全 文 ：第 28卷第 11期
2009年 11月 　　　　　　　　　
分析测试学报
FENXICESHIXUEBAO(JournalofInstrumentalAnalysis)　　　　　　　　　
Vol.28No.11
1240～ 1244
收稿日期: 2009-05-21;修回日期:2009-07-23
基金项目:云南大学博士科研启动基金资助项目;云南省教育厅科学研究基金重点项目(08Z0010);云南大学理工科校基金重点项目
(2008YB039)
第一作者:周　群(1984-), 女 , 湖南长沙人 , 硕士研究生
通讯作者:段德良 , Tel:0871-5133811, E-mail:dlduan@ynu.edu.cn
Nafion-多壁碳纳米管复合膜修饰
玻碳电极测定岩白菜素的研究
周　群 1 , 段德良 1 , 王光灿 2 , 王庆忠 1 , 殷志禹1 , 曹秋娥 1 , 丁中涛 1
(1.云南大学　化学科学与工程学院 , 云南　昆明　650091;2.云南大学　现代分析测试中心 , 云南　昆明　650091)
摘　要:研制了以 Nafion分散多壁碳纳米管的化学修饰电极 , 研究了岩白菜素在该修饰电极上的电化学行为
和电化学动力学性质。发现修饰电极对岩白菜素有显著的电催化作用 , 岩白菜素的氧化过程是单电子单质子
过程 , 岩白菜素在该修饰电极上的扩散系数、 速率常数分别为 6.02×10-6 cm2· s-1、 5.54 ×10-3 mol· L-1·
s-1。通过优化各项参数 , 建立了一种直接测定岩白菜素的电分析方法。该方法的线性范围为 1.44 ×10-7～
1.92×10-6mol· L-1和 4.18×10-5～ 1.06×10-4 mol· L-1 , 检出限为 1.02×10 -7mol· L-1 , 同支电极测定 10
次的相对标准偏差为 4.6%, 可用于岩白菜素样品的含量测定。
关键词:多壁碳纳米管;Nafion;化学修饰电极;岩白菜素;电化学行为
中图分类号:O657.1　　文献标识码:A　　文章编号:1004-4957(2009)11-1240-05
doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2009.11.003
DeterminationofBergeninUsingNafion-MultiwaledCarbonNanotubes
CompositeFilmModifiedGlassyCarbonElectrode
ZHOUQun1 , DUANDe-liang1 , WANGGuang-can2 , WANGQing-zhong1 ,
YINZhi-yu1 , CAOQiu-e1 , DINGZhong-tao1
(1.SchoolofChemicalScienceandTechnology, YunnanUniversity, Kunming　650091, China;2.Advanced
AnalysisandMeasurementCenter, YunnanUniversity, Kunming　650091, China)
Abstract:AchemicalymodifiedelectrodeofNafion-multiwaledcarbonnanotubescoatedglassy
carbonelectrode(Nafion-MWCNTs/GCE)wasprepared.Theelectrochemicalbehaviorsofbergenin
anditselectroanalyticalmethodwerestudied.Themodifiedelectrodeexhibitedaremarkablecatalytic
andenhancedefectsonthecurentresponseofbergenin.Thepropertyofkineticswerealsostudied.
Theresultsindicatedthatone-electronandone-protontransferwereinvolvedintheelectrodereac-
tionprocess.Difusioncoeficient(D)andrateconstant(k)were6.02×10-6 cm2· s-1and5.54×
10
-3 mol· L-1·s-1 , respectively.Theexperimentalconditionswereoptimized.Undertheoptimal
conditions, thelinearcalibrationrangeforbergeninwere1.44 ×10-7 -1.92×10-6 mol· L-1 and
4.18×10-5 -1.06×10-4 mol·L-1 withadetectionlimitof1.02×10-7 mol· L-1.TheRSD(n=
10)fordeterminationofbergeninsamplewere4.6%.Thismethodwasappliedinthedetermination
ofbergeninintherealsamplewithsatisfactoryresults.
