化学通报   2016, Vol. 79 Issue (11): 1035-1040   PDF    
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  • 2016-03-11 收稿
  • 2016-07-30 接受
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    尤文钰
    杨铁金
    纳米银/石墨烯修饰电极测定青蒿素
    尤文钰, 杨铁金*    
    齐齐哈尔大学化学与化学工程学院 齐齐哈尔 161006
    2016-03-11 收稿, 2016-07-30 接受
    通信作者: 杨铁金, 男, 教授, 主要从事电分析化学研究。E-mail:tiejin99@126.com
    摘要： 本文建立一种新型的青蒿素传感器。首先，在玻碳电极上滴涂氧化石墨，通过电化学方法将氧化石墨还原为石墨烯，然后，在石墨烯上沉积纳米银得到石墨烯/纳米银修饰电极，它作为检测青蒿素的电化学传感器。用此电极对青蒿素进行测定，并通过循环伏安法、差分脉冲伏安法、交流阻抗法等研究其电化学行为。该修饰电极在测定青蒿素溶液时，表现出较正的还原电位和较大的峰电流等优势；对其实验条件如电解质溶液的pH、应用电势等进行了探查，该电化学传感器在青蒿素溶液浓度范围为1.0×10-8~3.0×10-5 mol/L时与其还原峰电流呈现良好的线性关系，最低检出限为1.2×10-9 mol/L（S/N=3）。此外，对该传感器的稳定性和重现性等也进行了研究，获得令人满意的结果。
    关键词： 青蒿素     石墨烯     纳米银     修饰电极    
    A Glassy Carbon Electrode Modified with Graphene and Silver Nanoparticles for Determination of Artemisinin
    You Wenyu, Yang Tiejin*     
    College of Chemistry and Chemical Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006
    Abstract: In this work, a novel artemisinin sensor was developed. Graphite oxide was coated and reduced to graphene(Gr) on a glassy carbon electrode(GCE) by electrochemical method. Then, Ag nanoparticles(AgNPs) were deposited on the above electrode to fabricate AgNPs/graphene modified electrode(AgNPs/Gr/GCE), which was denoted as the electrochemical sensor of artemisinin. The electrochemical behaviour of the modified electrode was studied by cyclic voltammetry, differential pulse voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, and so on. The modified electrode displays excellent performance in the electrochemical reduction of artemisinin for showing more positive reduction peak potential and high reduction peak currents. The effects of the experimental variables on the determination of arteminin such as solution pH and applied potential were investigated for optimum analytical conditions, the electrochemical sensor exhibited linear response to artemisinin in the concentration ranges from 1.1×10-8 mol/L to 3.0×10-6 mol/L, with a detection limit of 1.2×10-9 mol/L(S/N of 3). In addition, the stability and reproducibility of this sensor was also evaluated and gave satisfactory results.
    Key words: Artemisinin     Graphene     Ag nanopaticles     Modified electrode    

    近年来，纳米材料为促进电化学传感器发展提供了许多机遇，受到相当大的关注[1-3]。富勒烯、碳纳米管等作为广泛使用的电极修饰纳米材料被用于对电催化活性物质进行检测[4, 5]。金属纳米粒子如铜、银、铂、钯等粒子也是纳米材料重要的一部分，其中，纳米银颗粒不仅具有贵纳米金属粒子的共同特征，而且具有独特光学、机械、电学、电催化等性能，被广泛应用于电化学传感器[6]。此外，银纳米颗粒可作为理想导体，能够在靶分子和电极表面之间形成电子转移轨道[7]。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格状的二维材料，具有较大的比表面积、良好的导电性和生物相容性[8, 9]，在电化学传感器应用方面展现了多种优势，其复合物作为传感器材料也曾被报道[10, 11]。

    疟疾发生率的显著提高是由于许多恶性疟原虫对广泛使用的药物如氯喹等都有抗药性。青蒿素是从黄花蒿中提取的含有过氧基团的倍半萜内酯类有效抗疟药物，特别是对耐氯喹的恶性疟原虫感染和脑疟疾有效。目前，测定青蒿素的方法有高效液相色谱法、电化学法、紫外分光光度法、薄层色谱法等。根据Ghafoori等[12]的报道，分别利用薄层色谱法和高效液相色谱法可对浓度为35.4-354 μmol/L和3.5-141.64 μmol/L青蒿素进行检测。虽然这些方法展现高灵敏度和宽的线性范围，但也存在一定的局限性，青蒿素在紫外吸收波长为190nm和210nm之间，消光系数差，分子中没有特定的发色团，因而对于低浓度的青蒿素检测很困难[13]。与此相反，电化学方法克服了上述问题，并具有操作简单、成本低、响应快、易微量化等优点。目前，利用金属纳米复合电极对青蒿素进行检测的文献报道尚不多见[14-16]。

