氧化石墨烯/鐵氰化鈰修飾玻碳電極同時測定撲熱息痛和咖啡因

摘 要 采用滴涂法和電沉積法制備了氧化石墨烯/鐵氰化鈰（CeFe（CN）6）納米復合膜修飾玻碳電極。用掃描電鏡對氧化石墨烯和氧化石墨烯/CeFe（CN）6納米復合膜進行了表征。分別用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法研究了撲熱息痛和咖啡因在修飾電極上的電化學行為。結(jié)果表明，在0.1 mol/L醋酸鹽緩沖溶液（pH 5.0）中，撲熱息痛和咖啡因在此修飾電極上具有良好的電化學行為，撲熱息痛和咖啡因分別在1.0×10

Symbolm@@ 7～6.0×10

Symbolm@@ 5 mol/L 和1.0×10

Symbolm@@ 6～1.3×10

Symbolm@@ 4 mol/L濃度范圍內(nèi)與電化學響應信號呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.990和0.992；信噪比為3時，撲熱息痛和咖啡因檢出限分別為5.0×10

Symbolm@@ 8 mol/L和5.2×10

Symbolm@@ 7 mol/L。將本方法用于人尿樣品分析，回收率為96.1%～105.4%。

關(guān)鍵詞 差分脈沖伏安法； 氧化石墨烯； 鐵氰化鈰； 撲熱息痛； 咖啡因

2011-05-25收稿；2011-10-18接受

本文系河南省高校科技創(chuàng)新人才基金項目（No.2010HASTIT025） 資助

* E-mail: luxianchunxy@126.com

1 引 言

撲熱息痛是一種被廣泛使用的退熱和止痛藥物[1]。咖啡因是一種生物堿，能刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)、利尿和促進胃液分泌以及止痛[2]。撲熱息痛和咖啡因常被共同作為某種止痛藥物的有效成分。然而，過量的攝入撲熱息痛或者咖啡因會對人體造成傷害。目前，測定撲熱息痛和咖啡因的常用分析方法主要有高效液相色譜法[3]和滴定法[4]等。這些方法所需儀器昂貴，或樣品處理過程耗時。電化學分析法[5]具有靈敏度高、儀器簡單、分析成本低等優(yōu)點，已被廣泛應用于生物活性分子的靈敏測定。

石墨烯是近年備受關(guān)注的新型二維平面納米材料。它由一薄層包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子組成，其厚度僅為0.35 nm。石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)使它具有許多獨特的性質(zhì)，如良好的導電性能和優(yōu)良的機械性能、比表面積大、合成方法簡單、所用原料價格低、易于修飾等。目前，石墨烯已在化學、電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應用[6～9]。

鈰的化合物具有好的導電性能和催化性能，已被廣泛用于催化劑和電化學傳感器等。本實驗將氧化石墨烯和鐵氰化鈰（CeFe（CN）6）結(jié)合，制備了氧化石墨烯/CeFe（CN）6納米復合膜修飾玻碳電極，研究了撲熱息痛和咖啡因在修飾電極上的電化學行為。氧化石墨烯/CeFe（CN）6納米復合膜兼具CeFe（CN）6 好的催化性能和氧化石墨烯優(yōu)良的導電性能。本研究結(jié)果表明，此電極對于撲熱息痛和咖啡因的氧化反應具有良好的電催化性能，顯著提高了分析方法的靈敏度。2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CHI660A電化學工作站（上海辰華儀器公司）；超越系列自尊型X型精密電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；pHS-3C精密pH計（上海雷磁儀器廠）；UC-300超聲波清洗器（寧波科生儀器廠）；三電極體系：氧化石墨烯/CeFe（CN）6納米復合膜修飾玻碳電極為工作電極（d＝3 mm），飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑絲電極為對電極。

石墨粉（高純，上海試劑廠）；肼、氨水（分析純，上海試劑廠）；撲熱息痛、咖啡因（分析純，Sigma公司）。醋酸鹽緩沖溶液（ABS）由0.1 mol/L醋酸和醋酸鈉配制而成。其它試劑均為分析純，實驗用水均為二次蒸餾水。

2.2 氧化石墨烯的制備

氧化石墨烯（GO）根據(jù)文獻[10]采用Hummers和Offeman法制備。在冰浴條件下，5 g 石墨粉緩慢加至濃H2SO₄ （87.5 mL）和濃HNO₃ （45 mL）的混合溶液中，再將55 g KClO₃ 緩慢加入到上述混合物中，在室溫下攪拌80 h，所得產(chǎn)物倒入水中并過濾，在80 °C干燥后即得GO。由GO的掃描電鏡圖（圖1a）可見石墨烯典型的褶皺片層結(jié)構(gòu)。

