性、重现性和抗干扰能力，可用于抗坏血酸样品的检测.

关键词：石墨烯;β-环糊精;抗坏血酸;电化学

中图分类号：O657.1          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.016

0    引言

抗坏血酸（AA）是一种水溶性维生素，广泛存在于水果、蔬菜中，对人体的新陈代谢起着重要的作用，并且影响着细胞分裂、基因表达和生物防御机制激活等基本生理过程.抗坏血酸在生物体内的浓度必须处于一定的范围，过高或过低都会导致疾病的发生[1].人体内抗坏血酸浓度的变化与许多疾病有关，因此，监测血液和尿液中的抗坏血酸对于临床分析具有重要意义[2].目前常见的抗坏血酸的检测方法有比色法[3-4]、紫外分光光度法[5]、色谱法和电化学方法[6-7]等，在这些检测方法中，电化学方法因其简单、响应迅速、低成本、高灵敏度、选择性好等优势吸引了越来越多的关注，在很多领域得到应用[8-11] .然而，直接在裸玻碳电极上对抗坏血酸进行检测会导致氧化峰过宽，峰电流较小，无法进行灵敏检测.因此，需要借助纳米材料对电极进行修饰，以提高其导电性和催化性能.

石墨烯（Graphene，Gr）是一种只有一个碳原子层厚度的二维材料，具有独特的物理和化学性质，如大的比表面积[12]、高热导率[13]、高电子迁移率[14]、化学稳定性等，这些优异的性质使得石墨烯材料被广泛用于诸多领域[15]. 在电化学研究领域，已被普遍用于电极材料的修饰和生物传感器的构建. 此外，β-环糊精（β-CD）是一种环状低聚糖，其结构中心呈空心状，故能对某些分子进行包结络合.在电分析化学中，已有用石墨烯与其他纳米复合材料修饰电极对抗坏血酸的测定[15-17]，利用石墨烯/β-环糊精修饰电极测定抗坏血酸还未见文献报道.

本文采用改进的Hummers法合成Gr，通过范德华力将β-CD固定在Gr表面形成Gr/β-CD复合材料修饰电极，测试其对AA的电催化性能，并对AA在该电极上的电化学行为进行研究.

1   实验部分

1.1  仪器与试剂

CHI660E型电化学工作站（上海辰华仪器有限公司），pH计（上海电科学仪器股份有限公司），电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司），KQ3200D型数控超声波清洗器（深圳市洁迈超声清洗设备有限公司），DF-101S恒温磁力搅拌器（巩义予华仪器公司），扫描电子显微镜（SEM，日立S4800）.

鳞片石墨粉（国药集团化学试剂有限公司），硝酸钠，高锰酸钾，甲醇，β-环糊精，抗坏血酸，磷酸二氢钾，磷酸氢二钠，80%水合肼，抗坏血酸等试剂均为分析纯.

1.2   石墨烯的制备

1.2.1   氧化石墨的制备

氧化石墨使用改进后的Hummers法[18-19]进行制备：准确称取1.25 g的硝酸钠和7.5 g的高锰酸钾一起加入到研钵中混合均匀，再研磨成细粉末.往1 000 mL的烧杯中加入60 mL浓硫酸（冰浴），再将2.5 g的      1 000目（[15 μm]）天然鳞片石墨缓慢加入到上述装有浓硫酸的1 000 mL烧杯中，此过程要持续维持温度在  -1～1 ℃.再将研细并混合均匀的硝酸钠和高锰酸钾细粉末缓慢地加入到上述溶液中，保持温度5 ℃以下，反应保持2 h.紧接着将其放入35 ℃的恒温水浴锅中恒温1 h，再加入120 mL水，加热使温度逐渐上升到95 ℃，在该温度下反应30 min.接着加入热水稀释到350 mL，加入6%的过氧化氢溶液100 mL，使用抽滤装置趁热过滤，用1 mol/L的HCI溶液充分洗涤后得到滤饼，向滤液中加入氯化钡溶液，直到滤液中无白色沉淀生成，即可证明无硫酸根离子存在.最后将滤饼放在50 ℃真空下干燥24 h，干燥完全的氧化石墨密封保存待用.

