抗壞血酸在聚對苯二酚/銅復合膜修飾電極上電催化氧化行為的探究

(隴東學院化學化工學院,甘肅慶陽 745000)

抗壞血酸(AA),又稱維生素C,是人體必需的營養成分之一,也是維持機體正常生理功能的重要維生素之一[1-2]。臨床上抗壞血酸可用于壞血病的預防及治療,增加對感染的抵抗力[3]。由于人體肝細胞中缺少L-抗壞血酸氧化酶,使抗壞血酸無法在體內合成[4],所以必須從食物中攝取,但過多攝入抗壞血酸會對人體產生不利的影響[5]。因此,檢測食物和藥物中抗壞血酸的含量具有非常重要的意義。

目前測定抗壞血酸的主要方法有:分光光度法、滴定分析法、化學發光法、色譜法、毛細管電泳法及電化學法等[6-11]。其中,電化學法具有儀器簡單、檢測周期短、靈敏度高、選擇性好等優點[12-15],被廣泛地用于樣品中抗壞血酸的檢測。由于抗壞血酸在碳電極或金屬電極上的過電位較大[16-17],且電氧化產物會使工作電極毒化失活[18],使得抗壞血酸的直接電化學測量十分困難[19-20]。因此,制備一種功能化的修飾電極來降低過電位、減弱電極表面的毒化作用成為科研人員研究的重點。

本文采用電沉積法成功制備了一種新型的PHQ/Cu復合膜修飾電極,與裸電極、PHQ修飾電極相比,AA在該復合膜修飾電極上的過電位明顯降低,氧化峰電流明顯增強,表明兩種修飾材料間具有良好的協同催化作用。該電極穩定性良好,抗干擾能力強,可以用于飲料中AA含量的測定。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

對苯二酚(分析純) 天津市北方天醫化學試劑廠;抗壞血酸(分析純) 成都市科隆化學品有限公司;H2SO4(98%) 北京化學試劑廠;KCl(分析純) 天津化學試劑有限公司;CuSO4(分析純) 天津市北聯精細化學品開發有限公司;葡萄糖(分析純) 西安化學試劑廠;酒石酸(分析純) 天津歐博凱化工有限公司;亮氨酸(分析純) 北京化學試劑商店;甘氨酸(分析純) 陜西晨明生物科技有限公司;蔗糖(分析純) 廣東西隴化工廠;Ca(NO3)2(分析純) 北京紅星化工廠;NaCl(分析純) 天津市嘉宇精細化工有限公司;FeCl2(分析純) 北京南尚樂化工廠;Na2HPO4、NaH2PO4、K3Fe(CN)6(均為分析純) 購自天津市百世化工有限公司;果粒橙 購自某超市;實驗用水均為二次蒸餾水。

LK98BⅡ型微機電化學工作站 天津市蘭力科化學電子高技術有限公司;KQ2200DB 型數控超聲清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;PHS-3C精密pH計 上海精密科學儀器有限公司;玻碳電極 天津艾達恒晟科技發展有限公司;鉑絲電極 上海越磁電子科技有限公司;飽和甘汞電極 武漢高仕睿聯科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 玻碳電極的預處理 將裸玻碳電極在0.3和0.05 Al2O3粉末上拋光至鏡面后,依次在蒸餾水、HNO3(1+1)和無水乙醇中進行超聲清洗各1 min,最后用二次蒸餾水沖洗。將處理好的電極置入含0.2 mol/L K3Fe(CN)6的溶液中,在-0.2～0.6 V電位范圍內以0.1 V/s的速率進行循環伏安掃描,當峰電位差值在0.1 V以內,且有較高的對稱性時,表明電極具有較高的活性,將此電極用蒸餾水沖洗干凈備用。

1.2.2 修飾電極的制備 將預處理好的玻碳電極置入含0.02 mol/L HQ溶液中,采用三電極體系,在0～1.0 V電位范圍內,以0.1 V/s的掃速循環伏安掃描10圈,即得PHQ修飾電極。取出上述電極,用二次蒸餾水沖洗干凈,以該修飾電極為工作電極,將三電極體系置于0.2 mol/L CuSO4溶液中,以0.1 V/s掃描速率在-0.6～0.6 V之間循環伏安掃描10圈,由此制備的電極即為PHQ/Cu復合膜修飾電極。

1.2.3 電化學性能測試 電化學測試采用三電極體系:PHQ/Cu復合膜修飾電極為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑絲電極為對電極。測試時,將三電極體系置于含0.1 mol/L AA和0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液中(PBS，pH=4.35),以0.1 V/s的掃描速率,在-0.4～1.2 V電位范圍內記錄循環伏安曲線。所有實驗均在室溫下進行。

1.3 數據處理

實驗中每個數據重復三次,采用Origin 7.5軟件進行數據處理繪圖。

2 結果與分析

2.1 修飾電極的聚合循環伏安曲線

圖1為HQ的聚合循環伏安曲線。由圖1可知,在0～1.0 V范圍內,隨著掃描次數增加,氧化峰電流基本保持不變,還原峰電流持續增加。這是對苯二酚沉積在電極表面發生電化學聚合且量不斷增加的結果,表明對苯二酚是一種較好的電子媒介體,并且對苯二酚薄膜易于生成和達到飽和狀態。圖2為PHQ修飾電極表面沉積Cu的循壞伏曲線。由圖2可知,在-0.6～0.6 V范圍內,隨著掃描次數增加,氧化峰電流和還原峰電流均有所增加并很快達到穩定值,表明Cu已沉積在電極表面。實驗發現，掃描10圈時催化效果最佳。

圖1 裸玻碳電極表面沉積HQ的循環伏安圖Fig.1 Cyclic voltammogram of hydroquinonedeposited on bare GC electrode surface

