石墨烯電化學傳感器檢測原兒茶酸的方法研究*

曾德福，李 寧，徐偉航，趙運雙，王 詩，舒 婷

(湖北科技學院藥學院，湖北 咸寧 437100)

原兒茶酸(protocatechuic acid，PCA)是一種常見的簡單酚類化合物，化學名稱為3，4-二羥基苯甲酸。原兒茶酸針對不同的分子靶點具有多種的生物活性，在抗炎抑菌、抗氧化、降血糖以及神經保護等方面有明顯作用，此外原兒茶酸具有潛在的化學防護的作用，它能夠抑制體外的化學致癌物質以及在不同方面促凋亡和抗增殖[1-3]。但吸入過量的原兒茶酸，會引起呼吸急促、精神不振以及俯狀不動等中毒癥狀，所以對原兒茶酸含量的檢測是不容忽視的[4]。目前原兒茶酸主要的檢測方法有高效液相色譜法[5-8]，另外有相關研究報道一種以四氮雜大環銅配合物為催化劑的經典非線性化學振蕩體系對原兒茶酸進行分析和測定[9]。與這些檢測方法相比，電化學方法具有樣品前處理簡單、設備便宜和響應迅速等特點。目前基于電化學方法檢測原兒茶酸已有相關報道[10-13]，但是單獨的石墨烯(Gr)用于修飾玻碳電極(GCE)測定原兒茶酸還未見報道。石墨烯作為修飾劑用于修飾電極的構筑，能明顯增加電極的有效面積，增強電流響應信號，改善電化學物質的電極反應可逆性，提高電極檢測的靈敏度[14-17]。本工作利用滴涂法將石墨烯修飾到玻碳電極表面上得到Gr/GCE工作電極，利用循環伏安法(CV)探究原兒茶酸在修飾電極上的電化學行為，發現石墨烯對原兒茶酸具有良好的電催化活性，有望構建一種新型的、靈敏的石墨烯電化學傳感器用于真實樣品中原兒茶酸的含量測定。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

SU8020掃描電鏡(日本日立公司)；CHI660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；KQ5200DE型超聲波清洗機(昆山市超聲儀器有限公司，40kHz，200W)；電化學測試運用經典的三電極體系，工作電極為石墨烯修飾的玻碳電極(直徑為6mm)，鉑電極為對比電極，氯化銀電極為參比電極。

石墨烯(中國科學院成都有機化學有限公司，純度99%)；鐵氰化鉀、氯化鉀、無水乙醇(國藥集團化學試劑有限公司，分析純)；3，4-二羥基苯甲酸(上海麥克林生化科技有限公司，≥97.09%)；鹽酸(信陽市化學試劑廠，分析純)；實驗所用其他試劑均為分析純，實驗用水均為去離子水。

1.2 石墨烯修飾電極的制備

1.2.1 玻碳電極的預處理

玻碳電極用適量的0.05μm三氧化二鋁粉末在絨布上打磨至鏡面，用RO水清洗干凈后，利用循環伏安法在5mmol/L鐵氰化鉀溶液中檢測電極可以使用后，用RO水、乙醇、RO水依次超聲清洗1～3min，用氮氣吹干備用。

1.2.2 石墨烯修飾電極的構建

參照文獻[10]，取2.0mg石墨烯，加入1mL的無水乙醇中，超聲分散均勻制得2.0mg/mL的石墨烯乙醇分散液。取8μL上述分散液滴于清潔好的玻碳電極上，室溫條件下自然晾干，得到石墨烯修飾電極(Gr/GCE)。

1.3 實驗方法

將三電極系統插入0.1mol/L鹽酸緩沖溶液中，利用循環伏安法(CV)探究原兒茶酸的電化學行為和氧化峰峰電流與原兒茶酸濃度的線性關系。

2 結 果

2.1 石墨烯的表征

從圖1的掃描電鏡(SEM)可以觀察到石墨烯呈成片狀褶皺結構，表面形貌均勻，可以為工作電極表面提供更大的活性面積，疏松多孔的表面結構有利于原兒茶酸吸附在電極表面，提高電子的傳輸效率，增大傳感器的峰電流響應。

圖1 石墨烯的SEM圖

2.2 原兒茶酸在石墨烯修飾電極上的電化學行為

利用 CV，在掃描速度為0.10V/s、掃描范圍為0.3～0.8V下，探究了裸玻碳電極(GCE)和石墨烯修飾玻碳電極(Gr/GCE)在0.1mol/L鹽酸緩沖溶液中對0.01mmol/L的原兒茶酸的電化學行為。從圖2中可以看出在裸GCE(a)上有一對的氧化還原峰，峰電位分別在0.65和0.63V附近，峰電流分別為18.5和7.7μA；在Gr/GCE(b)上有明顯的氧化還原峰，峰電位分別在0.65和0.64V附近，峰電流為98.5和78.2μA?？梢?，石墨烯修飾的電極峰電流響應明顯增大，說明該修飾電極對原兒茶酸具有良好的電催化活性。從圖2的曲線中可以看出，Gr/GCE較裸GCE峰電流明顯增加，主要由于石墨烯材料具有較大的比表面積和較強的電子傳導能力。

