基于洋麻秆衍生的三维多孔碳/硫堇比率型抗坏血酸电化学传感器

    吴娜　申源　汪莉　宋永海

    

    

    

    摘 要 通过碳化洋麻秆得到三维多孔碳材料（3D-KSC），然后将硫堇（Thi）分子直接组装在其孔壁上，制备了比率型抗坏血酸（AA）电化学传感器。采用扫描电子显微镜和能谱仪等对3D-KSC进行结构表征，发现3D-KSC孔壁表面较光滑，同时还存在一些微孔和缺陷， 这些孔隙与缺陷的存在，可使Thi分子牢固地固载到3D-KSC的孔壁上。3D-KSC/Thi修飾电极催化AA的氧化峰出现在0.015 V处，而Thi自身在-0.24 V处的氧化峰不随AA浓度的增加而改变，利用这两个氧化峰的峰电流密度之比设计了一种比率型AA电化学传感器。电化学测试结果表明，3D-KSC/Thi具有导电性能好、电阻值较小、电极与电解液间的离子扩散速率快等特点。3D-KSC/Thi对AA的检测具有良好的选择性、宽的线性范围（18.2 μmol/L～8.0 mmol/L）和低的检出限（6.0 μmol/L）。 用于维生素片中AA含量测定，回收率为100.7%～101.2%，表明此传感器具有潜在的实际应用前景。

    关键词 多孔碳; 硫堇; 比率型电化学传感器; 抗坏血酸

    1 引 言

    抗坏血酸（AA），即维生素C，是人体新陈代谢过程中所必需的维生素，缺乏AA会导致坏血病。坏血病[1～3]是一种由于缺乏AA而导致的皮肤和粘膜下出血、牙龈肿胀、关节和肌肉疼痛的疾病。AA还可用于治疗精神疾病、癌症、感冒、不孕不育以及提高身体的免疫力，因此在人体的新陈代谢过程中起着至关重要的作用[4，5]。由于人体自身不能产生AA，必须通过其它途径（如水果、蔬菜、血清等）获得。因此，定量检测各种样品中的AA含量具有重要的意义。

    目前，检测AA的方法包括高效液相色谱法[6]、分光光度法[7]、液相色谱法[8]、气相色谱法[9]、固相微萃取与LC-UC二极管阵列法[10]和电化学传感器法[11～17]。其中，电化学传感器因响应速度快、操作简单、成本低、易于微型化和灵敏度高等优点而被广泛应用。然而，由于多巴胺（DA）和尿酸（UA）等常见共存物的干扰，电化学传感器常难以得到满意的检测结果[17，18]。为了解决这一问题，碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管和碳纤维等）被用于制备碳基AA电化学传感器[19，20]。虽然已经取得了一些进展，但如何控制材料在电极表面的均匀分散仍存在挑战。例如，二维的石墨烯易在电极表面积聚，从而阻碍内部材料与反应物的接触，并将进一步影响电极表面的传质速率; 此外，修饰材料容易从电极上脱落，进而影响电极的稳定性。

    基于上述原因，比率型电化学传感器[21～23]引起了研究者的广泛关注。通常，在构建比率型电化学传感器时，需要在电极上获得两种不同的电化学响应信号，通过测定其比值的变化对物质进行定量分析。Li等[24]在碳纤维微电极上组装了单壁碳纳米管，然后用浸泡法在其上修饰二茂铁，并进一步固定过氧化氢酶（Cat），从而制得Cat+Fc/SWNT/CFME电极，通过Cat的还原峰电流与二茂铁（Fc）的还原峰电流之比构建比率型传感器，用于检测H2O2和pH值。由此构筑的电化学传感器可以进行自校准，检出限低，并且克服了环境和人为因素造成的误差，大大提高了电极的重复性、准确性、选择性和稳定性。

    本研究在碳化洋麻秆获得的三维多孔碳（3D-KSC）[25]上直接组装硫堇（Thi）分子，构建了一个比率型AA电化学传感器。三维多孔碳材料具有比表面积大、孔隙率高、导热导电性能好、在空气中稳定等优势，可以显著提升电化学传感器的导电性和传质速率。采用洋麻杆作为原材料衍生三维多孔碳材料具有成本低、易制备、环保、可持续使用等优势。AA的氧化峰位于0.015 V，而Thi自身在-0.24 V处的氧化峰电流不会随着AA浓度的增加而发生改变，利用这两个氧化峰的峰电流密度之比可以设计比率型AA电化学传感器。本研究采用电化学信号输出，大大降低了背景信号以及共存物的干扰，方法选择性好，制备的3D-KSC/Thi比率型AA电化学传感器具有良好的性能。

