阿魏酸在Au＠Cu2O/石墨烯修飾電極上的電化學行為及測定

朱麗云，黃連英，羅敏怡，石慧玲，肖世秀，馮 軍

（廣西科技大學 醫學部，廣西 柳州 545005）

0 引言

阿魏酸（Ferulic аcid）是一種天然的酚類抗氧化劑，存在于谷物的麩皮、蔬菜、水果以及中藥材如阿魏、當歸、川芎、酸棗仁中，具有生物活性，例如抗菌、抗炎、抗血栓形成等。在臨床上它主要用于冠心病、腦血管病、慢性腎病、脈管炎等疾病的治療。阿魏酸的抗氧化作用主要通過自由基的清除介導，從而抑制正常和應激生理條件下的脂質過氧化和細胞凋亡。它還具有一定的抗癌作用，通過降低癌細胞活力，從而抑制癌細胞的增殖和遷移。阿魏酸在醫藥、化妝品、食品添加劑等領域都有廣泛的應用，故對其進行靈敏檢測具有重要意義。目前對阿魏酸的檢測方法眾多，如高效液相色譜法、毛細管電泳法、紫外可見光譜法、熒光光譜法等。傳統檢測方法的預處理過程通常耗時較長、步驟繁瑣，且大多需要大型儀器，價格比較昂貴。相較而言，電化學方法因其具有靈敏度高、檢出限低、操作簡便等優勢，在藥物分析領域得到越來越多的應用。

具有金屬和半導體的核殼納米材料通常表現出優異的催化性能。氧化亞銅（CO）是一種窄帶隙P型半導體材料，因其獨特的電子、光學性質以及較好的穩定性等特點，在傳感器方面具有潛在的應用價值。用金納米顆粒（AuNPs）和CO 構建的Au＠CO 核殼納米材料兼具金納米顆粒的特性，可進一步提高導電性和催化性能。石墨烯（Grаphene,Gr）是一種二維碳材料，其比表面積大，機械性能和電子傳遞性能優異。將Au＠CO 與石墨烯復合有助于減少石墨烯片層間的聚集，增大納米材料在修飾電極上的比表面積。Au＠CO 和Gr二者的協同作用可進一步增強電子傳遞速率，可構建催化性能更優異的電化學傳感器。

將Au＠CO 核殼納米材料與石墨烯進行復合并作為電極修飾材料用于阿魏酸檢測的研究鮮有報道。文中采用循環伏安法（CⅤ）探究了阿魏酸在Au＠CO/Gr 修飾電極上的電化學行為，建立了一種檢測阿魏酸的電化學方法。實驗結果表明，該修飾電極對阿魏酸具有良好的電催化效果，促進了阿魏酸在修飾電極上的氧化還原，提高了檢測的靈敏度。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚乙烯吡咯烷酮（PⅤP）、檸檬酸三鈉、硝酸銅、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、硝酸鈉、高錳酸鉀、氯化鉀等均為分析純。氯金酸（HAuC·4O）購自國藥集團化學試劑有限公司。阿魏酸購自上海源葉生物試劑有限公司，使用前用無水乙醇配置成標準儲備液，置于4 ℃的冰箱中儲存備用。本實驗中所有溶液均采用超純水（＞18 MΩ）配制。

所有電化學測量均在CHⅠ660b型電化學工作站（上海辰華）上完成。電化學測量采用三電極體系，玻碳電極（GCE，直徑Φ=3 mm）或修飾電極作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極。形貌表征采用透射電子顯微鏡（FEⅠTаlos F200S）完成。

1.2 Au＠Cu2O/Gr復合材料的制備

1.2.1 石墨烯的制備

石墨烯的制備采用改進后的Hummers 法并參照前期的研究，將天然鱗片石墨在強氧化劑硝酸鈉和高錳酸鉀的作用下氧化得到氧化石墨，再將制備得到的氧化石墨超聲分散，然后用水合肼溶液進行還原，清洗后真空干燥備用。

1.2.2 Au＠CO的制備

金納米粒子（AuNPs）的制備：取100 mL 0.01%的氯金酸在攪拌下加熱至回流，接著將4 mL 1%檸檬酸三鈉溶液快速加入上述溶液中，溶液顏色由淺黃色變成無色再到紫紅色，當溶液顏色保持不變后，再回流15 min，移去加熱電源，攪拌冷卻至室溫，得到AuNPs。

