納米銅/石墨烯修飾電極用于離子交換色譜測定五種單糖

摘要把納米銅和石墨烯修飾在玻碳電極表面，制備了納米銅/石墨烯復合修飾電極。采用電化學方法，在

1.5～0 V的循環掃描電位條件下，氧化石墨烯（GO）和Cu2+同時在玻碳電極上被電化學還原，形成石墨烯（Gr）和納米銅（CuNPs）復合膜。所制備的修飾電極對葡萄糖等單糖化合物具有較高的電催化活性，且電極穩定性和重現性均良好。將此修飾電極作為電化學檢測器，與高效陰離子交換色譜聯用，分離測定了5種單糖化合物（巖藻糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖）。結果表明，巖藻糖和阿拉伯糖的線性范圍為0.1～100 mg/L，半乳糖、葡萄糖和甘露糖的線性范圍為0.5～100 mg/L，5種單糖化合物的線性相關系數均大于0.998，相對標準偏差RSD（n=6）為1.9%～2.5%，檢出限在0.02～0.10 mg/L之間；將此方法用于測定樣品桑黃粗多糖的單糖組成，測得5種單糖的回收率為84.8%～94.5%，準確度和精密度均較好。

[HT]

1引言

糖類化合物在生命過程中起著至關重要的作用。對糖類化合物的分析在生命科學、食品科學、醫藥科學等領域中有著重要的意義。目前，分離測定糖類化合物的方法主要有衍生化氣相色譜法^[1]、直接示差折光檢測或衍生光度檢測的高效液相色譜法^[2，3]、安培檢測的高效陰離子交換色譜法^[4]及毛細管電泳法^[5]。其中高效陰離子交換色譜電化學檢測（HPICECD）由于其較高的靈敏度和選擇性而受到人們的廣泛關注，通過該方法糖類化合物不需要衍生可以在電極上直接被氧化^[6，7]。目前，把修飾電極用于離子交換色譜的電化學檢測，使得靈敏度更高，方法更可靠^[8，9]，因此制備具有高催化活性的優良電極材料是提高該方法靈敏度的關鍵。

近年來，石墨烯（Gr）作為一種具有二維結構的新型碳基材料，因其具有更大的比表面積及高電子傳導能力、原料易得且價格便宜等優點，已成為繼碳納米管后新一代的理想電極修飾材料^[10，11]。此外，一些具有催化性能的納米材料已被廣泛用于檢測葡萄糖^[12]、H2O2^[13]、抗壞血酸和多巴胺^[14]等化合物，其中銅納米（CuNPs）材料制備簡單、穩定性好、價格低廉，加之其獨特的納米結構，對很多電活性物質具有較強的催化活性^[15，16]。

本研究結合銅納米材料和石墨烯的優點，通過電化學方法將納米銅和石墨烯同時沉積在玻碳電極上，制得了納米銅/石墨烯修飾玻碳電極（CuNPsGr/GCE），應用于離子色譜電化學檢測多種單糖化合物。通過高效陰離子色譜分離，直流安培檢測，本方法對單糖化合物的分析具有較高的選擇性和靈敏度，是一種簡便快速、分離效果良好的分析方法。

2實驗部分

2.1儀器和試劑

CHI832a電化學分析儀（美國CHI公司）；三電極系統：工作電極為玻碳電極或者石墨烯/納米銅復合修飾電極（直徑2 mm）， 參比電極為飽和甘汞電極， 輔助電極為鉑絲電極。ICS2000離子色譜儀（戴安Dionex公司），包括色譜柱分離柱CarboPac PA10（50 mm × 4 mm）和保護柱CarboPac PA10（50 mm × 4 mm）、ED50A電化學檢測器（玻碳電極）；電熱恒溫水浴鍋。

利用改進的Hummers法^[17] 制備氧化石墨烯，所用氧化石墨烯為自制1 g/L的懸浮溶液； 單糖標準品：巖藻糖（Fucose）、阿拉伯糖（Arabinose）、半乳糖（Galactose）、葡萄糖（Glucose）和甘露糖（Mannose）（上海晶純有限公司）；其余試劑均為分析純。樣品取自桑黃多糖水解液。

