电化学还原石墨烯膜电极用于抗坏血酸(AA)的检测

陈体伟，郑 萌，沈子杰，任明玉，吴 璟

(许昌学院 化工与材料学院，河南 许昌 461000)

抗坏血酸(AA)又称维生素C，是一种水溶性多羟基化合物,广泛存在于水果和蔬菜中.抗坏血酸(以下均简称为AA)可以促进人体抗体的形成，缓解重金属的毒害作用，改善脂肪和类脂的代谢，加快组织创伤愈合等[1];但人体吸收过量时，会导致胃痉挛、多尿、皮肤病甚至溶血等症状[2,3].因此，快速、灵敏测定食品或药品中的AA含量就非常重要.目前，在AA的检测方法中，电化学法具有操作简单、分析时间短、灵敏度高等优点，所以得到广泛应用.

石墨烯(Graphene)是由sp2杂化碳原子成键形成的具有蜂窝状结构的类石墨碳材料.其特殊的层状电子结构，使其具有比表面积大[4]、电子传导性好[4]等优异性能，广泛应用于电化学传感器[5]、复合材料[6]、能量储存器件[7]等领域.当前在石墨烯电极上能够实现对抗坏血酸(AA)的灵敏检测，但石墨烯的制备工艺复杂，且污染环境.因此采用绿色、易控的电化学还原技术制得石墨烯电极，使用循环伏安技术考察石墨烯电极对的电催化性能，并对AA的检测条件进行优化.石墨烯电极具有良好的选择性和抗干扰特点，能够实现对AA的灵敏、快速检测.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI650 E电化学工作站，上海辰华仪器公司；所有电化学实验以石墨烯电极，饱和SCE电极，Pt丝电极构成的三电极体系进行测试；KQ218超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；TGL-16B高速离心机，上海安亭科学仪器厂；EVOLS-15扫描电子显微镜，德国蔡司公司.

抗坏血酸(AA)储备液的配制：准确称取AA粉末0.176 2 g于小烧杯中，溶解后转移至100 mL容量瓶定容中，摇匀，得到1×10-2mol·L-1AA溶液，放入冰箱中冷藏备用.

磷酸盐缓冲溶液(PBS)的配制：将0.1 mol·L-1KH2PO4溶液和0.1 mol·L-1Na2HPO4溶液按不同比例混合，分别得到pH=4.08，5.23，6.30，7.05，8.11的缓冲溶液体系，待用.

除抗坏血酸为GR级别外，实验中所用其他试剂均为AR级别，配制溶液所用水为去离子水.

1.2 合成氧化石墨及制备其分散液

氧化石墨是根据修改的hummers方法[8]制得的.将20 mg干燥的氧化石墨置于100 mL的烧杯中，加入40 mL去离子水，将其置于超声波清洗器中超声分散12 h后，得到分散均一的氧化石墨烯溶液，待用.

1.3 制作氧化石墨烯电极

分别用0.3，0.05 mm氧化铝粉对裸玻碳电极进行抛光处理，然后置于无水乙醇和去离子水中对其进行超声波清洗.晾干后，使用移液枪吸取10 μL分散均一的氧化石墨烯胶体溶液滴涂于玻碳电极上，移至红外灯下烘干，就得到氧化石墨烯电极.

1.4 电化学还原石墨烯的制备

所用电解液为pH=4.08的PBS缓冲液，在常规三电极体系下，将上述制得的氧化石墨烯电极，在-1.5 V(vs.SCE)恒电位下还原10 min，即可制得电还原石墨烯电极，备用.

2 结果与讨论

2.1 氧化石墨烯的电化学还原和SEM表征

图1是氧化石墨烯电极在-1.5 V恒电位下电化学还原的曲线图.可以看出，还原电流首先迅速下降，随后电流几乎保持不变，表明氧化石墨烯在电极上能够快速还原制得还原石墨烯材料.图2是电还原技术得到的石墨烯在裸电极表面的SEM表征.可以看出，该方法制备的石墨烯表面呈褶皱波纹状，这种特征形貌结构是类石墨烯材料所特有的，表明采用该方法能够成功制得石墨烯电极.

图1 氧化石墨烯电极的恒电位还原图

图2 还原石墨烯电极的原位SEM表征

2.2 AA在裸玻碳和石墨烯电极上的电化学行为

图3中a、b曲线分别是GC电极和石墨烯电极在2×10-3mol·L-1AA溶液的CV扫描图.可以看出，在pH=4.08的AA溶液中，GC电极和石墨烯电极在0.4 V左右都只出现一个氧化峰，没有还原峰，说明AA在这两种电极上电氧化过程是不可逆的.AA在石墨烯电极上的氧化峰电流远大于GC,表明GC电极具有优异的电子传递性能，大大提高了AA分子和电极界面间的电子得失速率.

