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电化学方法对苦荞茶中芦丁含量的测定



全 文 : 电化学方法对苦荞茶中芦丁含量的测定

胡海洋,陈红艳*
(北京林业大学理学院,北京 100083)

摘 要:用循环伏安法和差分脉冲伏安法研究了芦丁在活化电极上的电化学行为。分别使用 0.5 mol/L H2SO4
溶液对玻碳电极进行酸法循环伏安处理和酸法恒电位极化处理、使用 1 mol/L NaOH 溶液对玻碳电极进行碱
法循环伏安处理和碱法恒电位极化处理使电极活化。对比四种不同的玻碳电极活化方法,结果发现经过 1
mol/L NaOH 溶液恒电位极化法处理的玻碳电极活化效果好;使用该活化电极考察了芦丁的电化学行为,发
现在 pH 为 2 的 B-R 缓冲液中,芦丁在活化玻碳电极上的电化学响应较好,产生一对主要的准可逆的氧化
还原峰,氧化还原过程涉及两电子及两质子。使用差分脉冲伏安法测得氧化峰电流在 6×10-7 mol/L 到 1×10-5
mol/L 的范围内与芦丁浓度呈良好的线性关系,最低检测限为 8×10-8 mol/L,依此建立了芦丁含量的测定方
法。该方法简便、灵敏、重现性较好,应用此法能够成功分析苦荞茶中芦丁的含量。
关键词:芦丁;活化玻碳电极;电化学;差分脉冲伏安法;苦荞茶

Electrochemical method for the determination of rutin in buckwheat tea

HU Hai-yang,CHEN Hong-yan*
(College of Science, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Abstract:The electrochemical behavior of rutin at activated electrode was examined using cyclic voltammetry
(CV) and differential pulse voltammetry (DPV). Glassy carbon electrode (GCE) was treated with cyclic
voltammetry and potentiostatic polarization by 0.5 mol/L H2SO4 solution and 1 mol/L NaOH solution, respectively.
Comparing the four types of activated glassy carbon electrodes, it was found that the activation effect of glassy
carbon electrode was better treated by potentiostatic polarization method of 1 mol/L NaOH solution. Then, the
electrochemical behavior of rutin was investigated. It was discovered that the electrochemical response of rutin at
activated glassy carbon electrode was well in the B-R buffer (pH =2), and showed a pair of main quasi reversible
redox peaks, involving two electrons and two protons. The peak current of differential pulse voltammetry (DPV)
for rutin rises as its concentration increases, and good linearity was observed over a range of 0.6-10 μmol/L with a
detection limit of 0.08 μmol/L. This method was developed for the determination of rutin content which was
simple and sensitive with good repeatability. The method was successfully applied to the determination of rutin
content in buckwheat tea.
Key words: rutin;electro-activated glassy carbon electrode;electrochemical;differential pulse voltammetry;
buckwheat tea
中图分类号:O657.1 文献标志码: A 文章编号:


收稿日期:
基金项目:国家自然科学基金面上项目(31070490)
作者简介:胡海洋(1990—),男,硕士研究生,研究方向为生物大分子结构与性能。E-mail:
hhy199006@163.com
*通讯作者:陈红艳(1971—),女,副教授,博士,研究方向为物质结构和性能。E-mail:chybo1999@163.com

2014-12-16
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网络出版时间:2014-12-16 16:09
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20141216.1609.031.html