2.3 修飾電極的制備

將1 mg GO加至1 mL水中，超聲分散20 min，得到1 g/L淺黑色的GO懸浮液。玻碳電極（有效直徑3 mm）依次用0.3和0.05

SymbolmA@ m氧化鋁粉在麂皮上拋光至呈鏡面，再依次在無水乙醇和水中超聲清洗3 min，

Fig．1 SEM image of graphene oxide （GO）/GCE （a） and graphene oxide-cerium hexacyanoferrate modified glassy carbon electrode （CHF/GO/GCE） （b）

用紅外燈烘干。用微量進樣器取20

SymbolmA@ L GO懸浮液，滴加在玻碳電極表面，在空氣中放干，即制得GO修飾玻碳電極（GO/GCE）。將電極置于含有5 mmol/L Ce（NO₃）₃， 5 mmol/L K₃Fe（CN）6和0.5 mol/L KCl的溶液中，在

Symbolm@@ 0.2～0.8 V范圍內(nèi)循環(huán)伏安掃描40圈，用水沖洗干凈， 晾干， 即可得到氧化石墨烯/CeFe（CN）6修飾玻碳電極（CHF/GO/GCE）。從CHF/GO/GCE的掃描電鏡圖（圖1b）可見，CeFe（CN）6顆粒成功地沉積在GO上。電化學測定前，修飾電極先在10 mL 0.1 mol/L ABS緩沖液（pH 5.0）中通過循環(huán)伏安掃描直至循環(huán)伏安曲線穩(wěn)定，所有實驗均在室溫下進行。

3 結(jié)果與討論

3.1 撲熱息痛和咖啡因在修飾電極上的電化學行為

用循環(huán)伏安法考察了不同修飾電極在0.1 mol/L ABS緩沖液（pH 5.0）中的電化學行為（圖2）。撲熱息痛和咖啡因的濃度分別為50和200

SymbolmA@ mol/L。在裸玻碳電極上于0.71和1.62 V附近出現(xiàn)兩個氧化峰，分別對應著撲熱息痛和咖啡因（圖2a）。如圖2b所示，當電極上修飾CeFe（CN）6后，撲熱息痛和咖啡因的氧化峰比裸玻碳電極明顯增強，峰高比裸玻碳電極提高了約1/2。這是因為CeFe（CN）6具有良好的導電性能，能有效促進撲熱息痛和咖啡因的氧化峰電流在電極上的傳遞，提高了檢測靈敏度。 圖2 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖

Fig．2 Cyclic voltammograms of （a） GCE， （b） CHF/GCE， （c） GO/GCE， （d） CHF/GO/GCE in 0.1 mol/L acetate buffer solution （ABS） （pH 5.0） with a scan rate of 100 mV/s當在玻碳電極修飾上氧化石墨烯后，撲熱息痛和咖啡因的氧化峰得到了進一步增強（圖2c）。撲熱息痛和咖啡因在GO/GCE上的峰高比裸玻碳電極提高超過了2倍。這是因為在GO/GCE上，氧化石墨烯對撲熱息痛和咖啡因的氧化具有催化作用，同時其良好的導電能力促進了電子傳遞速度。此外，氧化石墨烯邊緣有大量的如羧基或羥基等極性基團，容易吸附撲熱息痛和咖啡因，起到富集作用。同時，氧化石墨烯大的比表面積也能夠增大其對撲熱息痛和咖啡因的吸附能力。在CHF/GO/GCE上，由于氧化石墨烯和CeFe（CN）6的共同作用，撲熱息痛和咖啡因的氧化峰高于上述3種電極，顯著提高了檢測靈敏度。

3.2 電化學阻抗譜

電化學阻抗譜（EIS）能夠通過測定電極表面阻抗的變化表征修飾過程。圖3是修飾電極在不同階段的電化學阻抗譜圖，曲線在低頻部分的半圓的直徑代表電子傳遞阻抗Rct。如圖3a所示，裸玻碳電極具有較大的阻抗。當電極修飾了GO后，阻抗變小（圖3b），說明GO具有較好的導電能力。當CHF進一步電沉積到電極表面后（圖3c），Rct進一步減小。這說明CHF/GO復合膜具有良好的導電性，有效促進了電極表面電子轉(zhuǎn)移速率。

3.3 掃速的影響

在20～600 mV/s范圍內(nèi)研究了掃速對撲熱息痛電化學氧化的影響（圖4）。從圖4可見，隨著掃速的增大，撲熱息痛的氧化峰電流隨之增大，峰電位略微正移。峰電流與掃速呈良好的線性關(guān)系，線性方程為Ip=

