阿魏酸在Au@Cu2O/石墨烯修饰电极上的电化学行为及测定

朱丽云 黄连英 罗敏怡 石慧玲 肖世秀 冯军

摘  要：制备Au@Cu2O核壳纳米材料与石墨烯，用于玻碳电极的修饰，构建了阿魏酸电化学传感器（Au@Cu2O/Gr/GCE），利用透射电子显微镜表征修饰材料的形貌特征，采用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）研究阿魏酸在该修饰电极上的电化学行为。结果表明，该修饰电极对阿魏酸具有很好的电催化作用。在最佳实验条件下，阿魏酸的峰电流与浓度在2.5×10−6 ⁓ 1.5×10−4  mol/L内具有良好的线性关系，线性相关系数为0.993 2，检测限为1.2×10−6  mol/L。实验结果表明，Au@Cu2O/Gr修饰电极具有良好的选择性、稳定性和较高灵敏度。

关键词：阿魏酸;Au@Cu2O;石墨烯;电化学传感器

中图分类号：O657.1          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.006

0   引言

阿魏酸（Ferulic acid）是一种天然的酚类抗氧化剂，存在于谷物的麸皮、蔬菜、水果以及中药材如阿魏、当归、川芎、酸枣仁中，具有生物活性，例如抗菌、抗炎、抗血栓形成等。在临床上它主要用于冠心病、脑血管病、慢性肾病、脉管炎等疾病的治疗[1-2]。阿魏酸的抗氧化作用主要通过自由基的清除介导，从而抑制正常和应激生理条件下的脂质过氧化和细胞凋亡[3]。它还具有一定的抗癌作用，通过降低癌细胞活力，从而抑制癌细胞的增殖和迁移[4-5]。阿魏酸在医药、化妆品、食品添加剂等领域都有广泛的应用，故对其进行灵敏检测具有重要意义。目前对阿魏酸的检测方法众多，如高效液相色谱法[6-7]、毛细管电泳法[8-9]、紫外可见光谱法[10]、荧光光谱法[11-12]等。传统检测方法的预处理过程通常耗时较长、步骤繁琐，且大多需要大型仪器，价格比较昂贵。相较而言，电化学方法因其具有灵敏度高、检出限低、操作简便等优势，在药物分析领域得到越来越多的应用[13-15]。

具有金属和半导体的核壳纳米材料通常表现出优异的催化性能[16]。氧化亚铜（Cu2O）是一种窄带隙P型半导体材料，因其独特的电子、光学性质以及较好的稳定性等特点，在传感器方面具有潜在的应用价值[17]。用金纳米颗粒（AuNPs）和Cu2O构建的Au@Cu2O核壳纳米材料兼具金纳米颗粒的特性，可进一步提高导电性和催化性能。石墨烯（Graphene， Gr）是一种二维碳材料，其比表面积大，机械性能和电子传递性能优异[18]。将Au@Cu2O与石墨烯复合有助于减少石墨烯片层间的聚集，增大纳米材料在修饰电极上的比表面积。Au@Cu2O和Gr二者的协同作用可进一步增强电子传递速率，可构建催化性能更优异的电化学传感器。

将Au@Cu2O核壳纳米材料与石墨烯进行复合并作为电极修饰材料用于阿魏酸检测的研究鲜有报道。文中采用循环伏安法（CV）探究了阿魏酸在Au@Cu2O/Gr修饰电极上的电化学行为，建立了一种检测阿魏酸的电化学方法。实验结果表明，该修饰电极对阿魏酸具有良好的电催化效果，促进了阿魏酸在修饰电极上的氧化还原，提高了检测的灵敏度。

1    实验部分

1.1   试剂与仪器

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、柠檬酸三钠、硝酸铜、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、硝酸钠、高锰酸钾、氯化钾等均为分析纯。氯金酸（HAuCl4·4H2O）购自国药集团化学试剂有限公司。阿魏酸购自上海源叶生物试剂有限公司，使用前用无水乙醇配置成标准储备液，置于4 ℃的冰箱中储存备用。本实验中所有溶液均采用超纯水（[>]18 MΩ）配制。