苦荞茶是由苦荞麦的种子加工而成的一种保健饮品,因其具有抗氧化、降血糖、降血脂等功效而
深受广大消费者的青睐[1]。苦荞茶的众多功效很大程度上与其富含黄酮类化合物有关。苦荞茶中的黄
酮类物质主要为芦丁,占总黄酮的 70~90%。因此苦荞茶中芦丁含量的高低是评价苦荞茶质量好坏的
重要标准之一。芦丁是广泛存在于天然植物中的一种黄酮类化合物,具有降低毛细血管脆性、改善微
循环等多种药理作用[2-4]。
目前常见的芦丁含量检测方法有高效液相色谱法[5-9]、分光光度法[10-11]和毛细管电泳法等[12-13]。高
效液相色谱和毛细管电泳设备价格高且操作比较复杂,分光光度法容易受到干扰且灵敏度不高。电化
学方法用于物质的检测具有操作简便,快速和成本低廉的优点[14-17],可以为苦荞茶中芦丁含量的测定
提供一种新的途径。在电化学研究中玻碳电极是常用的电极材料,有研究使用修饰后的玻碳电极对芦
丁等物质进行了成功检测[18-23],但修饰电极的方法往往比较繁杂,不便于检测方法的普及。有文献报
道对裸玻碳电极进行活化处理也可以使其电化学性能提高[24-25]。
本研究旨在采用不同的活化方式对玻碳电极进行处理,以期获得电信号响应强,稳定性好的活化
电极,并运用活化后的玻碳电极对芦丁的电化学行为进行研究。探讨合适的实验条件,以建立一种测
定芦丁含量的电化学方法,使其能成功用于苦荞茶中的芦丁含量的检测,并为苦荞茶产品的质量检测
和开发利用提供重要的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂
苦荞茶为非造粒型苦荞茶,产地安徽,购自芜湖四月茶侬茶业有限公司。
芦丁和槲皮素标准品 国药集团;无水乙醇、磷酸、硼酸、醋酸、氢氧化钠、硫酸 北京化工厂。
实验所用试剂均为分析纯,水为二次蒸馏水。
1.2 仪器与设备
CHI660E 电化学工作站 上海辰华仪器公司;KQ3200DB 型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器
有限公司;Sartorius 数字式酸度计 北京赛多利斯仪器公司;Specord50Plus 紫外可见分光光度计 德
国耶拿仪器公司。
1.3 方法
1.3.1 电解液的配制
使用无水乙醇为溶剂配制浓度为 1×10-3 mol/L 的芦丁储备液,置于 4 ℃冰箱保存。配制 1 mol/L
NaOH 溶液、0.5 mol/L H2SO4溶液及不同 pH 的 B-R 缓冲液,待用。
1.3.2 玻碳电极的活化处理
先使用 0.2~0.5 μm 和 0.02~0.05 μm 规格的氧化铝粉依次对玻碳电极进行打磨抛光处理。电极表面
抛光成镜面样光亮后,依次使用硝酸、乙醇和二次蒸馏水对电极超声清洗 2 min,用二次蒸馏水冲洗
干净待用。随后分别用酸法循环伏安处理、酸法恒电位极化处理、碱法循环伏安处理和碱法恒电位极
化处理四种方法对玻碳电极进行活化[26]。
酸法循环伏安处理:将电极放置于含有 0.5 mol/L H2SO4溶液的电解池中,在−0.3 V 至+2.0 V 的
电位区间以 0.1 V/s 的速度进行循环扫描,直到电极的电化学响应曲线达到稳定。酸法恒电位处理:
将电极放置于含有 0.5 mol/L H2SO4溶液的电解池中,在+2.0 V 电位下极化一定时间,随后在−1.0 V
电位下极化 1 min,最后在−0.5 V 至+0.8 V 的区间内以 0.1 V/s 的速度扫描 3 个循环,电极的电化学响
应曲线达到稳定。碱法循环伏安处理:将电极放置于含有 1 mol/L NaOH 溶液的电解池中,在−0.5 V
至+1.2 V 的电位区间以 0.1 V/s 的扫描速度进行循环扫描,直到电极的电化学响应曲线稳定。碱法恒
电位活化处理:将电极放置于含有 1 mol/L NaOH 溶液的电解池中,在+1.2 V 电位下极化一定时间,
随后在−0.5 V 电位下极化 1 min,最后在−0.5 V 至+0.8 V 的区间内以 0.1 V/s 的扫速扫描 3 个循环,
电极的电化学响应曲线达到稳定。
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2

1.3.3 电化学测试方法
电化学测试均在三电极体系下完成,工作电极为活化玻碳电极,参比电极是 Ag/AgCl(3 mol/L KCl)
电极,辅助电极是铂丝电极,测试在普通电解池中进行。循环伏安测试和差分脉冲伏安测试均在常规
电解池中进行。每次测试前溶液均通氮除氧 10 min,测试过程中在溶液上方通氮保护,所有实验均在
室温条件下进行。
循环伏安(CV)测量的参数设置:扫描电位区间 0.2 V 至 0.8V,扫速 0.1 V/s。考察使用不同方式处
理的活化玻碳电极对 CV 的影响后,选用最适合的活化玻碳电极进行后续测试。差分脉冲伏安(DPV)
测量的参数设置:扫描电位区间 0.2 V 至 0.8 V,电位增量 0.004 V,振幅 0.05 V,脉冲宽度 0.05 s,脉
冲幅度 1 s。考察电解液 pH 值、富集时间、干扰物质对 DPV 的影响。
工作电极表面重现的方法为:每次测试后取出电极,先在 0.1 mol/L NaOH 溶液中以 0.1 V/s 的速
度在 0~0.8 V 的范围内循环扫描 3 圈,然后在 B-R 缓冲溶液中以 0.1 V/s 的速度在 0~0.8 V 的范围内循
环扫描至稳定。

