CN103969310A

CN103969310A - 石墨烯修饰玻碳电极及其在测定黄姜皂素含量中的应用

Info

Publication number: CN103969310A
Application number: CN201410220187.6A
Authority: CN
Inventors: 黄华宇; 白万乔; 梁蓓; 刘志华; 宋艳艳; 张振文
Original assignee: SHAANXI ENVIRONMENT SCIENCE RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: SHAANXI ENVIRONMENT SCIENCE RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: CN103969310B

Abstract

本发明涉及电化学分析领域，具体涉及石墨烯修饰玻碳电极及其应用。石墨烯修饰玻碳电极的制备方法包括以下步骤：(1)将石墨粉氧化，洗涤，干燥得到氧化石墨；(2)将氧化石墨分散于水中，调节pH值，加入NaBH₄或抗坏血酸，加热，得到石墨烯分散液；(3)将玻碳电极抛光成镜面，清洗，晾干；将石墨烯分散液滴加在玻碳电极表面，烘干即制得石墨烯修饰玻碳电极。利用循环伏安法，石墨烯修饰玻碳电极可用于测定黄姜皂素的含量，这种方法具有选择性好、灵敏度高、结果稳定，检测方便的优点。

Description

石墨烯修饰玻碳电极及其在测定黄姜皂素含量中的应用

技术领域

本发明涉及电化学分析领域，具体涉及一种石墨烯修饰玻碳电极及其在测定黄姜皂素含量中的应用。

背景技术

黄姜是薯蓣类植物中含皂苷最多的种类，分布在陕西、湖北等地，其中以秦岭以南的黄姜质量最优。由黄姜中提取的黄姜皂素是激素类药物，加工合成后多用于避孕药、抗炎药、性激素等甾体激素药，含量微小，但作用强大，被称为医药界的“黄金药”。

黄姜皂素的测定方法有熔点测定法、重量法、电位滴定法、液相色谱法、分光光度法等。

陕西省多数企业采用2002年发布的地方标准-《黄姜薯蓣皂素》中的“熔点测定法”：将皂素熔点的高低作为判断黄姜皂素合格与否、优质与否的重要判断依据。该测定方法有耗时长，易受仪器、人为因素的影响，定性不准等缺点。

也有学者采用高效液相色谱法测定皂素浓度，但分析成本、维护费用较高，并不完全适合现实企业测定。

另外，由于黄姜皂素不溶于水，这一特性使得其他方法测定水中皂素含量的结果均有偏差。因此，发明一种准确、快速、简便测定皂素浓度的新方法是意义重大的工作。

经检索发现，公开号为CN102944596，发明名称为石墨烯修饰玻碳电极的制备方法及应用中提供了一种石墨烯修饰玻碳电极的制备方法及其在检测氧化还原活性色素中的应用。其制备方法为：(1)制备氧化石墨烯分散液；(2)玻碳电极清理干净，在玻碳电极表面滴加氧化石墨烯分散液，晾干；(3)以氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，在缓冲溶液中电化学还原，即得到石墨烯修饰玻碳电极；检测氧化还原活性色素的工作电极为石墨烯修饰玻碳电极，其中，石墨烯修饰玻碳电极是将氧化石墨烯修饰电极通过电化学还原的方法得到的，氧化还原活性色素包括诱惑红、红曲红、亮蓝等。以上发明先将氧化石墨烯修饰在玻碳电极上再对氧化石墨烯进行还原得到石墨烯，由于氧化石墨烯修饰在电极上，在进行电化学还原时不能保证其能被充分还原；本发明先充分还原氧化石墨烯制备得到水溶性的石墨烯，确保它的电催化性，再用其均匀修饰玻碳电极来对黄姜皂素进行电化学检测。

公开号为CN102288669，发明名称为一种基于石墨烯修饰电极同时测定芦丁和槲皮素的电化学方法，该方法采用石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，采用循环伏安法和差示脉冲伏安法对芦丁和槲皮素进行同时测定。本申请与上述技术本质的区别在于本申请制备得到的石墨烯具有很好的水溶性，在水中能充分分散，有利于均匀滴涂在电极表面，提高响应效果，目前并未出现用该电化学测定黄姜皂素含量的报道，由于黄姜皂素难溶于水，选择合适的溶剂是关键，同时底液pH值对该检测也有着较大的影响。