2.2色譜條件

3結果與討論

3.1納米銅/石墨烯修飾電極對葡萄糖的電催化氧化

圖1 為不同修飾電極在含100 mg/L 葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中的循環伏安圖。從圖1可見，葡萄糖在Gr/GCE上并無明顯電化學響應，而在CuNPsGr/GCE上則可觀察到明顯的氧化還原信號，表明納米銅顆粒在無酶葡萄糖傳感器的構建中具有產生電化學氧化還原信號的重要作用。而對比CuNPs/GCE，

葡萄糖在CuNPsGr/GCE上具有更顯著的氧化還原電流，表明石墨烯的高電子傳導能力可有效地增強修飾電極的信號強度，進而提高傳感器的靈敏度。在CuNPsGr/GCE上，當掃描電位由

Symbolm@@ 0.20 V 向0.80 V變化時，在0.30～0.80 V范圍內出現一個很明顯的氧化峰，對應為堿性條件下銅的氧化物形成的。其中，0.60 V左右的Cu2+→Cu3+氧化峰最為顯著。這些結果都表明CuNPsGr修飾電極對葡萄糖具有很好的催化氧化性能，

且催化靈敏度高。用此修飾電極在含100 mg/L 葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，以50 mV/s的掃速在

Symbolm@@ 0.20～0.80 V的范圍內連續掃描15圈，峰電流信號降低小于5%，說明CuNPsGr/GCE重現性良好。此外，CuNPsGr/GCE對其它單糖化合物，如巖藻糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖，也有類似的催化作用，在0.30～0.80 V范圍內均有明顯的氧化峰出現，說明此修飾電極可以與離子色譜聯用同時測定多種單糖。

3.2色譜電化學條件的選擇

3.2.1工作電極電位以CuNPsGr/GCE為色譜檢測器，分別進5種2.0 mg/L單糖物質的標準溶液，選擇電位范圍為0.35～0.65 V，研究5種單糖物質在修飾電極上的安培電流信號與工作電位的關系圖 （圖2）。當電位高于0.55 V 時，峰電流增長緩慢而基底電流仍在增加，為了得到較高的信噪比，最佳工作電位選擇在0.55 V。

[TS（][HT5”SS]圖25種單糖化合物在CuNPsGr/GCE上的動態伏安圖

Fig.2Hydrodynamic voltammograms of five monosaccharides at modified electrode

a. 巖藻糖（Fucose）； b. 阿拉伯糖（Arabinose）； c. 半乳糖（Galactose）； d. 葡萄糖（Glucose）； e. 甘露糖（Mannose）。[HT5][TS）]

3.2.2淋洗液濃度離子色譜分離單糖一般選用NaOH作淋洗液，NaOH的濃度對被測物質的峰電流響應影響不大，但對保留時間的影響各不相同。當NaOH的濃度高于20 mmol/L 時，半乳糖、葡萄糖和甘露糖的色譜峰出現重疊現象；當NaOH的濃度過低，會造成峰展寬變寬。故NaOH的濃度選用15 mmol/L，此時被測物質能得到良好分離。

3.3標準色譜圖及線性范圍、檢出限和重復性

在工作電位0.55 V的條件下，以CuNPsGr/GCE為色譜電化學檢測器，選擇15 mmol/L NaOH淋洗，僅在0.5 h內色譜基線平衡，而脈沖安培法的平衡時間約3～5 h。在選定實驗條件下，5 mg/L巖藻糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖的色譜分離圖見圖3A。5種單糖化合物的濃度線性范圍及檢出限（信噪比為3∶1）見表1。測定結果與金電極的脈沖安培法測單糖^[17]相比，檢出限略高，線性范圍更寬；另外，本方法的檢出限均比其他文獻報道的修飾電極與離子色譜聯用測糖法^[8，18]低。