    本文制备了纳米银/石墨烯修饰电极(AgNPs/Gr/GCE)，并对其进行了表征，建立了一种新型测定青蒿素的非酶传感器。对实验条件如氧化石墨用量、溶液pH、沉积时间和电位等进行了优化，同时对青蒿素在修饰电极上的电化学行为进行了研究，最后，对此电化学传感器的实用性进行了评估。

    1 实验部分
    1.1 仪器和试剂

    CHI660E型电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；KODO JAC超声震荡仪，上海华耀贸易有限公司；PHS-3C型精密酸度计，上海精密仪器有限公司；电化学实验用三电极系统，修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极。

    青蒿素，天津一方科技有限公司；硝酸银，天津市凯通化学试剂有限公司；石墨粉，国药集团化学试剂有限公司；硝酸钠，天津市凯通化学试剂有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，天津市凯通化学试剂有限公司。所用试剂均为分析纯级，实验用水为二次蒸馏水。

    1.2 氧化石墨的制备

    将4g石墨粉和2g硝酸钠混合置于三颈烧瓶中，然后加入110mL浓硫酸，将反应瓶置于冰浴中。将混合物的温度保持在低于20℃，在剧烈搅拌下，将9g高锰酸钾分5次逐渐加入。全部加完后，搅拌1h，撤除冰浴，将混合物控制在35℃后搅拌2h，将混合物置于冰水浴中，加入240mL水，在冰浴下搅拌。待降温后，把10mL 30% H2O2加入到混合物中，此时溶液的颜色变为亮黄色并伴随着鼓泡，连续搅拌2h后，收集棕色沉淀，再分散到300mL 10%的盐酸水溶液中超声30min，然后抽滤。所得的滤饼用0.1mol/L盐酸溶液洗涤，再用二次去离子水洗至中性，收集固体干燥备用[17]。

    1.3 石墨烯修饰电极的制备

    电极修饰前，将裸玻碳电极依次用1.0、0.3、0.05 μm的α-Al2O3粉末打磨，然后依次用体积比为1:1的硝酸、乙醇以及二次去离子水对电极进行超声洗涤。将上述制得的氧化石墨固体配制成4mg/mL的分散液，用微量进样器吸取8μL分散液滴涂在预处理的裸电极上，自然晾干。将上述电极置于0.1mol/L NaNO3的DMF溶液中，于-1.7V下还原25min，将电极冲洗后晾干，得到石墨烯修饰电极。

    1.4 AgNPs/Gr/GCE的制备

    将石墨烯修饰电极置于3.0×10-3 mol/L AgNO3(0.1mol/L KNO3为溶剂)溶液中，于0.1V下电沉积40s，电极表面生成白色的薄膜，将电极冲洗后晾干，得到AgNPs/Gr/GCE。

    2 结果与讨论
    2.1 石墨烯的红外光谱表征

    图 1分别为石墨和合成的氧化石墨、石墨烯的红外光谱图，从图 1(a)可以看出，石墨基本无红外吸收峰。从1(b)可以看到，石墨被氧化后出现了一系列红外吸收峰，3412cm-1处较宽较强的吸收为水分子的伸缩振动峰，1724cm-1处为羧基的C＝O伸缩振动峰，1624cm-1处对应水分子的弯曲振动峰，在1380cm-1处归属为羧基的C—O伸缩振动峰，1225cm-1处为氧化石墨表面的C—O—C伸缩振动峰，1054cm-1处为氧化石墨表面的C—OH伸缩振动峰，这些含氧官能团的存在说明石墨已经被深度氧化。从图 1(c)中可以看到，当氧化石墨被还原为石墨烯后，其红外吸收峰很弱，几乎消失，表明氧化石墨大部分被还原。

    图 1 石墨(a)、氧化石墨(b)和石墨烯(c)的红外光谱图 Fig. 1 FT-IR spectra of graphite (a),graphite oxide (b) and graphene (c)

    2.2 修饰电极的电镜表征

    由石墨烯的TEM图(图 2(a))可以看到，表面有薄的褶皱层状结构，可确认为滴涂在电极上 的氧化石墨烯通过电化学还原为石墨烯而成功修饰到电极上。通过SEM观察AgNPs/Gr/GCE的表面形貌，结果见图 2(b)。图中有轻微的褶皱片层结构为石墨烯，有大量的近乎球状的纳米粒子均匀分散在褶皱表面上，表明银纳米粒子和石墨烯被成功修饰在电极表面上，形成了致密的导电薄膜。此外，图中还可观察到轻微的团聚，这可能是由于纳米银颗粒的小尺寸效应和石墨烯大的表面积所导致。电极的X射线衍射如图 2(c)所示，2θ=35.49°、36.46°、38.73°、39.84°、41.77°处为银的主要衍射峰，表明纳米银已修饰到此修饰电极表面。

