香草醛改性殼聚糖的合成及其電催化作用的研究

趙延慶（新疆地礦局第六地質大隊實驗測試中心 哈密 839000）

香草醛改性殼聚糖的合成及其電催化作用的研究

趙延慶
（新疆地礦局第六地質大隊實驗測試中心 哈密 839000）

在水溶液中，殼聚糖與香草醛發生席夫堿反應，生成改性殼聚糖VCG。將改性的殼聚糖滴涂在玻碳電極表面，形成一層膜，通過靜電引力作用，吸附、富集帶負電的電子介體Fe（CN）63-，使其固定在電極表面，用循環伏安法研究了Fe（CN）63-香草醛改性殼聚糖GC修飾電極對抗壞血酸的催化氧化作用。與裸玻碳電極比較，此修飾電極進一步提高了離子檢測靈敏度，如：抗壞血酸濃度在7×10-7mol/L～4×10-3mol/L范圍內呈良好的線性關系，相關系數為0.9966，檢測限達到1×10-7。

香草醛 殼聚糖 化學修飾電極 席夫堿

1　實驗原理

香草醛改性殼聚糖的合成制備是采用香草醛（3-甲氧基-4-羥基苯甲醛）對殼聚糖進行接枝，發生席夫堿反應，得到香草醛改性的殼聚糖（V-CTS）。反應方程式如下：

2　主要儀器

（1）三電極系統。玻碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極LK-98微分電化學分析儀。

（2）KQ3200超聲波清洗器。

（3）PHS-3C型酸度計。

3　試劑

（1）香草醛（AR）。

（2）六氰合鐵（Ⅲ）酸鉀（AR，）標準溶液（1× 10-3mol/L）：準確稱取六氰合鐵（Ⅲ）酸鉀0.0659 g于小燒杯中，用二次蒸餾水溶解，再轉移至200mL容量瓶中，定容，搖勻，于冰箱中冷藏保存，備用。

（3）抗壞血酸（AR）標準溶液（0.1mol/L 25mL）。

（4）2mol/L的乙酸（AR）溶液：準確量取2.86mL冰乙酸（1.05 g/mL）于容量瓶中，定容，搖勻，備用。

（5）甲醇（AR）、無水乙醇。

（6）0.1mol/L的NaOH溶液（AR）。

（7）0.1mol/L的磷酸二氫鉀（AR）磷酸鹽緩沖溶液（PBS，pH4.0～9.0）。

4　測定

4.1殼聚糖制備

準確稱取1.000 g的殼聚糖微粒于錐形瓶中，用甲醇浸泡溶漲12 h（目的是使其表面積增大，使反應更加充分）。清洗過濾，將溶漲的殼聚糖放入錐形瓶中，以水為溶劑，加入pH為6.0的緩沖溶液10mL。放入恒溫水浴中，升溫到70℃。邊攪拌，邊加入3 g香草醛。間隔的攪拌反應體系，并注意加水（防止反應體系水分蒸干）。反應6 h左右，待反應結束后，將產物過濾，用蒸餾水清洗。再依次用乙醇、丙酮萃取，以除去未反應的香草醛等雜質。將所得產物過濾，在紅外燈下烘干即為香草醛改性的殼聚糖（VCTS）。其產物為淡黃色的顆粒狀固體。

4.2修飾電極的制備

將基體（GC）玻碳電極在砂紙上磨平，再用Al2O3拋光處理，并在超聲波清洗器中依次用HNO3（1+1）乙醇，二次水清洗5min。電極干燥后，用微量進樣器取10 μL 5 g/L香草醛改性的殼聚糖溶液均勻地滴涂在電極表面，放在紅外燈下烘烤約30min，冷卻后將電極在10-3mol/L K3Fe（CN）6的磷酸鹽緩沖溶液（pH 6.0）中浸泡30min，取出用二次蒸餾水沖洗，待用。