[TS（][HT5”SS]圖35種單糖混合標準溶液（A）和桑黃粗多糖水解樣品（B）在HPICECD檢測中的色譜分離圖

Fig.3Chromatograms of five analytes standard solution （A） and phellinus igniarius polysaccharide hydrolysate （B） obtained by HPICECD

1. 巖藻糖（Fucose）； 2. 阿拉伯糖（Arabinose）； 3. 半乳糖（Galactose）； 4. 葡萄糖（Glucose）； 5. 甘露糖（Mannose）。[HT5][TS）]

在相同實驗條件下， 5 種單糖物質的混合溶液連續進樣6 次，測得巖藻糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖峰電流的相對標準偏差（RSD）分別為2.3%，1.9%， 2.2%，2.5%和1.9%。考察CuNPsGr修飾電極在IC流動體系的穩定性，在相同的色譜條件下，每小時進一次5 mg/L的單糖混合標準樣品，20 h后各被測物的電流響應變化在5%以內，7 d后各物質的電流響應衰減在9%～15%之間。而用金電極的脈沖安培法測糖時，因金電極容易被污染而鈍化，連續測定3～5 d后信號明顯降低，需經常取出清洗、打磨。

References

1Fox A. J. Chromatogr. A， 1999， 843（12）： 287-300

2El Rassi Z. J. Chromatogr. A， 1996， 720： 93-118

3CHEN DanHong. Journal of Instrumental Analysis， 2009， 28（12）： 1464-1467

陳丹紅. 分析測試學報，2009， 28（12）： 1464-1467

4Lee Y C. J. Chromatogr. A， 1996， 720： 137-149

5El Rassi Z. Electrophoresis， 1999， 20（15）： 3134-3144

6C1arke A P， Jandik P， Rocklin R D， Liu Y， Avdalovic N. Anal. Chem.， 1999， 71（14）： 2774-2781

7YU Hong， MOU ShiFen. J. Anal. Sci.， 2007， 23（6）： 637-641

于 泓， 牟世芬. 分析科學學報， 2007， 23（6）： 637-641

8You T Y， Niwa O， Chen Z L， Hayashi K， Tomita M， Hirono S. Anal. Chem.， 2003， 75（19）： 5191-5196

9Casella I G， Contursi M. Anal. Bioanal. Chem.， 2003， 376（5）： 673-679

10Wu J， Pisula W， Mullen K. Chem. Rev.， 2007， 107： 718-747

11Gan T， Hu S H. Microchim. Acta， 2011， 175： 1-19

12Lu L M， Li H B， Qu F， Zhang X B， Shen G L， Yu R Q. Biosens. Bioelectron.， 2011， 26（8）： 3500-3504

13HE ShiWei， WU HongWei， XI LingLing. Chinese J. Anal. Chem.， 2013， 41（5）： 766-770

何世偉， 吳宏偉， 習玲玲. 分析化學，2013， 41（5）： 766-770

14Wang C， Yuan R，Chai Y Q， Zhang Y， Hu F X， Zhang M H. Biosens. Bioelectron.， 2011， 30（1）： 315-319

15Kang X H， Mai Z B，Zou X Y， Cai P X， Mo J Y. Anal. Biochem.， 2007， 363： 143-150

16Le W Z， Liu Y Q. Sensors and Actuators B， 2009， 141（1）： 147-153

17Hummers W.S， Offerman J R E. J. American Chemistry Society， 1958， 80： 1339

18LI Jing， LI RenYong， LIANG LiNa. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 40（9）： 1415-1420

李 靜， 李仁勇， 梁立娜. 分析化學， 2012， 40（9）： 1415-1420

19D′Eramo F， Marioli J M， Arevalo A H， Sereno L E. Talanta， 2003， 61（3）： 341-352

20Chen L， Pan J Z， Li X， Zhou Y， Meng Q L， Wang Q. Int. Immunopharmacol.， 2011， 11： 255-259