    图 2 (a)石墨烯的透射电镜图；(b)修饰电极的扫描电镜图；(c)修饰电极的XRD图 Fig. 2 Characterization of AgNPs/Gr/GCE: (a) TEM image of Gr; (b) SEM image of AgNPs/Gr/GCE; (c) XRD image of AgNPs/Gr/GCE

    2.3 修饰电极的电化学阻抗表征

    电化学阻抗谱是一种表征电极的修饰过程的有用方法，通过修饰过程中电极表面的界面电子转移电阻的变化来提供信息[18, 19]。图 3为裸电极和修饰电极在0.1mol/L的KCl溶液(含有5mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-)中典型的Nyquist图。[Fe(CN)6]3-/4-是常用的电化学探针，在高频率的半圆形部分对应于电子转移控制过程，而在较低频率的线性部分对应扩散过程，半圆的直径等于探针在电极界面的电子传递电阻(Ret)。由图 3可以看出，裸电极(曲线(a))显示较高的电子传递电阻，这表明[Fe(CN)6]3-/4-氧化还原探针与电极界面之间的电子转移速率非常缓慢，阻碍了目标分子的电化学反应。曲线(b)显示，Gr/GCE表现出较低的界面电子转移电阻，表明高导电性的石墨烯修饰到电极上能有效提高电极的电导率。曲线(d)显示，AgNPs/Gr/GCE的 Ret值显著降低，这表明石墨烯和银纳米粒子先后修饰到电极上起到协同作用，可以显著提高导电性，促进了探针与电极界面间的电子转移。

    图 3 电极在含有5mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-的0.1mol/LKCl溶液的电化学阻抗图 Fig. 3 Electrochemical impedance spectroscopy of (a) bare GCE,(b) Gr/GCE,(c) AgNPs/GCE,(d) AgNPs/Gr/GCE

    2.4 青蒿素的电化学行为

    四个不同的电极在5.0×10-6mol/L青蒿素B-R缓冲液(pH=7.1，乙醇含量20%)中的循环伏安(CV)曲线如图 4所示。使用裸电极时(曲线(a))，青蒿素的一个还原峰在-1.0895V，CV曲线仅显示非常低的响应。在研究的电势范围，正向扫描没有观察到氧化峰，说明两个电极界面是完全不可逆电子转移动力学过程。在Gr/GCE上(曲线(b))，青蒿素的还原峰在-0.8781V，相比于裸电极正移了211.4mV，峰电流信号也有所提高，这表明石墨烯修饰到电极上对青蒿素的还原具有良好的电催化能力。在AgNPs/GCE上(曲线(c))，青蒿素的还原峰位于-0.60V；而在AgNPs/Gr/GCE(曲线(d))上，青蒿素的还原峰进一步正移至-0.51V处，即青蒿素在此修饰电极上更容易被还原，检测的峰电流也得到明显提高。这是由于，电沉积纳米银会使电极表面更为活跃，获得更高的电流信号；同时，纳米银粒子和石墨烯存在协同效应，使电极对青蒿素的响应更为灵敏。

    图 4 不同电极在5.0×10-6mol/L青蒿素溶液中的循环伏安图 Fig. 4 CVs of 5.0×10-6mol/L artemisinin (a) bare GCE, (b)Gr/GCE,(c) AgNPs/GCE,(d) AgNPs/Gr/GCE

    2.5 氧化石墨滴涂量

    考察了氧化石墨滴涂量对青蒿素测定的影响。将5-15 μL氧化石墨分散液滴涂在裸电极上，进行电化学还原，得到石墨烯修饰电极，将其用于对5.0×10-6mol/L青蒿素溶液的检测。由图 5(a)可见，当氧化石墨滴涂量为5-8 μL时，青蒿素的峰电流值依次增大；氧化石墨滴涂量为8-15 μL时，青蒿素的峰电流响应值逐渐减小。氧化石墨滴涂量太大，在电极表面生成的石墨烯较多，片层薄膜也越厚，反而阻碍了电子的传递。所以，选择8μL氧化石墨滴涂在裸电极上，此条件下所得电极检测青蒿素时峰电流值最大且灵敏。

    图 5 青蒿素还原峰电流值与氧化石墨滴涂量(a)、缓冲溶液的pH(b)和沉积时间(c)的关系图 Fig. 5 Effect of (a) GO amount,(b) pH value of B-R buffer solution and (c) deposition time on the reduction peak current

