兒茶素在鐵氰化鎳/單壁碳納米管修飾玻碳電極上的電化學行為及測定

李 梅, 杜芳艷*, 劉慧瑾, 高立國, 吳禮彬

(榆林學院化學與化工學院，陜西榆林 719000)

兒茶素主要存在于茶葉等植物中，它具有抗菌抗腫瘤及動脈粥樣硬化等多種生物學功能[1]，并被視為一種潛在的抗癌藥物被科學家們研究[2]。目前兒茶素的測定方法主要為色譜法[3 - 4]，但該方法存在操作繁瑣、靈敏度不高等缺點。普魯士藍(PB)具有獨特的三維網狀結構，結構穩定，化學可逆性較高，可用作協助電子傳遞的媒介體[5]。在一系列鐵氰化物膜修飾電極中，由于鐵氰化鎳(NiHCF)膜具有電化學響應靈敏、重現性好的特點而備受人們的關注[6 - 7]。目前該領域的研究重點主要集中在合成和制備納米結構的鎳化合物修飾電極，如何正文等人[8]利用直流電電化學沉積鎳制備原位生長碳納米管化學修飾電極，電極穩定性和電化學性能良好。碳納米管(CNTs)因具有大的比表面積能夠提高電極表面的負載量，可促進某些電活性物質與電極間的電子轉移，增強某些反應電催化活性[10]的特點，被用于提高修飾電極的電催化活性[11 - 12]。單壁碳納米管(SWNTs)獨特的一維管狀納米結構和優異的導電性及電催化性能，使得它與過渡金屬化合物修飾的電極已經廣泛用于檢測有機小分子化合物，如對硝基苯酚、鳥嘌呤、腺嘌呤、尿酸、亞甲基藍和羅丹明B等[13 - 15]。

我們制備了鐵氰化鎳/單壁碳納米管修飾電極玻碳電極(NiHCF/SWNTs/GCE)，研究了兒茶素在該修飾電極上的電化學行為，并建立了檢測兒茶素含量的新方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

CHI660D電化學工作站(上海辰華儀器公司)，三電極系統：工作電極為NiHCF/SWCNTs/GCE，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑絲電極；ESJ60-4電子天平(沈陽龍騰電子有限公司)；DL-180型超聲清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司)；pHS-3C型酸度計(上海理連儀器廠)；101-1型數顯電熱鼓風干燥箱(上海恒一科學儀器有限公司)。

兒茶素(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)儲備溶液：準確稱取20.00 mg兒茶素，在燒杯中用去離子水溶解后轉移至100 mL容量瓶中，定容，搖勻，濃度為6.9×10-4mol/L，用時稀釋。KH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液(PBS，pH=7.2±0.2)；單壁碳納米管(SWCNTs)(純度95%，上海吉至生化科技有限公司)。其他所用試劑均為分析純。實驗用水均為去離子水。

紫陽富硒茶(陜西安康)，海紅果(榆林府谷縣)。

1.2 修飾電極的制備

將GCE用金相砂紙拋光后，依次用1.0、0.3 μm的Al2O3粉末打磨至鏡面，然后將電極用無水乙醇、去離子水各超聲清洗3～5 min，晾干，備用。將處理后的GCE置于含0.040 mol/L K2[Fe(CN)6]和NiCl2·6H2O的PBS(pH=7.0)中，以0.15 V/s的掃速在-1.1～0.60 V電位范圍之間，采用循環伏安法掃描10圈。用去離子水小心清洗，室溫下自然晾干，即得到鐵氰化鎳修飾電極，記為NiHCF/GCE。準確稱取13.00 mg SWCNTs，加入4.00 mL N,N-二甲基甲酰胺，超聲混勻30 min左右，到其完全分散開來。移取3.0 μL SWCNTs懸浮液滴涂在裸GCE表面，室溫下自然晾干，得到SWCNTs/GCE。吸取SWCNTs懸浮液3.0 μL滴涂在制備好的NiHCF/GCE上，置于室溫下自然晾干，得到復合材料修飾電極NiHCF/SWCNTs/GCE。

1.3 實驗方法

取一定量兒茶素工作溶液于25 mL容量瓶中，加入21.0 mL PBS(pH=7.2)，用去離子水定容至刻度，靜置10 min。移取10.0 mL試液于電解池中，采用三電極系統：分別以GCE、NiHCF/GCE、SWCNTs/GCE和NiHCF/SWCNTs/GCE為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，對電極為鉑絲電極，在一定電位范圍內進行循環伏安(CV)、方波伏安(SWV)掃描，記錄峰電流Ip和峰電位Ep。

