蘇丹紅Ⅰ在活化玻碳電極上的電化學行為研究及其應(yīng)用*

馬心英，陳美鳳，晁明永

(菏澤學院化學化工系，山東菏澤，274015)

蘇丹紅Ⅰ是一種化學染色劑，被廣泛用于溶劑、油、蠟、汽油的增色以及鞋、地板等增光方面。研究表明食用蘇丹紅Ⅰ能引起膀胱癌和肝癌，世界衛(wèi)生組織將其定為第三類致癌物質(zhì)，多數(shù)國家禁止其用于食品［1］。但一些生產(chǎn)商為提高經(jīng)濟利益仍將其作為添加劑，用于辣椒油、番茄醬、腐乳、調(diào)料等食品中，以增加其顏色色澤。食品添加劑，特別是人工色素的使用安全問題越來越受到人們的關(guān)注，因此建立快速、靈敏檢測食品中蘇丹紅的方法對人體健康安全具有重要意義。目前，用于蘇丹紅Ⅰ測定的方法主要有高效液相色譜法［2，3］、薄層色譜法［4］，分光光度法［5］，質(zhì)譜法［6］，化學發(fā)光法［7］，毛細管電泳［8］、分子印跡法［9］和電化學方法［10-12］等。色譜法儀器昂貴，樣品處理復(fù)雜，而分光光度法則易受染色劑在比色皿吸附的干擾。電化學方法具有簡單、快速等優(yōu)點，其中化學修飾電極法近年來發(fā)展十分迅速［13-15］，修飾材料由單一向多元化方向發(fā)展，制備方法也日趨復(fù)雜化，修飾材料的選擇及制備方法決定著實驗結(jié)果的靈敏度、選擇性及穩(wěn)定性［16-22］。活化玻碳電極與修飾電極相比，制備過程更為簡單，所用試劑更為廉價，而且顯示出良好的穩(wěn)定性與靈敏性?；罨Ｌ茧姌O的制備有不同途徑，如Khoo在pH 7．0磷酸鹽緩沖溶液中，通過控制較高的氧化正電位得到活化玻碳電極并用于測定生物分子［23］;Abraham John在硫酸溶液中制備了活化玻碳電極，用于尿酸及抗壞血酸的測定［24］。本文在硫酸溶液中優(yōu)化實驗條件制備了活化玻碳電極，探討了蘇丹紅Ⅰ在該電極上的電化學行為，并用于食品中蘇丹紅的檢測，該方法簡單、快速，具有較寬的線性范圍和較高的靈敏性，有較好的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘇丹紅Ⅰ，天津市化學試劑研究所，溶于無水乙醇配成 1．00×10-2mol/L儲備液;0．5 mol/L 的H2SO4溶液;Na2HPO4-C6H8O7·H2O配制成磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH 2．2 ～8．0)。試劑均為分析純，實驗用水均為二次石英亞沸蒸餾水。

CHI660e型電化學分析系統(tǒng)，上海辰華公司;KH-100DB型超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)有限公司;電化學實驗用三電極系統(tǒng)，玻碳電極(GCE)或活化玻碳電極(AGCE)為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為對電極。

1.2 樣品制備

分別稱取2．500 g辣椒油和3．000 g番茄醬于磨口瓶中，用無水乙醇超聲萃取3次(每次20 mL，萃取時間20 min)萃取液過濾后合并，用無水乙醇定容至100 mL容量瓶中，低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 活化玻碳電極的制備

將玻碳電極(Φ=3．8 mm)在濕潤的金相砂紙(粒度為2000)上磨光，然后用中性氧化鋁(0．05 μm)懸乳液拋光成鏡面，然后依次用HNO3(1∶1)、無水乙醇、蒸餾水超聲波清洗，紅外燈下烘干。以玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為對電極，在-1．30～2．40V電位范圍內(nèi)，160 mV/s掃描速率在0．5 mol/L溶液中循環(huán)掃描8周，取出電極用亞沸水淋洗電極表面，晾干，即制得硫酸活化玻碳電極。