    2 实验部分

    2.1 仪器与试剂

    HITACHI S-3400N扫描电子显微镜（日本日立公司）;CHI 760D型电化学工作站（上海辰华公司）。采用传统的三电极体系，其中， 铂丝电极与饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极，3D-KSC/Thi自支撑电极作为工作电极。所有实验均在氮气饱和的0.2 mol/L磷酸盐缓冲溶液（PBS， Na2HPO4-NaH2PO4， pH=7.0）中进行。

    硫堇（Thi，阿法埃莎公司）; 过氧化氢（H2O2，Aladdin公司）;? AA、DA、UA、果糖（Fructose）、半乳糖（D-Galactose）、NaCl（99%）、KCl（≥99.5%）、无水乙醇（北京化学试剂厂）。所有试剂均为分析纯，未进一步纯化，直接使用。支持电解液为0.2 mol/L PBS缓冲溶液（pH=7.0），实验用水均采用Millipore-Q System提供（≥18.2 MΩ cm）的超纯水。洋麻杆（KS）由江西吉安富田农场提供。

    2.2 实验方法

    2.2.1 3D-KSC的制备 由KS经过碳化制得3D-KSC[25]。具体方法如下：剥掉KS的外皮，露出里面白色的杆，将其切成适合瓷舟的长度（约7.5 cm），于80℃烘箱中干燥12 h，再置于管式气氛炉中，在氮气环境下，以5℃/min的速率升温至900℃后维持2 h，即得到3D-KSC。将得到的3D-KSC削成直径约1.2 mm的杆状，待用。

    2.2.2 3D-KSC/Thi的制备 将处理好的3D-KSC浸泡在1.0 mg/mL Thi溶液中，超声处理1 h，用水冲洗掉吸附不牢固的Thi，烘干待用。将已合成的3D-KSC/Thi制作成自支撑电极，具体步骤如下： 将200 mL 移液枪的枪头前端削去，将3D-KSC/Thi材料装入枪头中，尽量使每一根露出的长度相同。采用由石墨粉与石蜡油调配好的碳糊将枪头尾部填满，并将抛光过的铜丝插入碳糊中，使之导电。采用封口膜固定枪头后端与铜丝相连接处。3D-KSC/Thi一体电极制备过程如图1所示。

    2.2.3 电化学测定AA 以3D-KSC/Thi电极为工作电极，铂丝电极与饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极，在氮气饱和的0.2 mol/L PBS缓冲溶液（pH=7.0）中，加入不同浓度的AA，在-0.45～0.30 V的电压范围内，以-0.45 V为起始电位， 进行微分脉冲伏安（DPV）扫描，记录氧化电流。电位增量为0.01 V，脉冲振幅为0.1 V，脉冲频率为20 Hz。

    2.2.4 实际样品分析 以3D-KSC/Thi电极为工作电极，铂丝电极与饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极，在氮气饱和的0.2 mol/L PBS缓冲溶液（pH=7.0）中，加入不同浓度的实际样品，在-0.45 V的电压范围内， 以-0.45 V为起始电位，进行DPV扫描，记录氧化电流。电位增量为0.01 V，脉冲振幅为0.1 V，脉冲频率为20 Hz）。

    3 结果与讨论

    3.1 3D-KSC/Thi电极的表征

    采用SEM和EDS技术表征所制备的3D-KSC和3D-KSC/Thi自支撑电极。如图2A和2B所示，3D-KSC具有三维大孔结构，有利于物质传输。小分子Thi可以通过π-π相互作用牢固地附着在其孔壁上。由图2D和2E可见，3D-KSC与Thi结合后，表面变得更加粗糙，有些微孔被填满。结合EDS图（图2C），得知3D-KSC中的主要元素为C、O、K、Ca、Mg。在3D-KSC/Thi的EDS谱图（图2F）中，增加了N和S两种元素，表明Thi成功组装到3D-KSC电极表面。采用EDS中的Mapping模式对目标3D-KSC/Thi电极进行表征， 各元素的分布情况如图3所示，其中，N和S两种元素均匀地分布在3D-KSC上（图3C和3D）。由此证明成功制备了3D-KSC/Thi。