2 結果與討論

2.1 電極形貌

不同修飾電極的掃描電鏡(SEM)結果見圖1(圖1A、圖1B)，可以清晰的看到SWCNTs修飾膜和SWCNTs/NiHCF復合材料修飾膜呈現完全不同的形貌和微結構特征。SWCNTs材料修飾膜呈獨特的三維網狀結構，而SWCNTs/NiHCF復合材料修飾膜中，具有獨特的SWCNTs三維多孔網狀結構和以納米形式存在的NiHCF顆粒，因此SWCNTs材料的三維網狀結構形成了大量的空隙，從而增大了電極的比表面積，增強了電極的導電性能，減小了電極的極化現象，納米形式存在的NiHCF有利于電子和離子在電極表面的傳導和輸送，同時二者協同作用，增強了修飾電極的循環穩定性和重現性，使得電極的催化性能更加優良。

圖1 SWCNTs/GCE(A)和SWCNTs/NiHCF/GCE(B)的掃描電鏡(SEM)圖像Fig.1 SEM images of SWCNTs//GCE(A) and SWCNTs/NiHCF/GCE(B)

2.2 兒茶素在不同電極上的電化學行為

分別運用CV法和SWV法研究不同電極對兒茶素的電化學催化性能，濃度為2.8×10-6mol/L的兒茶素測定結果見圖2、圖3。由圖可以發現，在SWCNTs/GCE、NiHCF/GCE、NiHCF/SWCNTs/GC、GCE 4種電極上兒茶素的CV曲線中，均出現了一對氧化還原峰，這是典型的可逆反應，其峰電位差(ΔEp)與裸GCE相比基本沒有變化，但兒茶素在SWCNTs/GCE、NiHCF/GCE修飾電極上的峰電流Ip比裸GCE上的峰電流Ip分別增加了3.6倍和2.3倍；而在NiHCF/SWCNTs/GCE修飾電極上的峰電流Ip約增加了16倍。分析圖3可以發現，在SWV曲線上，兒茶素在SWCNTs/GCE、NiHCF/GCE修飾電極上與裸GCE相比峰電位沒有變化，峰電流Ip比其在裸GCE上分別增加約3.7和2.9倍；而NiHCF/SWCNTs/GCE的峰電流Ip增加了16.5倍。實驗結果表明，在使用化學修飾電極測定兒茶素時，NiHCF/SWCNTs/GCE修飾電極對兒茶素具有較強的電化學催化性能，且電化學催化性能優于單一的NiHCF和SWCNTs/GCE修飾電極。

圖2 在pH=7.2的PBS中2.8×10-6 mol/L兒茶素在GCE(a)、NiHCF/GCE(b)、SWCNTs/GCE(c)和NiHCF/SWCNTs/GCE(d)上的循環伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of 2.76×10-6 mol/L catechin at GCE(a)，NiHCF/GCE (b),SWCNTs/GCE (c) and NiHCF/SWCNTs/GCE (d) in PBS(pH=7.2)scan rate of 0.1 V/s.

圖3 在pH=7.2的PBS中2.8×10-6 mol/L兒茶素在GCE(a)、NiHCF/GCE(b)、SWCNTs/GCE(c)和NiHCF/SWCNTs/GCE(d)上的方波伏安圖Fig.3 Square wave voltammograms of 2.8×10-6 mol/L catechin at GCE(a),NiHCF/GCE(b),SWCNTs/GCE(c) and NiHCF/SWCNTs/GCE(d) in PBS(pH=7.2)scan rate of 0.1 V /s.

2.3 實驗條件的優化

2.3.1 緩沖溶液的選擇分別在相同濃度的HAc-NaAc(pH=4.6)、C6H8O7-Na3C6H5O7(pH=7.0)、PBS(pH=8.0)、NH3-NH4Cl(pH=7.0)和B-R緩沖溶液中，考察2.0×10-6mol/L兒茶素在不同電解質溶液中的電化學響應。結果發現兒茶素在PBS、C6H8O7-Na3C6H5O7、HAc-NaAc、NH3-NH4Cl緩沖溶液中均有一對氧化還原峰出現，而在B-R緩沖溶液中出峰不明顯，且在PBS中兒茶素的峰電流相對較大，峰形較好。因此實驗選擇PBS作為支持電解質。固定其他條件不變，分別考察PBS的pH值及其濃度對峰電流Ip的影響，結果顯示當PBS在pH=7.2，濃度為0.040 mol/L時，峰電流最大，且峰形較好。選擇濃度0.040 mol/L的PBS(pH=7.2)作為支持電解質。