Keywords:multiwaledcarbonnanotubes;Nafion;chemicalymodifiedelectrode;bergenin;
electrochemicalbehavior
自 1991年碳纳米管(CNTs)被发现以来 [ 1] , 由于其独特的纳米级管腔结构 、 较大的比表面积 、 表
面能和表面结合能及类石墨的多层管壁等性能而倍受关注 [ 2 -4] 。 CNTs性质稳定 , 在一般溶剂中难溶且
难分散 , 对其进行预处理功能化并选择适当的分散剂是制备 CNTs修饰电极的关键 。常用的 CNTs分散
剂有 N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮 、 浓硫酸 、疏水性表面活性剂双十六烷基磷酸 、 Nafion、 十二烷
基苯磺酸钠 、 DNA等 [ 5] 。 Nafion是一种全氟化高分子聚合物磺酸盐阳离子交换剂 , 由于其性质稳定 ,
第 11期 周　群等:Nafion-多壁碳纳米管复合膜修饰玻碳电极测定岩白菜素的研究
且具有优良的成膜 、溶解分散能力及离子交换等特性 , 已广泛用于化学修饰电极和生物传感器的研究 [ 4] 。
岩白菜素为白色疏松的针状晶体 , 主要来源于虎耳草科岩白菜属药用植物岩白菜和原叶岩白菜中 ,
具有止咳 、 增强免疫力 、 促进病变组织恢复 、 抗凝血 、护肝等作用 [ 6-9] 。岩白菜素制剂在临床上已被
广泛用于治疗慢性支气管炎 、 胃炎 、 胃及十二指肠溃疡 [ 10] 。最近报道岩白菜素具有抗病毒的活性 [ 11] ,
另外它对小鼠的心律失常有一定的治疗作用 , 有望成为抗心律失常药 [ 12] 。
目前岩白菜素的定量分析方法主要有紫外分光光度法 [ 13] 、 薄层扫描法[ 14] 、 高效液相色谱法[ 15-16]
和电化学分析法 [ 17-18]等 , 其中文献 [ 17-18]分别报道了用 MWCNTs修饰碳糊电极 、 聚合膜修饰玻碳
电极测定岩白菜素 , 但在 Nafion-MWCNTs修饰玻碳电极上的测定未见报道。本文以 Nafion分散
MWCNTs制备修饰电极 , 用于岩白菜素的测定 。实验证明 , 此修饰电极具有制备方便 、 稳定性好 、 催
化活性高等优点 。本文详细研究了岩白菜素在修饰电极上的电化学行为 , 并对实际样品进行了测定 。
1　实验部分
1.1　仪器与试剂
Metrohm797伏安极谱仪(瑞士万通公司), 数据处理采用 797 VAComputracesoftware;玻碳电极
( 3.0mm, 美国 BAS公司);三电极系统:工作电极为 Nafion-MWCNTs膜修饰玻碳电极(Nafion-
MWCNTs/GCE), 对电极为铂电极 , 参比电极为 Ag/AgCl(参比液为 3.0mol· L-1氯化钾 , 瑞士万通公
司);XL30ESEM-TMP型扫描电镜仪(荷兰 Philips公司);IM6ex型阻抗分析仪(德国 ZAHNER公司)。
MWCNTs(中国科学院成都有机化学所), Nafion(阿法埃莎(天津)化学有限公司), 岩白菜素标准品
(中国生物制品检定所)。实验用试剂均为分析纯 , 水为去离子水(18.2 MΨ)。
1.2　Nafion-MWCNTs膜的制备及修饰电极的制备
称取 4mgMWCNTs溶于 0.4 mL0.5%(质量分数)Nafion水溶液和 1.6 mL0.05mol/LKH2PO4(pH
7.0PBS)混合溶液内 , 超声分散 30 min, 得到分散良好的 Nafion-MWCNTs黑色悬浊液 。将玻碳电极
分别用 6、 1、 0.05μm的 Al2O3浆抛光 , 冲洗干净后分别在 1 ∶1HNO3、 无水乙醇 、二次蒸馏水中超声
清洗 3min, 红外灯下烘干 。用微量移取器移取 8 μLNafion-MWCNTs溶液滴加到玻碳电极表面 , 待其