2 结果与分析

2.1 芦丁在不同活化方式的玻碳电极上的循环伏安响应
分别用酸法循环伏安处理、酸法恒电位极化处理、碱法循环伏安处理和碱法恒电位极化处理对玻
碳电极进行活化,不同方法活化后的电极在浓度为 1×10-5 mol/L 的芦丁溶液(底液 pH 为 2 的 B-R 缓冲
液)中扫描所得的循环伏安曲线如图 1 所示。由图可见经活化后电极表面电信号响应均有增强,使用
两种酸法活化的电极(曲线 c 和 d)电流比两种碱法活化的电极(曲线 a 和 b)电流大,无论酸活化或者碱
活化方式中恒电位极化活化方法均分别比循环伏安活化方法的电流大。酸法活化的电极虽然响应电流
值更高,但背景电流大,电极表面重现性不好。结合峰电流的大小,峰的稳定性等综合因素考虑,使
用经 1 mol/LNaOH 溶液恒电位极化处理方法活化的玻碳电极进行后续测试,图 2 为该方法活化的电
极与裸玻碳电极在空白溶液和芦丁溶液中的循环伏安表现对比,由图可见在空白底液中裸玻碳电极和
活化电极都没有响应,在芦丁溶液中,活化电极比裸玻碳电极的电流响应明显增强。
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
I/
A
E/V vs. Ag/AgCl
a
b
c
d

图 1 1×10-5 mol/L 芦丁在不同处理方法活化的玻碳电极上的循环伏安表现(pH=2 的 B-R 缓冲液体系中)
a NaOH 循环伏安活化 b NaOH 恒电位极化 c H2SO4 循环伏安活化 d H2SO4 恒电位极化
Fig.1 CVs of 1×10-5 mol/L rutin on different eletro-activedglassy carbon electrodes (In B-R Buffer, pH=2)

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3

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
I/
A
E/V vs. Ag/AgCl
a
b
d
c

图 2 电极在芦丁溶液和空白溶液的循环伏安对比(pH=2 的 B-R 缓冲液体系中)
a 裸玻碳电极, 1×10-5 mol/L 芦丁 b 裸玻碳电极,空白
c 活化玻碳电极,1×10-5 mol/L 芦丁 d 活化玻碳电极,空白
Fig.2 CVs of the electrode in different solutions (In B-R Buffer, pH=2)
由图 2 可看出,在 pH 为 2 的 B-R 缓冲液中芦丁在活化电极上产生一对主要的氧化还原峰。氧化
峰电位为 575 mV,还原峰电位为 554 mV。峰电位差为 21 mV,氧化还原峰电流比为 1.31,可见在该
体系中芦丁的氧化还原表现为准可逆。同时也可以推断在测试体系中芦丁的氧化还原过程是涉及两电
子两质子的准可逆反应,可推测氧化还原峰电流是由芦丁 B 环上的 3´、4´位置的羟基反应所产生,如
图 3 所示。

图 3 芦丁 B 环上羟基的氧化过程示意图
Fig.3 The oxidation process of hydroxyl groups on rutinB ring

2.2 扫描速度对循环伏安测量的影响
图 4 所示为浓度为 1×10-5 mol/L 的芦丁溶液在不同扫描速度下的循环伏安测试表现。由图可见氧
化峰电流大小与扫描速度呈良好的正相关线性关系 I = -0.0393v - 0.339,R2 = 0.9931,说明芦丁在
活化电极表面主要受到吸附现象的控制。为进一步证实吸附现象存在,将在芦丁标准液中进行过循环
伏安扫描后的电极取出,用二次蒸馏水冲洗表面之后直接置于空白 BR 缓冲液中进行同样扫描,出现
了氧化峰和还原峰,但峰电流变小,说明电极对芦丁存在吸附作用。
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4