5　結果與討論

5.1香草醛改性殼聚糖的檢測

5.1.1改性殼聚糖的熔點

將制備好的香草醛改性殼聚糖裝入毛細管中，用數字測熔儀測定其熔點為250℃，可以初步確定其為殼聚糖衍生物［33］。

5.1.2Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極的電化學行為

用裸玻碳電極對1×10-3mol/L的Fe（CN）63-的PBS （pH 6.0）溶液進行循環伏安掃描，再用Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對0.1mol/L的PBS（pH 6.0）溶液進行多次循環伏安掃描，比較裸電極與修飾電極循環伏安圖的區別可知，修飾電極的峰電流比裸玻碳電極在Fe（CN）63-溶液中要高，氧化峰電位更負，表明已有部分Fe（CN）63-吸附在香草醛改性的殼聚糖膜內，且膜中的Fe（CN）63-顯示了準可逆的電化學行為。這是由于在酸性底液中，改性殼聚糖分子中的氨基發生質子化?？快o電引力吸附溶液中的陰離子Fe（CN）63-，對溶液中的Fe（CN）63-起吸附富集作用。將該修飾電極在底液中連續掃描，峰電流基本不變。這說明Fe（CN）63-/改性殼聚糖/GC修飾電極有較高的穩定性，Fe（CN）63-在膜內相當牢固。在不同掃速下的CV圖可知，隨著掃速的降低，電位差逐漸減小。在低掃速時，修飾電極表現可逆的電化學性質。且在20～100mV/s范圍內，Ip與掃速的平方根有良好的線性關系，符合擴散理論，這說明Fe（CN）63-可以在膜內往返運動于溶液和電極表面之間。

5.1.3裸電極/殼聚糖修飾電極/香草醛殼聚糖修飾電極對AA的氧化比較

圖1　裸電極/殼聚糖修飾電極/香草醛殼聚糖修飾電極對AA的氧化比較

由圖1可知，在對AA的氧化催化作用上，殼聚糖修飾電極比裸電極有更大的峰電流，而香草醛改性的殼聚糖的峰電流最大，這說明改性的殼聚糖修飾電極有更好的靈敏度和檢測限，更適合對樣品的測定。

5.1.4Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對抗壞血酸的氧化

用裸玻碳電極對2mmol/L的AA的PBS（pH 6.0）溶液進行循環伏安掃描，再分別用修飾電極對同濃度的AA的溶液（pH 6.0）及0.1mol/L的PBS進行循環伏安掃描，比較三個CV圖（圖2）。

圖2　Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對抗壞血酸的電催化氧化

圖2表明，當溶液中含有2mmol/L的AA時，與空白底液中的電化學行為相比較：修飾電極的氧化電流顯著增加，氧化電位基本不變（曲線c），與AA在裸玻碳電極上的電化學行為相比（曲線a）修飾電極的氧化電流顯著增加。

圖3　Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對不同濃度AA的循環伏安圖

對不同濃度的AA進行循環伏安掃描，曲線如圖3所示。由圖3可知AA的氧化峰電流隨AA濃度的增加而增加，還原電流隨之減小。這表明，改性殼聚糖所吸附的Fe（CN）63-可以有效的催化溶液中的AA氧化，且催化峰電位與Fe（CN）63-的氧化電位一致，表明Fe（CN）63-起著電子介體的作用。

圖4　Fe（CN）63-/香草醛殼聚糖/GC修飾電極對AA的多次循環伏安圖

圖4為修飾電極催化AA的多次CV圖，第二周期峰比第一周期顯著降低，最終達到一穩定值。這是由于荷正電荷的改性殼聚糖修飾膜對陰離子AA具有吸附富集作用，隨掃描圈數的增加，所吸附的AA被消耗，最終電極反應受溶液中AA向電極表面的擴散速率所控制，而達到平衡。但同一濃度的AA經多次掃描，其相應周期的峰電流值很接近，掃描一周后，攪拌溶液30 s左右即可恢復原來的峰高。

