第26卷第5期2007年9月 分析测试学报
FENXI CESH I X UEBAO(J ournal of Ins tru m en talAnal ys i s)
V ol 26No 5
662~666
维生素C在多壁碳纳米管/壳聚糖复合膜
修饰玻碳电极上的电化学行为及测定
谭学才,韦冬萍,邓光辉,黄在银
(广西民族大学 化学与生态工程学院,广西 南宁 530006)
摘 要:研究了维生素C在多壁碳纳米管/壳聚糖复合膜修饰玻碳电极上的电化学行为及测定。实验结果表明,在0 2m o l/L PBS(p H6 0)缓冲溶液中,修饰电极对抗坏血酸的氧化具有明显的催化和增敏效应,其氧化峰电位由+0 5V负移至+0 1V(vs.A gC l/A g)。对修饰剂碳纳米管的用量、支持电解质、富集电位和富集时间等进行了优化。采用半微分伏安法进行定量测定,其线性范围为4 0 10-6~2 0 10-3mo l/L,r=-0 9983,检出限为1 0 m o l/L。对抗坏血酸在修饰电极上的电化学行为进行了探讨,其电极反应为具有吸附特性和不可逆的电极过程,测得参加反应的质子数为2,电极反应的电子转移系数为0 59。测定了维生素C药片中抗坏血酸的含量,回收率在93%~105%。
关键词:多壁碳纳米管;壳聚糖;化学修饰电极;维生素C;电化学行为;测定
中图分类号:O657 14 文献标识码:A 文章编号:1004-4957(2007)05-0662-05
E lectroche m i cal Behav i our and D eter m i nati on of V ita m i n C Based on
M ulti w alled Carbon N anotubes/Ch itosan Co mposite F il m M odified
G l assy Carbon E lectrode
TAN Xue-ca,i W E I Dong-ping,DENG Guang-hu,i HUANG Za-i y i n
(Co lleg e o f Che m istry&Eco l og ica l Eng ineer i ng,G uangx i U nivers it y for N ationa lities,N ann i ng 530006,Ch i na)
Abstrac:t E lectr oche m ica lbehav i o ur and deter m i n ation of v ita m i n C(Vc)based on m ulti w alled carbon nanotubes(MW CNTs)/ch itosan(CS)co mposite fil m m od ifi e d glassy carbon e lectrode w ere stud i e d.
The resu lts sho w ed that in0 2m ol/L PBS(pH6 0)bu ffer solution,the GC/CS+MW C NTs exh i b ited
a re m arka
b le electrocatalysis and enhance m ent effect on ox i d ation of the Vc.The ox idati o n peak po ten-
tial o fV c shifted negati v e l y fr om+0 5V at bare GC to+0 1V a tGC/CS+MW CNTs.So m e exper-i m en tal conditions w ere opti m ized.The li n ear range bet w een the peak current and the concentration of V c w as4 0 10-6-2 0 10-3m o l/L(r=0 9983)w ith a detection li m it of1 0 m o l/L by usi n g se m i d ifferential vo lta mm etry.The e lectroche m ical behav i o rs of the V c were studied,and the e lectrode pr ocess w as irreversible w ith adsorptive characteristics.E lectron transfer coe fficient( =0 59)and pr o ton num bers(X=2)have been de ter m ined.Th ism e t h od has been used to deter m i n e the con tent of t h e Vc in m edical tablets.The recovery w as deter m i n ed to be93%-105%by m eans of standard add-i ti o n m e t h od.