1.2.2   还原石墨烯的制备

1）往500 mL的圆底烧瓶中注入300 mL去离子水;2）再称取300 mg上述制备好的氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入氧化石墨后溶液呈红棕色悬浮液，超声振荡6～8 h直至无颗粒状物质;3）再加入6 mL的水合肼溶液，得到黑色悬浮液;4）将温度慢慢升至95 ℃，用回流装置进行回流24 h，用抽滤装置趁热过滤，滤饼再用5×100 mL的甲醇和5×100 mL的蒸馏水反复交替清洗滤饼，烘干备用.

1.3   Gr/β-CD复合材料制备

将合成的Gr通过超声分散在去离子水中.随后，向该悬浮液中加入β-CD溶液，并将混合物搅拌2 h，得到均匀的悬浮液，超声处理30 min制备得到Gr/β-CD复合材料.

1.4   制备Gr/β-CD修饰电极

在实验之前需将电极进行预处理.玻碳电极（GCE，d = 3 mm）分别用0.30 μm和0.05 μm的Al2O3抛光至镜面，再依次在水、乙醇和水中超声清洗1 min，晾干备用.然后，7 μL的Gr/β-CD悬浮液滴加至处理好的GCE表面上，晾干，从而制得Gr/β-CD复合材料修饰电极（Gr/β-CD/GCE）.

1.5   电化学检测

实验使用的是CHI660E电化学工作站，是以玻碳电极为工作电极，以饱和甘汞电极为参比电极，以铂片电极为辅助电极组成的三电极体系.循环伏安法（CV）扫描速度为0.05 V/s，扫描电位范围为    -0.6 ～ 0.6 V，0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液（PBS）含0.1 mol/L KCl作为支持电解质.所有实验均在室温条件下进行.

2    结果与讨论

2.1   石墨烯纳米材料的形貌表征

为了更好地观察石墨烯的形貌，利用扫描电镜对其进行了表征，如图1所示.由图1可知，通过氧化还原法制备得到的石墨烯经过超声剥离后呈现较大的片状，并具有很多石墨烯特有的层状褶皱，这极大地增加了石墨烯的比表面积，从而增加电化学活性面积，实现抗坏血酸的灵敏测定.

2.2   抗坏血酸在不同电极上的循环伏安响应

图2是AA溶液在不同修饰电极上的循环伏安图.由图2可以看出，在PBS（pH= 6.5）为支持的电解质溶液中，AA在裸电极（曲线a）上0.295 V出现一个氧化峰，峰形比较矮且宽，峰电流较小，说明在裸电极上电子传递速度较慢;当电极上修飾了Gr之后（曲线b），背景电流明显增大，AA峰形明显且电流增大，表明石墨烯具有良好的导电性，能够快速并且灵敏地对AA作出电化学响应.相同浓度的AA在Gr/β-CD修饰电极上具有最大的电流响应，表明了  Gr/β-CD不仅具有很强的导电性能，还具有高的催化活性，这是Gr和β-CD协同作用的结果.

2.3   Gr/β-CD修饰量的影响

为了考察工作电极表面修饰纳米材料的负载量与电流响应的关系，在扫描电位窗口、扫描速率、温度等条件不变的情况下，通过改变纳米材料在工作电极上的滴涂量，再通过循环伏安测得相应的峰电流响应值，实验结果如图3所示.结果表明，一开始峰电流随着滴涂量的增加而增大，当增加至7 μL时，峰电流达到最大值，继续增加滴涂量峰电流反而减小.造成该现象的原因可能是滴涂量过多时会在玻碳电极上形成过厚的复合材料膜，不利于电子的传递;同时膜过厚会导致纳米材料容易脱落，从而使得实际的反应比表面积减小，电流也随之减小.故实验采用7 μL为最佳滴涂量.