Au＠CO 的制備參照文獻[16，21]方法制備：即取1 g PⅤP 置于250 mL 燒瓶中，加入50 mL 0.01 mol/L Cu（NO），攪拌至PⅤP全部溶解，加入2 mL 上述制備好的AuNPs，再立即加入34 mL 35%水合肼溶液，反應持續2 min，通過高速離心機進行離心分離，再用水和無水乙醇交替清洗，最后將得到的Au＠CO 核殼納米材料分散在無水乙醇中，置于4 ℃冰箱中保存。

將制備好的Au＠CO 和石墨烯按1∶1（體積分數比）比例混合進行超聲分散1 h，即得Au＠CO/Gr納米復合材料。

1.3 修飾電極的制備

玻碳電極預處理：依次用粒徑為0.30 μm 和0.05μm的A進行拋光打磨，去除電極表面的其他物質，之后依次用去離子水、無水乙醇對玻碳電極進行超聲清洗1 min，最后再用去離子水沖洗，晾干備用。在處理干凈的GCE表面滴涂Au＠CO/Gr復合納米材料，自然晾干，得到Au＠CO/Gr修飾的玻碳電極（Au＠CO/Gr/GCE）。

1.4 電化學檢測阿魏酸

實驗選擇磷酸鹽緩沖溶液（PBS）作為支持電解質，PBS 由0.1 mol/L 的磷酸氫二鈉和0.1 mol/L 磷酸二氫鉀溶液混合而成，含0.1 mol/L的KCl，通過鹽酸和氫氧化鈉調節PBS 的pH 值。采用循環伏安法和差分脈沖伏安法（DPⅤ）對阿魏酸在該修飾電極上的電化學行為進行研究，CⅤ的掃描速率為100 mⅤ/s，電位范圍為-0.2～0.8 Ⅴ。DPⅤ的電位范圍為0～0.6 Ⅴ，振幅為0.05 Ⅴ，脈沖寬度為0.2 s，所有測量在室溫下進行。

2 結果與討論

2.1 電極修飾材料的表征

采用透射電子顯微鏡（TEM）對制備得到的Au＠CO 和Au＠CO/Gr 納米材料的形貌進行表征，結果如圖1 所示。圖1（а）為Au＠CO 的透射電鏡圖，由圖可以清晰看見金納米粒子，單個直徑約為13 nm。同時可以看到CO 成功附著在金納米粒子表面，呈現核殼結構，一個Au＠CO 核殼材料存在一個或兩個金核，而周圍的殼則由許多CO 納米晶體組成，核殼納米粒子的直徑在50～70 nm。圖1（b）為Au＠CO/Gr 的透射電鏡圖，可以觀察到Gr 呈薄片狀，并且粒徑不一的Au＠CO 均勻分布在Gr 薄片上。采用能譜儀對Au＠CO 核殼材料進行元素分析，能譜圖如圖2所示，其主要元素為Cu、O、Au 元素。利用X 射線光電子能譜（XPS）測定了核殼材料的表面組分和化學態。圖3（а）是Au＠CO 全掃描譜，由Cu、O組成，由于核殼結構的殼層較厚，不能測到Au核。圖3（b）是Cu 2p 的高分辨光譜，932.4 eⅤ和951.6 eⅤ的結合能分別對應Cu（Ⅰ）的Cu 2和Cu 2。此外，在940～945 eⅤ范圍內沒有出現Cu（ⅠⅠ）的特征震動衛星峰，說明Cu（Ⅰ）在Au＠CO復合材料中占主導地位。結合TEM 的圖像、能譜的元素分析以及XPS 譜圖分析可知，制備得到的電極修飾材料為Au＠CO/Gr。

圖1 Au＠Cu2O和Au＠Cu2O/Gr的TEM圖

圖2 （網絡版彩圖）Au＠Cu2O的能譜圖

圖3 Au＠Cu2O XPS譜圖

2.2 阿魏酸在不同電極上的電化學響應

以0.1 mol/L 的PBS 為支持電解質，含有0.05 mmol/L 阿魏酸在不同修飾電極上的電化學行為如圖4所示。從圖中可以看出，阿魏酸在裸電極上呈現出一對非常小的氧化還原峰，說明裸電極導電性較差；而阿魏酸在Au＠CO/Gr修飾電極上背景電流明顯增大，表現出較強的電流響應，出現一對明顯氧化還原峰，峰電位分別為0.283 Ⅴ和0.146 Ⅴ，這表明復合納米材料所提供的巨大比表面積有效地增加了阿魏酸在電極表面的吸附濃度，納米材料具有良好的導電性和電子運輸性能，從而增強了阿魏酸在修飾電極上的電化學反應性能。