所有电化学测量均在CHI660b型电化学工作站（上海辰华）上完成。电化学测量采用三电极体系，玻碳电极（GCE，直径Φ=3 mm）或修饰电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为辅助电极。形貌表征采用透射电子显微镜（FEI Talos F200S）完成。

1.2    Au@Cu2O/Gr复合材料的制备

1.2.1   石墨烯的制备

石墨烯的制备采用改进后的Hummers法并参照前期的研究[19-20 ]，将天然鳞片石墨在强氧化剂硝酸钠和高锰酸钾的作用下氧化得到氧化石墨，再将制备得到的氧化石墨超声分散，然后用水合肼溶液进行还原，清洗后真空干燥备用。

1.2.2   Au@Cu2O的制备

金纳米粒子（AuNPs）的制备：取100 mL 0.01%的氯金酸在搅拌下加热至回流，接着将4 mL 1%柠檬酸三钠溶液快速加入上述溶液中，溶液颜色由浅黄色变成无色再到紫红色，当溶液颜色保持不变后，再回流15 min，移去加热电源，搅拌冷却至室温，得到AuNPs。

Au@Cu2O的制备参照文献[16， 21]方法制备：即取1 g PVP置于250 mL烧瓶中，加入50 mL       0.01 mol/L Cu（NO3）2，搅拌至PVP全部溶解，加入2 mL上述制备好的AuNPs，再立即加入34 mL 35%水合肼溶液，反应持续2 min，通过高速离心机进行离心分离，再用水和无水乙醇交替清洗，最后将得到的Au@Cu2O核壳纳米材料分散在无水乙醇中，置于4 ℃冰箱中保存。

将制备好的Au@Cu2O和石墨烯按1∶1（体积分数比）比例混合进行超声分散1 h，即得Au@Cu2O/Gr纳米复合材料。

1.3   修饰电极的制备

玻碳电极预处理：依次用粒径为0.30 µm和0.05 µm的 Al2O3进行抛光打磨，去除电极表面的其他物质，之后依次用去离子水、無水乙醇对玻碳电极进行超声清洗1 min，最后再用去离子水冲洗，晾干备用。在处理干净的GCE表面滴涂Au@Cu2O/Gr复合纳米材料，自然晾干，得到Au@Cu2O/Gr修饰的玻碳电极（Au@Cu2O/Gr /GCE）。

1.4   电化学检测阿魏酸

实验选择磷酸盐缓冲溶液（PBS）作为支持电解质，PBS由0.1 mol/L的磷酸氢二钠和0.1 mol/L 磷酸二氢钾溶液混合而成，含0.1 mol/L的KCl，通过盐酸和氢氧化钠调节PBS的pH值。采用循环伏安法和差分脉冲伏安法（DPV）对阿魏酸在该修饰电极上的电化学行为进行研究，CV的扫描速率为100 mV/s，电位范围为-0.2～0.8 V。DPV 的电位范围为0～0.6 V，振幅為0.05 V，脉冲宽度为 0.2 s，所有测量在室温下进行。