    3.2 修饰电极3D-KSC/Thi的电化学行为

    图4A和4B分别为不同电极在含5 mmol/L [Fe（CN）6]3-/4-的0.1 mol/L KCl溶液中的循环伏安（CV）和电化学阻抗谱（EIS）图。在3D-KSC电极的CV曲线（图4A曲线a）上有一对明显的氧化还原峰（氧化峰峰电位～0.26 V，还原峰峰电位～0.13 V），而在3D-KSC/Thi电极（曲线b）上的峰-峰电位差明显减小，峰电流增大，这可能是由于Thi带正电荷，能吸引带负电荷的[Fe（CN）6]3-/4-，从而促进了电子的传递。EIS图谱结果与CV结果吻合，3D-KSC/Thi电极（图4B曲线b）的电子转移阻抗（Rct）远小于3D-KSC电极（曲线a）的Rct值， 进一步证明成功制备了3D-KSC/Thi自支撑电极。

    采用CV探究了3D-KSC/Thi修饰电极在氮气饱和的0.2 mol/L PBS（pH=7.0）缓冲溶液中的电化学行为。如图5A所示，在-0.24 V附近出现一对明显的氧化还原峰，随着扫描速率从10 mV/s增加到100 mV/s，峰电流逐渐增加，并且还原峰电位逐渐负移。由图5B可见，随着扫描速率增大，氧化峰和还原峰的峰电流均与扫描速率成正比，表明是表面控制的电子转移过程。

    考察了不同浓度Thi制备的3D-KSC/Thi自支撑电极的电化学响应。如图6所示，当制备用的Thi浓度从0.25 mg/mL增大到1.0 mg/mL时，Thi的氧化峰电流密度随之增大; 当Thi浓度继续增大到1.25 mg/mL时，Thi的氧化峰电流密度增加的幅度减小。考虑到实验成本，选择制备3D-KSC/Thi 自支撑电极时Thi的浓度为1.0 mg/mL。

    3.3 修饰电极3D-KSC/Thi对AA的检测

    采用DPV探究了不同修饰电极在相同条件下对1 mmol/L AA的催化响应。如图7所示，在-0.24 V 能观察到Thi在GCE/Thi电极上的氧化峰，但此电极对AA并没有催化响应，表明Thi本身不能催化AA。采用3D-KSC电极对AA进行检测，可以观察到加入1 mmol/L AA后，在0.06 V附近出现了一个氧化峰，这可能是由于3D-KSC生物碳材料对AA有催化氧化作用。3D-KSC/Thi自支撑电极在1 mmol/L AA中除了在-0.24 V处出现了Thi的氧化峰，还在0.015 V处出现了AA的催化氧化峰。加入不同浓度的AA，Thi的峰电流密度不变，但AA的电流密度随浓度的改变而改变。基于此，可构建检测AA的比率型电化学为了探究3D-KSC/Thi自支撑电极对AA的催化响应，采用DPV方法，测定在氮气饱和的0.2 mol/L PBS缓冲溶液（pH=7.0）中电极对不同浓度AA的催化响应电流。如图8A所示，随着AA浓度增大，AA的氧化峰电流密度也随之增大，而Thi在-0.24 V附近的氧化峰电流密度保持不变。在18.2 μmol/L～8.0 mmol/L范围内，jAA/jThi与AA浓度呈良好的线性关系（图8B），线性回归方程为jAA/jThi=0.533+0.038CAA（R2=0.998），检出限为6.0 μmol/L（S/N=3）。

    对未修饰Thi的裸3D-KSC电极催化AA的性能进行了考察。由图9A可见，随着反应过程中AA浓度的变化，3D-KSC对AA的催化基线也发生了偏移，而3D-KSC/Thi自支撑电极采用比率的方法，克服了实验条件对电极的影响。如图9B所示，3D-KSC电极检测AA的线性回归方程为Δj=79.76CAA-5.28（R2=0.998）， 线性范围为37.9 μmol/L～8.0 mmol/L，检出限为12.5 μmol/L（S/N=3）。檢出限比3D-KSC/Thi自支撑电极高，表明3D-KSC/Thi自支撑电极的检测性能优于裸3D-KSC电极。

    将本研究制备的AA电化学传感器与其它AA传感器的性能进行了对比（表1）。结果表明，3D-KSC/Thi电极的线性范围（18.22～8000 μmol/L）宽于Chitosan-graphene-GC的线性范围（50～1200 μmol/L）[26]及GO-PAN/GCE电极（150～1050 μmol/L）[27]和RGO-PAMAM-MWCNT-AUNP/GCE电极（20～1800 μmol/L）[31]， 传感器的检出限（5.99 μmol/L）也低于GO-PAN/GCE（50 μmol/L）[27]和MWCNT/CCE电极（7.71 μmol/L）[29]。