1.4 實驗方法

1．4．1 干擾試驗的測定方法

在pH=4．0 的 PBS中，在濃度為 1．00 ×10-5mol/L蘇丹紅Ⅰ溶液中加入實驗了一些體內(nèi)常見物質(zhì)進行測定，以活化玻碳電極做工作電極，以Ag/AgCl電極做參比電極，鉑絲電極做對電極，攪拌60 s后，在-1．0～1．0 V 電位范圍內(nèi)，以100 mV/s掃描速率進行循環(huán)掃描，記錄掃描曲線。

1．4．2 標準曲線、檢測限的測定方法

在pH=4．0的PBS中，改變蘇丹紅Ⅰ溶液的濃度，以活化玻碳電極做工作電極，以Ag/AgCl電極做參比電極，鉑絲電極做對電極，攪拌60 s后，在0～0．5 V電位范圍內(nèi)，用差分脈沖伏安法，分別進行掃描測定，記錄差分脈沖曲線。

1．4．3 回收率的試驗方法

每個樣品取3個不同體積分別置于電解池中，分別按照標準曲線的測定方法進行測定，記錄曲線，每個樣品測定6次，然后加入已知濃度的標準蘇丹紅Ⅰ溶液，進行測定，記錄曲線。根據(jù)工作曲線的線性方程計算出加入的標準蘇丹紅Ⅰ溶液的濃度數(shù)值，與已知加入濃度進行比較，計算出回收率。

2 結(jié)果和討論

2.1 活化玻碳電極制備條件的優(yōu)化

為使蘇丹紅Ⅰ在活化玻碳電極上得到最大電流響應(yīng)信號，對活化玻碳電極制備條件進行了優(yōu)化。分別改變了硫酸溶液濃度、活化高低電位、掃描速度、活化周數(shù)進行實驗，結(jié)果表明，在0．5 mol/L H2SO4溶液中，-1．30～2．40 V 電位范圍內(nèi)，以 160 mV/s掃描速率循環(huán)掃描8周，所制備的活化玻碳電極對蘇丹紅Ⅰ響應(yīng)電流最大。

2.2 蘇丹紅Ⅰ在活化玻碳電極上的電化學行為

圖1為蘇丹紅Ⅰ在活化玻碳電極(a)和玻碳電極(b)上的循環(huán)伏安曲線。由圖1可見，蘇丹紅Ⅰ在玻碳電極上電流響應(yīng)微弱，而在活化玻碳電極上，氧化還原峰電流明顯增加，氧化還原峰電位和電流值分別為:Epa=0．195 V，Epc=0．063 V，ΔE=0．132 V;ipa=-22．96μA，ipc=17．99 μA，ipa/ipc＞1，表明蘇丹紅Ⅰ在活化電極上的電極反應(yīng)為準可逆過程。

2.3 蘇丹紅Ⅰ測定條件的選擇

圖1 1．00×10-5mol/L蘇丹紅Ⅰ號在活化玻碳電極(a)，裸電極(b)上的CV曲線Fig．1 Cyclic voltammograms of 1．00 ×10-5mol/L Sudan I at activated glassy carbon electrode(a)and bare electrode(b)，PBS(pH=4．0)scan rate:100m V/s

2．3．1 測定底液pH值的影響

在pH 2．2～8．0范圍內(nèi)，以磷酸鹽緩沖溶液進行試驗，實驗發(fā)現(xiàn)隨著pH值的升高，氧化峰和還原峰電位隨pH的增大均負移，且氧化峰電位與pH呈線性關(guān)系，線性方程為 Epa=-0．059 pH+0．38，r=-0．998 0(見圖2)，說明蘇丹紅Ⅰ的氧化反應(yīng)有質(zhì)子參與，斜率為 59．0 mV/pH，接近 56 mV/pH，因此蘇丹紅Ⅰ電極反應(yīng)過程質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)等于電子轉(zhuǎn)移數(shù)［25］。在 pH 2．2 ～8．0 內(nèi)，隨著 pH 值的增大，其氧化峰和還原峰電流均先增大后減小。在pH=4．0的時，峰電流達到最大值。因此，選擇測定底液最佳pH值為 4．0。

