可逆波循環伏安圖的測定及碳納米管修飾電極對維生素C的電催化檢測
——介紹一個電化學綜合實驗

王琨琦，任真，紀曉娜，左妍，楊煥欣

長春工程學院理學院，長春 130012

循環伏安法是最重要的電分析化學研究方法之一，其主要優點有：操作簡單、快速、自動化程度高、重復和再現性好、測定結果準確、靈敏度高、儀器價格低廉，因此在電化學、無機化學、有機化學、生物化學等研究領域廣泛應用。應用循環伏安技術，工作電極的修飾起著至關重要的作用，20世紀70年代中期，化學方法修飾電極作為一門新興的技術快速發展起來，截至目前其也是電化學和電分析化學研究中最活躍的部分。它是通過化學修飾的方法在電極表面進行分子設計，將具有優良化學性質的分子、離子、聚合物固定在電極表面，造成某種微結構，賦予電極某種特定的化學和電化學性質，在分析測試過程中提高選擇性和靈敏度兩方面展現出獨特的優越性[1]。在化學修飾電極備選材料中，碳納米管由于其獨特的電學性能、明顯的量子效應、大的比表面積、高穩定性以及強吸附等特性被使用于化學修飾電極。本實驗利用裸玻碳電極結合Randles-Sevcik公式，在1 mmol·L?1K3Fe(CN)6體系中獲得了可逆波循環伏安圖，同時計算電極的有效面積。采用滴涂法將多壁碳納米管修飾于裸玻碳電極上，進一步完成碳納米管修飾電極有效面積的測算，對比電極修飾前、后有效面積可知，碳納米管修飾電極可將電極的有效面積提高1.5倍，利用該修飾電極對藥片維C檢測獲得其純度為85%。我們設計的這一電化學綜合實驗在實驗內容上展現了循環伏安電化學理論到實踐應用的巧妙構思，實驗進程上展現出簡單、易重復的鮮明特色，這兩點對于本科綜合實驗課程來講難能可貴，方便為其他本科院校開設綜合實驗課程提供思路參考。另外，通過本綜合實驗課程的學習，增加了學生的學習興趣，堅定了學生的學習信心，提升了學生的實踐實驗操作水平，激發了學生從事科學研究的熱情。依托本實驗，學生發現問題、分析問題和解決問題的能力得以充分的培養。

1 實驗目的

1) 學習和掌握循環伏安法的原理和實驗技術。

2) 掌握可逆波循環伏安圖的特性以及測算電極有效面積的方法。

3) 學習和掌握碳納米管修飾電極的制備方法及利用其進行維生素C檢測的實驗技術。

4) 培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的科研熱情。

2 實驗原理

循環伏安法是一種常用的電化學研究方法，控制電極電勢以不同的速率，將對稱的三角波掃描電壓加在固定面積的工作電極和參比電極之間，電勢范圍內使電極上交替發生不同的氧化和還原反應，記錄工作電極上得到的電流與施加電位的關系曲線，即循環伏安圖，如本實驗在1 mmol·L?1K3Fe(CN)6體系中測得圖1所示曲線。根據Randles-Sevcik公式[2](在25 °C時)計算電極的有效面積：

圖1 可逆波循環伏安圖

式(1)中，A為電極的有效面積，cm2；D0為反應物的擴散系數，cm2·s?1；n為電極反應的電子轉移數；v為掃描速度，V·s?1；c0為反應物的濃度，mol·s?3；ip為峰電流，A。另外，由于碳納米管表面帶有較多的功能基團，可以對某些物質的電化學行為產生特有的催化效應，維生素C的檢測就是基于此。

3 實驗內容

1) 可逆波循環伏安圖的測定及電極有效面積的測算。

2) 碳納米管修飾電極對抗壞血酸的電催化響應。

3) 碳納米管修飾電極對藥片維生素C的電催化檢測。

4 實驗部分

4.1 儀器

CHI602A電化學工作站1臺(上海晨華)；鉑片對電極1支(紅色)；玻碳工作電極1支(d= 4 mm) (天津艾達，綠色)；飽和甘汞參比電極1支(天津艾達，白色)；50 mL三孔電解槽1個；20 μL數字電動移液器(大龍儀器有限公司) ；拋光布1片；50 mL燒杯1個；100 mL容量瓶5個；洗瓶1個；KQ5200E型超聲波清洗器(江蘇省昆山市)；電子天平1臺；紅外燈1臺。

