納米金/石墨烯修飾電極測(cè)定食品中的誘惑紅

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(1.菏澤學(xué)院化學(xué)化工系,山東菏澤 274015; 2.山東省菏澤市疾病預(yù)防控制中心,山東菏澤 274000; 3.菏澤學(xué)院生命科學(xué)系,山東菏澤 274015)

食品色素廣泛應(yīng)用于食品行業(yè),主要用于改善食品的外觀以吸引消費(fèi)者。與天然色素相比,合成色素因其穩(wěn)定、顏色均勻、微生物污染程度低、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而,一些合成色素對(duì)人體是有害的,特別是用量過(guò)度時(shí)[2]。因此,許多食品色素用量的控制在食品工業(yè)中是相當(dāng)重要的。

誘惑紅(6-羥基-5-(2-甲氧基-4-磺酸-5-甲苯基)偶氮萘-2-磺酸二鈉鹽,AR)是一種食品色素,因其具有鮮艷的深紅色,所以在食品工業(yè)中常添加于飲料和糖果中來(lái)改善它們的色澤。有文獻(xiàn)報(bào)道,AR在大鼠中表現(xiàn)出毒性,并分解產(chǎn)生一些有毒的致突變和致癌的芳香胺類物質(zhì)[3-4],可以誘導(dǎo)小鼠腸內(nèi)DNA的損傷[5],在食品中過(guò)量使用會(huì)對(duì)人體造成許多危害。因此建立準(zhǔn)確測(cè)定AR的方法是非常必要的。

目前,測(cè)定AR的方法主要有高效液相色譜法[6-9]、分光光度法[10]等,這些方法存在操作復(fù)雜、浪費(fèi)大量有機(jī)溶劑、費(fèi)時(shí)、成本高,而且靈敏度不高的缺點(diǎn)。而電化學(xué)方法成本較低,操作相對(duì)簡(jiǎn)單,檢測(cè)速度相對(duì)快。例如有文獻(xiàn)報(bào)道[11]用石墨烯和TiO2復(fù)合的修飾電極可以增大AR的氧化峰電流信號(hào),建立了一種新的、靈敏的電化學(xué)檢測(cè)AR的方法。氨基酸修飾電極也有良好的催化性能,利用甘氨酸[12]以及L-精氨酸與石墨烯修飾電極[13]也可以提高檢測(cè)AR的靈敏性與選擇性。

石墨烯具有獨(dú)特的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及光學(xué)等性能,已被廣泛用于電極的制備[14-16]。金屬納米粒子(鉑、金、銀等)導(dǎo)電性好,電催化活性以及化學(xué)穩(wěn)定性較好,也已廣泛用作傳感器的制備[17-19]。在各種金屬納米顆粒中,金納米顆粒因?yàn)槠洫?dú)特的性能(良好生物相容性、導(dǎo)電性和有良好的協(xié)同作用)可以提高石墨烯修飾電極的靈敏度和穩(wěn)定性。納米金/石墨烯修飾電極已經(jīng)用于檢測(cè)對(duì)苯二酚和鄰苯二酚,結(jié)果表明納米金/石墨烯復(fù)合材料可作為一種高性能傳感材料進(jìn)行某些環(huán)境污染物的選擇性檢測(cè)[20]。此外,石墨烯作為生物傳感器可以檢測(cè)葡萄糖[21],表現(xiàn)出了非常高的靈敏性和非常好的選擇性。

本研究利用納米金和石墨烯這兩種具有催化活性的物質(zhì)制備修飾電極,討論AR在納米金/石墨烯修飾玻碳電極上的電化學(xué)行為,建立一種測(cè)定食品中誘惑紅含量的新方法,具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

誘惑紅(AR) 純度>99%,天津化學(xué)制劑研究所,配制8.00×10-4mol/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液;石墨烯 自制;四氯金酸 分析純,阿拉丁試劑有限公司,配成1.00×10-2mol/L溶液;金色的功能飲料和彩色硬質(zhì)糖果 市售。