圖2 1．00×10-5mol/L蘇丹紅Ⅰ號在活化玻碳電極上的上隨pH變化的CV曲線圖內(nèi)插圖為氧化峰電位與溶液pH線性關(guān)系圖Fig．2 Cyclic voltammograms of 1．00 ×10-5mol/L Sudan I at different pH values;Scan rate 100m V/s pH from a to f:3．0;4．0;5．0;6．0;7．0;8．0 Inset is the plot of the peak potential of Sudan I versus pH value of buffer solutions．

2．3．2 攪拌時間的影響

攪拌時間不同蘇丹紅Ⅰ在修飾電極表面吸附的程度不同。實驗結(jié)果表明，隨攪拌時間的增長，峰電流先增大后減小，60 s達到最大值，因此實驗選擇攪拌富集時間為60 s。

2．3．3 掃描速度的影響

在40～400 mV/s的掃描速率范圍內(nèi)考察了掃速對蘇丹紅Ⅰ電化學行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著掃速的增大，峰電流不斷增加，氧化還原峰電位差增大(圖3)。氧化峰電流與掃速成正比，其回歸方程為ipa(A)=-1．01 ×10-6+1．87 ×10-8ν，R=0．999 2，因此蘇丹紅Ⅰ在活化電極上的電極過程為吸附過程。

圖3 1．00×10-5mol/L蘇丹紅Ⅰ在pH4．0磷酸鹽緩沖溶液中不同掃速下的CV曲線。內(nèi)插圖為氧化峰電流與掃描速度的線性關(guān)系圖Fig．3 Cyclic voltammetric curves of 1．00 × 10-5mol/L Sudan I at activated glassy carbon electrode at different scan rate．Inset is the plot of oxidation peak currents of Sudan I versus scan rates．Scan rate from 1 to 10:40，60，80，100，120，140，160，180，200，22，240，260，280，320，360，400mV/s

圖4為蘇丹I在活化玻碳電極的上氧化還原峰電位隨變化的關(guān)系曲線。根據(jù)描述準可逆薄層電化學的 Laviron 理論［26］可知:

式中a、b為常數(shù)。由圖4可知，在pH=4．0條件下，對于蘇丹I氧化還原過程，掃速在240～400 mV/s，Epa=0．113lgv-0．155，R=0．996 9;Epc=-0．063 lgv+0．199，R=0．997 8。根據(jù)(1)、(2)可求出蘇丹I氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)nα=1．47≈2，電子傳遞系α=0．64，接近理論值0．5，符合準可逆特征。由于質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)等于電子轉(zhuǎn)移數(shù)，因此蘇丹紅Ⅰ在活化玻碳電極上可能發(fā)生了如下反應(yīng):

圖4 氧化峰、還原峰電位與lgv的關(guān)系曲線，掃描速度分別為:40，80，120，160，200，240，280，320，360，400mV/s．Fig．4 Plots of the peak potentials versus the logarithms of the scan rates

2.4 工作曲線、檢出限

在最佳條件下，用活化玻碳電極對蘇丹紅Ⅰ號進行測定，蘇丹紅Ⅰ號氧化峰電流與其濃度在4．0×10-8～1．0×10-5mol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(圖 5)，其回歸方程為 ipa(A)=0．70 C+5．91 ×10-7，R=0．998 9。檢出限為 9．0 ×10-9mol/L 。由表1可見，與其他修飾電極測定結(jié)果比較，本方法測定蘇丹紅Ⅰ號具有較寬的線性范圍和較低的檢出限，說明活化玻碳電極對蘇丹紅Ⅰ號具有較好的催化性能與靈敏性。

圖5 在pH=4．00磷酸鹽緩沖溶液中不同濃度的蘇丹紅Ⅰ在活化玻碳電極上差分脈沖伏安曲線。內(nèi)插圖為蘇丹紅Ⅰ氧化峰電流與其濃度變化關(guān)系曲線Fig．5 Differential pulse voltammograms of Sudan I at various concentrations at an activated glassy carbon electrode in pH 4．0 phosphate buffer solutions．Each of the numbers from 1 to 10 corresponds to a concentration of 4．0 × 10-8，8．0 × 10-8，2．0 × 10-7，4．0 × 10-7，6．0 × 10-7，1．0 ×10-6，4．0 × 10-6，6．0 × 10-6，8．0 × 10-6，1．0 × 10-5 mol/L．Inset is the plot of oxidation peak current of Sudan I versus its concentration;Scan rate 100mV/s