4.2 試劑

鐵氰化鉀(K3Fe(CN)6，分析純，上海試劑一廠)；氯化鉀(KCl，分析純，分北京化工廠)；十二水合磷酸氫二鈉(NaH2PO4·12H2O，分析純，北京化工廠)；二水合磷酸二氫鈉(Na2HPO4·2H2O，分析純，西隴化工股份有限公司)；抗壞血酸(C6H806，分析純，北京化工廠)；N,N-二甲基甲酰胺(HCON(CH3)2，分析純，天津天泰精細化學品有限公司)；多壁碳納米管(直徑20–30 nm，先豐納米XFNAN0，INC)；三氧化二鋁粉拋光粉；蒸餾水(優普系列超純水機UPR-11-15TNZP制備)；維生素C片(東北制藥集團沈陽第一制藥有限公司)。

5 實驗步驟

5.1 溶液配制

5.1.1 配制1 mmol?L?1K3Fe(CN)6和0.1 mol?L?1KCl混合溶液

稱取0.0329 g K3Fe(CN)6，0.7456 g KCl，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶。

5.1.2 配制100 mL 0.1 mol?L?1pH = 5.8的磷酸鹽(PBS)緩沖溶液

稱取2.58 g NaH2PO4·2H2O，0.44 g Na2HPO4·12H2O，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶中。

5.1.3 配制1 mmol?L?1的抗壞血酸溶液

稱取0.176 g抗壞血酸，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶中，取出10 mL溶液稀釋至100 mL容量瓶中。

5.1.4 配制維生素C溶液

取維生素C一片(50.0 mg)，蒸餾水溶解后定容到100 mL容量瓶中。

5.1.5 配制碳納米管分散液

5.0 mg碳納米管溶于5 mLN,N-二甲基甲酰胺溶液，超聲分散30 min，每次使用前超聲分散均勻[3]。

5.2 電極處理

將新的玻碳電極表面先經金剛砂紙粗研和細磨后，再用不同粒徑的Al2O3粉在拋光布上進行拋光。拋光后先洗去表面污物，再移入超聲波中清洗，每次1–2 min，重復三次，直至清洗干凈。

5.3 碳納米管修飾電極的制備

取20 μL超聲30 min的碳納米管分散液滴在清洗干凈的玻碳電極表面，用紅外燈烤干。

5.4 搭建電化學三電極體系

按如圖2所示，將1 mmol·L?1K3Fe(CN)6溶液移入50 mL三孔電解池中，依次連接裸玻碳工作電極(綠色)，飽和甘汞參比電極(白色)，鉑片對電極(紅色)，并測定裸玻碳電極的氧化還原峰電位和電流值[3]。

圖2 電極裝置圖

5.5 操作電化學工作站

開啟電化學工作站及計算機電源開關，啟動電化學程序，選擇循環伏安法CV，設定參數Parameter，輸入表1中所示參數。

表1 電化學程序中參數設置

點擊運行電化學工作站，開始掃描，將實驗數據存盤后，記錄氧化還原峰電位Epc、Epa及峰電流Ipc、Ipa。改變掃描速度為0.10、0.14、0.18、0.22、0.26和0.30 V·s?1，分別作循環伏安圖，將上述循環伏安圖疊加比較。

5.6 碳納米管修飾電極的循環伏安曲線測定

將制備好的碳納米管修飾電極取代玻碳電極按照上述實驗步驟5.4–5.5進行循環伏安掃描，記錄不同掃描速率下碳納米管修飾電極的氧化還原峰電位Epc、Epa及峰電流Ipc、Ipa，并保存譜圖。

5.7 碳納米管修飾電極對抗壞血酸及藥品維生素C片的測定

室溫下，將50 mL三孔電解槽通入高純氮氣除氧15–25 min，采用碳納米管修飾電極為工作電極，在?0.4 – 0.4 V范圍內，100 mV·s?1的掃速下，于不用濃度的抗壞血酸PBS溶液及維生素C片-PBS溶液中進行循環伏安測試。

6 實驗結果與討論

6.1 可逆波循環伏安疊加圖的繪制

以1 mmol·L?1K3Fe(CN)6溶液作為支持電解質，在電位窗為?0.2 – 0.7 V的范圍內，裸玻碳電極分別在掃描速度為0.10、0.14、0.18、0.22、0.26和0.30 V·s?1時，進行循環伏安測試，將所得實驗數據填入表2；曲線疊加于圖3中。

圖3 掃描速度為0.10、0.14、0.18、0.22、0.26、0.30 V?s?1的循環伏安疊加圖

表2 裸玻碳電極循環伏安測試數據表

由表2數據和圖3可知：盡管掃描速率發生了改變，但是每一條曲線其陰極、陽極峰都表現出互相對稱的特性，且當掃描速率為0.10 V·s?1時，兩峰電流值之比約等于1，Ipc/Ipa= 0.96 ≈ 1，電位差ΔEp= 77 mV，表明裸玻碳電極上發生了可逆的電化學反應，獲得了一系列不同掃描速率的可逆波循環圖。