Key w ords:M ulti w a ll e d car bon nanotubes;Ch itosan;Che m icalmodified electrode;V ita m i n C;E lec-troche m ical behav i o r;De ter m ination
维生素C(V ita m in C,以下简写为Vc,又称抗坏血酸)广泛存在于食品、药物及人体中,它能够参与许多生物体内的反应,是维持生命活动的重要成分之一,其含量的测定是重要的疾病诊断和营养评价指标[1]。目前已报道的有关抗坏血酸的测定方法有碘量法[1],电化学方法[2]、色谱法[3]、毛细管电泳法[4]、火焰原子吸收光谱法[5]、分光光度法[6]等。由于抗坏血酸在碳电极或金属电极上的氧化需要较高的氧化电位,因此在检测过程中易受到其它生物物质的干扰,近年来,采用各种具有催化特性的化学修饰电极降低检测抗坏血酸的氧化电位的研究受到了广大电分析化学工作者极大的重视。
收稿日期:2006-08-04;修回日期:2006-12-10
基金项目:国家民委科研项目资助(05GX04);广西科学基金资助项目(0342018;0639025);广西高校百名中青年学科带头人资助项目(RC20060703005);广西教育厅科研资助项目(20050712);广西民族大学博士启动基金资助项目(0509QD015)
作者简介:谭学才(1964-),男(土家族),湖北巴东人,教授,博士,Te:l0771-*******,E-m ai:l tanxc118@163 com
第5期谭学才等:维生素C 在多壁碳纳米管/壳聚糖复合膜修饰玻碳电极上的电化学行为及测定 由于碳纳米管(carbon nanotubes ,CNTs)具有独特的空间结构、优良的导电和催化活性等性质,目前其在化学修饰电极和电化学生物传感器等领域成为研究热点[7]。文献已报道的碳纳米管分散剂为N,N-二甲基甲酰胺、疏水性表面活性剂双十六烷基磷酸(D H P)、Nafi o n 、十二烷基苯磺酸钠、DNA 等。
Jiang 等[8]利用壳聚糖分散多壁碳纳米管研制修饰电极详细研究了具有可逆性的多巴胺的电化学行为,
并对多巴胺和抗坏血酸的同时测定进行了研究。本文在上述文献的基础上,对多壁碳纳米管进行了羧基化处理和物理表征,然后以羧基化多壁碳纳米管/壳聚糖复合膜修饰玻碳电极为工作电极研究了具有不可逆性的维生素C 的电化学行为,探讨了修饰电极电催化的机理,测定了有关电极反应参数,并用所建立的方法对实际样品进行了测定。
1 实验部分
1 1 仪器与试剂
C H I660A 型电化学工作站(上海辰华仪器公司),三电极系统:工作电极为碳纳米管修饰玻碳电极,参比电极为Ag /AgC l 电极,辅助电极为铂丝电极。EQU I N OX-55型傅立叶变换红外光谱仪(B ruker ,Ger m any)。JS M-6330F 型场发射扫描电子显微镜(H itach,i Japan)。加速电压为20kV 的JE M-2010型透射电子显微镜(H itach,i Japan)。
多壁碳纳米管(纯度大于95%,中科院成都有机化学研究所)。壳聚糖(脱乙酰度99%,上海伯奥生物科技有限公司)。抗坏血酸标准品(分析纯99 7%,天津市天新精细化工开发中心)。称取0 5g 壳聚糖溶于100mL 1 0%的醋酸溶液中,超声振荡30m in 得0 5%壳聚糖储备溶液。电极修饰剂的配制:称取1 0m g MWCNTs 于1 0mL 0 5%CS 中,超声分散30m in ,得1 0m g MW CNTs/mL 的黑色悬浊液。实验所用水为二次蒸馏水,其余试剂均为分析纯。
1 2 多壁碳纳米管的预处理
称取0 5g 多壁碳纳米管分散于60mL 4 0mo l/L H C l 中,超声处理4h 后,再用二次蒸馏水洗至中性。上述处理过的碳纳米管再用60mL 浓HNO 3和浓H 2SO 4(体积比1 3)的混合液超声处理4h ,用二次蒸馏水洗至中性,100 真空干燥4h 。
1 3 壳聚糖-碳纳米管修饰电极的制备
玻碳电极( 3mm )的处理方法见文献[7]。在洁净的玻碳电极表面用微量注射器滴涂一定量的CS-MW CNTs 修饰剂,在红外灯下烘干,自然冷却后备用,修饰电极表示为GC /CS-MW C NT s 。在使用前,修饰电极先在底液里面循环扫描6周。
1 4 实验方法
取适量V c 于10mL 带刻度试管中,加入1m L 2m o l/L PBS(p H 6 0)溶液,用水稀释至刻度并摇匀,转入电解池中,通入高纯N 2除O 210m i n ,以GC /CS -MW C NT s 为工作电极,
定性研究采用循环图1 多壁碳纳米管的扫描电镜图F i g 1 SE M i m ag e o f t he m ulti wa lled carbon nano t ubles