表1 活化玻碳電極與其它修飾電極性能比較Table 1 Comparison of the analytical performances of AGCE with that of other modified electrodes

2.5 干擾試驗

對濃度為1．00×10-5mol/L蘇丹紅Ⅰ溶液進行測定，允許測定誤差在+5%范圍內(nèi)，實驗了一些體內(nèi)常見的金屬離子、陰離子、氨基酸對蘇丹紅Ⅰ的影響，結(jié)果表明，10 倍的 K+、Na+、Ca2+、NH4+、氨基丙酸、Cl-、葡萄糖、酒石酸對蘇丹紅Ⅰ的測定均不產(chǎn)生干擾;100倍的辣椒紅色素在活化玻碳電極上無氧化還原峰存在，對樣品測定無干擾;蘇丹紅ⅠI、III、IV號由于與蘇丹紅Ⅰ具有相似的結(jié)構(gòu)，因此在活化玻碳電極上具有相似的電化學行為，若存在，可利用薄層色譜法分離［4］后，進行分別測定。

2.6 樣品分析

取一定量的樣品溶液，在最佳實驗條件下進行測定，未觀察到明顯的氧化還原峰，說明樣品中無蘇丹紅Ⅰ存在或其含量在檢出限以下。按照同樣的方法對等質(zhì)量的原始樣品進行不同濃度的蘇丹紅Ⅰ標準溶液加標回收實驗，結(jié)果見表2。

表2 辣椒油和番茄醬蘇丹紅Ⅰ檢測結(jié)果Table 2 Determination results of Sudan I in chilli oil and ketchup samples(n=6)

3 結(jié)論

制備了活化玻碳電極，建立了差分脈沖伏安法測定辣椒油及番茄醬中的蘇丹紅Ⅰ的方法，此方法簡單快速，檢出限為9．0×10-9mol/L，加標回收率在95%-97．3%之間，實用性好，無毒，無污染，為檢測食品中蘇丹紅Ⅰ提供了一種安全有效的新方法，易于推廣應(yīng)用。

［1］Stiborová M，Martínek V，Ry＇dlová H，et al．Sudan I is a potential carcinogen for humans:evidence for its metabolic activation and detoxication by human recombinant cytochrome P450 1A1 and liver microsomes［J］．Cancer Research，2002，62:5 678-5 684．

［2］Zhao C D，Zhao T，Liu X Y，et al．A novel molecularly imprinted polymer for simultaneous extraction and determination of Sudan dyes by on-line solid phase extraction and high performance liquid chromatography［J］．Journal of Chromatography A，2010，1217:6 995-7 002．

［3］ 喻凌寒，牟德海，李光憲，等．HPLC-DAD法測定辣椒及其制品中蘇丹紅的含量［J］．光譜試驗室，2004，11(6):31-33．

［4］丁長河，錢林．辣椒制品中蘇丹色素的薄層色譜檢測方法的研究［J］．食品科學，2007，28(2):226-228．

［5］張玉采，鐘燕，王文亭，等．薄層色譜分離分光光度法測定辣椒醬中蘇丹紅Ⅰ［J］．現(xiàn)代食品科技．2007，23(2):84-86．

［6］Tateo F，Bononi M．Fast determination of Sudan I by HPLC/APCI-MS in hot chilli，spices，and oven-baked foods［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，2004，52:655-658．

［7］牛麗川，宋正華．流動注射化學發(fā)光法測定蘇丹紅Ⅰ［J］．分析化學，2009，1:209-209．

［8］Mejia E，Ding Y，Mora M F，et al．Determination of banned Sudan dyes in chili powder by capillary electrophoresis［J］．Food Chemistry，2007，102:1 027-1 033．