6.2 計算裸玻碳電極和碳納米管修飾電極的有效面積

根據Randles-Sevcik公式，ip= (2.69 × 105)n3/2AD01/2v1/2c0，其中K3Fe(CN)6的擴散系數D0= 1 × 10?5cm2·s?1；電子轉移數n= 1[2]，采用線性回歸法分別計算出裸玻碳電極與碳納米管修飾電極的有效面積分別是0.0940和0.1422 cm2，列入表2和表3中，裸玻碳電極經過碳納米管修飾后其有效面積提高了1.5倍，裸玻碳電極、碳納米管修飾電極峰電流與掃速平方根的線性回歸關系如圖4、圖5所示。

表3 碳納米管修飾電極循環伏安測試數據表

圖4 裸玻碳電極峰電流與掃速平方根的線性關系

圖5 碳納米管修飾電極峰電流與掃速平方根的線性關系

6.3 碳納米管修飾電極對抗壞血酸濃度及實際樣品維生素C片的響應

碳納米管修飾電極在0.1 mol·L?1PBS (pH = 5.8)的緩沖體系內，在電位窗為?0.4 – 0.44 V范圍內，以0.1 V·s?1的掃描速度，改變抗壞血酸的濃度，進行循環伏安測試，所得峰電流與抗壞血酸濃度的關系如圖6所示。其線性回歸方程y= ?5.47 × 10?5x? 1.01 × 10?5，其線性相關系數為0.984，線性范圍為0.00–0.59 mmol·L?1，檢出限為0.065 mmol·L?1。即峰電流與抗壞血酸濃度的線性相關。在上述實驗條件下，對實際藥品維生素C片進行檢測，將檢測結果回歸于上述線性方程(見圖6紅色三角形)，確定維生素C片的純度為85.0%。

圖6 峰電流與抗壞血酸濃度的線性關系

7 教學建議

1) 建議本綜合實驗分三個模塊進行教學(大約8個小時)[4]：第一模塊是清洗裸玻碳電極和測算裸玻碳電極的有效面積；第二模塊是制備碳納米管修飾電極和計算碳納米管修飾電極的有效面積；第三模塊是繪制維生素C標準曲線及對實際藥品維生素C片的檢測。

2) 本綜合實驗每個模塊都可以成為一個獨立的實驗項目，也可以作為整體綜合實驗的一部分來進行，兩種方式均可有效地培養學生綜合實驗能力。

3) 進行本綜合實驗時，要求學生自行設計實驗方案，并以獨立小組的方式進行實驗，要求小組成員分工協作。在實驗預習階段，學生要先通過查閱期刊文獻來了解循環伏安法的原理和特性以及測算電極有效面積的方法，其次了解碳納米管修飾電極的制備方法，以便后續的實驗能夠順利地開展，最后根據文獻的調研成果，確定藥品維生素C片檢測的最優條件。

8 注意事項

1) 在使用超聲波清洗玻碳電極時，時間應嚴格控制在1–2分鐘內，超聲時間不可過長。

2) 本實驗使用藥品和試劑都應為分析純，實驗用水應為蒸餾水，以防止雜質干擾電化學反應過程。

3) 碳納米管修飾電極制備過程中，應保持碳納米管分散體系均勻。

4) 實驗中所用到的儀器都要嚴格按照操作說明書進行，并注意規范操作。

9 思考題

1) 如何通過循環伏安法測得的電極反應參數來判斷電極反應的可逆程度？

2) 如何判斷玻碳電極表面是否處理干凈？

3) 為什么碳納米管修飾電極在電分析化學中被廣泛采用？

4) 未來哪些材料還可以用來制備電化學修飾電極？

5) 為什么電解槽在實驗前要通入高純度氮氣15–25分鐘？

10 結語

本文設計了一個電化學綜合性實驗，首先使用裸玻碳電極繪制出了可逆波循環伏安圖，其次，利用Randles-Sevcik公式計算出裸玻碳電極和碳納米管修飾電極的有效面積，通過碳納米管修飾電極對維生素C的電催化作用，完成了對實際藥品維生素C片的檢測。實驗發現：裸玻碳電極兩峰的電流值近似相等(Ipc/Ipa= 0.96 ≈ 1)，峰峰電位差ΔEp約為77 mV，循環伏安圖的可逆效果良好。碳納米管修飾電極的有效面積是裸玻碳電極有效面積的1.5倍。碳納米管修飾電極對抗壞血酸可以產生線性響應，相關系數為0.984，實際藥品維生素C片的純度為85.0%。本實驗綜合性強，將電化學循環伏安法的原理、操作和應用知識充分融合，可以培養學生綜合運用所學知識解決問題的能力，提高學生實踐實驗操作水平，激發學生科研熱情，從而開拓學生創新性思維。