木犀草素在ZnO/ZnS修饰电极上的电化学行为研究

李天昊，李学暖，樊静静，唐林丽，覃丹凤，2，程昊，3

(1.广西科技大学 生物与化学工程学院 广西糖资源绿色加工重点实验室，广西 柳州 545006；2.广西科技大学 医学部，广西 柳州 545005；3.蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西 南宁 530004)

木犀草素(LUT)广泛存在于植物中。研究表明，木犀草素具有较高医用价值[1]。此外，木犀草素摄入量与心血管疾病及肿瘤风险呈相关性[2-3]。目前，木犀草素检测法有分光光度法[4]、高效液相色谱法[5-6]和毛细管电泳法[7]等。上述方法虽检测效果良好，但是耗时且前处理麻烦。而电化学分析法具有灵敏度高、设备成本低、检测方法简单等优点。

金属掺杂沸石咪唑酯骨架结构材料(MOFs)具备高孔隙率、高比表面积和易功能化等特点[8]，因此广泛应用于电化学领域[9-11]。本研究以MOF-5为硬模板，制备了立方体形貌的ZnO/ZnS纳米材料，且应用于木犀草素的电化学检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Zn(NO3)2·6H2O(纯度≥99.0%)、木犀草素、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，平均分子量为58 000)、三乙胺、对苯二甲酸(BDC)、硫代乙酰胺(TAA)、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、氢氧化钾、磷酸均为分析纯；实验用水均为超纯水。

ProX型扫描电子显微镜(SEM)；D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)；CHI660E系列电化学工作站；玻璃碳电极(GCE)、Ag/AgCl电极、铂丝电极均购于天津艾达恒晟科技发展有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 ZnO/ZnS纳米材料的制备

1.2.1.1 MOF-5的制备 将 0.859 0 g 的 Zn(NO3)2·6H2O 溶于7 mL的DMF中，制备出A溶液。将0.215 3 g的BDC溶于7 mL的DMF中，制备出B溶液。向三口烧瓶依次加入7.669 g的PVP、126 mL乙醇、280 mL的DMF和75 μL三乙胺，超声至PVP完全溶解后，再加入7 mL的B溶液。在120 ℃条件下回流15 min，再向三口烧瓶加入7 mL的A溶液，待溶液出现白色浑浊，停止加热，并用冰水浴迅速降温，待温度降低至室温后，离心处理，用DMF洗涤3遍，将产物置于60 ℃烘箱中干燥，即可制备MOF-5材料。

1.2.1.2 TAA@MOF-5的制备 在三口烧瓶中加入30 mg的MOF-5和30 mL的乙醇并超声分散均匀，随后加入0.135 g的TAA，在90 ℃条件下回流30 min。冷却、离心、清洗后，将产物置于60 ℃烘箱中干燥，即可得到TAA@MOF-5材料。

1.2.1.3 ZnO/ZnS纳米材料的制备 将TAA@MOF-5置于管式炉中，在N2氛围下，以1 ℃/min的速度升温至600 ℃并保温2 h，冷却后即可得到ZnO/ZnS纳米材料。

1.2.2 GCE的预处理 GCE用0.5 μm的氧化铝粉末在麂皮上打磨至光滑，将抛光好的电极依次在超纯水和乙醇中超声清洗，最后用N2气流将玻碳电极表面吹干。

1.2.3 ZnO/ZnS/GCE修饰电极的制备 将适量ZnO/ZnS纳米材料超声分散于DMF中，制备 1 mg/mL 的ZnO/ZnS均匀修饰液。用移液枪准确移取5 μL的上述分散液至预处理好的玻碳电极表面，室温条件下待分散液完全蒸发时，则ZnO/ZnS/GCE修饰电极制备完成。

1.2.4 标准溶液的配制 无水乙醇作为溶剂，溶解木犀草素。经逐级稀释处理后，即可制得 0.001 mol/L 和0.01 mol/L木犀草素标准储备液用于后续的分析测试。

1.2.5 电化学方法 本实验采用三电极系统，参比电极为饱和Ag/AgCl电极，对电极为铂丝电极，工作电极为ZnO/ZnS修饰的GCE(ZnO/ZnS/GCE)。

在三电极系统中，0.1 mol/L的磷酸盐缓冲溶液(PBS)作为木犀草素检测的电解质溶液。检测方法为差示脉冲溶出伏安法(DPV)，电位增量 0.004 V，脉冲幅度0.05 V，脉冲周期0.1 s，脉冲宽度 0.04 s，采样宽度0.01 s。

