聚吡咯納米管對抗壞血酸的電化學檢測

陳霖進，熊惠之，喻湘華，李 亮

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

抗壞血酸（Ascorbic acid，AA）在維持人體正常生理機能中扮演著重要的角色［1-2］。抗壞血酸作為一種抗氧化劑被廣泛用于醫療制藥、食品加工和化妝產品等領域。因此，檢測抗壞血酸，建立能夠方便準確的檢測方法對患者具有很大的重要性［3］。國內外研究人員對抗壞血酸檢測做出大量的研究，常用的方法有化學光學法、電化學法、色譜法和毛細管電泳法，其中電化學檢測法因其便捷和靈敏度高為特點而具有明顯優勢，從而成為各國研究人員研究的熱點［4-14］。

以甲基橙（methyl orange，MO）為軟模板合成了聚吡咯納米管（Polypyrrole nanotubes，PPyNt），利用掃描電子顯微鏡與紅外光譜研究了聚吡咯納米管的形貌與結構。利用電化學檢測方法分別將PPyNt、聚吡咯納米顆粒（Polypyrrole nanoparticle，PPyNp）對抗壞血酸進行檢測，研究了不同形貌結構的聚吡咯電化學檢測抗壞血酸的區別。結果表明PPyNt作為電化學傳感器材料有很好的應用前景。

1 實驗部分

1.1 PPyNt的制備

稱取一定量MO溶于去離子水中，配制成5 mmol/L的MO水溶液，用1 mol/L的HCl溶液調節MO水溶液pH=2，然后向上述溶液中加入1 g的吡咯，再加氧化劑12.907 g硝酸鐵，在室溫攪拌24 h。反應結束后先用乙醇洗滌3遍，去除未反應單體，再用去離子水洗滌過濾，直至濾液變澄清，得到黑色將產物真空凍干，即得到。作為對比，在不加入甲基橙軟模板劑的相同條件下，合成PPyNp。

1.2 PPyNt與PPyNp的表征

用JSM-5510LV（JEOL Co）型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）、傅里葉變換紅外光譜儀、X射線衍射儀、X射線光電子能譜表征PPyNt、PPyNp的微觀形貌與化學結構；利用電化學工作站（CHI 660C）進行電化學檢測抗壞血酸。

1.3 修飾電極的制備

先將1.0 mg樣品分散在1.0 mL水中，取10 μL分散液滴在玻碳電極上制備得到工作電極。以鉑絲為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極，與樣品修飾的電極為工作電極，利用電化學工作站（CHI 660C）進行電化學測試檢測抗壞血酸。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌表征

為了研究模板法制備聚PPyNt和不加入模板劑制備PPyNp的微觀形貌，圖1為兩種產物的掃描電鏡圖，在酸性條件下以MO為軟模板，通過靜電吸附作用，吡咯單體吸附在軟模板上，以氧化劑硝酸鐵引發PPyNt，最后用乙醇和水去除未反應單體和MO軟模板得到產物。從圖1可以看出聚吡咯明顯的棒狀結構，PPyNt的管徑為400 nm左右，管長為5 μm～10 μm。在不加入MO軟模板劑的情況下，吡咯單體在氧化劑硝酸鐵引發聚合時，分子鏈向隨機方向生長，最終得到PPyNp，從圖1可以看出PPyNp粒徑約為200 nm。這是因為Fe3+子與MO分子復合成為具有一維納米結構的模板，吡咯單體在這個模板表面發生聚合。反應結束后，MO分子會溶解于水中而被除去，最終形成聚吡咯的管狀結構［15-17］。

圖1 （a）PPyNt與（b）PPyNp的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of（a）PPy nanotubes and（b）PPy nanoparticles

2.2 化學結構分析

圖2（a）為 PPyNt、PPyNp紅外吸收光譜圖。圖2（a）中均出現聚吡咯結構的特征吸收峰，其中在1 655 cm-1和1 434 cm-1附近為聚吡咯基本單元結構五元雜環的對稱伸縮振動和非對稱伸縮振動特征吸收峰，1 126 cm-1附近為吡咯五元雜環上的N-H鍵的面內伸縮振動峰，3 437 cm-1的寬峰為典型的N-H與C-H伸縮振動混合吸收峰。另外在圖 2（a）PPyNt紅外吸收光譜中，在 2 900 cm-1和2 833 cm-1處有兩個非常弱的MO分子-CH3、-CH2-的伸縮振動吸收峰，1 178 cm-1處為甲基橙分子的磺酸基伸縮振動吸收峰。這表明甲基橙不僅作為軟模板合成PPyNt，同時由于電荷效應、使其摻雜進入到聚吡咯分子鏈中。

圖2（b）是PPyNp與PPyNt的X射線衍射圖。兩者都在25°附近顯示一個寬峰，對應于PPy的無定形結構。

圖2 PPyNp與PPyNt的（a）紅外吸收光譜圖和（b）X射線衍射圖Fig.2 （a）Infrared absorption spectra（b）X-ray diffraction patterns of PPyNp and PPyNt