发明内容

针对现有技术测定黄姜皂素的方法中存在的耗时长、步骤繁琐、准确度不高等缺陷，本发明旨在提供一种石墨烯修饰玻碳电极及其在测定黄姜皂素含量中的应用。

本发明的技术方案具体如下：

一种石墨烯修饰玻碳电极，制备方法包括以下步骤：

(1)制备氧化石墨：将石墨粉氧化，洗涤，干燥得到氧化石墨；

(2)制备石墨烯：将氧化石墨分散于水中，调节pH值，加入NaBH₄或抗坏血酸，加热，得到石墨烯分散液；

(3)制备修饰电极：将玻碳电极抛光成镜面，清洗，晾干；将石墨烯分散液滴加在玻碳电极表面，红外灯下烘干即制得石墨烯修饰玻碳电极。

本发明所述的方法，步骤(1)中将石墨粉氧化、洗涤、干燥得到氧化石墨。

其中，将石墨粉氧化的具体方法为：在温度≤0℃条件下，将浓硫酸加入到石墨粉和KNO₃的混合物中，再加入KMnO₄，得到混合物1，将混合物1连续搅拌15～20min，升至室温下继续搅拌1～1.5h，然后加水稀释到混合物1体积的3～4倍后，再加H₂O₂继续搅拌3～3.5h。

所述石墨粉与浓硫酸的质量体积比为1g：(50～60)ml，石墨粉：KNO₃：KMnO₄的质量比为1：(1～1.2)：(5～6)，H₂O₂的加入量为所述加水稀释到混合物1体积的3～4倍后总体积的1～1.5％。所述H₂O₂的质量比为30％。

其中，洗涤的方法为，用稀盐酸溶液重复洗涤，直到洗液中不存在SO₄ ²-为止，再用超纯水重复洗涤至中性。

本发明所述的方法，步骤(2)中将氧化石墨分散于水中，调节pH值为10，加入NaBH₄或抗坏血酸，加热，得到石墨烯分散液。pH过大或过小都会使制得的石墨烯发生沉聚。

其中，步骤(2)制备石墨烯的具体方法为：按氧化石墨：水＝1mg：(0.75～1)ml的比例，将氧化石墨分散于水中，超声波分散1～1.5h；调节pH值为10，加入NaBH₄或抗坏血酸，加热至135～145℃，加热时间为4～5h。

具体而言，按质量比，NaBH₄的加入量为氧化石墨的1.5～2.5倍；按质量比，抗坏血酸加入量为氧化石墨的8～10倍。

本发明所述的方法：步骤(3)将玻碳电极抛光成镜面，清洗，晾干；将石墨烯分散液滴加在玻碳电极表面，红外灯下烘干即制得石墨烯修饰玻碳电极。

优选的，所述步骤(3)玻碳电极抛光成镜面后，依次用稀HNO₃、无水乙醇、蒸馏水超声波清洗。

取石墨烯分散液滴加在玻碳电极表面，使石墨烯分散液均匀的包覆在玻碳电极表面。本发明采用相同型号的玻碳电极，统一规格为：外径6mm，总长70mm。对于本发明使用的玻碳电极，优选取8-10μL的石墨烯分散液滴加在玻碳电极表面。

此外，本发明所述的方法所述制备方法还包括在已用石墨烯修饰的玻碳电极表面，以Nafion溶液修饰的处理步骤。

其中，以5μL质量百分比为0.5％的Nafion溶液均匀滴涂在修饰好的玻碳电极上，再在红外灯下干燥，待用。

石墨烯是六方蜂巢状的晶格，由单层碳原子紧密堆积而成，是世界上最薄的材料。它的比表面积大，电子迁移率高，且不受温度影响，具有优异的电学热学力学及化学性质，在诸多领域已得到广泛的应用。采用石墨烯作为电极修饰材料，其导电性优良，化学性质稳定，比表面积大，这些纳米材料独具的结构和性质，在医学分析、食品检测及化学应用方面都有很好的应用。用石墨烯修饰后的铂电极对溶液中黄姜皂素具有很好的响应信号，能用来准确的测定黄姜皂素的含量。在制备石墨烯时，调节氧化石墨烯溶液为碱性(pH为10)。制备得到的石墨烯具有良好的水溶性，克服了石墨烯易聚沉不易分散的缺点，使其能够更好地应用在电化学领域。

本发明的技术方案还包括：石墨烯修饰玻碳电极在测定黄姜皂素含量中的应用。

本发明的技术方案：采用三电极电化学系统，对石墨烯修饰玻碳电极进行循环伏安测试，由标准溶液测出黄姜皂素的浓度与电化学响应信号的关系，使用循环伏安法检测待测溶液中黄姜皂素的含量。用电化学方法检测黄姜皂素具有操作简单，成本低，响应速度快，反应灵敏等特点，检测限达到了4.2×10^-6mol/L。

