化學修飾電極對乙基麥芽酚的測定

汝冬冬，朱慶仁，孫登明

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化學修飾電極對乙基麥芽酚的測定

汝冬冬，朱慶仁，*孫登明

（淮北師范大學化學與材料科學學院，安徽，淮北 235000）

通過循環(huán)伏安法將氧化石墨烯和L-谷氨酸混合液修飾在玻碳電極表面，制備了聚L-谷氨酸/石墨烯修飾電極。通過循環(huán)伏安法及差分脈沖伏安法，研究乙基麥芽酚的電化學性質(zhì)。實驗結(jié)果表明：最佳條件下，乙基麥芽酚分別在0.951 V和0.852 V處出現(xiàn)氧化峰。其濃度分別在6.00×10-6~ 1.00×10-4mol/L及4.00×10-6~ 4.00×10-4mol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢出限為4.0×10-7mol/L。用于檢測食品中的乙基麥芽酚，結(jié)果滿意。

乙基麥芽酚；石墨烯；谷氨酸；食品添加劑；修飾電極

乙基麥芽酚（Ethyl maltol，EMA），其化學名稱2-乙基-3-羥基-4H-比喃酮(2-ethyl-3-hydroy- 4H-pyran-4-one)，分子式為C7H8O3，白色針狀或白色結(jié)晶粉末。作為一種食品增香劑，是一種允許使用的食品添加劑[1]，因其具有焦糖香味和水果味，常被添加到水果、飲料、面包糕點等食品中。目前，天然物質(zhì)中未曾發(fā)現(xiàn)乙基麥芽酚的存在，通常是由人工合成而得。乙基麥芽酚是γ-吡喃酮的衍生物，為白色或微黃色晶體，易溶于熱水，溶液無色且具有香甜氣味，堿性條件下呈現(xiàn)淡黃色。乙基麥芽酚是麥芽酚的同系物，由于其分子結(jié)構(gòu)變化，使其增香能力強于麥芽酚，擁有更濃的香味以及更強的揮發(fā)性。因此，它常被用作甜味劑、芳香合成劑、香味改良劑與除臭劑，具有抑制酸、抑制苦味、去除腥味和去除刺激等功效[2-3]。然而，過量食用乙基麥芽酚會損害人類組織器官，危害人體的健康[4-5]，因此，我國對其有使用標準，因此對其建立高效、快速的測定方法是十分必要的。目前，測定乙基麥芽酚的方法有很多，如高效液相色譜法[6-8]、流動注射-化學發(fā)光法[9]、熒光素法[10]等方法。由于電化學測定方法[11-14]操作簡單、響應(yīng)迅速、靈敏度高、所用待測液的用量少，準確性好，有較好的應(yīng)用前景。本實驗用循環(huán)伏安法制備聚L-谷氨酸/石墨烯修飾電極，并用此電極對乙基麥芽酚的循環(huán)伏安特性以及差分脈沖伏安特性進行定量分析，效果令人滿意。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Zennium 電化學工作站 (德國 Zahner 公司)；CHI760E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；PHS-3C型酸度計(上海康儀儀器有限公司)；三電極系統(tǒng)：鉑電極為對電極，PLG-ERGO/GCE玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極。

氧化石墨烯分散液：2.00 mg/mL(GO，南京先鋒納米材料科技有限公司)；乙基麥芽酚(EMA，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；貯備液：2.50×10-3mol/L，L-谷氨酸(LG，上海博奧生物科技有限公司)，貯備液：2.5×10-3mol/L，兩者均避光保存，使用時逐級稀釋至所需濃度。

試劑均為分析純，實驗用水為二次亞沸蒸餾水。

1.2 修飾電極的制備

取1.40 mg/mL氧化石墨烯分散液(GO)、3.75×10-4mol/L的L-谷氨酸溶液(LG)、pH = 6.00的磷酸緩沖溶液(PBS)，定容到10.00 mL至電解池中。根據(jù)文獻[15,16]對玻碳電極預處理，在拋光紙上加少量Al2O3滴加適量蒸餾水，將玻碳電極(Φ=3mm)拋光成鏡面，用超聲清洗儀超聲清洗，晾干。將預處理好的玻碳電極(GCE)、Ag/AgCl參比電極、鉑電極放入配制好的溶液當中，在-1.30 ~ 2.20 V 電位范圍，靜止6.00 s，以130 mV/s 掃描速率循環(huán)掃描12圈，即可制備PLG-ERGO/GCE修飾電極，取出，蒸餾水淋洗，晾干備用。