2.4    缓冲溶液pH的影响

支持电解质溶液的pH会影响Gr/β-CD/GCE对AA的催化效果.实验选取pH 5.5 ～ 9.0范围的PBS溶液.由图4可知AA的氧化峰电流随着电解质溶液pH的增大而增大，在pH为6.5时达到最大值;当pH大于6.5之后显著下降，在pH=7.0 ～ 9.0范围内，AA的峰电流呈现一个缓慢下降的趋势.因此，实验选择支持电解质溶液的pH值为6.5.

2.5   扫描速率的影响

实验考察扫描速率对峰电流的影响，实验结果如图5所示. 图5（a）为在不同扫描速率下Gr/β-CD修饰电极对AA电流响应的CV图，由图5（a）可知在40～240 mV/s扫速范围内，电极的电流响应值随扫描速率的增大而增大，AA的峰电位略向右偏移.  图5（b）为峰电流与扫描速率的关系图，由图5（b）可知：峰值电流Ipa与扫描速率v的平方根成线性关系，其回归方程为Ipa=56.92v1/2+24.34.相关系数R2=0.995 7，表明抗坏血酸在Gr/β-CD修饰的玻碳电极上是一个受扩散控制的不可逆过程.

2.6   线性范围和检出限

在优化的实验条件下，在PBS（pH=6.5）溶液中，采用时间电流曲线法测定不同浓度下AA的电流响应值，实验结果如图6所示. 图6（a）为Gr/β-CD修饰电极在PBS支持电解质中连续加入不同浓度的AA得到的计时电流曲线图.由图6（a）可知随着AA浓度的增大，响应电流也逐渐增大.由图6（b）可知在5×10-6～      1.5×10-3 mol/L浓度范围内，AA的氧化峰电流与浓度呈线性关系，线性方程为I=53.47c+1.262;线性相关系数R2=0.993 9，信噪比等于3时，检测限为8.8×10-7  mol/L，实验表明Gr/β-CD修饰电极能够实现对AA的检测，并且具有较宽的线性范围和较低的检测限.

2.7   干扰实验

干扰物质的存在会对AA的电化学检测造成一定影响. 实验考察了修饰电极的抗干扰性能，在混合液中AA的浓度为1×10-3 mol/L，实验测定了100倍的阳离子Ca2+、Na+、Mg2+、K+、Zn2+和阴离子[NO-3]、CI-、[CH3COO-]、[SO2-4]，以及50倍的甘氨酸、葡萄糖、蔗糖，对AA的测定几乎不造成干扰;50倍的柠檬酸钠及草酸对AA的测定有轻微影响，但可忽略不计，表明修饰电极具备一定的抗干扰能力.

2.8   重现性和稳定性

在最佳的实验条件下进行重现性实验，对1.5×10-4  mol/L AA溶液进行6次平行测定，实验结果得到的标准偏差为2.5%.在稳定性实验中，将Gr/β-CD修饰的电极在含有1.5×10-4  mol/L AA的PBS溶液中进行循环伏安扫描30圈，其峰电位无明显变化，而峰电流仅下降为原来的1.4%.电极放置两周后，测得的电流响应保持在初始响应的90%.实验结果表明制备电极的重现性和稳定性良好.

2.9   加标回收实验

将Gr/β-CD修饰电极用于市售维生素C片中AA含量的测定.取市售维生素C片研成粉末，超声溶解后过滤，移取一定量用pH = 6.5的PBS溶液定容到100 mL作为样品溶液，采用循环伏安法测定样品中AA的含量，加标回收实验结果见表1，回收率为98% ～ 102%，说明本方法可用于实际样品分析.

3    结论

本实验采用改进的Hummers法成功制备石墨烯，并将石墨烯/β-CD复合材料修饰在玻碳电极，实验采用循环伏安法和电流-时间曲线法研究了抗坏血酸在该修饰电极上的电化学行为.实验结果表明：抗坏血酸在石墨烯/β-CD修饰电极上的氧化电流明显增加，修饰电极对抗坏血酸显示出良好的电催化活性;同时具备良好的灵敏性和选择性，获得8.8×10-7 mol·L-1的低检测限，该修饰电极可用于实际样品中抗坏血酸的测定.

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