金納米棒-碳納米管-氧化石墨烯復合物用于香草醛測定

鄧克勤*， 劉新艷， 令玉林

(理論有機化學與功能分子教育部重點實驗室，湖南科技大學化學化工學院，湖南湘潭 411201)

香草醛(Vanillin,VA)是一種食品添加劑，因其具有特殊的芳香氣味已被用于飲料、藥物、食品、糖果和香水等工業。然而，過度的攝入香草醛會影響人體的肝臟和腎臟功能，因而引發頭痛、惡心和嘔吐等癥狀[1]。因此，發展一種簡單、高靈敏的香草醛檢測方法是非常重要的。目前，香草醛的主要檢測方法有高效液相色譜法、氣相色譜法、薄層色譜法、毛細管電泳法、紫外-可見光譜法和電化學檢測法等[2 - 7]。其中，電化學法多利用具有高電化學活性或高電催化性能的納米材料來修飾電極，通過靈敏的方波伏安法、差分脈沖伏安法等進行檢測[6 - 7]。迄今為止，金納米棒(AuNRs)附著于碳納米管與氧化石墨烯復合物(CNTs-GO)的研究還未見報道。

本實驗制備了金納米棒-碳納米管-氧化石墨烯三元復合物(AuNRs-CNTs-GO)，并將其用于修飾玻碳電極(GCE)，并比較了香草醛在不同修飾電極上的電化學行為。實驗發現，AuNRs-CNTs-GO/GCE對香草醛有更好的電催化和富集作用。用它制作的香草醛傳感器具有優良的穩定性、高的靈敏度和低的檢測限。與文獻報道方法相比，AuNRs-CNTs-GO/GCE表現了更佳的香草醛檢測性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI760C電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；三電極系統：以GCE或修飾GCE電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極。Tecnai G2F20透射電子顯微鏡(荷蘭，Philip)；U-4100紫外-可見分光光度計(日本，Hitachi)。

氧化石墨烯(GO)、碳納米管(CNTs,純度>98%,直徑20～30 nm,長度0.5～2.0 μm)均來自南京先豐納米材料科技有限公司，NaBH4和香草醛購自上海化學試劑公司，AgNO3、HAuCl4、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、抗壞血酸均購于Sigma-Aldrich公司，其他試劑均為分析純。水為超純水。

1.2 納米復合物的制備

金納米棒(AuNRs)按文獻方法[8]制備。碳納米管在3∶1(V∶V)的H2SO4(98%)和HNO3(68%)中回流純化3 h。碳納米管-氧化石墨烯(CNTs-GO)復合物按已報道的方法[9]制備。金納米棒-碳納米管-氧化石墨烯三元復合物(AuNRs-CNTs-GO)按如下步驟制備：將1.0 mL AuNRs溶液(1.0 nmol/L)逐滴緩慢加入到5 mL CNTs-GO溶液(0.5 mg/mL)中，在緩慢攪拌條件下，室溫反應2 h，然后將混合溶液離心并重新分散到水中。為了比較不同材料的催化性能，在相似的實驗條件還制備了AuNRs-GO/GCE。

1.3 傳感器的制備

GCE在金相砂紙上打磨、拋光后，依次用濃HNO3、NaOH溶液、丙酮、超純水各超聲清洗5 min。在潔凈的GCE表面滴加4 μL AuNRs-CNTs-GO溶液，室溫干燥。將干燥后的電極放入0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，利用循環伏安法，在-0.4～+0.8 V，掃速為100 mV/s下循環掃描10圈以穩定電極，即制得AuNRs-CNTs-GO/GCE。此外，為了比較不同修飾電極的性能，氧化石墨烯修飾電極(GO/GCE)、碳納米管修飾電極(CNTs/GCE)、金納米棒-氧化石墨烯修飾電極(AuNRs-GO/GCE)、碳納米管-氧化石墨烯修飾電極(CNTs-GO/GCE)用相似的方法制得。

2 結果與討論

2.1 GO-AuNRs納米復合物的表征

圖1為AuNRs、CNTs-GO和AuNRs-CNTs-GO的紫外-可見吸收光譜。如圖所示，AuNRs在波長508 nm處有弱的橫向表面等離子體振動峰，而735 nm處有強的縱向表面等離子體共振峰。CNTs-GO在254 nm處有一強吸收峰，為CNTs-GO復合物中C=C鍵的π→π*躍遷所產生[10]。當AuNRs附著于CNTs-GO表面后，兩個典型的紅移峰分別出現在262 nm和751 nm。這表明AuNRs成功地固定在CNTs-GO上。圖2為AuNRs-CNTs-GO的透射電鏡(TEM)圖，它展現了網狀的CNTs構造以及褶皺的GO形態，這可能是由于GO纏繞封裝CNTs引起的。此外，AuNRs均勻的分散在CNTs-GO上，這是由于AuNRs和CNTs-GO之間有強烈的靜電作用。這表明AuNRs-CNTs-GO三元復合物被成功合成。AuNRs在CNTs-GO上的均勻分布有望提高對香草醛的電催化活性。

圖1 AuNRs、CNTs-GO和AuNRs-CNTs-GO的紫外-可見(UV-Vis)光譜Fig.1 UV-Vis spectra of AuNRs,CNTs-GO and AuNRs-CNTs-GO

圖2 AuNRs-CNTs-GO的透射電鏡(TEM)圖Fig.2 TEM image of AuNRs-CNTs-GO

圖3 不同電極在10 μmol/L香草醛中的循環伏安(CV)圖Fig.3 CVs of different electrodes in 10 μmol/L of VA