5.2實驗條件的選擇

5.2.1掃速的選擇

配2mmol/L AA的磷酸鹽（pH 6.0）溶液，在掃速分別為20、40、60、80、100 V/s時對其進行循環伏安掃描，觀察其峰形及峰電流和峰電位的變化。每次掃描前均須攪拌溶液30 s以恢復表面AA的濃度。可知，對同一濃度的AA溶液，在不同掃速時其峰電流的變化較大而掃速對峰電位影響不大?？紤]到圖線的效果。因此，本實驗選擇掃速為60mV/s。

5.2.2掃描電位范圍的選擇

取2mmol/L的AA，改變掃描電位范圍分別-0.4V～0.8 V、-0.2 V～0.6 V、-0.2 V～0.8 V、-0.2 V～1.0 V進行循環伏安掃描?？芍?，當起始電位變化時，峰電流、峰電位的變化不大，對AA的測定無影響，但掃描范圍為-0.4 V～0.8 V和-0.2 V～1.0 V時，循環掃描圖拉的很寬，圖形不美觀，而當電位在-0.2 V～0.8 V之間峰形好，且AA的氧化峰及Fe（CN）63-的還原峰均在此區間內出現，故在本實驗中，掃描電位范圍選在-2.0 V～0.8 V之間。

5.2.3吸附時間的影響

將香草醛殼聚糖修飾好的電極在1×10-3mol/L K3Fe（CN）6的磷酸鹽（pH 6.0）緩沖溶液中浸泡，改變浸泡時間分別為10、15、20、25、30、35、40min，再用浸泡后的電極對同濃度的AA溶液進行循環伏安掃描，由實驗可知，峰電流隨介體吸附時間的增加而增大，當達到30min時峰電流達到一穩定值，表明吸附達到了平衡。實驗選擇吸附時間為30min。

5.2.4香草醛殼聚糖修飾量的影響

改變香草醛殼聚糖的修飾量分別為5、10、15、20 μL，分別對同一濃度的AA溶液進行掃描，記錄各自的峰電流和峰電位，實驗結果表明，改性殼聚糖膜厚度對AA的催化有顯著影響。膜太薄則吸附電子介體的量太少；膜太厚，電極的電阻增大，響應的峰電流降低。在本實驗中，選擇10 μL的香草醛殼聚糖得到較大的峰電流。

5.2.5干擾實驗

在2mmol/L AA的PBS溶液中，加入100倍的K+、Na+、PO44-；50倍的葡萄糖、維生素B1、乳酸、草酸、苯酚、間苯二酚、谷氨酸、精氨酸、組氨酸；20倍的尿酸、亞硝酸鹽等富含于食品中的物質對測定結果無明顯干擾。同濃度的抗生素蛋白不干擾測定［34］。以上結果表明，此修飾電極對AA有較好的選擇性。

5.2.6重現性及線性范圍

在最佳的實驗條件下，對處理潔凈的玻碳電極進行修飾，配置一系列不同濃度的AA溶液，用該修飾電極進行掃描，記錄各峰電流及峰電位的變化，在最佳實驗條件下，AA的濃度在7×10-7mol/L～4× 10-3mol/L內呈很好的線性關系，相關系數為0.9966，而在7×10-7mol/L以下，4×10-3mol/L以上曲線趨于平緩，即0.00025mol/L和0.005mol/L均超出了該方法的線性范圍。同一支修飾電極在2mmol/LAA的PBS底液中進行測定，RSD為1.99%。重現性較好。

6　樣品測定

在6個25mL的容量瓶中，分別加入ph6.0的1mol/ L的磷酸鹽緩沖溶液2.5mL，加入少量二次水稀釋，依次加入0.0250mol/L的抗壞血酸標準溶液0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、2.00mL，用二次水定容搖勻。分別進行循環伏安掃描，測定AA的氧化峰電流。根據AA的濃度與氧化峰電流測量值Ip繪制標準曲線，結果見圖5：

圖5　標準曲線圖

將維生素C藥片碾碎，準確稱取0.0500 g粉末于50mL燒杯中，加入二次水溶解，轉移至500mL容量瓶中，再加入50mL 1mol/L的磷酸鹽緩沖溶液，定容搖勻。干過濾，所得澄清溶液備用。