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
30 60 90
-4
-3
-2
-1
I/
A
mV/s
I/
A
E/V vs. Ag/AgCl
0.02
0.1

图 4 1×10-5mol/L 芦丁在不同扫描速度下循环伏安表现(扫速为 0.02V/s-0.1V/s)
Fig.4 CVs of 1×10-5mol/Lrutin by different scanning speed (scanning speed from 0.02V/s-0.1V/s)

2.3 缓冲液 pH 值对差分脉冲伏安测量芦丁的影响
使用经1 mol/LNaOH溶液恒电位极化处理方法活化的玻碳电极对浓度为1×10-5 mol/L 的芦丁在不
同pH的B-R缓冲溶液中进行差分脉冲伏安法测试。图5为芦丁在不同pH的B-R缓冲液中的差分脉冲伏
安法测试表现。在B-R缓冲液中芦丁的电化学氧化峰的峰形较好,随pH的增加,氧化峰电位负移,峰
电流减小。峰电位大小与pH大小呈负相关的线性关系,相关公式为Epa=-0.0532pH+0.7001 (r=0.9997)。
方程的斜率与能斯特方程的等质子电子传递理论值59接近,表明芦丁在实验体系中的氧化反应为等电
子等质子参与。综合考虑在后续实验中选择pH为2的B-R缓冲液作为底液。
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
I/
A
E/V vs. Ag/AgCl
c
a
b

图 5 1×10-5 mol/L 芦丁在不同 pH 的 B-R 缓冲液中的循环伏安表现(玻碳电极经 NaOH 恒电位极化处理活化)
a pH=2 b pH=4 c pH=7
Fig.5 CVs of 1×10-5 mol/L rutin in B-R Buffer of different pH (glassy carbon electrode actived by potentiostatic polarization
method of NaOH solution )

2.4 富集时间对差分脉冲伏安测量的影响
考察了开路情况下富集时间对使用差分脉冲伏安法测得的氧化峰电流的影响,发现随着富集时间
增加,峰电流增强,这可能与电极和被测物质存在吸附作用有关。富集时间越久,电极表面聚集的芦
丁含量越高,但富集到一定程度,峰电流不再增加。可能是因为电极表面吸附物质达到饱和。综合测
试时间以及稳定性等因素考虑,实验中采用的富集时间为 60 s。
2.5 干扰因素对差分脉冲伏安测量的影响
在实验体系中对 1×10-5 mol/L 的芦丁溶液中添加一些常见的金属离子(如 100 倍的 K+、Ca2 +、Na +、
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5

Mg2 +、C1-等)和有机分子(如 100 倍的葡萄糖等)考察其对芦丁峰电流的影响。实验结果表明:这些成
分对峰电流的影响一般偏差不超过 5%,另外作为同类的槲皮素若低于芦丁含量的 20%,则不影响芦
丁的氧化峰电流的检测。
2.6 稳定性与重现性
在实验条件下应用差分脉冲伏安法对浓度为 1×10-5 mol/L 的芦丁溶液连续测定 6 次,考察活化电
极测量的重现性。结果如图 6 所示,测得 RSD 为 2.45,证明该法重现性较好。测试后将电极于室温
条件下保存在 BR 空白溶液中,分别在一周和两周后再次测定,偏差均不超过 5%,证明电极稳定性
较好。
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
-8
-6
-4
-2
I/
A
E/V vs. Ag/AgCl
图 6 活化玻碳电极在 1×10-5 mol/L 芦丁中连续测定 6 次的 DPV 曲线
Fig.6 DPVs of 1×10-5 mol/L rutin on eletro-actived glassy carbon electrode (n=6)

2.7 线性范围与检出限
按照上述条件测定一系列不同浓度的芦丁标准液的差分脉冲伏安曲线如图 7 所示,图中显示氧化
峰电流随着芦丁浓度的增大而增加。图 8 为在实验体系中,在活化玻碳电极上芦丁的浓度与氧化峰电
流的关系曲线,峰电流的大小在 6×10-7 mol/L~1×10-5 mol/L 范围内与芦丁的浓度呈良好的线性关系,
线性回归方程为 Ipa=-0.794c+0.296 (Ipa:μA,c:μmol/L,r=0.985),最低检出限为 8×10-8 mol/L(S/N=3)。
比较各种测定芦丁含量的方法的线性范围和检出限,结果列入表 1,可见应用本方法检测芦丁含量具
有线性范围宽,检出限较低的优点。
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
-10
-8
-6
-4
-2
I/
A
E/V vs. Ag/AgCl
a
g