挥发干后再滴加 5 μL1% Nafion乙醇溶液 , 室温挥发成膜即可 。
1.3　实验方法
电极先在 10 mLpH7.0的 PBS缓冲溶液中通氮气除氧 10min后 , 在 0.2 ～ 1.0 V范围内进行循环
伏安扫描直至曲线稳定。然后放入加有一定量岩白菜素标准溶液的电解池中 , 于搅拌条件下开路富集
一段时间后 , 停止搅拌 , 静止 5 s, 记录 CV曲线 , 并测量溶出峰的峰电流。每次测定后 , 电极在 10
mLpH7.0的 PBS缓冲溶液中经循环伏安扫描以除去吸附在电极表面的物质 , 从而恢复其催化活性。
2　结果与讨论
图 1　Nafion-MWCNTs的扫描电镜图
Fig.1　SEMimageofNafion-MWCNTs
2.1　Nafion-MWCNTs膜的表征
Nafion-MWCNTs膜的 SEM图见图 1, 可以看出
MWCNTs在修饰膜中分散得比较均匀 , 紧密地覆盖在
玻碳电极表面且在电极表面形成复杂的纳米级网状
结构。
2.2　电极的表征
实验对比了 GCE、 Nafion-MWCNTs/GCE在 0.5
mmol·L-1 [ Fe(CN)6 ] 3-/4-溶液(pH7.0)中的 CV图
(图 2A)。由图可知 , 两电极均表现出良好的氧化还
原峰且可逆性较好 , 而 Nafion-MWCNTs/GCE的响应
值明显大于 GCE的响应值 , 这说明 Nafion-MWCNTs
膜能加快电子的传递 。
图 2B是 GCE、 Nafion-MWCNTs/GCE电极在 0.5 mmol· L-1 [ Fe(CN)6 ] 3-/4-溶液中的 Nyquist图 ,
1241
分析测试学报 第 28卷
测试条件:交流电位幅值 5 mV, 施加直流偏置电位为
180、 500、 600mV相对于开路电位 , 测量频率 100kHz～
0.1Hz。结果表明两电极的交流阻抗谱均呈弧线形 , 弧
度相近 , 说明 Nafion-MWCNTs对 [ Fe(CN)6 ] 3 -/4 -的电
催化氧化反应的催化作用不大 。电极在 0.5 mmol·L-1
[ Fe(CN)6 ] 3 -/4-的 Bode图(图 2C)中 , GCE上出现在 4
Hz下的 55°最大值对应于 GCE和溶液界面的弛豫过程 ,
Nafion-MWCNTs/GCE电极出现在 2.5Hz下的 67°最大
值对应于 Nafion-MWCNT膜和溶液界面的弛豫过程 ,
变化的幅度相对较小 , 也证明了此结论。
2.3　岩白菜素的电化学响应
在相同的实验条件下 , 对比了 GCE、 Nafion-
MWCNTs/GCE在 10 mLpH7.0的 PBS缓冲溶液中测定
岩白菜素的响应曲线 。由图 3可知岩白菜素在两电极上
均在 0.587 V(vsAg/AgCl)电位处有一明显的氧化峰。
与 GCE相比 , Nafion-MWCNTs/GCE的峰电流明显升
高 , 说明 Nafion-MWCNTs对岩白菜素有电催化作用。
这是因为 Nafion-MWCNTs/GCE具有中空管状分子结
构及较高的孔隙率 , 使岩白菜素分子较容易通过薄液膜
扩散到反应活性区域从而提高了测定的灵敏度 。从图中
还可看出 , 岩白菜素在上述 2种电极上均无还原峰 , 说
明岩白菜素的电极过程是完全不可逆的。
2.4　岩白菜素的电化学动力学
2.4.1　扩散系数 D的测定　由电位阶跃过程中总电量
～时间响应关系式 [ 19] :Q=2nFAcπ-1 /2D1 /2t1 /2 +Qdl+Qads
可知 , 在电极面积 A及待测溶液浓度 c已知的条件下 ,
总电量 Q与 t1/2之间呈线性关系 , 因此可从 Q～ t1 /2直线
的斜率得到扩散系数 D。
本实验采用计时库仑法 , 以 [ Fe(CN)6 ] 3-为模型体
系(在 1 mol· L-1 KCl支持电解质中 [ Fe(CN)6 ] 3-的扩