Symbolm@@ 0.024v

Symbolm@@ 11.79， R＝0.993。這說明撲熱息痛在CHF/GO/GCE表面是一個吸附控制過程。

圖3 不同電極的阻抗譜圖

Fig．3 Electrochemical impedance spectra of the electrodes in 10 mmol/L ABS （2.5 mmol/L Fe（CN）3

Symbolm@@ /4

Symbolm@@ 6＋0.1 mol/L KCl， pH 7.4） （a） bare GCE; （b） GO/GCE， （c） CHF/GO/GCE. The frequency range is between 1 and 10000 Hz with signal amplitude of 5 mV

圖4 掃速對撲熱息痛氧化峰的影響

Fig．4 Cyclic voltammetric response of the CHF/GO/GCE to acetaminophen in 0.1 mol/L ABS （pH 5.0） at various scan rates （a－k）: 20， 50， 80， 120， 150， 180， 200， 300， 400， 500， 600 mV/s， respectively

3.4 支持電解質(zhì)的影響

在電化學分析中，支持電解質(zhì)不僅影響電極的電化學性能，而且還會影響分析物的電化學響應。本實驗分別考察了撲熱息痛和咖啡因在不同的支持電解質(zhì)中的伏安行為，包括pH 4.0～9.0的磷酸鹽緩沖液、pH 3.0～7.0的醋酸鹽緩沖液、BR緩沖溶液、檸檬酸鹽、HCl、H2SO₄、NaOH、KCl等溶液（濃度均為0.1 mol/L）。實驗表明，在pH 5.0的醋酸鹽緩沖液中，撲熱息痛和咖啡因的氧化峰電流最大，峰形最好，背景電流相對較低。因此本實驗選擇0.1 mol/L 醋酸鹽緩沖液（pH 5.0）作為最佳支持電解質(zhì)。

3.5 氧化石墨烯懸浮液用量的影響

制備氧化石墨烯修飾玻碳電極的過程中，氧化石墨烯懸浮液的用量對撲熱息痛和咖啡因的氧化峰電流有較大影響。實驗表明，當氧化石墨烯懸浮液的用量從2

SymbolmA@ L逐漸增加到20

SymbolmA@ L時，撲熱息痛和咖啡因的氧化峰電流顯著增加；在懸浮液用量從20

SymbolmA@ L增加到25

SymbolmA@ L的過程中，峰電流變化不明顯，幾乎維持固定值。進一步提高氧化石墨烯的用量，會導致峰電流下降。因此選用20

SymbolmA@ L氧化石墨烯懸浮液制備修飾電極。

圖5 不同濃度撲熱息痛和咖啡因的差分脈沖伏安圖

Fig．5 Differential pulse voltammograms for simul taneous determination of acetaminophen and caffeine in 0.1 mol/L ABS at CHF/GO/GCE with acetaminophen and caffeine concentration ranging from 0.1－60

SymbolmA@ mol/L （from a to f: 0.1， 1， 2， 15， 30 and 60

SymbolmA@ mol/L）and 1－130

SymbolmA@ mol/L （from a to f: 1， 2， 6， 20， 100 and 130

SymbolmA@ mol/L）

3.6 同時測定撲熱息痛和咖啡因

分別移取不同濃度的撲熱息痛和咖啡因溶液，在上述選定的最佳實驗條件下，測定撲熱息痛和咖啡因的氧化峰電流。如圖5所示， 隨著撲熱息痛和咖啡因濃度的增大，相應的氧化峰電流也逐漸增大。在0.1～60

SymbolmA@ mol/L濃度范圍內(nèi)，撲熱息痛的峰電流與其濃度呈良好的線性關(guān)系， 線性方程為I（

SymbolmA@ A）＝

Symbolm@@ 2.913

Symbolm@@ 0.300C（

SymbolmA@ mol/L）， 相關(guān)系數(shù)為0.990; 信噪比等于3時，檢出限為0.05

SymbolmA@ mol/L。在1～130

SymbolmA@ mol/L濃度范圍內(nèi)，咖啡因的氧化峰電流與其濃度呈良好的線性關(guān)系，線性方程為I（

SymbolmA@ A）＝

Symbolm@@ 2.442

Symbolm@@ 0.127C（

SymbolmA@ mol/L）， 相關(guān)系數(shù)為0.992; 信噪比等于3時，檢出限為0.52

SymbolmA@ mol/L。

3.7 電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

在優(yōu)化條件下，考察了CHF/GO/GCE的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。對100