其中，所述使用循环伏安法检测待测溶液中黄姜皂素含量的方法为，在80mV/s、pH＝3.0的条件下，以三电极电化学系统为工作站，底液为含有黄姜皂素的缓冲溶液，进行电化学测量，得到电化学相应信号，根据黄姜皂素的浓度与电化学响应信号的关系，得出底液中的黄姜皂素的浓度。

具体而言，所述三电极化学系统为以石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极。

本发明的技术方案还包括，检测结束后，将石墨烯修饰的玻碳电极在pH＝3.0的空白磷酸缓冲溶液中循环扫描直至不再出氧化还原峰，保存，用于检测下一次的黄姜皂素溶液。

电化学方法相比于其他方法，一种简单、易于控制、快速的分析检测方法，特别适合于皂素生产企业用于皂素的常规分析，并且具有选择性好、灵敏度高、结果稳定，检测方便的优点。

附图说明

图1为本发明实施例4中不同扫速下石墨烯修饰玻碳电极的CV图。

图2为本发明实施例4中不同pH值时石墨烯修饰玻碳电极对黄姜皂素的CV图。

图3为本发明实施例4中裸玻碳电极、石墨烯修饰玻碳电极在0.1mmol/L的皂素溶液和磷酸盐缓冲溶液(pH＝3.0)中的CV图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1制备本发明所述石墨烯修饰玻碳电极

(1)制备氧化石墨(GO)：在温度≤0℃条件下，将55ml浓硫酸加入到1.0g石墨粉和1.1g KNO₃的混合物中，再加入5.5gKMnO₄，得混合物1，将混合物1连续搅拌20min，升至室温下继续搅拌1.5h，加水稀释到混合物1体积的3～4倍后，再加3mL的质量比为30％的H₂O₂，继续搅拌3h。用质量百分含量5％的HCl溶液重复洗涤，直到用1％BaCl₂溶液检测不到洗液中存在SO₄ ^2-为止，再用超纯水重复洗涤至中性，干燥后得到固体氧化石墨。

(2)制备石墨烯(RGO)：取1.0g氧化石墨，用超声波将氧化石墨分散于1mL水中，超声波处理的时长为1h。调节pH值为10，加入2.0g NaBH₄，持续加热，加热温度为135℃，加热时间为5h，得到石墨烯分散液；

(3)制备修饰电极：将市购的(外径6mm，总长70mm，天津英科联合科技有限公司)玻碳电极(GCE)抛光成镜面，依次用稀HNO₃(V_H2O:V_HNO3＝1:1)、无水乙醇、蒸馏水超声波均清洗2～3min，晾干；采用滴涂法将石墨烯分散液10μL滴加在玻碳电极表面，红外灯下烘干即制得石墨烯修饰玻碳电极。

待烘干后还可再在其表面修饰5μL质量百分比为0.5％的Nafion溶液，以防止石墨烯材料脱落。

实施例2制备石墨烯修饰玻碳电极

(1)制备氧化石墨(GO)：在温度≤0℃条件下，将50ml浓硫酸加入到1.0g石墨粉和1.0g KNO₃的混合物中，再加入5.0gKMnO₄，得混合物1，将混合物1连续搅拌15min，升至室温下继续搅拌1.5h，加水稀释到混合物1体积的4倍后，再加2.8mL的质量比为30％的H₂O₂，继续搅拌3h。用质量百分含量5％的HCl溶液重复洗涤，直到用1％BaCl₂溶液检测不到洗液中存在SO₄ ^2-为止，再用超纯水重复洗涤至中性，干燥后得到固体氧化石墨。

(2)制备石墨烯(RGO)：取1.0g氧化石墨，用超声波将氧化石墨分散于0.75mL水中，超声波处理的时长为1h。调节pH值为10，加入8.0g抗坏血酸，持续加热，加热温度为140℃，加热时间为5h，得到石墨烯分散液；

(3)制备修饰电极：将市购的(外径6mm，总长70mm，天津英科联合科技有限公司)玻碳电极(GCE)抛光成镜面，依次用稀HNO₃(V_H2O:V_HNO3＝1:1)、无水乙醇、蒸馏水超声波均清洗2min，晾干；采用滴涂法将石墨烯分散液8μL滴加在玻碳电极表面，红外灯下烘干即制得石墨烯修饰玻碳电极。