伏安法,定量测定时则对阳极化(氧化)方向扫描所记录伏安曲线先进行背景扣除,再进行半微分处理。除非特别说明,在条件实验中扫描前静置时间为2s ,扫描速率为50mV s -1
,实验在25 下进行。2 结果与讨论
2 1 MW C NTs 的物理表征
图1和图2分别是羧基化的MW C NTs 分散于壳聚
糖中的SE M 和TE M (放大10万倍)图,可见,分散效
果较好,由图2可以看出MW CNTs 的长度大约在5 m
左右,直径大约在8~15nm 之间。
图3是MWCNTs 的红外光谱图。图3a 是未经浓
HNO 3和H 2SO 4的混合液(体积比1 3)处理过的MW C -
NTs 的红外光谱图,可以看出它没有明显的吸收特征峰。
而图3b 是经浓HNO 3和H 2SO 4的混合液(体积比1 3)处理过的MW C NTs 的红外光谱图,可见由于混酸的强氧663
分析测试学报第26
卷
化性,从而使处理过的MWCNTs 表面引入了羧基 COOH (1710
c m -1)、羧酸根基团 COO -(1568c m -1,可能是在水洗过程中
MW C NTs 表面的羧基发生了H +电离而生成)、羟基 OH (3440
c m -1)和C OH (1185c m -1)等含氧基团。
2 2 Vc 在GC /CS-MWCNTs 上的电化学行为
2 2 1 Vc 在不同电极上循环伏安特性的比较 图4为裸电
极(GC )、壳聚糖膜修饰电极(GC /CS)、碳纳米管-壳聚糖修
饰电极(GC /CS -MW CNTs)对V c 响应的比较图。由图可见,
在-0 3~0 8V 范围内,Vc 在不同电极上均有一氧化峰,但
它们发生氧化的峰电位及峰电流的大小不同,与GC 相比,Vc
在GC /CS 上的峰电位基本没变,但峰电流有所降低,这是因
为CS 膜对Vc 的扩散及电子转移有一定的阻碍作用;GC /CS
-MWCNTs 对V c 的氧化具有明显的催化作用,峰电位由GC
上的+0 5V 负移至+0 1V,氧化电位降低了约0 4V,同时
峰电流明显增加。另外注意到GC /CS-MW CNTs 于底液中在
0 0V 附近有一对氧化还原峰,这一对峰是由MWCNTs 上的
羧基产生的,这与文献报道的结果一致
[9]。对于碳纳米管修饰电极的这种催化和增敏作用的机理按照Co m pton [10]等的观点,可理解如下:从本质上来说,碳材
质电极上的催化和增敏作用都是由于电极表面缺陷引起的。
对于抛光良好的常规玻碳电极,由于电极表面缺陷密度较小,
因此电极表面略显惰性,电极反应主要受一维线性扩散所控
制,电流密度低,伏安曲线斜率较小,表现出来的是被测物
质的峰电位拖后,而且峰电流较低,灵敏度不高(如图4的曲
线2或3所示)。对于碳纳米管修饰电极,相当于在玻碳电极
上增加了表面缺陷的密度,所有的表面缺陷的总和相当于碳
纳米管微电极阵列。与常规电极的一维扩散理论不同,纳米
电极的电化学理论是建立在多维扩散基础之上,纳米电极由
于存在强烈的边缘效应而具有区别于常规电极的两个重要特
性,即电流能在短时间内迅速达到稳态,且比常规电极大得
多的电流密度。需要说明的是,由于单一微电极表面主要受
球形扩散控制,电极上的扩散独立进行,彼此之间不发生重
叠,而对于碳纳米管微电极阵列,随着扩散的进行,每个单
一微电极的扩散场之间会发生重叠,阵列电极的扩散最终成
为整个几何平面上的线性扩散[11]。总的而言,对于这种以球
形扩散为主体的电化学行为,电极表面的电流密度较大,在
伏安曲线形状上表现为斜率较大,峰形较一般的玻碳电极尖
锐,峰电流增大,氧化或还原的过电位降低,灵敏度提高(如
图4中曲线5所示)。
2 2 2 pH 对Vc 在GC /CS-M W CNTs 上的电化学行为的影
响 图5为p H 对Vc 的峰电流及峰电位的影响。由图可见,随着p H 的增加,峰电流呈下降趋势,这有两个方面的原因,一是V c 在碱性溶液中不稳定,二是当p H 大于CS 的等电点(p H 6 3)时不利于对V c 的吸附。随着pH 的增加,氧化峰电位线性负移,其关系为:V p (V )=0 392-0 081p H,r =-0 9961。对于不可逆电极过程[12],有d V p /dp H =0 059X / n ,式中X 即为参与电极反应的H +
数,由此可以算得本体系的 n =0 73X ,又由后面扫速的影响实验可求得 n =1 19,则可得到参加反应的质664
第5期谭学才等:维生素C 在多壁碳纳米管/
壳聚糖复合膜修饰玻碳电极上的电化学行为及测定子数为1 63,约等于2。本实验采用p H
6 0,在此条件下灵敏度较高。
2 2
3 扫描速率的影响 图6A 为同一
浓度不同富集时间(t acc )的情况下扫描速
率对峰电流的影响。由图可见,t acc =2s
时(图6A 中曲线b),I p 与v 1/2呈线性增
加关系,而当t acc =30s 时(图6A 中曲线
a),I p 随着v 1/2增加呈向上弯曲。这说明
吸附时间越短,电极反应受扩散控制,
表现为I p 与v 1/2呈线性增加关系,而当