1.3 實驗方法

配制乙基麥芽酚測定液，移取適量EMA溶液至電解池中，再加入3.00 mL H4PO3溶液，用蒸餾水定容至10.00 mL。以上述制備得到的PLG-ERGO/GCE電極作為工作電極；將三電極放入測定液中，分別用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法掃描測定，記錄EMA的電化學行為。測定結(jié)束后，放置空白溶液中，掃描至EMA峰消失，即可進行下一次實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾條件的優(yōu)化

實驗結(jié)果表明，在1.50 mL LG溶液、7.00 mL GO分散液以及pH = 6.00的PBS溶液配制而成的聚合溶液中，控制電位范圍在-1.3 ~ 2.2 V，掃描速率為130 mV/s，聚合掃描12圈，靜止6.00 s，制備得到的PLG-ERGO/GCE修飾電極對EMA的測定效果最佳，電化學響應(yīng)最好。

2.2 電化學阻抗圖譜

分別測量GCE(1)、PLG/GCE(2)、ERGO/GCE (3)、PLG-ERGO/GCE(4)電極的交流阻抗圖，測量溶液為5.00×10-3mol/L K3[Fe(CN)6]和1.00 mol/L KCl 溶液，得到的電化學交流阻抗圖譜如圖1，圖中A顯示GCE電極明顯比其他三種電極的圓弧大，圓弧直徑大小與電極表面的電荷轉(zhuǎn)移電阻率密切相關(guān)，而從圖中B則可看出PLG-ERGO/GCE修飾電極的圓弧直徑最小，表明其電荷轉(zhuǎn)移電阻率明顯降低，具有優(yōu)異的導電性能，提高了電極的電荷轉(zhuǎn)移速率。

圖1 四種電極電化學阻抗圖譜

2.3 掃描電鏡圖

用掃描電子顯微鏡(SEM)對GCE、PLG/GCE、ERGO/GCE、PLG-ERGO/GCE四種電極表面的性質(zhì)進行探究，結(jié)果如圖2。A為GCE電極，電極表面無任何修飾物質(zhì)；B為PLG/GCE修飾電極，電極表面發(fā)現(xiàn)有許多棒狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，說明L-谷氨酸溶液被修飾到電極表面，由于氨基酸的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，有效地增加了電極的電活性；C為ERGO/GCE修飾電極，電極表面出現(xiàn)了許多片狀物質(zhì)堆疊在一起，有褶皺形成，說明GO溶液在電極表面形成了一層修飾薄膜，增加了電極的比表面積；D為PLG-ERGO/GCE修飾電極，從圖中可以看出，電極表面棒狀結(jié)構(gòu)的氨基酸摻雜在片層結(jié)構(gòu)的石墨烯中，使得電極比表面積增大的同時，增大了電子傳遞和轉(zhuǎn)移速率。因此，本實驗選用PLG-ERGO/ GCE修飾電極。

2.4 EMA在修飾電極上的電化學特性

2.4.1 EMA的循環(huán)伏安特性和差分脈沖伏安特性

分別用1-GCE、2-PLA/GCE、3-ERGO/GCE以及4-PLA-ERGO/GCE四種電極對5.00×10-4mol/L EMA進行循環(huán)伏安以及差分脈沖伏安特性的測定。圖3為EMA的循環(huán)伏安圖，圖4為EMA的差分脈沖伏安圖。從圖中可以看出EMA在GCE上未有氧化峰出現(xiàn)，在PLA/GCE和ERGO/GCE電極上都有明顯的氧化峰出現(xiàn)；ERGO/GCE電極上氧化峰稍大，說明L-谷氨酸和GO分散液都不同程度的提高了電極的電子傳遞速率，增加了EMA的電化學信號，而在PLA-ERGO/GCE修飾電極上，EMA的電化學信號增大的更為明顯。因此，本實驗選擇PLA-ERGO/GCE修飾電極對EMA溶液進行測定。