实施例3制备石墨烯修饰玻碳电极

(1)制备氧化石墨(GO)：在温度≤0℃条件下，将60ml浓硫酸加入到1.0g石墨粉和1.2g KNO₃的混合物中，再加入6.0gKMnO₄，得混合物1，将混合物1连续搅拌18min，升至室温下继续搅拌1.2h，加水稀释到混合物1体积的4倍后，再加3.2mL的质量比为30％的H₂O₂，继续搅拌3h。用质量百分含量5％的HCl溶液重复洗涤，直到用1％BaCl₂溶液检测不到洗液中存在SO₄ ^2-为止，再用超纯水重复洗涤至中性，干燥后得到固体氧化石墨。

(2)制备石墨烯(RGO)：取1.0g氧化石墨，用超声波将氧化石墨分散于0.9mL水中，超声波处理的时长为1.5h。调节pH值为10，加入2.5g NaBH₄，持续加热，加热温度为145℃，加热时间为4h，得到石墨烯分散液；

(3)制备修饰电极：将市购的(外径6mm，总长70mm，天津英科联合科技有限公司)玻碳电极(GCE)抛光成镜面，依次用稀HNO₃(V_H2O:V_HNO3＝1:1)、无水乙醇、蒸馏水超声波均清洗3min，晾干；采用滴涂法将石墨烯分散液9μL滴加在玻碳电极表面，红外灯下烘干即制得石墨烯修饰玻碳电极。

实施例4石墨烯修饰玻碳电极的循环伏安测试

以实施例1得到的石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，对照选用没有进行修饰的玻碳电极(GCE)，以下称为裸玻碳电极，规格为外径6mm，总长70mm，采购自天津英科联合科技有限公司。

以石墨烯修饰玻碳电极或裸玻碳电极为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，组成三电极电化学系统。Ag/AgCl电极和铂丝均可市购，本实施例中Ag/AgCl电极和铂丝规格均为外径6mm，总长70mm，采购自天津英科联合科技有限公司。

循环伏安测试为：将扫描范围设置为-1.1～0.6V，电化学检测池中加入5mL以pH＝3.0的缓冲溶液稀释配制成的浓度为1×10^-4mol·L^-1的黄姜皂素溶液，将电极插入检测池，通过计算机监测其电化学响应信号值。

用origin作图，绘制在不同扫描速率下石墨烯修饰玻碳电极的CV响应值，见图1，其中，a为10mV/s，b为30mV/s，c为50mV/s，d为80mV/s，e为100mV/s，f为150mV/s，g为200mV/s，图3中沿箭头方法，从下到上依次为a～g。不同pH时，石墨烯修饰玻碳电极对黄姜皂素的CV响应值见图2，其中，a为pH值2.2，b为pH值3.0，c为pH值4.0，d为pH值5.0，e为pH值6.0，f为pH＝7.0，g为pH＝8.0。用origin作图，分别绘制裸玻碳电极、石墨烯修饰玻碳电极在0.1mmol/L的皂素溶液和缓冲溶液(pH＝3.0)中的CV图，扫速为80mV/s，见图3，其中，a为裸玻碳电极，b为石墨烯修饰玻碳电极。

根据图1～3循环伏安测试来检测电极有效表面积和电子传递效率的结果，最终确定黄姜皂素在扫速为80mV/s、pH＝3.0时，测得皂素浓度的电化学响应值最佳。

实施例5以石墨烯修饰玻碳电极测定溶液中黄姜皂素的含量

以实施例1的石墨烯修饰玻碳电极测定溶液中的黄姜皂素的含量。

循环伏安法，设置初始电位为-0.5V，终止电位为0.3V，电位增量为0.004V，脉冲宽度0.2s。

以乙醇-水为溶剂、配制浓度为1.0×10^-3mol/L的黄姜皂素溶液500mL，皂素取自市售的标准品。以磷酸氢二钠和柠檬酸配制成pH＝3.0的缓冲溶液，用于稀释黄姜皂素标准样品。缓冲溶液的具体配制过程：将4.11mL的0.2mol/L磷酸氢二钠和15.89mL的0.2mol/L的柠檬酸混合，得到0.2mol/L、pH＝3.0的缓冲液，再将其稀释至40mL即得到0.1mol/L、pH＝3.0的缓冲液。

在80mV/s、pH＝3.0的条件下，以三电极电化学系统为工作站，循环伏安法用石墨烯修饰玻碳电极测定不同浓度(1.0×10^-4～8.1×10^-5mol/L)黄姜皂素的电化学响应值，得到的峰电流与黄姜皂素浓度呈线性关系，线性回归方程为：ip(μA)＝20.4326C+12.65(mol/L)，R＝0.9991，检测限达4.2×10^-6mol/L，该工作曲线可作为黄姜皂素浓度定量的依据。石墨烯修饰电极作为工作电极可进行连续检测，重复性好，稳定性高且易被更新。