［9］Hu X G，Cai Q L，F(xiàn)an Y N，et al．Molecularly imprinted polymer coated solid-phase micro extraction fibers for determination of Sudan I-IV dyes in hot chili powder and poultry feed samples［J］．Journal of Chromatography A，2012，1219:39-46．

［10］瞿萬云，楊春海，黃文勝．基于十二烷基苯磺酸鈉增敏效應(yīng)電化學方法檢測蘇丹紅Ⅰ［J］．應(yīng)用化學，2009，9(26):1 065-1 068．

［11］張劍德，杜 丹．碳納米管修飾的玻碳電極測定蕃茄制品中蘇丹紅［J］．分析科學學報．2010，26(5):617-620．

［12］羅宿星，代小容，伍遠輝，等．蘇丹紅Ⅰ在殼聚糖-氧化石墨烯自組裝膜修飾玻碳電極上的電化學行為及其測定［J］．分析測試學報，2012，31(12):1 562-1 566．

［13］賈莉，雷秋芬，張修華，等．鄰氨基硫酚自組裝膜修飾電極測定多巴胺［J］．應(yīng)用化學，2005，22(2):172-175．

［14］孫登明，馬偉，吳云．聚L-異白氨酸修飾電極的制備及對多巴胺的測定［J］．應(yīng)用化學，2006，23(11):1 214-1 217．

［15］ 韓曉霞，高作寧．DA和AA在CPB現(xiàn)場修飾碳糊電極上的電化學行為及電分析方法［J］．應(yīng)用化學，2007，24(7):770-773．

［16］Yang D X，Zhu L D，Jiang X Y．Electrochemical reaction mechanism and determination of Sudan I at a multi wall carbon nanotubes modified glassy carbon electrode［J］．Journal of Electroanalytical Chemistry，2010，640(1/2):17-22．

［17］Wu Y H．Electrocatalysis and sensitive determination of Sudan I at the singlewalled carbon nanotubes and I ron(III)-porphyrin modified glassy carbon electrodes［J］．Food Chem，，2010，121(2):580-584．

［18］Yang D X，Zhu L D，Jiang X Y，et al．Sensitive determination of Sudan I at an ordered mesoporous carbon modified glassy carbon electrode［J］．Sensors and Actuators B:Chemical，2009，141(1):124-129．

［19］Yin H S，Zhou Y L，Meng X M，et al．Electrochemical behavior of Sudan I at Fe3O4nanoparticles modified glassy carbon electrode and its determination in food samples［J］．Food Chemistry，2011，127(3):1 348-1 353．

［20］Gan T，Li K，Wu K B．Multi-wall carbon nanotube-based electrochemical sensor for sensitive determination of Sudan I［J］．Sensors and Actuators B:Chemical，2008，132(1):134-139．

［21］Lin H G，Li G，Wu K B．Electrochemical determination of Sudan I dsing montmorillonite calcium modified carbon paste electrode［J］．Food Chemistry，2008，107(1):531-536．

［22］Mo Z R，Zhang Y F，Zhao F G，et al．Sensitive voltammetric determination of Sudan I in food samples by using gemini surfactant-ionic liquid-multiwalled carbon nanotube composite film modified glassy carbon electrodes［J］．Food Chemistry，2010，121(1):233-237．

［23］Premkumar J，Khoo S B．Electrocatalytic oxidations of biological molecules(ascorbic and uric acids)at highly oxidized electrodes［J］．Journal of Electroanalytical Chemistry，2005，576(1):105-112．

［24］John S A．Simultaneous determination of uric acid and ascorbic acid using glass carbon electrodes in acetate buffer solution ［J］．Journal of Electroanalytical Chemistry，2005，579(2):249-256．

［25］Amare M，Admassie S．Differential pulse voltammetric determination of theophylline at poly (4-amino-3hydroxynaphthalene sulfonic acid)modified glassy carbon electrode［J］．Bulletin of the Chemical Society of Ethiopia，2012，26(1):73-84．

［26］Laviron E．General expression of the linear potential sweep voltammogram in the case of diffusionless electrochemical systems［J］．Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry，1979，101:19-28．