2 结果与讨论

2.1 表征部分

通过SEM对MOF-5、TAA@MOF-5和ZnO/ZnS纳米材料的形貌和结构进行了表征。图1 a为MOF-5的SEM图，所合成的MOF-5材料具有明显的立方体形貌，材料颗粒大小相对均匀。MOF-5经TAA回流处理后，所得到的TAA@MOF-5材料依然继承了MOF-5的立方体形貌，TAA@MOF-5表面相对粗糙(图1b)。当TAA@MOF-5经高温碳化后制备的ZnO/ZnS仍然能够保持MOF-5的立方体形貌，但部分ZnO/ZnS颗粒的立方体结构因为高温的原因而发生了一定数量的坍塌(图1c)。

图1 MOF-5材料(a)、TAA@MOF-5材料(b)和 ZnO/ZnS纳米材料(c)的SEMFig.1 SEM image of the MOF-5 sample(a)，TAA@MOF-5 sample(b) and ZnO/ZnS nanomaterials(c)

用XRD对所制备的材料进行物相分析，所获得的XRD图谱见图2。

由图2可知，所制得的材料在2θ为28.7，47.7，56.3°附近分别出现了ZnS(111)、(220)、(311)晶面的特征衍射峰，ZnS的标准卡片号为JCPDS 65-0309。在2θ为31.5，36.3，56.6，62.7，67.4°附近出现了ZnO(100)、(101)、(110)、(103)、(112)晶面的特征衍射峰，ZnO的标准卡片号为JCPDS 36-1451。

图2 ZnO/ZnS纳米材料的XRD衍射图Fig.2 XRD patterns of ZnO/ZnS

采用Mapping对ZnO/ZnS纳米材料中的S、Zn、C、O和N元素分布情况进行了分析。Mapping实验结果表明(图3b～3f)，所制备的材料含有S、Zn、C、O和N元素，这一结果与XRD分析结果保持一致。并且S、Zn、C、O和N元素在材料中分布均匀。

图3 ZnO/ZnS材料中S、Zn、C、O和 N元素相应Mapping图Fig.3 Mapping of S，Zn，C，O and N elements in ZnO/ZnS material

2.2 木犀草素在不同电极上的电化学响应

为了比较不同电极的DPV响应性能，在相同条件下分别用GCE和ZnO/ZnS/GCE检测5 μmol/L木犀草素，实验结果见图4。

图4 GCE和ZnO/ZnS/GCE在相同条件下 对木犀草素检测的DPV曲线图Fig.4 DPV curves of 5 μmol/L luteolin determined by GCE and ZnO/ZnS/GCE under the same conditions

由图4可知，与ZnO/ZnS/GCE相比，裸GCE的峰电流信号远远小于ZnO/ZnS/GCE，两者峰电流信号相差16倍。这主要归因于ZnO/ZnS纳米材料大的比表面积、丰富的孔结构和独特的3D立方体形貌。

2.3 实验条件的影响

2.3.1 ZnO/ZnS纳米材料修饰量的选择 材料修饰量是影响电化学响应信号的一个重要参数。图5a 展示的是ZnO/ZnS的修饰量为5 μL，浓度为0.5～2.5 mg/mL范围时，所对应的峰电流信号。

由图5a可知，当材料浓度由0.5 mg/mL增加到1.0 mg/mL时，峰电流值也逐渐增大。当材料修饰量浓度为1 mg/mL时，ZnO/ZnS/GCE对木犀草素检测响应信号达到最大。随着修饰浓度的继续增加，电化学响应信号开始减小。这是因为修饰量的增加使覆盖层变厚继而导致电子转移受阻。因此，实验选择修饰量1 mg/mL为材料的最佳修饰浓度。

图5 5 μmol/L木犀草素在0.1 mol/L PBS 溶液中的DPV参数优化Fig.5 Optimization of parameters for DPV of 5 μmol/L luteolin in 0.1 mol/L PBS solutiona.ZnO/ZnS浓度；b.富集电压；c.富集时间；d.缓冲溶液的pH值

2.3.2 富集电位的影响 在0.2～0.6 V的范围内探讨了峰电流信号与富集电位之间的关系，见图5b。

由图5b可知，木犀草素的峰电流从0.2～0.4 V 递增，最大峰电流出现在0.4 V，说明在 0.4 V 时修饰电极对木犀草素的吸附效果最好。当富集电位>0.4 V时，电流响应值开始降低。因此，最佳的富集电位选择0.4 V。

2.3.3 富集时间的影响 本实验优化了ZnO/ZnS/GCE对木犀草素吸附的富集时间，从60～180 s，以30 s为梯度设置了富集时间，结果见图5c。

由图5c可知，随着富集时间的延长，木犀草素的氧化峰电流逐渐增大。当沉积时间延长到120 s时，峰值电流达到一个稳定值。结果表明，ZnO/ZnS/GCE对木犀草素的吸附在120 s时稳定且达到饱和。所以，富集时间为120 s是电化学测定木犀草素的最佳富集时间。

2.3.4 pH的优化 实验探讨了缓冲溶液PBS的pH值对峰电流信号的影响。图5d 表示了PBS缓冲溶液在pH为1.0，1.5，2.0，2.5和3.0时的氧化峰电流的变化。