吸附时间越长时,由于富集在电极表面
的V c 浓度增加,电极反应主要为受吸附
控制,表现为I p ~v 1/2向上弯曲[13]。
图6B 为相同富集时间不同浓度改变
扫描速率对峰电流的影响。由图6B 可
见,当浓度为3 33 10-3m o l/L 时,I p
~v 曲线呈向下弯曲趋势(图6B 中曲线
b),表明反应在此浓度下主要受扩散控
制,而当浓度为6 45 10-4m o l/L 时,
I p ~v 曲线呈直线关系(图6B 中曲线a),说明此时电流主要受吸附控制[13]。
图7为扫速对Vc 电极反应峰电位的影响。可见,随着扫描速率的增加,电位逐渐正移。进一步考察20~100mV s -1范围内V ~l n v 的关
系,得到以下方程:V =0 021+0 017l n v ,r =0 9927。由V =V 0+(R T / n F )ln(R Tk s / n F)-(R T / n F)ln v ,可算得 n =1 19。因Vc 的电化学氧化为典型的2电子2质子反应,则由此可算得 为0 59。
2 3 实验条件的选择
2 3 1 碳纳米管修饰剂用量选择 随着修饰剂用量的增加,峰电流先是呈增加趋势,当修饰剂用量在4~6 L 范围内峰电流基本上不变;当修饰剂用量超过6 L 以后,峰电流稍有下降,这可能是修饰层厚度增加使电极表面电阻增大的缘故。所以在本实验中修饰剂用量为4 L 。
2 3 2 支持电解质及其浓度的选择 考察了0 2m o l/L 的PBS 、B -R 、NH 3-NH 4C l 缓冲体系,其中以0 2m o l/L 的PBS 峰形最好,同时考虑到壳聚糖易溶于醋酸及其在近中性的条件下较易成膜,所以选择p H 6 0的0 2m o l/L PBS 缓冲液作为底液。底液浓度在0 05~0 15m o l/L 之间时,峰电流随着底液浓度的增加而增加;在0 15~0 20m o l/L 之间,基本达到平台;而当底液浓度超过0 20m o l/L 后,峰电流随着底液浓度的增加迅速下降。所以选择0 20m o l/L 的PBS 缓冲液作为支持电解质。
2 3 3 富集电位选择 在富集电位为-0 4~-0 5V 时,峰电流基本保持不变,而当富集电位超过-0 4V 时,峰电流开始下降,这可能是Vc 在超过-0 4V 后开始起峰的缘故。所以在定量分析时采用富集电位为-0 4V 。
2 3 4 富集时间的选择 富集时间对峰电流的影响如图8所示。由图可见,浓度越低则达到吸附平衡所需要的时间越长(如曲线a),而浓度越大则达到吸附平衡所需要的时间越短(如曲线b 、c)。另外,从图8c 还可以看出,对高浓度体系,若吸附时间过长,峰电流反而会有所下降,这可能是脱附引起的,也是有机物常有的电化学行为。所以在定量分析时,综合考虑灵敏度和线性范围,将采用30s 作为测定前的富集时间。665
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2 4 分析应用
2 4 1 修饰电极的重现性及Vc 溶液的稳定性 同一支电极每
次测量完毕后,电极在缓冲液里循环扫描6圈进行表面更新,
重复测量10次得到电极的相对标准偏差为1 8%。在相同条件
下制作5支电极对同一样品溶液测定,不同电极之间测定值的
相对标准偏差为2 9%。以上说明电极重复性良好。溶液配制
后4h 之内对测定结果基本无影响。
2 4 2 干扰实验 在含1 0 10
-3m o l/L V c 的PBS 溶液中,加入500倍的K +,Na +,C l -;50倍的葡萄糖,乳酸,草酸,
谷氨酸,精氨酸,组氨酸;20倍的尿酸,亚硝酸盐及荷正电的
多巴胺、肾上腺素等物质对测定结果无明显干扰。以上结果表
明,此修饰电极对Vc 有较好的选择性。
2 4
3 线性范围与检出限 配制一系列的Vc 标准溶液按以下
条件制作标准曲线:起扫电位-0 4V,富集时间30s ,支持电
解质为0 2m o l/L PBS(pH 6 0)缓冲液,采用半微分伏安法,同
时扣除背景得标准曲线方程为I p (A )=-4 98 10
-6-0 03c (m o l/L),线性范围为:4 0 10-6~2 0 10
-3m o l/L ,线性相
关系数r =-0 9983,检出限为1 0 m o l/L 。2 4 4 药物片剂中Vc 含量的测定 取5片维生素C 药片(标
示值0 10g /片)用研钵研碎,用水溶解,定容至50mL,得片
剂储备液。取其中200 L 用PBS 缓冲液定容至10mL ,测量6
次,测定结果在0 09~0 13g 之间,RSD 在1 9%~2 7%之间。
回收率测定时取100 L 片剂储备液以及0 25m L 标准品储备液
用PBS 缓冲液定容至10mL ,平行测量3份,回收率在93%~105%之间。
参考文献:
[1] 中华人民共和国卫生部药典委员会.中华人民共和国药典(二部)[M ].北京:化学工业出版社,1995:824-827.