進一步用X射線光電子能圖對PPyNt的氮峰進行了分析。如圖3所示，通過對氮峰的分峰處理，在399.5 eV對應-NH-，在401.5 eV與404 eV對應于-N+-。這表明利用MO為模板，成功合成了聚吡咯。

圖3 PPyNt的N 1s的X射線光電子能圖Fig.3 N 1s XPS spectra of PPy nanotubes

2.3 電化學檢測抗壞血酸

用PPyNt和PPyNp分別做成修飾電極，并用純鉑電極作為空白對比。利用循環伏安法研究其對抗壞血酸的電化學響應。圖4中顯示出Pt電極、PPyNt修飾電極、PPyN修飾電極三種不同電極在50 μmol的AA溶液中的電化學響應，掃描電勢為-200 mV～800 mV，掃描速率為50 mV/s。從圖4中可以看出，Pt電極沒有顯示出明顯的氧化峰，說明Pt電極對抗壞血酸沒有催化效應。而PPyNt修飾電極、PPyNp修飾電極在0.37 V附近出現了明顯氧化峰，而且PPyNt與PPyNp相比，氧化峰電流明顯增加，峰面積大，說明PPyNt具有對AA更好的電催化性能。

圖4 在含有50 mmol/L AA溶液中電極的電化學響應Fig.4 Electrochemical responses of working electrodes in the solution containing 50 mmol/L of AA

圖5分別為PPyNt修飾電極、PPyNp修飾電極在50 mmol/L的AA溶液中對AA進行電化學檢測的循環伏安曲線，并給出了對應的掃描速率與峰值電流的線性關系圖。由圖4（a）、（c）可以看出PPyNt修飾電極和PPyNp修飾電極的氧化峰電流隨著掃描速率的逐步增大而增大，而且PPyNt比PPyNp對AA的響應電流更大。另外，PPyNt與PPyNp對AA的電催化過程中，對應的峰值電流與所采用的掃描速率有著良好的線性關系，這表明電化學氧化過程是受吸附控制的。

圖5 在50 mmol/L的AA溶液中，（a）PPyNt修飾電極對AA電化學檢測的循環伏安曲線；（b）掃描速率與峰值電流的線性關系；（c）PPyNp修飾電極對AA電化學檢測的循環伏安曲線；（d）掃描速率與峰值電流的線性關系Fig.5 In 50 mmol/L of AA，（a）Cyclic voltammetry of PPyNt-modified electrode of AA ；（b）Linear relationship between the scanning rate and the peak current；（c）Cyclic voltammetry of PPyNp-modified electrode of AA；（d）Linear relationship between the scanning rate and the peak current

如圖6所示，進一步用差分脈沖伏安法研究了PPyNt修飾電極對于AA的電化學響應。差分脈沖伏安法的參數設置如下：初始電位-200 mV；終止電位800 mV；電位增量5 mV；振幅0.06 V；脈沖寬度0.05 s；脈沖周期0.2 s；采樣寬度0.01 s。在電解液中依次加入一定量的AA溶液，每次加樣后，混合均勻，靜置30 s后立即用差分脈沖伏安法對溶液進行檢測。隨著AA溶液的加入量不斷增加，峰值電流逐漸增大。如圖6（b）所示，在AA在濃度范圍為0.5 mmol/L～20 mmol/L和20 mmol/L～45mmol/L時，峰值電流（peak current，PC）與AA濃度分別呈現出良好的線性關系，線性相關系數R2分別為0.989和0.970。

體系中共存的生物分子有可能對于抗化學酸的電化學檢測產生影響。多巴胺（dopamine）對于抗壞血酸的影響如圖7所示。在不同濃度的抗壞血酸溶液中加入8 mmol/L的多巴胺。多巴胺的存在對于抗壞血酸的電化學峰電流影響不大。PPyNt修飾電極的穩定性與重復性也被研究。制備了5個PPyNt修飾電極，分別置于抗壞血酸溶液中，這五個PPyNt修飾電極表現出相似的電化學響應行為，相對標準偏差為3.24%。PPyNt修飾電極的長期穩定性每2 d測試1次。經過10 d后，PPyNt修飾電極對于AA的電化學峰電流仍然能保持約93%。這表明PPyNt修飾電極對于抗壞血酸的電化學檢測具有良好的重復性與穩定性。

圖6 （a）差分脈沖伏安法測量PPyNt修飾電極對不同濃度的AA的電化學曲線；（b、c、d）對應的峰值電流與AA濃度的線性關系Fig.6 （a）Electrochemical responses of PPyNt-modified electrode to different concentrations of AA measured by differential pulse voltammetry；（b，c and d）Linear relationship between peak current and AA concentration

圖7 有或沒有8 mmol/L多巴胺時，PPyNt修飾電極的峰電流與AA濃度的關系圖Fig.7 The relationship diagram between current of PPyNt-modified electrode and concentration of AA with and without 8 mmol/L dopamine