稱取黃瓜樣品4 g在研缽中搗爛成漿，加入10mL的PBS（pH6.0）提取液研磨、過濾。殘渣繼續提取2～3次，合并過濾，用提取液稀釋到100mL，經超速離心后取清液50mL進行測定，以標準曲線法計算含量，分析結果見表1：

表1　樣品分析結果

7　結論

用香草醛和殼聚糖為原料，通過席夫堿反應制備了香草醛改性殼聚糖，用它對玻碳電極進行滴涂法修飾后，來測定抗壞血酸及食品（黃瓜）中AA的含量，取得較好的效果。此外，該修飾電極還可用于多巴胺、腎上腺素等的測定，都取得了較好的效果［34］，由于其靈敏度高、穩定性好，其應用前景很廣泛。目前，國內對殼聚糖在電化學方面的研究雖已得到重視，但在該領域對殼聚糖及其衍生物的研究還需要做更多的工作，特別是用于對食品中AA的含量的測定有很好的效果。另外，由于殼聚糖的衍生物比殼聚糖具有更好的活性，所以在色譜，重金屬離子的吸附及分離等多個領域也值得重視和研究。

［1］李啟隆.電分析化學，北京師范大學出版社，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］蘭雁華，陸光漢，姚勝來，宋豐.分析化學，1999，26（10）: 1192.

［5］孫元喜，谷珍，周性堯.分析化學，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］董紹俊，呂紫玲.化學學報，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.

［13］Song S，Dong S.Bioelectrochem.Bioenerg.1988，19：337.

［14］朱愛萍，吳均，張娜，沈健.化學通報，2002，5：3.

［15］Ye Xianzeng，Yang Qinghua.Talanta，1998，47:1099.

［16］夏春谷，王紅旺等，殼聚糖希夫堿銅多相催化劑的制備及其催化苯乙烯環丙烷反應的研究.分子催化.2003，17（1）：1-5.

［17］高朋召，胡道道，房喻，唐宗薰，殼聚糖希夫堿鈷配合物的合成及表征.西北大學學報，2001，31（2）：115-118.

［18］催廣華，劉永新.河北理工學院院報，2003，25（3）：76-79.

［19］劉斌，孫向英，徐金瑞，席夫堿殼聚糖修飾電極的制作及其在對苯二酚測定中的應用.分析化學，2003，11（9）：1048.

［20］吳根，羅人民，容彥華，香草醛改性殼聚糖制備的研究.河北科技大學學報，2000，53（2）：73-77.

［21］鄧子峰，朱仲良.分析化學，1999，27（3）:323.

［22］封滿良，呂九如.分析化學，1995，23（1）:70-73.

［23］孫國良，陳金媛，湯斌華，周偉龍，葉雪飛.食品科學，1998，19（2）:36-38.

［24］沈靜茹，雷灼霖，丁志剛.分析測試學報，1998，17（6）: 47-49.

［25］LukLO，WangKS.Analyst.1987，112:1023-1027.

［26］李峰，朱果逸.分析化學，2002，10（5）:580-582.

［27］FoffAG，SummanAM.Analyst，1993，108:691-695.

［28］YuAinun，ChenHongyuan.Anal.Chim.Acta.1997，344: 181-185.

［29］SunYuanxi，YeBaoxian，ZhangWuming，ZhouXingyao. Anal.Chim.Acta，1998，363：75-80.

［30］吳婧，劉國東，黃衫生，俞汝勤.2-氨基吡啶修飾電極的電化學性質及對抗壞血酸的測定.分析化學，2001，29（10）:1140-1143.

［31］ManzamaresM.I，SolisV，DemesiRH.J.Electronal.Chem.，1997，430：163-168.

［32］MurthyASN，SharmaJ.Talanta，1998，45:951-956.

［33］張所信，王為國，江龍法，閔凡鍵.精細石油化工，2000 （6）:47-49.

［34］吳正巖，唐紀琳，汪爾康，仿生膜內固定的多巴胺對抗壞血酸的氧化作用.分析化學，2001，29（8）:88.

收稿：2016-03-09

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.04.023