由图5d可知，木犀草素的氧化峰电流随pH值从1.0升高到2.0而增大。pH为2.0时出现了最大峰值电流。随着pH值的增加，木犀草素响应峰电流减小。实验采用pH=2.0作为电化学测定的最佳pH值。

此外，溶液pH值也与电极和电解质界面间的质量传递过程有关。由图6A可知，氧化峰电位随着pH值从1.0增加到3.0呈现负相关。氧化峰电位(Epa)与pH值呈线性关系。线性回归方程为：Epa=-0.056 pH+0.692，R2=1.00(图6B)。线性方程的斜率经计算为 0.056 mV/pH，接近于 0.059 mV/pH 的理论能量值[12]。这表明木犀草素电化学氧化过程中的质子和电子转移数量是相等的[13]。

图6 在不同pH下ZnO/ZnS/GCE对木犀草素检测的 DPV曲线图(A)和氧化峰电位与pH值的线性关系(B)Fig.6 DPV response curves of luteolin on ZnO/ZnS/GCE with different pH values(A) and the linear relationship of the oxidation peak potential versus pH(B)

2.4 线性回归方程的建立

在本文所建立的最佳条件下，在0.1～0.7 V电压范围内，用DPV法测定了不同浓度木犀草素在ZnO/ZnS/GCE上的DPV响应曲线。由图7可知，随着木犀草素浓度的不断增加，ZnO/ZnS/GCE对木犀草素的峰值电流反应也逐渐增大。结果表明，在0.1～10 μmol/L的浓度范围内，木犀草素的平均峰电流与木犀草素的浓度呈现良好的线性关系。对应线性图的线性方程为Ip(μA)=15.602c-0.266，R2=0.999(Ip：峰值电流强度，c：木犀草素浓度)，检测限约为0.012 μmol/L(S/N=3)。

图7 ZnO/ZnS/GCE检测不同木犀草素的 浓度的DPV曲线图Fig.7 The DPV curves recorded using ZnO/ZnS/GCE for varying luteolin concentration

2.5 ZnO/ZnS/GCE的重复性和重现性

在最优的条件下探讨了ZnO/ZnS/GCE对木犀草素检测的重复性，使用同一根修饰电极对 5 μmol/L 的木犀草素进行了5次检测，由此5次峰电流计算的RSD为0.73%，说明ZnO/ZnS/GCE对木犀草素检测的重复性良好。在相同的条件下制备了5根ZnO/ZnS/GCE，并且在最优条件下检测 5 μmol/L 的木犀草素，由5根电极得出的峰电流数据计算得出RSD为0.64%，说明ZnO/ZnS/GCE对木犀草素检测的重现性良好。

2.6 抗干扰能力的检测

为了探究ZnO/ZnS/GCE在复杂样品中的抗干扰能力和对木犀草素的特异性检测能力，选择一些常见的共存物质来研究共存物质对电化学响应的干扰。在5 μmol/L木犀草素溶液中，分别加入浓度为木犀草素100倍的Ca2+、Mg2+、Na+和Cl-，分别加入浓度为木犀草素20倍的水溶性淀粉、多巴胺、尿酸、抗坏血酸和葡萄糖。由图8可知，共存化合物对木犀草素的测定没有显著影响(响应峰电流变化<5%)。

图8 最优条件下干扰物对木犀草素峰电流的影响Fig.8 Interferences of some distractors on the peak currents of luteolin detection under the optimized conditions

2.7 实际样品的检测和加标回收率的检测

为验证所研制的电极的实际应用效果，用ZnO/ZnS/GCE对独一味软胶囊中木犀草素的含量进行了测定。对样品进行预处理：先用超声波破碎8粒独一味软胶囊，用30 mL乙醇超声提取1 h，然后抽滤收集上清液。最后用乙醇定容至100 mL容量瓶，备用。用DPV法测定木犀草素对ZnO/ZnS/GCE的电化学响应，用标准加入法计算测定回收率。测定结果见表1。

表1 对独一味胶囊中的木犀草素的检测和回收率检测Table 1 Determination of luteolin in Duyiwei soft capsule and determination recovery rate

由表1可知，独一味软胶囊中木犀草素的回收率在101%～103%之间，RSD<5%。表明了这种新型的修饰电极在复杂样品中的有效检测和准确定量。

3 结论

本文采用MOFs衍生方法合成了ZnO/ZnS纳米颗粒材料，将所得的纳米材料以滴涂法固定在GCE表面上，研究其对木犀草素的特异性电化学行为。由于材料独特的结构优点，ZnO/ZnS/GCE对木犀草素氧化具有优异的敏感性和稳定性。这种新型的纳米材料所制备的特殊修饰电极，具有对木犀草素较低的检测限和较宽的线性范围。最后，在实际应用中成功地测定了独一味软胶囊中木犀草素的含量。