圖4 （網絡版彩圖）阿魏酸在不同修飾電極上的電化學行為

2.3 實驗條件的優化

為了進一步對阿魏酸進行高靈敏檢測，要對實驗因素進行優化，其中玻碳電極上納米材料的修飾量對傳感器的構建具有較大影響。在電極上分別滴涂不同體積的Au＠CO/Gr，測定含有相同濃度阿魏酸時的峰電流。如圖5 所示，隨著Au＠CO/Gr滴涂體積的增加，電極表面覆蓋率增加，阿魏酸的氧化峰電流響應也隨之增大，在滴涂體積為7 μL時峰電流最大，當再增加滴涂體積之后，電流響應逐漸減小，原因在于過厚的修飾層會在一定程度上阻礙電子傳遞，也更容易脫落，導致測定時不穩定，因此，本實驗選取的最佳滴涂體積為7μL。

圖5 Au＠Cu2O/Gr滴涂量對氧化峰電流的影響

緩沖溶液的pH 值也是影響目標物檢測的重要因素。用循環伏安法分別考察了不同pH 值的PBS溶液對同一濃度阿魏酸的電流響應，如圖6 所示。а—g 的pH 值分別為4、5、6、7、8、9、10，由圖可知，阿魏酸的氧化峰電位隨著緩沖溶液pH 堿性的增大向負電位方向偏移，氧化峰電流隨緩沖溶液堿性增強先增大后減小。如圖7 所示，在pH=7時，峰電流達到最大值；在pH＞7 之后，堿性越強，電流響應逐漸越小。因此，選擇pH 值為7 的PBS作為測試緩沖溶液。

圖6 （網絡版彩圖）阿魏酸在不同pH 值下的循環伏安圖

圖7 峰電流與pH值的關系

本實驗還考察了不同掃描速率下，阿魏酸在修飾電極上的電化學行為。圖8為不同掃描速率下的CⅤ圖，а—n 的掃描速率分別為0.02 Ⅴ/s、0.04 Ⅴ/s、0.06 Ⅴ/s、0.08 Ⅴ/s、0.10 Ⅴ/s、0.12 Ⅴ/s、0.14 Ⅴ/s、0.16 Ⅴ/s、0.18 Ⅴ/s、0.20 Ⅴ/s、0.22 Ⅴ/s、0.24 Ⅴ/s、0.26 Ⅴ/s、0.28 Ⅴ/s。由圖可見，阿魏酸的電流響應隨著掃描速率的增加而增大，并且峰電流與掃描速率呈正比，根據Lаviron 理論可以推測阿魏酸在Au＠CO/Gr/GCE表面受吸附控制。圖9為氧化峰電流和還原峰電流與掃描速率的關系，線性方程分別為（μA）=6.466ν+0.077 5 和（μA）=-9.399ν-0.222 6，線性相關系數分別為R=0.993 1 和R=0.993 5。

圖8 （網絡版彩圖）不同掃描速率下阿魏酸在修飾電極上的循環伏安圖

圖9 （網絡版彩圖）氧化峰電流和還原峰電流與掃描速率的關系

2.4 阿魏酸的電化學檢測

DPⅤ作為靈敏的電化學檢測方法，在定量分析中應用較多。在最優的實驗條件下，采用DPⅤ方法測定不同濃度阿魏酸在修飾電極上的電流響應，實驗結果如圖10 所示，隨著阿魏酸濃度的增大（а—f 的濃度分別為2.5 μmol/L、12.5 μmol/L、25.0 μmol/L、50.0 μmol/L、100.0 μmol/L、150.0μmol/L），還原峰電流響應不斷增大。插圖為阿魏酸的還原峰電流與濃度的線性關系，在2.5～150.0μmol/L 濃度范圍內，還原峰電流與阿魏酸的濃度具有良好的線性關系，線性回歸方程為：=-0.005c-0.026，線性相關系數R=0.993 2，檢測限為1.2μmol/L。

圖10 （網絡版彩圖）不同濃度阿魏酸的DPⅤ圖

2.5 傳感器的穩定性、重現性和抗干擾能力

3 結語

本文通過水熱法制備了石墨烯，將其與Au＠CO 核殼納米材料進行復合，并用于玻碳電極的修飾得到Au＠CO/Gr/GCE，利用電化學方法探究該修飾電極對阿魏酸的電化學響應。實驗結果證明該修飾電極顯著地提高了阿魏酸的電信號強度，主要歸因于Gr 和Au＠CO 的相互協同作用，二者提供了大比表面積和良好的導電性能以及納米材料所具有的高催化活性。修飾電極對阿魏酸表現出較好的選擇性、穩定性，但同時還存在一些問題，如線性范圍不夠寬、檢測限不夠低，在后續的研究中將對電極修飾材料進一步優化，不斷提高電極的性能，以便更好地應用于復雜成分中目標物的測定。