CHI660E型電化學(xué)分析系統(tǒng) 上海辰華公司;KQ-100型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;電化學(xué)工作用三電級(jí)系統(tǒng):玻碳電極(工作電極)、鉑絲電極(對(duì)電極)和Ag/Agcl電極(參比電極) 上海辰華儀器有限公司;85-1型恒溫磁力攪拌器 中外合資深圳天南海北有限公司;SYZ-550型石英亞沸高純水蒸餾器 江蘇金壇儀器有限公司;GUOHUA800型低速電動(dòng)離心機(jī) 中外合資深圳天南海北有限公司;紅外燈(MT) 中山市古鎮(zhèn)鑫煌燈飾電器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備 飲料:取100 mL飲料放入燒杯,在電爐上加熱濃縮至約40 mL以去除CO2的影響,冷卻后蒸餾水定容至100 mL,備用。

硬質(zhì)糖果:稱取5.0 g糖果,用水溶解,蒸餾水定容至100 mL,備用。

1.2.2 修飾電極的制備

1.2.2.1 石墨烯修飾電極的制備 將玻碳電極(Φ=3.8 mm)在濕潤(rùn)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,依次用硝酸(1∶1,v/v)、乙醇、亞沸蒸餾水超聲清洗(1 min/次),然后用蒸餾水進(jìn)行充分洗滌,用紅外燈烘干水分。

在玻碳電極的表面滴加一定量的石墨烯懸浮液,在紅外燈下烘干,制得了石墨烯修飾電極。石墨烯懸浮液用量對(duì)修飾電極的性能有一定的影響,固定石墨烯修飾液濃度為0.3 mg/mL,改變石墨烯修飾液的用量,每次制備的電極測(cè)定4.00×10-5mol/L的AR標(biāo)準(zhǔn)溶液,得到最佳的石墨烯用量。

1.2.2.2 納米金/石墨烯修飾電極的制備 在5 mmol/L HAuCl4溶液中,以0.1 mol/L KNO3為支持電解質(zhì),以石墨烯修飾玻碳電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)電極,Ag/AgCl電極為參比電極,在-0.2～1.0 V范圍內(nèi)采用循環(huán)伏安法制備納米金/石墨烯修飾電極。掃描速度和掃描周數(shù)對(duì)修飾電極的性能也有一定的影響,采用固定HAuCl4濃度,改變掃描速度與掃描周數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),找出最佳的掃描速率和周數(shù)。

1.2.3 底液pH的確定 底液的酸堿度對(duì)AR氧化還原峰有一定的影響。分別用pH2.2～8.0的緩沖溶液作為底液進(jìn)行測(cè)定,得出最佳pH。

1.2.4 測(cè)試高低電位的確定 以納米金/石墨烯修飾玻碳電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)電極,Ag/AgCl電極作為參比電極。固定高電位為0.90 V,改變低電位測(cè)定4.00×10-5mol/L的AR標(biāo)準(zhǔn)溶液(pH=5.0),得到最佳低電位。用同樣的方法改變高電位進(jìn)行實(shí)驗(yàn),確定最佳高電位。

1.2.5 攪拌時(shí)間的確定 以納米金/石墨烯修飾玻碳電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)電極,Ag/AgCl電極作為參比電極。在-0.8～0.8 V的電位范圍內(nèi),掃描速率100 mV/s下掃描,測(cè)定4.00×10-5mol/L的AR標(biāo)準(zhǔn)溶液(pH=5.0),改變攪拌時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),根據(jù)所測(cè)AR氧化峰電流最大時(shí)確定攪拌時(shí)間。

1.2.6 掃描速率的確定 以納米金/石墨烯修飾玻碳電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)電極,Ag/AgCl電極作為參比電極。在-0.8～0.8 V的電位范圍內(nèi),改變掃描速率測(cè)定4.00×10-5mol/L的AR標(biāo)準(zhǔn)溶液(pH=5.0),得出最佳掃描速率。

1.2.7 工作曲線、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和干擾性實(shí)驗(yàn) 在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,以納米金/石墨烯修飾玻碳電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)電極,Ag/AgCl電極作為參比電極浸入含有一定體積的AR標(biāo)準(zhǔn)溶液、10 mL PBS緩沖溶液和9 mL二次水的燒杯中。測(cè)定前攪拌40 s,在-0.8～0.8 V的電位范圍內(nèi),掃描速率100 mV/s下掃描測(cè)定,記錄相應(yīng)循環(huán)伏安曲線。

