石墨烯电化学传感器检测原儿茶酸的方法研究*

曾德福，李 宁，徐伟航，赵运双，王 诗，舒 婷

(湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)

原儿茶酸(protocatechuic acid，PCA)是一种常见的简单酚类化合物，化学名称为3，4-二羟基苯甲酸。原儿茶酸针对不同的分子靶点具有多种的生物活性，在抗炎抑菌、抗氧化、降血糖以及神经保护等方面有明显作用，此外原儿茶酸具有潜在的化学防护的作用，它能够抑制体外的化学致癌物质以及在不同方面促凋亡和抗增殖[1-3]。但吸入过量的原儿茶酸，会引起呼吸急促、精神不振以及俯状不动等中毒症状，所以对原儿茶酸含量的检测是不容忽视的[4]。目前原儿茶酸主要的检测方法有高效液相色谱法[5-8]，另外有相关研究报道一种以四氮杂大环铜配合物为催化剂的经典非线性化学振荡体系对原儿茶酸进行分析和测定[9]。与这些检测方法相比，电化学方法具有样品前处理简单、设备便宜和响应迅速等特点。目前基于电化学方法检测原儿茶酸已有相关报道[10-13]，但是单独的石墨烯(Gr)用于修饰玻碳电极(GCE)测定原儿茶酸还未见报道。石墨烯作为修饰剂用于修饰电极的构筑，能明显增加电极的有效面积，增强电流响应信号，改善电化学物质的电极反应可逆性，提高电极检测的灵敏度[14-17]。本工作利用滴涂法将石墨烯修饰到玻碳电极表面上得到Gr/GCE工作电极，利用循环伏安法(CV)探究原儿茶酸在修饰电极上的电化学行为，发现石墨烯对原儿茶酸具有良好的电催化活性，有望构建一种新型的、灵敏的石墨烯电化学传感器用于真实样品中原儿茶酸的含量测定。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

SU8020扫描电镜(日本日立公司)；CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；KQ5200DE型超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司，40kHz，200W)；电化学测试运用经典的三电极体系，工作电极为石墨烯修饰的玻碳电极(直径为6mm)，铂电极为对比电极，氯化银电极为参比电极。

石墨烯(中国科学院成都有机化学有限公司，纯度99%)；铁氰化钾、氯化钾、无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)；3，4-二羟基苯甲酸(上海麦克林生化科技有限公司，≥97.09%)；盐酸(信阳市化学试剂厂，分析纯)；实验所用其他试剂均为分析纯，实验用水均为去离子水。

1.2 石墨烯修饰电极的制备

1.2.1 玻碳电极的预处理

玻碳电极用适量的0.05μm三氧化二铝粉末在绒布上打磨至镜面，用RO水清洗干净后，利用循环伏安法在5mmol/L铁氰化钾溶液中检测电极可以使用后，用RO水、乙醇、RO水依次超声清洗1～3min，用氮气吹干备用。

1.2.2 石墨烯修饰电极的构建

参照文献[10]，取2.0mg石墨烯，加入1mL的无水乙醇中，超声分散均匀制得2.0mg/mL的石墨烯乙醇分散液。取8μL上述分散液滴于清洁好的玻碳电极上，室温条件下自然晾干，得到石墨烯修饰电极(Gr/GCE)。

1.3 实验方法

将三电极系统插入0.1mol/L盐酸缓冲溶液中，利用循环伏安法(CV)探究原儿茶酸的电化学行为和氧化峰峰电流与原儿茶酸浓度的线性关系。

2 结 果

2.1 石墨烯的表征

从图1的扫描电镜(SEM)可以观察到石墨烯呈成片状褶皱结构，表面形貌均匀，可以为工作电极表面提供更大的活性面积，疏松多孔的表面结构有利于原儿茶酸吸附在电极表面，提高电子的传输效率，增大传感器的峰电流响应。

图1 石墨烯的SEM图

2.2 原儿茶酸在石墨烯修饰电极上的电化学行为

利用 CV，在扫描速度为0.10V/s、扫描范围为0.3～0.8V下，探究了裸玻碳电极(GCE)和石墨烯修饰玻碳电极(Gr/GCE)在0.1mol/L盐酸缓冲溶液中对0.01mmol/L的原儿茶酸的电化学行为。从图2中可以看出在裸GCE(a)上有一对的氧化还原峰，峰电位分别在0.65和0.63V附近，峰电流分别为18.5和7.7μA；在Gr/GCE(b)上有明显的氧化还原峰，峰电位分别在0.65和0.64V附近，峰电流为98.5和78.2μA。可见，石墨烯修饰的电极峰电流响应明显增大，说明该修饰电极对原儿茶酸具有良好的电催化活性。从图2的曲线中可以看出，Gr/GCE较裸GCE峰电流明显增加，主要由于石墨烯材料具有较大的比表面积和较强的电子传导能力。

a-GCE；b-Gr/GCE

2.3 实验条件的优化

2.3.1 支持电解液的选择

利用CV探究了0.1mol/L盐酸溶液(a)、0.1mol/L硫酸溶液(b)、0.1mol/L醋酸-醋酸钠溶液(c)、0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠溶液(d)对0.01mmol/L原儿茶酸电催化活性的影响。固定扫描速度为0.10V/s，扫描范围为0.3～0.8V，在不同的支持电解质溶液中对0.01mmol/L原儿茶酸进行测定得到CV图。结果如图3(封三)所示，不同的电解液会影响原儿茶酸的出峰位置，另外可以看出以0.1mol/L的盐酸作为支持电解质溶液，对原儿茶酸有明显的氧化还原峰且峰电流响应最大，峰型最佳，所以选择0.1mol/L盐酸溶液作为支持电解液。