圖3 EMA在四種電極上的循環(huán)伏安圖

圖4 EMA在四種電極上的差分脈沖伏安圖

2.4.2 EMA的擴散系數(shù)

利用計時電流法研究了1.00×10-4mol/L EMA在1-GCE、2-PLA/GCE、3-ERGO/GCE以及4-PLA-ERGO/GCE四種電極上的計時電流特性，如圖5所示。由圖可知，EMA在四種電極上的擴散效果依次增大，而由Cottrell中的相關(guān)公式計算所得EMA在各電極上的擴散系數(shù)，結(jié)果見表1，可知在PLA-ERGO/GCE電極上的擴散系數(shù)最大，由此可表明，PLA-ERGO/GCE修飾電極增大了對EMA的催化作用。

圖5 EMA在四種電極上的計時電流曲線以及I~t-1/2關(guān)系曲線

表1 EMA在四種電極上的擴散系數(shù)

2.4.3 EMA的酸度影響

利用單一控制變量法，控制其他條件不變，改變底液酸度，對5.00×10-4mol/L EMA進行循環(huán)伏安測定以及差分脈沖伏安測定。如圖6和圖7所示，在pH =1.0 ~ 7.5的酸度范圍內(nèi)，隨著底液酸度的不斷增加，pH數(shù)值的不斷降低，EMA峰電流不斷增大，峰電位逐漸向正電位移動。當?shù)滓涸趐H = 1.0時，峰電流最大，但當?shù)滓哼x擇0.10 mol/L的H3PO4溶液，其峰電流值更大，峰型更好。隨后，比較了幾種酸性介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)H4PO3溶液效果最佳，因此，選擇0.10 mol/L的H3PO4溶液?？刂破渌麠l件不變，隨著H3PO4用量的逐漸增加，EMA的峰電流值也在增大，當用量為2.50 mL時，峰電流值達到最大隨后趨于平穩(wěn)，因此H3PO4用量選為2.50 mL。

利用循環(huán)伏安法，EMA在pH = 3.0 ~ 7.5酸度范圍內(nèi)，峰電位與pH之間具有良好的線性關(guān)系，其線性關(guān)系為：E = 1.0826 ~ 0.04867 pH，= 0.9904，而差分脈沖伏安法測定EMA，其在pH = 1.0 ~ 7.5酸度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性關(guān)系為：E = 0.9844 - 0.05039pH，= 0.9906。表明EMA在PLG-ERGO/GCE電極上有質(zhì)子參與反應(yīng)。

圖6 EMA在不同pH下的CV曲線及E與pH的關(guān)系曲線

圖7 EMA在不同pH下的DPV曲線及E與pH的關(guān)系曲線

2.4.4 EMA的掃速影響

在最佳電位0.4 ~ 1.2 V，3.00 mL H3PO4測定底液下，改變掃描速率，研究掃描速率對EMA的影響。如圖8所示，在20 ~ 400 mV/s的掃速范圍內(nèi)，隨著掃面速率的增加，EMA的峰電位發(fā)生正移，峰電流值也依次增加，且掃描速率對數(shù)與峰電流對數(shù)之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性方程為：lgIp = 1.607 + 0.3339 lgν，= 0.9943。其斜率小于0.5，可以表明，EMA主要受擴散控制影響，實驗選取最佳掃速為120 mV/s。

圖8 不同掃速下EMA的CV圖以及l(fā)gIp和lgν的關(guān)系圖

2.5 工作曲線

實驗用循環(huán)伏安法以及差分脈沖伏安法，在最佳條件下測定不同濃度EMA的電化學行為，實驗結(jié)果如圖9，循環(huán)伏安法的最佳參數(shù)在0.4 ~ 1.2 V的電位范圍內(nèi)，掃描速率為120 mV/s，在6.00×10-6~ 1.00×10-4mol/L的濃度范圍內(nèi)，其峰電流對數(shù)與濃度對數(shù)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性方程為：lgIp = 4.089 + 0.7646 lgC，= 0.9965，檢出限為7.5×10-7mol/L。

圖9 不同濃度EMA的循環(huán)伏安曲線

圖10為差分脈沖伏安法的最佳參數(shù)在0.4 ~ 1.2 V的電位范圍內(nèi)，電位增量為0.009 V，脈沖幅度為0.09 V，脈沖寬度為0.05 s，脈沖間隔為0.7 s，在4.00×10-6~ 4.00×10-4mol/L的濃度范圍內(nèi)，其峰電流對數(shù)與濃度對數(shù)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性方程為：lgIp = 5.111 + 0.9885 lgC，= 0.9977，檢出限為4.0×10-7mol/L。