    2.6 缓冲溶液pH的影响

    在不同缓冲溶液pH下，使用修饰电极对5.0×10-6mol/L青蒿素溶液进行检测，结果如图 5(b)所示。由图中可以看出，青蒿素还原峰电流从缓冲溶液pH=5.3开始增大，在pH为7.1时峰电流值达到最大，随后有所降低，因此，7.1为最优缓冲溶液pH。

    2.7 沉积时间

    对纳米银粒子沉积时间对电极测定青蒿素的影响进行研究。如图 5(c)所示，沉积时间为10-40 s时，青蒿素峰电流值逐渐增加，40-70 s时，峰电流值开始下降。可能由于沉积时间过长，电极上沉积的银粒子过多，完全覆盖了修饰的石墨烯，影响青蒿素的检测。当沉积为40s时，青蒿素峰电流值较大，且峰型最明显，所以选择纳米银粒子沉积时间为40s。

    2.8 扫描速率的影响

    图 6(a)是AgNPs/Gr/GCE在不同扫描速率 下对5.0×10-6mol/L青蒿素溶液测定的CV图。图中显示，青蒿素还原峰电流值随着扫描速率的增加而逐渐增加。图 6(b)显示的是青蒿素还原峰电流和扫描速率方根的关系图，在0.03-0.13 V·s-1范围内，回归方程为Ipc (μA)=5.5831V1/2+6.8405，相关系数为0.9985，表明青蒿素的电化学反应是扩散控制的过程，而不是表面反应控制的过程。

    图 6 修饰电极在不同扫描速度下对5.0×10-6mol/L 青蒿素溶液测定的循环伏安图 (a) 和青蒿素还原峰电流和扫描速率方根的关系图(b) Fig. 6 (a) CV of artemisinin with AgNPs/Gr/GCE at 30,50,70,90,110 and 130 mV/s in 5.0×10-6mol/L artemisinin; (b) The relationship plot between the reduction peak current and the square root of scan rate

    2.9 干扰实验

    传感器的实用性往往取决于选择性。因此，有必要研究共存离子和其他化合物存在下对检测青蒿素是否有干扰。结果表明，5倍浓度的酪氨酸、精氨酸或谷氨酸对5.0×10-6mol/L青蒿素的测定几乎没有影响，电流响应基本不变，说明AgNPs/Gr/GCE对一些外来物质具有良好的抗干扰能力，其对青蒿素检测具有良好的选择，可以应用于实际样品中青蒿素的检测。

    2.10 重现性和稳定性

    对AgNPs/Gr/GCE的重现性和稳定性进行了研究。用此修饰电极对青蒿素溶液进行连续10次测定，相对标准偏差(RSD)为2.6%，重现性较好。利用AgNPs/Gr/GCE对同一浓度的青蒿素进行测定，7d和21d后，峰电流值分别为初始电流响应的87.5%和80.4%。以上结果表明，该修饰电极具有良好的长期稳定性和重现性。

    2.11 分析性能

    差分脉冲伏安法(DPV)是一种有效、低检测限的快速分析技术。在本文中，利用DPV法对青蒿素进行测定。如图 7(a)所示，在优化检测条件下，随着青蒿素浓度的增加，AgNPs/Gr/GCE上DPV响应的峰电流值增大。根据青蒿素还原峰电流值和浓度关系，作出标准曲线，如图 7(b)所示。青蒿素还原峰电流值与其浓度在1.1×10-8-3.0×10-6 mol/L范围内成正比，线性方程为Ipc(μA)=53.968c(μmol/L)+10.883，相关系数R2为0.9988，检测限为1.2×10-9mol/L。与前报道[10]相比，在没有预浓缩或者预衍生情况下，该方法具有较低的检出限，更适合低浓度青蒿素的检测。

    图 7 修饰电极在不同浓度青蒿素溶液中的DPV图(a)和青蒿素还原峰电流值和浓度的标准曲线图(b) Fig. 7 (a) DPVs for various concentrations of artemisinin; (b) the standard curve between the reduction peak current of artemisinin and the concentration

    2.12 回收率

    为了评估该检测方法的有效性，对含有青蒿素的样品溶液进行了加标回收实验，结果如表 1所示。AgNPs/Gr/GCE测定青蒿素的加标回收率平均值是101.29%，且回收率在99.69％-103.10％之间，与中国药典中青蒿素测定的结果相一致，表明此方法可以用于实际样品中青蒿素的测定，且准确可靠。

    表 1 青蒿素回收率测定表 Table 1 The recovery rate for determination of artemisinin

    3 结论

    本文建立了一种纳米银/石墨烯修饰电极，其在青蒿素电化学还原过程中表现出优异的电催化性能。基于此修饰电极所建立的青蒿素电化学传感器具有电流响应速度快、检测限低、重现性好、稳定性高等优势，有望用于低浓度青蒿素样品的实际检测。

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