2    结果与讨论

2.1   电极修饰材料的表征

采用透射电子显微镜（TEM）对制备得到的Au@Cu2O和Au@Cu2O/Gr纳米材料的形貌进行表征，结果如图1 所示。图1（a）为Au@Cu2O的透射电镜图，由图可以清晰看见金纳米粒子，单个直径约为13 nm。同时可以看到Cu2O 成功附着在金纳米粒子表面，呈现核壳结构，一个Au@Cu2O核壳材料存在一个或两个金核，而周围的壳则由许多Cu2O纳米晶体组成，核壳纳米粒子的直径在50～70 nm。图1（b）为Au@Cu2O/Gr的透射电镜图，可以观察到Gr呈薄片状，并且粒径不一的Au@Cu2O均匀分布在Gr薄片上。采用能谱仪对Au@Cu2O核壳材料进行元素分析，能谱图如图2所示，其主要元素为Cu、O、Au元素。利用X射线光电子能谱（XPS）测定了核壳材料的表面组分和化学态。图3（a）是Au@Cu2O全扫描谱，由Cu、O 组成，由于核壳结构的壳层较厚，不能测到Au核。图3（b）是Cu 2p的高分辨光谱，932.4 eV和951.6 eV的结合能分别对应Cu（I）的Cu 2p3/2和    Cu 2p1/2。此外，在940～945 eV范围内没有出现    Cu（II）的特征震动卫星峰，说明Cu（I）在Au@Cu2O复合材料中占主导地位。结合TEM的图像、能谱的元素分析以及XPS谱图分析可知，制备得到的电极修饰材料为Au@Cu2O/Gr。

2.2   阿魏酸在不同电极上的电化学响应

以0.1 mol/L的PBS为支持电解质，含有      0.05 mmol/L 阿魏酸在不同修饰电极上的电化学行为如图4所示。从图中可以看出，阿魏酸在裸电极上呈现出一对非常小的氧化还原峰，说明裸电极导电性较差;而阿魏酸在Au@Cu2O/Gr修饰电极上背景电流明显增大，表现出较强的电流响应，出现一对明显氧化还原峰，峰电位分别为0.283 V和   0.146 V，这表明复合纳米材料所提供的巨大比表面积有效地增加了阿魏酸在电极表面的吸附浓度，纳米材料具有良好的导电性和电子运输性能，从而增强了阿魏酸在修饰电极上的电化学反应性能。

2.3   实验条件的优化

为了进一步对阿魏酸进行高灵敏检测，要对实验因素进行优化，其中玻碳电极上纳米材料的修饰量对传感器的构建具有较大影响。在电极上分别滴涂不同体积的Au@Cu2O/Gr，测定含有相同浓度阿魏酸时的峰电流。如图5所示，随着Au@Cu2O/Gr滴涂体积的增加，电极表面覆盖率增加，阿魏酸的氧化峰电流响应也随之增大，在滴涂体积为7 µL时峰电流最大，当再增加滴涂体积之后，电流响应逐渐减小，原因在于过厚的修饰层会在一定程度上阻碍电子传递，也更容易脱落，导致测定时不稳定，因此，本实验选取的最佳滴涂体积为7 µL。

缓冲溶液的pH值也是影响目标物检测的重要因素。用循环伏安法分别考察了不同pH值的PBS溶液对同一浓度阿魏酸的电流响应，如图6所示。a—g的pH值分别为4、5、 6、 7、 8、 9、10，由图可知，阿魏酸的氧化峰电位随着缓冲溶液pH碱性的增大向负电位方向偏移，氧化峰电流随缓冲溶液碱性增强先增大后减小。如图7所示，在pH=7时，峰电流达到最大值;在pH[>]7之后，碱性越强，电流响应逐渐越小。因此，选择pH值为7的PBS作为测试缓冲溶液。

本实验还考察了不同扫描速率下，阿魏酸在修饰电极上的电化学行为。图8为不同扫描速率下的CV图，a—n的扫描速率分别为0.02 V/s、0.04 V/s、 0.06 V/s、0.08 V/s、0.10 V/s、0.12 V/s、0.14 V/s、0.16 V/s、0.18 V/s、0.20 V/s、0.22 V/s、0.24 V/s、0.26 V/s、0.28 V/s。由图可见，阿魏酸的电流响应随着扫描速率的增加而增大，并且峰电流与扫描速率呈正比，根据Laviron 理论可以推测阿魏酸在Au@Cu2O/Gr/GCE表面受吸附控制。图9为氧化峰电流和还原峰电流与扫描速率的关系，线性方程分别为Ipa（μA）= 6.466ν + 0.077 5和Ipc（μA）=-9.399ν-0.222 6，线性相关系数分别为R2 = 0.993 1和R2 = 0.993 5。