图4中的曲线a是石墨烯电极在pH=4.08的PBS空白溶液中的伏安曲线，曲线b是石墨烯电极在一定浓度AA溶液中的伏安图.可以看出，在空白溶液中没有出现AA的氧化峰.在AA溶液中，0.42 V左右有一个明显的氧化峰，该峰对应于AA分子在石墨烯电极上的电催化氧化峰，说明石墨烯电极对AA具有良好的催化氧化活性.

图3 裸玻碳(GC)和石墨烯电极在AA溶液的CV图

图4 石墨烯电极在PBS空白和AA溶液的CV曲线

2.3 扫描速率对AA峰电流的影响

图5是石墨烯电极分别在0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、1.0 V/s扫速下对AA进行电化学扫描的CV曲线.可以看出，AA在石墨烯电极上的峰电流随着扫描速率的增大而升高；在峰形不变时，峰电位逐渐右移.以不同扫描速率平方根和其对应的AA峰电流，然后作图，如图6所示.可以看出，两者之间呈现良好的线性关系，其拟合回归方程为Ip(μA)=109.35ν1/2(V/s)1/2-4.367 4，相关性系数R2=0.992 5.表明AA在该石墨烯电极上的电催化氧化反应是受扩散控制的.

图5 RGO电极对AA响应的CV图

图6 响应峰电流与扫描速率平方根的关系曲线

2.4 石墨烯电极在不同pH、浓度下对AA的电化学响应

在不同pH的PBS缓冲溶液中进行CV扫描，结果如图7，其中1～5分别对应于pH=4.08、5.23、6.30、8.11、7.05的AA溶液的伏安响应曲线.可以看出，在pH=4.08时，AA在电极上的响应氧化峰电流最大.随着溶液pH的增大，AA的氧化峰电位逐渐负移，表明AA在石墨烯电极上的电氧化过程是有质子参与的.因此，为了获得较高的检测灵敏度，选择pH=4.08的PBS溶液作为电解质底液.

图8是石墨烯电极分别在为2(a)、3(b)、5 mmol·L-1(c)三种不同浓度AA中的CV曲线.可以看出，当AA浓度增大时，其对应的氧化峰电流值也显著升高，表明石墨烯电极对AA分子具有优异的电催化氧化活性.

图7 不同pH下石墨烯电极对AA的CV响应曲线

图8 石墨烯电极对不同浓度AA检测的CV图

2.5 AA在石墨烯电极上的定量检测

图9是在0.55 V测试电压下，每隔100 s向pH=4.08的PBS缓冲液中滴加10 μL 1×10-2mol·L-1AA溶液得到的Ip-t响应曲线图.可以看出，随着AA逐渐加入，电流响应都会迅速增大.响应信号整体呈阶梯状上升，且都较快达到稳态电流，表明AA在石墨烯电极表面能够快速氧化.图10是石墨烯电极上AA的电流响应值与AA浓度的线性关系图.可以看出，两者在1×10-5～1×10-4mol·L-1呈现出良好的线性关系，线性回归方程Ip(μA)=3.020 0+0.615c(μmol·L-1)，相关性系数R2=0.997 5.

2.6 AA在石墨烯电极上的抗干扰性

为了考察石墨烯电极检测AA的抗干扰性能，在AA待测液中分别加入100倍的KNO3、NaCl、CH3COOH和50倍葡萄糖，上述共存物质对AA的测定均无影响，结果如图11所示.可以看出，AA在该石墨烯电极的检测具有较强的抗干扰性能，能够在实际样品中进行AA的分析测定.

图9 石墨烯电极对不同浓度AA的响应曲线

图10 AA响应电流与其浓度的关系曲线

图11 不同干扰物质对AA电流响应影响

2.7 石墨烯电极的再现性和重现性

为了检验石墨烯电极的有效性，在相同实验条件下，利用三根不同的石墨烯电极分别对2×10-3mol·L-1的AA溶液进行循环伏安扫描.所得结果的相对平均偏差为14.3%，这表明石墨烯电极在使用时的再现性良好.

将石墨烯电极在浓度为2×10-3mol·L-1AA溶液连续进行5次CV扫描，根据5次AA的峰电流值，计算得到测量的相对平均偏差为3.8%,这表明石墨烯电极在检测AA时也具有良好的重现性.

3 结论

选用滴涂法将氧化石墨烯修饰于玻碳电极表面，在恒电位下还原制得石墨烯电极.该石墨烯电极对AA分子具有优异的电催化氧化活性，在优化实验条件下能够实现对AA的定量检测.响应电流与AA的浓度之间具有较好的线性关系.同时石墨烯电极对AA的检测具有较好的再现性、重现性以及抗干扰性能.该石墨烯电极可用于食品和药品中AA的快速、灵敏检测.