圖10 不同濃度EMA的差分脈沖伏安曲線

2.6 穩(wěn)定性和精密度

最佳條件下，對1.00×10-4mol/L EMA測定液進行15次平行測定，測定結(jié)果的RSD為2.49%，表明PLA-ERGO/GCE修飾電極的重現(xiàn)性良好。室溫條件下，放置15 d后，再次對EMA在相同條件下進行測定，測定結(jié)果與15 d前相比幾乎沒有差異，因此表明該電極具有較好的穩(wěn)定性。

2.7 干擾實驗

在-5%~5%之間的允許誤差下，最佳實驗條件下研究了一些共存離子可能對濃度為1.00×10-4mol/L EMA溶液測定的影響，記錄峰電流值，計算其RSD。共存離子允許量(mg)為：Ni+、Zn2+、Pb2+、Na+、K+、NH4+、Cl-、NO3-、IO4-、組氨酸、蘇氨酸、尿酸、EDTA(≧1.0 mg，未做最高限)對測定沒干擾；Cu2+、Ag+(0.9 mg)；Mn2+、檸檬酸鈉(0.8 mg)；Fe3+(0.4 mg)；Cd2+、Co2+、Ca2+、Fe2+、Al3+、CO32-、CH3COO-(0.2 mg)；半胱氨酸、NO2-(0.1 mg)不干擾測定。測定結(jié)果顯示，多數(shù)金屬離子參與會影響乙基麥芽酚的測定，因此，在實際測定樣品時，應(yīng)加入少量EDTA溶液，以減少金屬離子對結(jié)果造成的誤差影響。

2.8 樣品分析

采用本實驗方法對蛋黃派、銅鑼燒、可樂、啤酒以及巧克力進行測定分析，測定結(jié)果如表2。將蛋黃派撕成屑，加入適量蒸餾水搗碎成糊狀，真空抽濾，用水洗滌3次，加入少量EDTA，用以屏蔽金屬離子。對該樣品平行測定5次，然后向樣品中加入EMA標準溶液再次進行測定，進行回收實驗。銅鑼燒、巧克力同上。同樣，取適量可樂，加熱至微沸10 min，同樣對樣品平行測定5次，然后加入EMA標準溶液再次測定，啤酒測定同樣操作。

表2 樣品中乙基麥芽酚的分析結(jié)果

3 小結(jié)

循環(huán)伏安法制備了PLG-ERGO/GCE修飾電極，用于研究乙基麥芽酚的電化學行為。實驗結(jié)果顯示，EMA在PLG-ERGO/GCE上有一個較為靈敏的氧化峰。利用CV以及DPV法建立了測定EMA的新方法，結(jié)果令人滿意。

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DETERMINATION OF ETHYL MALTOL BY CHEMISTRY MODIFIED ELECTRODE

RU Dong-dong，ZHU Qing-ren，*SUN Deng-ming

(College of Chemistry and Materials Science, Huaibei Normal University, Huaibei, Anhui 235000, China)

A poly-L-glutamic acid/graphene modified electrode was prepared in the mixture of graphene oxide and L-glutamic acid by cyclic voltammetry. The electrochemical behavior of ethyl maltol was studied by cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. The results showed that ethyl maltol had the oxidation peaks at 0.951 V and 0.852 V under the optimal conditions respectively. There was a good linear relationship at the concentrations from 6.00×10-6to 1.00×10-4mol/L and from 4.00×10-6to 4.00×10-4mol/L respectively. The detection limit was 4.0×10-7mol/L. Two methods were used to detect ethyl maltol in foods with satisfactory results.

ethyl maltol; grapheme; L-glutamic acid; food additive; modified electrode

1674-8085(2019)03-0024-07

O657.1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.03.005

2019-01-08；

2019-03-10

安徽省高校省級自然科學研究重點項目(KJ2016A642，KJ2018A0389)

汝冬冬(1989-)，男，安徽淮北人，碩士生，主要從事電分析化學的研究(E-mail:592456380@qq.com);

朱慶仁(1962-)，男，安徽宿松人，教授，主要從事電分析化學的研究(E-mail:zhuqingren@ahedu.gov.cn);

*孫登明(1962-)，男，江蘇揚中人，教授，碩士生導師，主要從事電分析化學的研究(E-mail:sundengming@126.com).