散系数 D=7.6×10-6 cm2·s-1)测定了裸玻碳电极 、 修
饰电极的电极面积 A分别为 0.05、 0.155 cm2。并对
0.01mol· L-1的岩白菜素做计时库仑测定 , 由 Q～ t1/2
的斜率计算得到岩白菜素在裸玻碳电极 、 修饰电极上的
扩散系数 D分别为 5.74×10-8、 6.02×10-6 cm2· s-1。
修饰电极的扩散系数明显大于裸玻碳电极 , 表明修饰电
极能有效促进电子的传递 。
2.4.2　反应速率常数 k的测定　平板电极上电化学反
应的电流响应遵循如下关系式 [ 20] :I(t)=nFAkfC(1 -
2Ht/ π), 式中 H≡kf/D1/2ax +kb/D1 /2rx 。对于完全不可
逆反应 , kb=0, H≡kf/D1 /2ax , 故可采用正向阶跃脉冲计时电流法(CA)进行 k的测定 。在玻碳电极上
0.1mol· L-1 pH3.0的柠檬酸钠水溶液支持电解质中 , 电位窗口 0.4 ～ 1.0V, 对 0.01mol· L-1的岩白
菜素水溶液进行 CA扫描测定。当 t趋近于 0时 , 对 I(t)～ t1/2作图呈现良好的线性关系 , 玻碳电极上的
线性方程为 I(t)=5.146×10-5 -1.274×10-4t1/2 , r=0.998 4, 修饰电极上的线性方程为 I(t)=8.272
1242
第 11期 周　群等:Nafion-多壁碳纳米管复合膜修饰玻碳电极测定岩白菜素的研究
×10-4 -7.886×10-4t1/2 , r=0.983 2, 根据其截距可得岩白菜素在裸玻碳电极 、 修饰电极的电极反应
速率常数分别为 1.0×10-3、 5.54×10-3 mol·L-1· s-1 , 由反应速率常数再次表明 Nafion分散多壁碳
纳米管的化学修饰电极能促进电子传递。
2.5　条件的优化
2.5.1　支持电解质的选择　比较了岩白菜素在 0.1 mol· L-1的 HCl、 H2SO4 、 pH3.0的柠檬酸钠 、
pH4.0 ～ 6.0的 B-R、 pH4.6 NaAc-HAc、 pH7.0的 PBS和 pH8.0 ～ 9.0的硼砂溶液中的电化学行
为 , 发现氧化峰电流在 pH7.0的 PBS缓冲溶液中最大 , 实验选择该 PBS缓冲溶液为支持电解质 。
2.5.2　修饰剂用量的影响　实验发现 , 岩白菜素的氧化峰电流与 Nafion-MWCNTs膜的厚度有关 。当
用量从 2 μL逐渐增至 8μL时 , 岩白菜素的氧化峰电流显著增加 , 这是因为电极表面催化活性位随 Na-
fion-MWCNTs量的增加而增多 , 从而导致氧化峰电流显著增加。在 8 μL时氧化峰电流达到最大值 ,
当用量从 8μL增至 12μL时 , 氧化峰电流有所降低 。这是由于此时电极表面的 Nafion-MWCNTs太
多 , 成膜后阻碍了岩白菜素与电极之间的电子交换 。考虑到挥发溶剂也需要更长的时间 , 所以在本实
验中修饰剂用量选为 8 μL。
2.5.3　富集电位及时间的影响　实验表明 , 富集电位不影响岩白菜素在 Nafion-MWCNTs修饰玻碳电
极上的氧化峰电流 , 本实验选择在 0.5 V富集 。富集时间从 10 ～ 60 s时 , 岩白菜素的氧化峰电流迅速
增加 , 说明其在修饰电极表面迅速吸附 , 60 s后峰电流进入平台区 , 这是由于此时 Nafion-MWCNTs
膜表面吸附的岩白菜素达到饱和。本实验选择富集时间为 60 s。
2.5.4　pH对峰电流电位的影响　分别考察了岩白菜素在支持电解质 pH值为 1.0、 2.0、 3.0、 4.0、
5.0、 6.0、 7.0、 8.0、 9.0、 10.0的循环伏安行为。结果表明 , 岩白菜素的氧化峰电位随溶液 pH值的
增大而负移 , 这表明质子参与了岩白菜素的氧化过程 。岩白菜素的峰电位 Epa与支持电解质 pH值在