1.2.8 回收率測(cè)定實(shí)驗(yàn) 在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,以納米金/石墨烯修飾玻碳電極為工作電極浸入10.00 mL的待測(cè)樣品中,鉑絲電極為對(duì)電極浸入一定量的標(biāo)準(zhǔn)液中,Ag/AgCl電極作為參比電極侵入10.00 mL pH=5.0 PBS磷酸鹽緩沖溶液。測(cè)定前攪拌40 s,在-0.8～0.8 V的電位范圍內(nèi),掃描速率100 mV/s下掃描測(cè)定,記錄相應(yīng)循環(huán)伏安曲線,分別對(duì)含有誘惑紅的飲料和硬質(zhì)糖果進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯用量的選擇

改變石墨烯滴涂體積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:當(dāng)石墨烯用量為5 μL時(shí),AR的氧化還原峰峰電流最大。而當(dāng)石墨烯懸浮液體積大于5 μL時(shí),AR在修飾電極上的的氧化還原峰峰電流隨石墨烯滴涂體積的增大而逐漸降低。這可能是因?yàn)殡姌O表面的修飾膜過(guò)厚,使得電極表面的電催化劑很難得到有效利用,阻礙催化底物擴(kuò)散到電極的表面。因此,選擇石墨烯用量為5 μL制備修飾電極。

圖1 不同石墨烯體積對(duì)AR循環(huán)伏安曲線的影響Fig.1 Cyclic voltammograms of AR at different volume of grapheme on the gold nanoparticle/graphene modified electrode

2.2 納米金修飾條件的選擇與電極的表征

分別改變掃描速度和掃描周數(shù)制備納米金/石墨烯電極,結(jié)果表明:掃描速度較低或掃描周數(shù)較多時(shí),納米金顆粒會(huì)發(fā)生聚集現(xiàn)象,顆粒較大,而且對(duì)AR的催化作用降低。當(dāng)掃描速率為40 mV/s(圖2a)、循環(huán)掃描3周(圖2b)時(shí),所制備的納米金顆粒較為細(xì)小、均勻,而且對(duì)AR催化效果最好。因此選擇掃描速率為60 mV/s、循環(huán)掃描3周制備修飾電極。對(duì)制備的石墨烯和納米金/石墨烯電極用掃描電鏡分別進(jìn)行了表征,結(jié)果如圖3所示。通過(guò)對(duì)比可以看出在石墨烯修飾電極表面生成了較為均勻的納米金粒子。

圖3 石墨烯修飾電極(A)、納米金/石墨烯修飾電極(B)掃描電鏡圖Fig.3 SEM image of graphene modified electrode(A) and gold nanoparticle/graphene modified electrode(B)

2.3 AR在納米金/石墨烯修飾電極上的電化學(xué)行為

圖4為AR在四種電極上的循環(huán)伏安曲線,分別是:a裸電極、b納米金修飾電極、c石墨烯修飾電極及和d納米金/石墨烯修飾電極?？梢钥闯?AR在裸電極上電流相應(yīng)微弱,在納米金修飾電極上氧化峰電流ipa=13.82 μA,還原峰電流ipc=18.93 μA;在石墨烯修飾電極上ipa=17.05 μA,ipc=19.33 μA;而在納米金/石墨烯修飾電極ipa=38.31 μA,ipc=46.44 μA,即峰電流明顯增大,大大提高了對(duì)AR的測(cè)定靈敏度,這可能是因?yàn)槭┑牧己脤?dǎo)電性和大量的活性官能團(tuán),使其具有良好的催化活性;而納米金也具有良好的導(dǎo)電性能,二者的協(xié)同效應(yīng),使納米金/石墨烯修飾電極對(duì)AR催化效果更佳明顯,從而在此電極上峰電流值最大。AR在納米金/石墨烯修飾電極上氧化還原峰電位分別為Epa=0.137 V,Epc=0.045 V,ipa/ipc=0.82<1,ΔE=Epa-Epc=0.09,因此AR在修飾電極上的電極反應(yīng)為準(zhǔn)可逆過(guò)程。