2.3.2 石墨烯用量的选择

用循环伏安法探究了修饰电极在石墨烯分散液浓度为0.5、1、1.5、2、2.5、3.0mg/mL以及滴涂量为3～10μL的条件下对0.01mol/L原儿茶酸的检测效果，实验结果图4所示。由于石墨烯良好的导电性，随着石墨烯的浓度和滴涂量的增加，会使原儿茶酸的峰电流逐渐增大。但玻碳工作电极的有效表面积有限，修饰材料过多会阻碍电子传输。如图4(封三)所示，随着石墨烯分散液浓度和滴涂量的增加，原儿茶酸的峰电流响应增加，当分散液浓度达到2.0mg/mL和滴涂量达到8μL时峰电流响应最大，接着峰电流开始逐渐减小。所以本实验选择8μL的2.0mg/mL的石墨烯分散液作为电极修饰材料的用量。

2.3.3 扫速、累计时间、累积电位的选择

利用循环伏安法，在0.1mol/L盐酸缓冲溶液中，扫描范围为0.3～0.8V条件下，考察了0.01mmol/L的原儿茶酸在扫描速度10～200mV/s的范围内氧化还原峰电流Ipa和Ipc与扫描速度V之间的关系。结果如图5(封三)所示，随着扫描速度的增加，峰型逐渐变窄，氧化和还原峰的峰电流不断增强，但是为了考虑实验的时间成本，该实验选择了0.1V/s。峰电流与扫速的一次方呈良好的线性关系，线性回归方程为Ipa=1.7562V+2.9891(R2=0.9993)，Ipc=1.4756V-6.6154(R2=0.9998)，这表示原儿茶酸在石墨烯修饰电极上的反应速度受吸附控制。

累计时间和累计电位对峰电流响应也有一定的影响，因此，对该参数的选择也有重要的意义。在0.1mol/L盐酸缓冲溶液中，加入0.01mmol/L原儿茶酸，在扫速0.10V/s，扫描范围为0.3～0.8V条件下，利用循环伏安法分别探究了累计时间(60、90、120、150、200、250、300s)和累计电位(0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8V)，如下图6、7(封三)所示。故该实验选用0.6V作为累计电位，300s作为累计时间。

2.4 原儿茶酸的电化学测试

在最优条件下，将含有不同量的原儿茶酸溶液a～h(0.0005、0.001、0.005、0.01、0.03、0.05、0.08、0.1mmol/L)加入电解池中，以修饰电极为工作电极，以循环伏安法(CV)为检测方法，探究不同浓度原儿茶酸氧化峰的峰电流响应情况。从图8(封三)中可以看出原儿茶酸在0.0005～0.1mmol/L范围内有良好的线性关系，线性回归方程为I(μA)=-2493.5C(mmol/L)-9.15(R2=0.993)，最低检测限为0.28μmol/L(S/N=3)。

2.5 电极的重现性、干扰性

平行制备5根Gr/GCE，利用CV在0.1mol/L盐酸缓冲溶液中对0.001mmol/L原儿茶酸进行检测，结果表明5组氧化峰峰电流的RSD为3.2%，说明该电极具有较好的重现性，如图9所示。利用CV探究了常见干扰物对Gr/GCE 检测原儿茶酸的影响，实验结果表明，Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金属离子，200倍抗坏血酸、多巴胺，20倍的水杨酸、对羟基苯甲酸对原儿茶酸测定不产生明显干扰，说明制备的Gr/GCE对原儿茶酸的测定具有一定的抗干扰性和选择性。

图9 Gr/GCE电极测定0.001mmol/L原儿茶酸重现性的柱形图

3 讨 论

基于石墨烯修饰电极构建了原儿茶酸的电化学分析方法，该方法具有制备成本低、快速、简便等优点。在最佳实验条件下，以0.1mol/L的盐酸缓冲溶液为支持电解质，原儿茶酸在0.0005～0.1mmol/L的浓度范围内有良好的线性关系，线性回归方式为I(μA)=-2493.5C(mmol/L)-9.15(R2=0.993)，检测限为0.28μmol/L(S/N=3)。说明该石墨烯修饰电极对原儿茶酸有良好的电催化活性，具有较宽的线性范围、低检测限和良好的抗干扰性，有望用于真实样品原儿茶酸的检测。