[2] WANG S F,DU D.D ifferentia l pu lse vo lta mm e try deter m i na ti on of asco rb i c aci d w it h ferro cene --l cyste i ne se l-f asse m bled
supra m o lecu l ar fil m m odified e lectrode[J].Sens A ctua tors B ,2004,97:373-378.
[3] J ENS L .De ter m i nati on o f ascorb i c ac i d and dehydroasco rb i c ac i d i n b i o log i ca l sa mp les by h i gh -per f o r m ance li qu i d chro m a -
tography using subtracti on m e t hods :reli able reduction w ith tr i s[2-carboxye t hy l]pho sph i ne hydroch l or i de [J].A na l B io -chem ,2000,282:89-93.
[4] TANG Y,WU M.A qu ick me t hod f o r the s i m u ltaneous deter m i nati on o f asco rb i c acid and so rb i c acid i n fru it j uices by
capill a ry zone e l ec trophoresis[J].T alanta ,2005,65:794-798.
[5] YEBRA M C ,CESP N R M,MORENO -CID A.A uto m atic deter m i nati on o f ascorb i c ac i d by fla m e ato m ic absorption
spectro m etry[J].A na l Chi m A c ta ,2001,448:157-164.
[6] EN S A F I AL I A,R EZA EI B ,M OVAHED I N I A H.K i ne ti c -spectrophoto m e tric deter m i nati on o f ascorb ic ac i d by inh i bition
of the hydroch l o ric acid-bro m ate reaction[J].Spectroch i m A cta A,2002,58:2589-2594.
[7] TAN X C ,L I M J ,CA I P X,e t a.l A n a m pe ro m e tric cho lestero l b i osensor based on mu lti-w a lled carbon nanotubes and
organ ica lly mod ified sol-ge l/chitosan hybrid[J].A na l B ioche m,2005,337(1):111-120.
[8] JI ANG L Y,L I U C Y,JI ANG L P ,et a.l A chitosan -m ulti wa ll carbon nano t ube mod ified e l ec trode for si m u ltaneous detec -
tion o f dopam ine and asco rbic ac i d[J].A nal Sc,i 2004,20(7):1055-1059.
[9] LUO H,S H I Z ,L I N,e t a.l Investi gation o f the e lectroche m ica l and electrocata l y ti c behav ior of sing le -w a ll carbon nano -
tube fil m on a g lassy ca rbon e l ec trode[J].A nal Che m,2001,73:915-920.
[10]BANK S C E ,DAV IES T J ,W I LDGOO SE G G,e t a.l E lectrocata l y si s at g raph ite and carbon nanotube m odified elec -
trodes :edg e -p l ane sites and t ube ends are the reac tive sites[J].Che m Co mm un ,2005,17(7):829-841.
[11]赵 燕,张亚利,焦 奎.纳米阵列电极研究进展[J].大学化学,2004,19(5):1-7.
[12]丁世家,张诅训.线性变位极谱法研究(ⅩⅤ)-铜(Ⅱ)-L -肾上腺素配位吸附波[J].高等学校化学学报,1991,
12(5):598-601.
[13]李启隆.电分析化学[M ].北京:北京师范大学出版社,1995:378-399;527-545.666