圖4 4.00×10-5 mol/L AR在裸電極(a)、納米金修飾電極(b)、石墨烯修飾電極(c)和納米金/石墨烯修飾電極(d)上的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammograms of 4.00×10-5 mol/L AR at bare electrode(a),gold nanoparticle modified electrode(b),graphene electrode(c)and gold nanoparticle/graphene modified electrode(d)

2.4 測(cè)定AR的條件研究

2.4.1 測(cè)定底液的最佳pH 圖5結(jié)果表明,在pH=2.2～5.0范圍內(nèi)隨pH的增大AR氧化峰電流逐漸增大,pH5.0時(shí)峰電流值最大,pH>5.0時(shí),峰電流值逐漸減小。因此測(cè)定底液的最佳pH為5.0。從圖5還可看出,不同pH下測(cè)定的循環(huán)伏安曲線不同,隨著pH增大,其氧化峰發(fā)生負(fù)移。當(dāng)pH的范圍在2.2～8.0之間時(shí)氧化峰電位與pH呈線性關(guān)系(圖5內(nèi)插圖),回歸方程為Epa(V)=-0.062pH+0.46,r=0.9935,其斜率0.062接近于能斯特理論電勢(shì)值0.059,表明AR的氧化過(guò)程有質(zhì)子參與,且質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)m等于電子轉(zhuǎn)移數(shù)n。

圖5 不同pH對(duì)4.00×10-5 mol/L AR循環(huán)伏安曲線的影響Fig.5 Cyclic voltammograms of 4.00×10-5 mol/L AR at different pH on the gold nanoparticle/graphene modified electrode注:a～g分別對(duì)應(yīng)pH為 2.2、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0,υ=100 mV/s； 內(nèi)插圖為AR氧化峰電位與溶液pH關(guān)系曲線。

2.4.2 測(cè)試高低電位的選擇 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究電位對(duì)峰電流的影響,結(jié)果表明,當(dāng)?shù)碗娢辉?0.20～-0.80 V范圍時(shí),峰電流值逐漸增大,而在-0.80～-1.20 V范圍內(nèi)時(shí),峰電流逐漸減小,即低電位為-0.80 V時(shí),AR氧化峰電流值最大(圖6)。

圖6 不同低電位值對(duì)4.00×10-5 mol/LAR循環(huán)伏安曲線的影響Fig.6 Cyclic voltammograms of 4.00×10-5 mol/L AR at different low electric potential values on the gold nanoparticle/graphene modified electrode

固定低電位-0.80 V,改變高電位的值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)高電位在0.40～0.80 V范圍內(nèi)時(shí),峰電流值呈增大趨勢(shì),而在0.80～1.40 V范圍內(nèi)時(shí),峰電流值呈減小趨勢(shì),因此選擇測(cè)定的高電位為0.80 V(圖7)。

圖7 不同高電位值對(duì)4.00×10-5 mol/LAR循環(huán)伏安曲線的影響Fig.7 Cyclic voltammograms of 4.00×10-5 mol/L AR at different high electric potential values on the gold nanoparticle/graphene modified electrode

2.4.3 攪拌時(shí)間的選擇 測(cè)定前對(duì)測(cè)定溶液進(jìn)行攪拌(200 r/min),攪拌時(shí)間不同,AR在納米金/石墨烯修飾電極表面上的吸附程度不同,影響實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,測(cè)定的峰電流值隨攪拌時(shí)間的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),當(dāng)攪拌時(shí)間為40 s時(shí),峰電流值最大,因此測(cè)定AR溶液的最佳攪拌時(shí)間選定為40 s(圖8)。

圖8 不同攪拌時(shí)間對(duì)4.00×10-5 mol/LAR循環(huán)伏安曲線的影響Fig.8 Cyclic voltammograms of 4.00×10-5 mol/L AR at different stirring time on the gold nanoparticle/graphene modified electrode