a-GCE；b-Gr/GCE

2.3 實驗條件的優化

2.3.1 支持電解液的選擇

利用CV探究了0.1mol/L鹽酸溶液(a)、0.1mol/L硫酸溶液(b)、0.1mol/L醋酸-醋酸鈉溶液(c)、0.1mol/L檸檬酸-檸檬酸鈉溶液(d)對0.01mmol/L原兒茶酸電催化活性的影響。固定掃描速度為0.10V/s，掃描范圍為0.3～0.8V，在不同的支持電解質溶液中對0.01mmol/L原兒茶酸進行測定得到CV圖。結果如圖3(封三)所示，不同的電解液會影響原兒茶酸的出峰位置，另外可以看出以0.1mol/L的鹽酸作為支持電解質溶液，對原兒茶酸有明顯的氧化還原峰且峰電流響應最大，峰型最佳，所以選擇0.1mol/L鹽酸溶液作為支持電解液。

2.3.2 石墨烯用量的選擇

用循環伏安法探究了修飾電極在石墨烯分散液濃度為0.5、1、1.5、2、2.5、3.0mg/mL以及滴涂量為3～10μL的條件下對0.01mol/L原兒茶酸的檢測效果，實驗結果圖4所示。由于石墨烯良好的導電性，隨著石墨烯的濃度和滴涂量的增加，會使原兒茶酸的峰電流逐漸增大。但玻碳工作電極的有效表面積有限，修飾材料過多會阻礙電子傳輸。如圖4(封三)所示，隨著石墨烯分散液濃度和滴涂量的增加，原兒茶酸的峰電流響應增加，當分散液濃度達到2.0mg/mL和滴涂量達到8μL時峰電流響應最大，接著峰電流開始逐漸減小。所以本實驗選擇8μL的2.0mg/mL的石墨烯分散液作為電極修飾材料的用量。

2.3.3 掃速、累計時間、累積電位的選擇

利用循環伏安法，在0.1mol/L鹽酸緩沖溶液中，掃描范圍為0.3～0.8V條件下，考察了0.01mmol/L的原兒茶酸在掃描速度10～200mV/s的范圍內氧化還原峰電流Ipa和Ipc與掃描速度V之間的關系。結果如圖5(封三)所示，隨著掃描速度的增加，峰型逐漸變窄，氧化和還原峰的峰電流不斷增強，但是為了考慮實驗的時間成本，該實驗選擇了0.1V/s。峰電流與掃速的一次方呈良好的線性關系，線性回歸方程為Ipa=1.7562V+2.9891(R2=0.9993)，Ipc=1.4756V-6.6154(R2=0.9998)，這表示原兒茶酸在石墨烯修飾電極上的反應速度受吸附控制。

累計時間和累計電位對峰電流響應也有一定的影響，因此，對該參數的選擇也有重要的意義。在0.1mol/L鹽酸緩沖溶液中，加入0.01mmol/L原兒茶酸，在掃速0.10V/s，掃描范圍為0.3～0.8V條件下，利用循環伏安法分別探究了累計時間(60、90、120、150、200、250、300s)和累計電位(0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8V)，如下圖6、7(封三)所示。故該實驗選用0.6V作為累計電位，300s作為累計時間。

2.4 原兒茶酸的電化學測試

在最優條件下，將含有不同量的原兒茶酸溶液a～h(0.0005、0.001、0.005、0.01、0.03、0.05、0.08、0.1mmol/L)加入電解池中，以修飾電極為工作電極，以循環伏安法(CV)為檢測方法，探究不同濃度原兒茶酸氧化峰的峰電流響應情況。從圖8(封三)中可以看出原兒茶酸在0.0005～0.1mmol/L范圍內有良好的線性關系，線性回歸方程為I(μA)=-2493.5C(mmol/L)-9.15(R2=0.993)，最低檢測限為0.28μmol/L(S/N=3)。

2.5 電極的重現性、干擾性

平行制備5根Gr/GCE，利用CV在0.1mol/L鹽酸緩沖溶液中對0.001mmol/L原兒茶酸進行檢測，結果表明5組氧化峰峰電流的RSD為3.2%，說明該電極具有較好的重現性，如圖9所示。利用CV探究了常見干擾物對Gr/GCE 檢測原兒茶酸的影響，實驗結果表明，Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金屬離子，200倍抗壞血酸、多巴胺，20倍的水楊酸、對羥基苯甲酸對原兒茶酸測定不產生明顯干擾，說明制備的Gr/GCE對原兒茶酸的測定具有一定的抗干擾性和選擇性。

圖9 Gr/GCE電極測定0.001mmol/L原兒茶酸重現性的柱形圖

3 討 論

基于石墨烯修飾電極構建了原兒茶酸的電化學分析方法，該方法具有制備成本低、快速、簡便等優點。在最佳實驗條件下，以0.1mol/L的鹽酸緩沖溶液為支持電解質，原兒茶酸在0.0005～0.1mmol/L的濃度范圍內有良好的線性關系，線性回歸方式為I(μA)=-2493.5C(mmol/L)-9.15(R2=0.993)，檢測限為0.28μmol/L(S/N=3)。說明該石墨烯修飾電極對原兒茶酸有良好的電催化活性，具有較寬的線性范圍、低檢測限和良好的抗干擾性，有望用于真實樣品原兒茶酸的檢測。