1.0～ 10.0间呈良好线性关系 , 其线性回归方程为 Epa=-0.051pH+0.930 6, r=-0.996 0。其斜率
dEpa/dpH=-0.051, 根据关系式 [ 21] :Epa=K-0.059(m/n)pH, K为常数 , m代表反应质子数 , n代
表反应电子数。可知岩白菜素在电化学过程中的电子转移数与质子参与数相同 。
2.5.5　扫描速率的影响　用 CV模式研究了扫描速率对峰电流的影响。扫描速率为 0.01 ～ 0.10V/s时
与岩白菜素的氧化峰电流(Ipa)存在良好的线性关系 , 线性方程为 Ipa(μA)=50.42v+1.59, r=0.993 9,
表明岩白菜素的氧化过程受吸附控制 。另外随扫描速率增大充电电流必将增大 , 为了获得较好的信噪
比 , 实验扫描速率选为 0.05 V/s。
岩白菜素的氧化峰电位随扫速增大而略有正移 , 显示出不可逆波的特征。氧化峰电位(Epa)与扫速
(v)存在如下关系:Epa=0.039lnv+0.691 3, r=0.995 5。对于受吸附控制的完全不可逆反应 , Epa与 v
遵循以下关系式 [ 22] :Epa=E0 +(RT/αnaF)ln(RTk0 /αnaF)+(RT/αnaF)lnv。其中 E0为式量电位(V),
T为温度(K), α为电极反应电子传递系数 , na为氧化反应的电子转移数 , k0为电极反应的速率常数
(s-1)。根据斜率 RT/αnaF, 可求得 αna=0.65, 对于不可逆过程 , α通常取 0.5, 据此可求出电极反
应的电子转移数约为 1。综上 , 岩白菜素的氧化过程是单电子单质子的过程 , 推测其氧化过程可能
如下:
2.6　重复性 、线性范围及检出限
在优化条件下 , 同一支电极在相同条件下重复测定 10次的 RSD为 4.6%, 不同电极间的 RSD为
1243
分析测试学报 第 28卷
7.8%。岩白菜素的氧化峰电流与其浓度(mol·L-1)分别在 1.44×10-7～ 1.92×10-6 mol·L-1和 4.18×
10
-5～ 1.06×10-4 mol· L-1范围内呈良好的线性关系 , 线性回归方程分别为:I=0.05c+0.74, r=
0.997 2;I=0.12c+15.49, r=0.995 4。检出限为 1.02×10-7 mol· L-1 , 可用于岩白菜素的含量分析 。
2.7　实际样品的检测
取复方岩白菜素片(昆明全新制药有限公司)1片(每片含岩白菜素 125 mg, 马来酸氯苯那敏 2
mg), 溶解于无水乙醇中超声使其充分溶解 , 过滤除去片剂中的不溶物 , 用无水乙醇定容至 50 mL。实
验在优化条件下 , 分别采用外标法和标准加入法对岩白菜素片直接进行测定 , 3次测定结果的平均值
分别为 120、 128 mg/片 , RSD分别为 1.7%、 3.4%, 回收率分别为 96%、 102%。结果表明 , Nafion-
MWCNTs修饰玻碳电极可用于实际样品的测定。
3　结　论
应用循环伏安法研究了岩白菜素在 Nafion-MWCNTs修饰玻碳电极上的电化学行为 , 结果表明:
该修饰电极对岩白菜素有明显的电催化氧化作用 , 氧化峰电流与其浓度在 1.44 ×10-7～ 1.92×10-6
mol· L-1和 4.18×10-5～ 1.06×10-4 mol· L-1间呈良好的线性关系 , 检出限为 1.02 ×10-7 mol· L-1。
该修饰电极可用于岩白菜素的电化学测定 , 具有方法简便 、 快速 、灵敏 , 电极的稳定性及测量精密度 、
准确度能满足需要的优点 。可进一步用于流动注射分析 、毛细管电泳和高效液相色谱的电化学检测器。
参考文献:
[ 1] 　IIJIMAS.Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon[ J] .Nature, 1991, 354(6348):56-58.