取山阳县金川封幸公司生产的以黄姜为原料提取的皂素产品，用乙醇-水配制成浓度为1.0×10^-3mol/L的黄姜皂素溶液。在80mV/s、pH＝3.0的条件下，用石墨烯修饰玻碳电极测定其电化学响应值。通过加标测试的方法进一步检测了山阳县金川封幸公司生产的黄姜皂素的回收率，采用标准加入法对不同浓度的黄姜进行样品加标回收实验。具体测定结果如表1所示，每个样品平行测定3次，其相对标准偏差小于5％，并考察加标回收情况，测定的回收率在97.2％～101.1％之间。以上数据表明，所建立的分析方法具有较高的准确性，并且操作简单，可望用于实际样品的测试。

表1实际样品中黄姜皂素的分析结果

每次扫描结束后，将石墨烯修饰的玻碳电极在pH＝3.0的空白磷酸缓冲溶液中循环扫描直至不再出氧化还原峰，室温下保存，这样可以用来检测下一次的黄姜皂素溶液，提高了石墨烯修饰的玻碳电极的重现性和利用率，降低了修饰电极的耗费和成本。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种石墨烯修饰玻碳电极，其特征在于：制备方法包括以下步骤：

(3)制备修饰电极：将玻碳电极抛光成镜面，清洗，晾干；将石墨烯分散液滴加在玻碳电极表面，烘干即制得石墨烯修饰玻碳电极。

2.根据权利要求1所述的石墨烯修饰玻碳电极，其特征在于：所述步骤(1)将石墨粉氧化的具体方法为：在温度≤0℃条件下，将浓硫酸加入到石墨粉和KNO₃的混合物中，再加入KMnO₄，得到混合物1，将混合物1搅拌，升至室温下继续搅拌，然后加水稀释到混合物1体积的3～4倍后，再加H₂O₂，搅拌；所述石墨粉与浓硫酸的质量体积比为1g：(50～60)ml，石墨粉：KNO₃：KMnO₄的质量比为1：(1～1.2)：(5～6)，H₂O₂的加入量为所述加水稀释到混合物1体积的3～4倍后总体积的1～1.5％。

3.根据权利要求1所述的石墨烯修饰玻碳电极，其特征在于，步骤(2)制备石墨烯的具体方法为：按氧化石墨：水＝1mg：(0.75～1)ml的比例，将氧化石墨分散于水中，超声波分散；调节pH值为10，加入NaBH₄或抗坏血酸，加热至135～145℃，加热时间为4～5h。

4.根据权利要求3所述的石墨烯修饰玻碳电极，其特征在于：按质量比，NaBH₄的加入量为氧化石墨的1.5～2.5倍；按质量比，抗坏血酸加入量为氧化石墨的8～10倍。

5.根据权利要求1所述的石墨烯修饰玻碳电极，其特征在于：所述步骤(3)玻碳电极抛光成镜面后，依次用稀HNO₃、无水乙醇、蒸馏水超声波清洗。

6.根据权利要求2～5中任一项所述石墨烯修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括在已用石墨烯修饰的玻碳电极表面，用Nafion溶液修饰的处理步骤。

7.权利要求1所述石墨烯修饰玻碳电极在测定黄姜皂素含量中的应用。

8.利用权利要求1所述石墨烯修饰玻碳电极测定黄姜皂素含量的方法，其特征在于：采用三电极电化学系统，对石墨烯修饰玻碳电极进行循环伏安测试，由标准溶液测出黄姜皂素的浓度与电化学响应信号的关系，使用循环伏安法检测待测溶液中黄姜皂素的含量。

9.根据权利要求8所述的利用石墨烯修饰玻碳电极测定黄姜皂素含量的方法，其特征在于：所述使用循环伏安法检测待测溶液中黄姜皂素含量的方法为，在80mV/s、pH＝3.0的条件下，以三电极电化学系统为工作站，底液为含有黄姜皂素的缓冲溶液，进行电化学测量，得到电化学相应信号，根据黄姜皂素的浓度与电化学响应信号的关系，得出底液中的黄姜皂素的浓度。

10.根据权利要求9所述的利用石墨烯修饰玻碳电极测定黄姜皂素含量的方法，其特征在于：还包括检测结束后，将石墨烯修饰的玻碳电极在pH＝3.0的空白磷酸缓冲溶液中循环扫描直至不再出氧化还原峰，保存。