2.4   阿魏酸的电化学检测

DPV作为灵敏的电化学检测方法，在定量分析中应用较多。在最优的实验条件下，采用DPV方法测定不同浓度阿魏酸在修饰电极上的电流响应，实验结果如图10所示，随着阿魏酸浓度的增大（a—f的浓度分别为2.5 µmol/L、12.5 µmol/L、 25.0 µmol/L、50.0 µmol/L、100.0 µmol/L、150.0 µmol/L ），还原峰电流响应不断增大。插图为阿魏酸的还原峰电流与浓度的线性关系，在2.5⁓150.0 µmol/L 浓度范围内，还原峰电流与阿魏酸的浓度具有良好的线性关系，线性回归方程为：Ipc=         -0.005c -0.026，线性相关系数R2 = 0.993 2，检测限为1.2 µmol/L。

2.5   传感器的稳定性、重现性和抗干扰能力

在最优条件下，利用同一修饰电极对浓度为50 μmol/L 阿魏酸溶液连续扫描10次，氧化峰电流的相对标准偏差为2.2%。使用相同实验方法制备3根修饰电极，在相同实验条件下测试3根修饰电极对同浓度阿魏酸的电流响应，氧化峰电流的相对标准偏差为5.5%。将修饰电极在4 ℃冰箱中保存一个星期后，用循环伏安法测定相同浓度的阿魏酸，其氧化峰电流仍能达到原始电流的89%，说明制备的修饰电极具有良好的重现性和稳定性。实验考察几种可能的干扰物质对阿魏酸测定的影响，结果表明，50倍葡萄糖、柠檬酸、[Mg2+、Ca2+、K+]、[Na+、Cl-、NO-3、SO2-4]均对阿魏酸的测定没有明显干扰，这说明该电极具有较好的抗干扰能力。

3    结语

本文通过水热法制备了石墨烯，将其与Au@Cu2O核壳纳米材料进行复合，并用于玻碳电极的修饰得到Au@Cu2O/Gr/GCE，利用电化学方法探究该修饰电极对阿魏酸的电化学响应。实验结果证明该修饰电极显著地提高了阿魏酸的电信号强度，主要归因于Gr和Au@Cu2O的相互协同作用，二者提供了大比表面积和良好的导电性能以及纳米材料所具有的高催化活性。修饰电极对阿魏酸表现出较好的选择性、稳定性，但同时还存在一些问题，如线性范围不够宽、检测限不够低，在后续的研究中将对电极修饰材料进一步优化，不断提高电极的性能，以便更好地应用于复杂成分中目标物的测定。

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Electrochemical behaviors and determination of ferulic acid at Au@Cu2O/graphene modified electrode

ZHU Liyun， HUANG Lianying， LUO Minyi， SHI Huiling， XIAO Shixiu*， FENG Jun

（Medical School， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545005， China）

Abstract： An electrochemical sensor for ferulic acid is developed by preparing Au@Cu2O Core-shell nanomaterials and graphene modified glassy carbon electrode（Au@Cu2O/Gr/GCE）. Transmission electron microscope （TEM） was used to characterize the morphologies of the nanomaterials， while cyclic voltammetry （CV） and differential pulse voltammetry （DPV） were used to investigate the                 electrochemical behavior of ferulic acid. The modified electrode performs effective electrocatalysis to the ferulic acid. Under optimum conditions， the peak current of ferulic acid has a good linear               relationship with the concentration in the range of 2.5×10?6 −1.5×10−4 mol/L， with a detection limit of 1.2×10−6 mol/L， the corelation coefficient 0.993 2. The results show that Au@Cu2O/Gr/GCE exhibits good selectivity， stability and higher sensitivity.

Key words： ferulic acid; Au@Cu2O; graphene; electrochemical sensor

（责任编辑：罗小芬）