圖2 PHQ修飾電極表面沉積Cu的循壞伏安圖Fig.2 Cyclic voltammogram of Cudeposited on PHQ/GCE surface

2.2 緩沖溶液濃度的選擇

實驗中以PBS作為緩沖溶液,本文考察了PBS濃度在0.05～0.25 mol/L的范圍內變化時 AA氧化峰電流的變化情況,結果如圖所3示。由圖可知當PBS的濃度為0.1 mol/L時,峰電流值最大,故選用0.1 mol/L作為緩沖溶液的最佳濃度。

圖3 緩沖溶液濃度對AA峰電流的影響Fig.3 The effect of the concentration ofbuffer solution on the peak currents of AA

2.3 緩沖溶液pH的選擇

實驗探究了pH在3.50、3.95、4.30、5.05、5.65、6.05、6.40之間變化時AA峰電流的變化趨勢,結果如圖4所示。由圖4可知,隨著pH的增大,氧化峰電流先逐漸增大,而后又減小,在pH=4.35時,峰電流最大。表明在pH=4.35時,AA在PHQ/Cu復合膜修飾電極上具有最大電化學活性,故選擇pH=4.35作為緩沖溶液最佳pH。

圖4 緩沖溶液pH對AA峰電流的影響Fig.4 The effect of the pH value ofbuffer solution on the peak currents of AA

2.4 AA在修飾電極上的電催化氧化行為

用循環伏安法對AA進行定量測定具有較高的靈敏度和良好選擇性。圖5為AA在GCE(a)、PHQ/GCE(b)及PHQ/Cu/GCE(c)上的電催化氧化行為。由圖可知,與裸電極或單一材料修飾的電極相比,AA在復合修飾電極上的峰電流最大,峰電位最小。表明HQ和CuSO4在玻碳電極表面對AA的電催化氧化是良好的,復合修飾電極催化最佳。

圖5 AA在GCE(a)、PHQ/GCE(b)及PHQ/Cu/GCE(c)上的循環伏安曲線Fig.5 The electrochemical behavior of AAon bare GC electrode(a),PHQ/GCE(b),PHQ/Cu/GCE

2.5 掃描速率對AA電催化氧化的影響

圖6為修飾電極上AA在0.1～0.8 V/s范圍內不同掃描速率下的循環伏安圖。從圖6中可以看出,隨著掃描速率的增加,其氧化峰電位略微正移,峰電流也隨之增大,這是由于隨著轉速的增加,動力學傳輸速率也隨之增大的原因。由圖可知,峰電流I與掃速ν呈良好的線性關系,線性方程I=1.5106v+0.6505,R2=0.9936,表明溶液中的電極反應是受吸附控制的。

圖6 修飾電極上AA在不同掃速下的循環伏安圖及AA峰電流與掃速之間的關系圖(內嵌圖)Fig.6 Cyclic voltammograms of AA on modified electrodeat different scan rates. Inset curves show the relationshipbetween the peak current of AA and the scan rate注:曲線1～15對應的掃描速率(V/s):0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,0.45,0.5,0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8。

2.6 AA濃度與氧化峰電流之間的關系

在不同濃度的AA溶液中,以復合修飾電極為工作電極進行CV測試,結果如圖7所示。從圖中可以看出隨著AA濃度的增加,氧化峰電流逐漸增大,并且在5×10-4～1.0×10-1mol/L范圍內呈良好的線性關系,線性方程為lgI=0.7364lgc+1.6932,R2=0.9959,檢出限為2.0×10-5mol/L。

圖7 AA濃度與氧化峰電流之間的關系曲線Fig.7 The relationship between the logarithm peakcurrent and the logarithm of AA concentration

2.7 修飾電極的穩定性

修飾電極的穩定性是電化學方法可靠性的前提條件。實驗中將PHQ/Cu/GCE電極貯存于冰箱內,每隔1 h取出,并置于含0.1 mol/L AA和0.1 mol/L PBS(pH=4.35)的溶液中測一次峰電流值,結果如圖8所示。由圖8可知,在9 h以內,AA在該電極上的電流基本保持不變,RSD=1.7%,表明該電極穩定性良好。

表1 干擾實驗(n=3)Table 1 Interference experiment(n=3)

2.8 干擾實驗

一種方法能否用于實際樣品的檢測,選擇性是一個很重要的因素,本文研究了幾種可能干擾物對AA測定的影響,實驗方法參照1.2.3,結果如表1所示。從表1中可以看出,對0.1 mol/L的AA溶液,在允許相對誤差(±5%)范圍內,10倍的下列共存物:葡萄糖、酒石酸、亮氨酸、甘氨酸、蔗糖、Ca2+、Na+、K+、Fe2+均不干擾測定。因此,該方法有良好的選擇性,可有效地應用于實際樣品的測定。

2.9 樣品測定

AA是果粒橙的主要成分之一。實驗中將果粒橙靜置取其上清液,采用標準加入法對果粒橙中的AA含量進行測定。結果如表2所示,樣品加標回收率在95.5%～109.1%之間,表明該法的準確度較高,可靠性強。

表2 樣品中AA的回收率測定結果Table 2 Recovery measurements of AA in the sample

3 結論

本文通過電沉積法成功制備了一種新型的聚對苯二酚/銅復合膜修飾電極,研究了AA在該電極上的電催化氧化行為。結果表明兩種修飾劑對AA的電催化氧化具有良好的協同催化作用,此電極在冰箱內貯存9 h,其電化學信號基本保持不變,電極的穩定性較好。通過干擾試驗的探究,表明電極選擇性良好,具有較強的抗干擾能力。采用標準加入法對果粒橙中的AA的含量進行了測定,回收率在95.5%～109.1%之間,表明該法準確度高,可以用于實際樣品的檢測。