[ 2] 　邹勇 , 刘吉平.碳纳米管负载四氧化三钴催化剂的载钴量分析 [ J] .理化检验:化学分册 , 2005, 41(8):
590-592.
[ 3] 　赵广超 , 吴芳辉 , 魏先文.多壁纳米碳管修饰电极的制备及表征 [ J] .安徽师范大学学报:自然科学版 , 2002,
25(1):31-34.
[ 4] 　麦智彬 , 谭学才 , 邹小勇.基于碳纳米管的化学修饰电极及电化学生物传感器的研究进展 [ J] .分析测试学报 ,
2006, 25(3):120-125.
[ 5] 　董绍俊 , 车广礼 , 谢远武.化学修饰电极 [ M] .修订版.北京:科学出版社 , 2003:319.
[ 6] 　阿斯亚·拜山佰 , 刘发.岩白菜素的免疫增强作用 [ J] .新疆医学院学报 , 1998, 21(3):189-193.
[ 7] 　江苏新医学院.中药大词典 [ M] .上海:上海人民出版社 , 1999:2359.
[ 8] 　PIACENTES, PIZZAC, DETOMMASIN, etal.Constituentsofardisiajaponicaandtheirinvitroanti-HIVactivity
[ J] .JNatProd, 1996, 59:565-569.
[ 9] 　王刚 , 麻兵继.岩白菜素的研究概况 [ J] .安徽中医学院学报 , 2002, 21(6):59-61.
[ 10] 　郑立明 , 漆新文 , 邢美业.岩白菜素片处方 、 工艺筛选及其含量方法研究 [ J] .中国药房 , 2002, 13(7):
398-399.
[ 11] 　PRITHIVIRAJB, SINGHNUP, MANICKAMM, etal.Antifungalactivityofbergenin, aconstituentofFlueggeami-
crocarpa[ J] .PlantPathol, 1997, 46(2):224-228.
[ 12] 　PUHanlin, HUANGXia, ZHAOJinhua, etal.BergeninistheantiarrythmicprincipleofFluggeavirosa[ J] .Planta
Medica, 2002, 68(4):372-374.
[ 13] 　中华人民共和国药典 [ M] .1部.北京:人民卫生出版社 , 2000:169.
[ 14] 　刘伟华.薄层扫描法测定矮地茶中岩白菜素的含量 [ J] .中国中药杂志 , 1991, 16(2):102-104.
[ 15] 　贾晓斌 , 施亚芳 , 赵厚民.HPLC法测定清金糖浆及紫金牛药材中岩白菜素的含量 [ J] .南京中医药大学学报 ,
1997, 13(3):147-148.
[ 16] 　胡德益 , 吴胜丹.反相高效液相色谱法对复方虎耳草素片中岩白菜素含量测定的实验研究 [ J] .湖南中医药导
报 , 1999, 5(7):36.
[ 17] 　ZHUANGQian, CHENJinghua, CHENJing, etal.Electrocatalyticalpropertiesofbergeninonamulti-wallcarbon
nanotubesmodifiedcarbonpasteelectrodeanditsdeterminationintablets[ J] .SensActuatorsB, 2008, 128(2):500-506.
[ 18] 　CHENJinghua, ZHANGJing, ZHUANGQian, etal.Electrochemicalstudyofbergeninonapoly(4-(2-pyridylazo)-
resorcinol)modifiedglassycarbonelectrodeanditsdeterminationintabletsandurine[ J] .Talanta, 2007, 72(5):
1805-1810.
[ 19] 　ADAMSRN.Eletrochemistryatsolidelectrode[ M] .NewYork:MarcelDekker, 1969:220-222.
[ 20] 　吴浩青 , 李永舫.电化学动力学 [ M] .北京:高等教育出版社 , 1998:96-98.
[ 21] 　李启隆.电分析化学 [ M] .北京:北京师范大学出版社 , 1995:240-245.
[ 22] 　DINGXiaoqin, HUJingbo, LIQilong.DirectelectrochemistryandsuperficialcharacterizationofDNA-cytochromec-
MUAfilmsonchemicalymodifiedgoldsurface[ J] .Talanta, 2006, 68(3):653-658.
1244