SymbolmA@ mol/L的撲熱息痛和咖啡因的混合溶液連續(xù)測定8次，撲熱息痛和咖啡因的峰電流的相對標準偏差RSD分別為2.1%和2.5%。對上述混合溶液連續(xù)掃描30圈，撲熱息痛和咖啡因的峰電流的RSD分別為2.4%和2.1%。這說明制備的電極具有較好的穩(wěn)定性。用同樣的方法分別制備了6根CHF/GO/GCE，測定同一份100

SymbolmA@ mol/L的混合溶液，撲熱息痛和咖啡因的RSD分別為4.2%和3.9%。這表明所制備的電極以及制備方法具有較好的重現(xiàn)性。

考察了CHF/GO/GCE的使用壽命。將此電極保存在干燥的空氣中，用此電極每3 d測定同一100

SymbolmA@ mol/L的撲熱息痛和咖啡因的混合溶液1次，然后在空白緩沖溶液中經(jīng)循環(huán)伏安掃描活化后存放在空氣中，15 d后撲熱息痛和咖啡因的氧化峰電流僅下降4.6%，表明此修飾電極具有良好的穩(wěn)定性和較長的使用壽命。

3.8 干擾實驗和加入回收實驗

在選定的實驗條件下，考察了其它干擾物對撲熱息痛和咖啡因測定的影響。混合溶液中撲熱息痛和咖啡因的濃度分別為10和50

SymbolmA@ mol/L。實驗表明，0.2 mol/L的Na.＋， Ca2＋， Mg2＋， K.＋， Al3＋， Mn2＋， Cl.

Symbolm@@ ， Br.

Symbolm@@ 和I.

Symbolm@@ ，0.1 mol/L的Zn2＋， Fe2＋， Fe3＋和Cd2＋，及0.01 mol/L的葡萄糖、 苯丙氨酸、丙氨酸、谷氨酸幾乎不干擾撲熱息痛和咖啡因的測定（峰電流改變＜5%）。

健康人尿樣以8000 r/min離心10 min，取上層清液為分析液。用標準加入法進行測定。實驗結(jié)果見表1，回收率為96.1%～105.4%。

表1 測定尿樣中的撲熱息痛和咖啡因

Table 1 Determination of acetaminophen and caffeine in urine samples （n＝6）

樣品Sample加標量Added （

SymbolmA@ mol/L）測定值Found （

SymbolmA@ mol/L）RSD

（%）回收率

Recovery（%）

尿樣 1Urine samples 1尿樣 2Urine samples 2尿樣 3Urine samples 3Acetaminophen1.00.973.297.0Caffeine10.010.422.8104.2Acetaminophen10.09.803.298.0Caffeine60.061.42.1102.3

Acetaminophen50.048.02.796.1Caffeine

120.0126.52.2105.4

結(jié)果表明，此電化學傳感器具有穩(wěn)定性好、易制備、成本低和重現(xiàn)性好等優(yōu)點。此外，所建立的分析方法具有高的靈敏度和寬的線性范圍。此電極可望用于其它生物活性分子分析，具有較好的應用前景。

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Simultaneous Determination of Acetaminophen and Caffeine

Based on Graphene Oxide/Cerium Hexacyanoferrate

Modified Glassy Carbon Electrode

LU Xian-Chun.*， HUANG Ke-Jing， WU Zhi-Wei， HUANG Shu-Fang， XU Chun-Xuan

（Department of Chemistry， Xinyang Normal University， Xinyang 464000， China）

Abstract Graphene oxide was coated on glassy carbon electrode and cerium hexacyanoferrate was then electrodeposited on the modified electrode. Scanning electron microscope was used to characterize the modified electrode. The electrochemical behaviors of acetaminophen and caffeine on the modified electrode were investigated by cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. The experimental results showed that the electrochemical respond of acetaminophen and caffeine at the modified electrode was significantly improved in acetate buffer solutions （pH 5.0）. The concentration of acetaminophen and caffeine showed good linear relationships with the oxidation peak current in the range of 1.0×10

Symbolm@@ 7－6.0×10

Symbolm@@ 5 mol/L and 1.0×10

Symbolm@@ 6－1.3×10

Symbolm@@ 4 mol/L， with correlation coefficients of R＝0.990 and 0.992， respectively. The limits of detection for acetaminophen and caffeine were 5.0×10

Symbolm@@ 8 mol/L and 5.2×10

Symbolm@@ 7 mol/L （S/N＝ 3）， respectively. The developed method was used to the determination of spiked urine samples with recoveries of 96.1%－105.4%.

Keywords Differential pulse voltammetry; Graphene oxide; Cerium hexacyanoferrate; Acetaminophen; Caffeine

（Received 25 May 2011; accepted 18 October 2011）