3 結 語

本文以偶氮染料甲基橙為軟模板劑，以氧化劑硝酸鐵引發吡咯聚合，制備了PPyNt，并通過多種方法對其結構和微觀形貌等進行表征。研究結果表明PPyNt可以作為一種新型的電化學傳感器材料用于AA的電化學檢測。在含一定濃度的抗壞血酸溶液中，氧化峰的峰值電流與所采用的掃描速率呈線性關系，說明PPyNt對AA的電催化受吸附效應控制。而且由于PPyNt獨特的一維納米管狀結構，使得PPyNt比PPyNp對AA有更好的電化學檢測能力。

參考文獻：

［1］GRIFFITHS H R，LUNEC J.Ascorbic acid in the 21st century-more than a simple antioxidant ［J］.Environmental Toxicology&Pharmacology，2001，10（4）：173-182.

［2］PING J， WU J， WANG Y， et al.Simultaneous determination of ascorbic acid，dopamine and uric acid using high-performance screen-printed graphene electrode［J］.Biosensors and Bioelectronics，2012，34（1）：70-76.

［3］LIU X，NA W，SU X，et al.Fluorescence turn-off-on probe based on polypyrrole/graphene quantum composites for selective and sensitive detection of paracetamol and ascorbic acid［J］.Biosensors and Bioelectronics，2017，98（2）：222-226.

［4］QI Y，LONG H Y，MA L，et al.Enhanced selectivity of boron doped diamond electrodes for the detection of dopamine and ascorbic acid by increasing the film thickness［J］.Applied Surface Science，2016，390（4）：882-889.

［5］ABDELWAHAB A A， SHIM Y B.Simultaneous determination of ascorbic acid，dopamine，uric acid and folic acid based on activated graphene/MWCNT nanocomposite loaded Au nanoclusters［J］.Sensors&Actuators B Chemical，2015，221（4）：659-665.

［6］PENG J，LING L， ZHANG XQ，et al.A rapid，sensitive and selective colorimetric method for detection of ascorbic acid［J］.Sensors&Actuators B Chemical，2015，221（4）：708-716.

［7］YEBRA-BIURRUN M， CESPON-ROMERO R M，BERMEJO-BARRERA P. Indirect flow-injection determination of ascorbic acid by flame atomicabsorption spectrometry［J］.Microchim Acta，1997，126（1/2）：53-58.

［8］AIHUA L， JUN-ICHI A. Ferrocene-containing polyelectrolyte multilayer film-covered electrodes：electrocatalytic determination of ascorbic acid and use of inner blocking layers to improve the upper detection limit of the electrodes［J］.Analytical&Bioanalytical Chemistry，2004，380（1）：98-103.

［9］ZHANG J， DENG P H， FENG L Y， et al.Electrochemical determination of as corbic acid at γ-MnO2modified carbon black microelectrodes［J］.Microchim Acta，2004，147（4）：279-282.

［10］JAHAN B R， ABOLFAZL K， REZA O， et al.Simultaneous voltammetric determination of ascorbic acid and dopamine at the surface of electrodes modified with self-assembled gold nanoparticle films［J］.Journal of Solid State Electrochemistry， 2010， 14（7）：1171-1175.

［11］MAHDIE M，SAYED M G，MOHSEN B，et al.Electrochemical determination of ascorbic acid at the surface of agraphite electrode modified with multi-walled carbonnanotubes/tetradecyltrimethylammoniumbromide［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2010，40（4）：841-847.

［12］KEPINSKA D，BLANCHARD G J，KRYSINSKI P，et al.Pyrene-loaded polypyrrole microvessels［J］.Langmuir，2011，27（20）：12720-12729.

［13］LIU J，HE Z，XUE J，et al.A metal-catalyst free，flexible and free-standing chitosan/vacuum-stripped graphene/polypyrrole three dimensional electrode interface for high performance dopamine sensing［J］.Journal of Materials Chemistry B，2014，17（2）：2478-2482.

［14］ZHANG J，LE J，PAN R，et al.Highly sensitive electrocatalytic biosensing of hypoxanthine based on functionalization of graphene sheets with water-soluble conducting graftcopolymer［J］. Biosensors and Bioelectronics，2010，26（2）：371-376.

［15］李亮，陳旭，艾建連.偶氮染料摻雜聚吡咯納米/微米結構材料的制備［J］.武漢工程大學學報，2013，35（4）：55-60.

［16］YANG X， LI L， ZHAO Y.Ag/AgCl-decorated polypyrrole nanotubes and their sensory properties［J］.Synthetic Metals，2010，160（17/18）：1822-1825.

［17］JI J，ZHANG X，LIU J，et al.Assembly of polypyrrole nanotube@MnO2composites with an improved electrochemical capacitance［J］.Materials Science and Engineering：B，2015，198（1）：51-56.