2.4.4 掃描速率的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖9)在20～300 mV/s的變化范圍內(nèi),隨掃描速率增大氧化峰電流也增大,并且氧化峰電流與掃描速率呈線性關(guān)系,即ipa(μA)=3.99+0.19 υ(mV/s),r=0.9977,說(shuō)明AR在納米金/石墨烯修飾電極上的氧化還原過(guò)程為吸附控制過(guò)程。但掃描速率過(guò)大導(dǎo)致靈敏度降低,因此選定100 mV/s為測(cè)定掃描速度。

圖9 不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線Fig.9 Cyclic voltammograms at different scan rate values注:a～h對(duì)應(yīng)掃描速度分別為:20、60、100、140、180、220、260、300 mV/s;內(nèi)插圖為AR氧化峰電流與掃描速度關(guān)系曲線。

AR在納米金/石墨烯修飾電極上的氧化峰與還原峰電位值隨lg υ變化的關(guān)系曲線如圖9所示,由描述準(zhǔn)可逆薄層電化學(xué)的Laviron理論可知:

Epa=a+[2.303RT/(1-α)nαF]lgυ

式(1)

Epc=b-(2.303RT/αnαF)lgυ

式(2)

其中：α為電子傳遞系數(shù),nα為電子轉(zhuǎn)移數(shù),a、b為常數(shù)。在最佳測(cè)試條件下,掃速在60～340 mV/s范圍內(nèi),氧化峰與還原峰電位值隨lgυ變化的關(guān)系可表示為Epa==-0.020+0.081lgυ,r=0.9973(圖10a);Epc=0.170-0.059 lgυ,r=0.9961(圖10b)。根據(jù)式(1)、(2)可求出電子轉(zhuǎn)移數(shù)nα=0.54,電子傳遞系數(shù)α=0.58,接近于理論值0.5,符合準(zhǔn)可逆過(guò)程的特征。

圖10 4.00×10-5 mol/L AR氧化還原峰電位與掃描速度對(duì)數(shù)變化關(guān)系曲線Fig.10 Plots of the peak potentials of 4.00×10-5 mol/L AR versus the logarithms of the scan rates

2.5 AR測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和重現(xiàn)性

2.5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在8.00×10-8～1.00×10-5mol/L的范圍內(nèi),AR的氧化峰電流值與AR溶液濃度呈良好的線性關(guān)系(圖11),其線性方程為:ipa(μA)=1.87×10-6+1.02c,相關(guān)系數(shù)為r=0.9983,檢出限為8.00×10-9mol/L。

圖11 不同濃度的AR在納米金/石墨烯修飾電極上的循環(huán)伏安曲線Fig.11 Cyclic voltammograms of 4.00×10-5 mol/L AR at different consetrations on the gold nanoparticle/graphene modified electrode at different concentrations注:a～g對(duì)應(yīng)AR溶液濃度分別為: 8.00×10-8、2.00×10-7、6.00×10-7、1.00×10-6、 4.00×10-6、8.00×10-6、1.00×10-5 mol/L; 內(nèi)插圖為AR氧化峰電流與濃度關(guān)系曲線。

2.5.2 重現(xiàn)性 對(duì)pH=5.0的4.00×10-5mol/L 的AR溶液平行測(cè)定6次,RSD=2.6%,可以看出電極具有良好的重現(xiàn)性。

2.6 干擾實(shí)驗(yàn)

2.7 回收率的測(cè)定

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,分別對(duì)含有AR的飲料和硬質(zhì)糖果進(jìn)行回收率實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1，回收率為96.9%～101.6%。以上樣品中誘惑紅含量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 樣品中AR回收率測(cè)定(n=6)Table 1 Recovery measurements of the AR in food samples(n=6)

3 結(jié)論

納米金/石墨烯修飾電極對(duì)AR的電化學(xué)氧化具有良好的電催化作用,可明顯增大其電流響應(yīng)信號(hào)。利用納米金/石墨烯修飾電極可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中AR進(jìn)行的檢測(cè),回收率在96.9%～101.6%之間。這種方法具有較高的靈敏度、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性,簡(jiǎn)單方便,建立了一種測(cè)定食品中誘惑紅含量的新方法,具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

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