2.2 香草醛在不同修飾電極上的電化學行為

圖3為香草醛在不同修飾電極上的循環伏安(CV)圖。在GCE上，一不可逆的氧化峰出現在+0.62 V(曲線a)。在GO/GCE上，香草醛的氧化峰電流明顯提高(曲線b)，表明GO能催化氧化香草醛。對于AuNRs-GO/GCE，有一更強的氧化峰出現(曲線c)，這表明AuNRs-GO/GCE對香草醛具有更強的電催化作用。此外，還研究了香草醛在CNTs-GO/GCE和CNTs/GCE上的電化學行為。在CNTs/GCE上，在+0.60 V處出現不可逆氧化峰(曲線e)。與CNTs/GCE相比，香草醛在CNTs-GO/GCE上，出現了一對提高的準可逆氧化還原峰，氧化峰電位為+0.58 V，峰電位負移了20 mV，還原峰電位為+0.52 V(曲線d)，并且背景電流下降非常明顯。這表明CNTs-GO對香草醛有更好的電催化作用，這是由于CNTs和GO之間存在協同催化作用所致。最后，AuNRs-CNTs-GO三元復合物用于修飾電極，我們可以發現一對更高的香草醛氧化還原峰(曲線f)，其氧化峰電流分別為GCE、GO/GCE、AuNRs-GO/GCE的38.7、14.5、8.1倍，為CNTs/GCE和CNTs-GO/GCE的5.2和3.1倍。這表明復合物AuNRs-CNTs-GO結合提升了AuNRs、CNTs和GO三者的優勢，如優良的導電性、高電催化性、大比表面積及強吸附能力。

2.3 實驗條件的優化

不同濃度的AuNRs溶液(0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 nmol/L)被用來制備AuNRs-CNTs-GO。實驗發現，用高濃度的AuNRs制備的AuNRs-CNTs-GO對香草醛具有更高的電流響應，但1.5 nmol/L的AuNRs溶液能使CNTs-GO在4 h內聚集，2 nmol/L的AuNRs可使CNTs-GO在1 h后出現非常明顯的聚集。但1 nmol/L的AuNRs在24 h內沒有引發聚集。因此，我們選擇1 nmol/L的AuNRs用于制備AuNRs-CNTs-GO。

AuNRs-CNTs-GO/GCE對香草醛的強吸附作用可以放大香草醛的檢測信號。因此，香草醛在電極表面的富集是非常重要的。實驗發現，當富集電位從-0.10 V增加到+0.30 V時，香草醛的氧化峰電流(ipa)逐步增強，但是ipa隨富集電位的進一步升高反而降低，因此優化的富集電位設定在+0.3 V。富集時間也影響香草醛的檢測。實驗發現，峰電流隨富集時間的增加而迅速升高，在6 min后達到最大的電流響應。這表明，AuNRs-CNTs-GO/GCE能有效地富集香草醛，其飽和的表面吸附時間在+0.3 V電位下為6 min。

電解質的pH影響香草醛的峰電流。從5.5至8.4的pH范圍，ipa隨pH的升高緩慢增加，然后迅速降低，最大的ipa出現在pH=6.5，因此本實驗優選pH為6.5。

2.4 AuNRs-CNTs-GO/GCE的性能

在優化實驗條件下，利用AuNRs-CNTs-GO/GCE測定了不同濃度香草醛標準溶液的差分脈沖伏安(DPV)曲線(圖4)。圖4中嵌入圖A為香草醛在低濃度下的曲線。實驗發現香草醛的陽極峰電流與其濃度在0.01～0.4和0.4～40.0μmol/L兩個區間范圍內呈線性關系(嵌入圖B)。對應的回歸方程分別為：ipa(μA)=0.02+0.27c(μmol/L)(R2=0.994)和ip,a(μA)=0.10+0.13c(μmol/L)(R2=0.996)。檢測限是2.0 nmol/L。

圖4 AuNRs-CNTs-GO/GCE在不同濃度香草醛溶液中的差分脈沖伏安(DPV)圖Fig.4 DPVs of AuNRs-CNTs-GO/GCE in different concentrations of vamllin solution From bottom to up:0,0.01,0.06,0.12,0.20,0.26,0.4,0.6,0.8,2.0,2.5,4.5,5.0,7.5,10.0,14.0,20.0,26.0,and 40.0 μmol/L.The inset shows DPVs of low concentrations of vamllin(A) and the plot of ip,a versus the concentration of vamllin(B).

通過測定1 μmol/L香草醛的氧化峰電流，考察了AuNRs-CNTs-GO/GCE的重現性。對同批次4個新制備的修飾電極，其相對標準偏差(RSD)為8.2%。單個電極對香草醛進行10次連續測定，RSD為5.1%。修飾電極在溫度4 ℃冷藏兩周后，峰電流沒有明顯下降，三周后仍能保持92.1%的峰電流值。這表明該電極有良好的重現性和穩定性。

奶粉、蛋糕和餅干樣品從超市購買。將2克樣品分散于10 mL乙醇中，超聲60 min，離心，用PBS(pH=6.5)稀釋收集的離心液，經檢測均發現含有香草醛，再采用標準加入法進行回收率測定。其回收率在94.5%～110.6%之間，RSD為2.5～9.8%，這表明該電極有望用于食品中香草醛的定量測定。

3 結論

本文制備了金納米棒-多壁碳納米管-氧化石墨烯復合物，并將其用于修飾玻碳電極，該修飾電極對香草醛有高電催化氧化作用，利用差分脈沖伏安法，可實現對香草醛的高靈敏檢測。