    3.4 3D-KSC/Thi比率型AA电化学传感器的选择性、重复性及稳定性研究

    考察了常见电活性物质对3D-KSC/Thi自支撑电极电化学传感器检测AA的干扰。生物碳材料对多巴胺和尿酸也会有催化响应，对AA、DA、UA混合物的检测结果表明，3D-KSC/Thi自支撑电极对三者都有响应（图10A），但由于出峰位置不同，多巴胺和尿酸并不影响3D-KSC/Thi自支撑电极检测AA。在测试过程中，利用jAA/jThi的比值（即j0.015/j-0.24）进行比较，选择AA检测常见的干扰物（包括葡萄糖、多巴胺、尿酸、果糖、甘露糖、NaCl和KCl），发现5倍浓度的其它干扰物的电极响应信号小于AA响应信号的5%，结果如图10B柱状图所示。实验结果表明，自支撑电极对AA检测具有较好的选择性。同时，考察了目标电极的稳定性。采用制备好的3D-KSC/Thi自支撑电极对1 mmol/L 的AA连续检测15次后， jAA/jThi仅下降3.2%，表明此电极具有良好的稳定性。

    3.5 实际样品分析

    采用本方法检测了市售维生素C片剂样品中AA的含量。取两片市售维生素C片（1200 mg/片， 每片含Vc 213 mg），用研钵研磨，取1.5 mg样品，用0.2 mol/L PBS缓冲溶液（pH 7.0）溶解，并超声8 min。溶解后的样品中所含Vc标示含量为1.5 mmol/L，采用本方法测试3次，得到样品中Vc含量与标示值一致。在其中加入一定浓度的AA标准溶液，进行标准加入回收实验，结果见表2，回收率为100.7%～101.2%，相对标准偏差（RSD）为2.0%～2.6%。市售维生素C片含有食用玉米淀粉和木糖醇等成分，但对测试结果无明显影响，因此，所制备的基于3D-KSC/Thi修饰电极可用于检测Vc片剂中的AA含量，具有良好的实用性。

    4 结 论

    制备了一种基于3D-KSC/Thi的比率型AA电化学传感器，以Thi为参比，可减小AA检测的误差。此电化学传感器在0.015 V、0.2 mol/L PBS（pH=7.0）缓冲溶液中检测AA，检测电位低，检测环境温和，选择性及稳定性良好。

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    On-Off Ratiometric Electrochemical Sensor for Ascorbic Acid

    Based on Three-dimensional Kenaf Stem Porous

    Carbon/Thinion Integrated Electrode

    WU Na， SHEN Yuan， WANG Li， SONG Yong-Hai*

    （Key Laboratory of Functional Small Organic Molecule， Ministry of Education，

    College of Chemistry and Chemical Engineering， Jiangxi Normal University， Nanchang 330022， China）

    Abstract A ratiometric ascorbic acid （AA） electrochemical sensor was directly constructed by implanting thionine （Thi） on three-dimensional porous carbon derived from Kenaf stem （3D-KSC）. The treated 3D-KSC and 3D-KSC/Thi were characterized by scanning electron microscopy （SEM） and energy dispersive spectroscopy （EDS）. There were some micropores and defects situated in the wall of 3D-KSC's hole， which provided a large surface area and good catalytic activity. Owing to these pore defects， Thi molecules could adhere to its interior firmly. The 3D-KSC/Thi electrode had a catalytic effect against AA at 0.015 V （“on”）， while the oxidation peak of Thi at-0.24 V did not change with the increase of concentration of AA （“off”）， therefore， a ratiometric AA electrochemical sensor was designed by using the ratio of peak current density of these two oxidation peaks. The “on-off” ratiometric type of AA electrochemical sensor had high selectivity， wide linear detection （from 18.2 μmol/L to 8.0 mmol/L）， low detection limit （6.0 μmol/L）， and showed good potential application prospect.

    Keywords Porous carbon; Thionine; Ratiometric electrochemical sensor; Ascorbic acid

    （Received 18 July 2020; accepted 21 September 2020）

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos. 21765009， 21964010， 21465014， 21665012）.

    2020-07-18收稿; 2020-09-21接受

    本文系國家自然科学基金项目（Nos. 21765009， 21964010， 21465014， 21665012）资助

    * E-mail： yhsonggroup@hotmail.com