2.3.2 掃速和靜置時間的確定控制其他條件不變，考察掃速和靜置時間對兒茶素電化學行為的影響。在電位區間為-0.20～0.40 V，掃速為50～400 mV/s的范圍內，以50 mV/s為梯度，兒茶素的氧化峰電流、還原峰電流都隨著掃速的增加而逐漸增大，峰電位Ep線性負移。峰電流與掃速呈線性關系，還原峰電流Ipc與掃速v的線性回歸方程為:Ipc=19.46+0.1481v(Ip:μA；v:mV/s，r=0.9997)，氧化峰電流Ipa與掃速v的線性回歸方程為:Ipa=19.42+0.1479v(Ip:μA；v:mV/s，r=0.9994)。說明兒茶素在NiHCF/SWCNTs/GCE修飾電極上有吸附性，且氧化還原反應受吸附控制。當靜置時間小于4 s時，隨著靜置時間的增加，峰電流Ip亦增加，當靜置時間達到4 s時，峰電流Ip達到最大，靜置時間大于4 s時，峰電流Ip減小。這進一步說明氧化還原反應受吸附控制，在靜置時間為4 s時達到吸附平衡。

2.3.3 方波伏安法參數的確定控制兒茶素的濃度不變，改變SWV參數，以確定最佳測定條件。結果表明，在電位區間-0.10～0.40 V范圍內，當電位增量為0.0040 V、富集時間30 s，峰電流達到最大；當頻率小于15 Hz時，峰電流Ip隨測定頻率增加而增大，當測定頻率大于15 Hz時，峰電流Ip隨頻率增加而減??；當振幅小于0.25 V時，隨振幅增加，峰電流Ip增大，當振幅大于0.25 V時，隨振幅增加，峰電流Ip呈現下降趨勢。實驗選擇方波伏安法參數為：電位區間為-0.10～0.40 V，電位增量為0.0040 V，富集時間30 s，頻率為15 Hz，振幅為0.25 V。

2.4 干擾物的影響

2.5 電極的重現性和穩定性實驗

對2.5×10-7mol/L的兒茶素溶液，用6支不同批次的NiHCF/SWCNTs/GCE修飾電極進行測定，其測定結果相對標準偏差(RSD)為1.15%，說明電極的重現性良好；用同一支電極對其連續測定6次，RSD為2.00%；將電極間隔放置2、3、4 d以后進行測定，電極在3 d時的催化活性仍然可以達到92.00%，說明電極具有良好的穩定性。將測定過兒茶素溶液中的修飾電極放在空白溶液中連續掃描，兒茶素的峰電流隨著掃描次數的增加迅速降低，直至消失，說明電極經過處理后可以更新使用。

圖4 不同濃度兒茶素的方波伏安圖Fig.4 Square wave voltammograms curves of various concentrations catechin on NiHCF/SWCNTs/GCEc(×10-7 mol/L):(a)20,(b)15,(c)10,(d)5.0,(e)2.0,(f)1.0,(g)0.10.

2.6 兒茶素的標準曲線與檢出限

在最佳條件下，在NiHCF/SWCNTs/GCE上用SWV法測定不同濃度兒茶素，結果如圖4，兒茶素的氧化峰電流Ipa與其濃度在2.0×10-6～1.0×10-8mol/L范圍內呈良好的線性關系，線性方程為：Ip=1.052c+1.471(I：μA；c：mol/L)，r=0.9990，檢出限為5.0×10-9mol/L。

2.7 樣品分析測定

準確稱量6組1.000 g干燥粉碎好的紫陽富硒茶，或者海紅果樣品，分別置于100 mL燒杯中，用10 mL沸水與之混合，浸泡40 min,每8 min左右振搖一次，然后于50 ℃ 電熱板上加熱10 min，過濾并洗滌殘留物，濾液轉入100 mL容量瓶中，用水定容至刻度。準確移取1.00 mL樣品溶液于25 mL比色管中，按照1.3的方法，在最佳條件下對樣品溶液進行測定，并進行加標回收試驗，結果見表1。樣品加入回收率在97.99%～104.0%之間，RSD分別為0.75%和1.63%

表1 茶葉和海紅果樣品測定結果(n=6)

3 結論

制備了NiHCF/SWCNTs/GCE修飾電極，研究證明該電極對兒茶素具有良好的電催化活性。在優化的實驗條件下，用方波伏安法測定了菊花茶和海紅果中兒茶素的含量，并進行加標回收試驗，回收率在97.99%～104.0%之間,RSD分別為0.75%和1.63%?？勺鳛闄z測兒茶素含量的新方法。