图 7 活化电极在不同浓度芦丁中的差分脉冲伏安图(a-g 芦丁浓度逐渐增大)
Fig.7 DPVs of eletro-actived glassy carbon electrode in rutin of different concentrations (a-g rutin concentration increased)

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6

0 5 10 15 20
-8
-6
-4
-2
0
I/
A
mol/L

图 8 芦丁氧化峰电流和浓度的关系曲线(浓度从 0.6 umol/L~20 umol/L)
Fig. 8 Relation curve of rutin oxidation peak current and concentration (concentration from 0.6umol/L-20 umol/L )

表1 测定芦丁的不同方法比较
Table 1 Different methods of determination of rutin
检测方法 线性范围 检出限 参考文献
高效液相色谱法 6.6×10-5 ~3.3×10-4 mol/L 未给出 [8]
高效液相色谱法 1.2×10-5 ~8.2×10-4 mol/L 1.3×10-6 mol/L [9]
毛细管电泳法 1.0×10-6~ 1×10-4 mol/L 2.9×10-8 mol/L [12]
毛细管电泳法 8.2×10-6~5.2×10-4 mol/L 9.0×10-7 mol/L [13]
分光光度法 0~4.1×10-4 mol/L 未给出 [10]
本方法 6×10-7 ~1×10-5 mol/L 8×10-8 mol/L

2.8 苦荞茶中芦丁含量的测定
取市售的四月茶侬牌苦荞茶(标称芦丁含量为每 100 g 中苦荞茶中含有 2 g),研磨成粉,过 20 目
筛。准确称量 1 g 于容器中,加入 20 g 无水乙醇超声提取 45 min,抽滤后用无水乙醇将提取液于容量
瓶中定容至 50 mL,摇匀,成待测样品溶液。取适量待测样品稀释,进行紫外测试,样品特征吸收带
与芦丁标准品溶液基本一致,证明待测样品中的黄酮类化合物主要成分为芦丁。取 0.5 mL 待测样品
溶液于 100 mL 容量瓶中,使用 B-R 缓冲液定容稀释,此刻理论浓度为 3.28 umol/L。按照 1.3 方法进
行差分脉冲伏安法测试,结果表明该苦荞茶中芦丁测定含量与标明含量较吻合,测定结果与标示值较
符合。另取适量上述已知含量的芦丁样品溶液,加入一定量的芦丁标准溶液进行加标回收实验(n=3),
结果列入表 2,回收率在 98.3%~101.0%,表明此方法用于实际样品中芦丁含量的测定具有较高的准确
性。

表2 苦荞茶中芦丁的含量的测定结果
Table 2 Measurement results of rutin in buckwheat tea
样品编号 加入量/(umol/L) 期待值/(umol/L) 检测值/(umol/L) 回收率/%
1 0 - 3.19 -
2 3.00 6.19 6.14 98.3
3 4.00 7.19 7.23 101.0
4 5.00 8.19 8.15 99.2
注:检测值为平行测定3次的平均值
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3 结论

采用不同方法活化的玻碳电极对芦丁的电化学行为进行测定,结果发现经1 mol/L NaOH溶液恒电
位极化处理方法活化的玻碳电极作为工作电极对芦丁的电化学行为响应较好,研究发现芦丁的氧化还
原过程是涉及两电子和两质子的准可逆反应,并且观察到芦丁在工作电极表面存在吸附现象。同时对
缓冲液的 pH、富集时间以及干扰因素等对芦丁的电化学行为的影响进行了探讨,使用差分脉冲伏安
法建立了测量芦丁含量的工作曲线。在pH为2的BR缓冲液中,富集时间60s时,在6×10-7 mol/L~ 1×10-5
mol/L范围内峰电流的大小与芦丁的浓度呈良好的线性关系,线性回归方程为Ipa = -0.794c + 0.296
(Ipa:μA,c:μmol/L,r=0.985),最低检出限为8×10-8 mol/L(S/N=3),运用此法成功测定了苦荞茶中
的芦丁含量。该方法测定芦丁含量具有灵敏度高,操作方便的优点,且电极处理简单、稳定性和重现
性好,具有一定的应用价值。

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