基于還原氧化石墨烯和乙炔炭黑的新型電化學(xué)傳感器靈敏測(cè)定食品色素日落黃

鄧培紅，王淳之，唐清，曾珺，朱青青，舒晶

(1.衡陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421008；2.衡陽(yáng)市第八中學(xué)，湖南 衡陽(yáng) 421001；3.衡陽(yáng)市成章實(shí)驗(yàn)中學(xué)，湖南 衡陽(yáng) 421007)

日落黃(Sunset Yellow,SY)是一種水溶性的合成色素，因其色澤均勻性好、生產(chǎn)成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是SY會(huì)引起敏感人群的過(guò)敏、腹瀉等癥狀[1]，當(dāng)攝入過(guò)多時(shí)，會(huì)在體內(nèi)積聚，對(duì)腎臟和肝臟造成損害。因此必須嚴(yán)格控制食品中SY的含量，不允許在鮮肉中添加SY，用作食品添加劑時(shí)要求SY的含量應(yīng)小于50 ppm[2]。因此，發(fā)展一種簡(jiǎn)便、快速、靈敏的SY檢測(cè)方法對(duì)食品安全和人類健康具有重要意義。

目前已報(bào)道了一些SY檢測(cè)的分析方法，如分光光度法[3]、高效液相色譜法[4]、毛細(xì)管電泳法[5]、熒光發(fā)射光譜法[6]。分光光度法、毛細(xì)管電泳法和熒光法靈敏度低、線性范圍窄、檢出限高。色譜法需要復(fù)雜的前處理步驟和耗時(shí)的檢測(cè)過(guò)程。而且，這些儀器比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，很難用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。與上述方法相比，新發(fā)展的電化學(xué)方法具有儀器簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。已報(bào)道的用于檢測(cè)SY的電化學(xué)傳感器有十六烷基三甲基溴化銨功能化蒙脫石鈣修飾碳糊電極[7]，金納米粒子/石墨烯修飾玻碳電極[8]，鉑納米粒子/石墨烯修飾玻碳電極[9]、多壁碳納米管/氧化石墨烯修飾玻碳電極[10]，ZnO/半胱氨酸納米復(fù)合物修飾玻碳電極[11]，雙金屬納米粒子功能化石墨烯修飾玻碳電極[12]，殼聚糖/石墨烯修飾玻碳電極[13]等。這些電化學(xué)傳感器的性能在很大程度上取決于修飾材料。因此，仍有必要探索新的材料來(lái)準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)SY。

近年來(lái)，石墨烯以其巨大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性和高的催化活性引起了人們的廣泛關(guān)注[14-16]。乙炔炭黑(acetylene black,AB)是一種特殊的炭黑，通常由乙炔在空氣中加壓燃燒而成，具有比表面積大、導(dǎo)電性好、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[17-18]。然而，同時(shí)利用石墨烯和乙炔炭黑的優(yōu)點(diǎn)來(lái)快速、靈敏地檢測(cè)SY還未見報(bào)道。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物，由于含有大量的含氧官能團(tuán)，具有高度的親水性和分散性。本工作首先將GO的水溶液滴在乙炔炭黑糊電極表面烘干，再進(jìn)行電化學(xué)還原。用掃描電鏡(SEM)研究了修飾電極的形貌，用循環(huán)伏安法(CV)和二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安法(SDLSV)研究了SY在該修飾電極上的電化學(xué)行為，對(duì)傳感器的分析特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并對(duì)其在實(shí)際樣品中的應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

在CHI 660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)進(jìn)行循環(huán)伏安法(CV)測(cè)定；在JP-303型極譜分析儀(成都儀器廠)采用二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安法(SDLSV)進(jìn)行條件優(yōu)化和定量分析。電化學(xué)測(cè)量均采用傳統(tǒng)的三電極系統(tǒng)，以ERGO/ABPE(內(nèi)徑1 mm)為工作電極，Pt絲為對(duì)電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。采用pHs-3c型數(shù)字式pH計(jì)(上海市雷磁儀器廠)進(jìn)行緩沖溶液的制備；采用掃描電子顯微鏡(EVO10，德國(guó)蔡司ZEISS)進(jìn)行電極形貌表征。

石墨粉、高錳酸鉀、硝酸鉀、過(guò)氧化氫由國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司提供；日落黃購(gòu)自阿拉丁公司。所有化學(xué)試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。將0.045 24 g日落黃溶于100.00 mL水中，制備1.0 mmol/L標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。用水進(jìn)一步稀釋制備了一系列低濃度工作液。以pH值為4.3的0.3 mol/L HAc-NaAc為支持電解質(zhì)溶液。

1.2 氧化石墨烯的制備

氧化石墨烯參照文獻(xiàn)[19]制備。首先，將0.5 g石墨粉、0.5 g NaNO3和23 mL濃H2SO4在冰浴中攪拌混合。將3 g KMnO4緩慢添加到混合物中，混合液轉(zhuǎn)移到35℃的水浴中，攪拌2 h，形成濃稠的糊狀物。然后緩慢加入40 mL水，繼續(xù)攪拌30 min，同時(shí)將溫度升高至95°C反應(yīng)1 h。加入100 mL水終止反應(yīng)，攪拌下加入3 mL H2O2溶液(30%)，溶液顏色從深棕色變?yōu)辄S色。將所得懸浮液過(guò)濾，用1 M HCl洗滌，再用超純水洗滌，50℃下真空干燥8 h得氧化石墨。然后將適量氧化石墨加入超純水中，超聲振蕩2 h，6 000 rpm離心，制成1.0 mg/mL氧化石墨烯溶液。

1.3 修飾電極的制備

將3.0 g乙炔炭黑粉末和0.5 g固體石蠟在研缽中充分混合，在80℃下加熱，形成均勻的糊狀物。立即將一部分糊狀物填充到內(nèi)徑1.0 mm的玻璃毛細(xì)管的一端，另一端插入銅線與碳糊接觸并固定，電極表面在稱重紙上拋光，制得乙炔炭黑糊電極(ABPE)。將2.0μL的氧化石墨烯(GO)水溶液(1.0 mg mL-1)滴涂在ABPE表面，紅外燈下干燥，制得氧化石墨烯修飾ABPE(GO/ABPE)。然后在磷酸鹽緩沖溶液(pH6.5)中以恒電位(-1.2V，120 s)還原GO膜，所得電極標(biāo)記為ERGO/ABPE。為了證明AB的獨(dú)特性能，采用類似的方法制備了傳統(tǒng)的石墨粉碳糊電極(CPE)和ERGO/CPE進(jìn)行比較。

1.4 電化學(xué)測(cè)量

在含一定濃度SY的0.30 mol/L HAc-NaAc(pH4.3)溶液中，在0.1V電位下富集90 s后，以0.1V/s的掃描速率進(jìn)行循環(huán)伏安掃描和二階導(dǎo)數(shù)線性伏安掃描，分別記錄從0.1到1.3 V的伏安圖。每次測(cè)量后，在相同電位范圍內(nèi)，在1.0 mol/L H2SO4中連續(xù)掃描電極4-5次可再生電極表面。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

2.1 SEM表征

用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)裸ABPE和ERGO/ABPE的表面形貌進(jìn)行了觀察，SEM圖像如圖1所示。裸ABPE的表面由具有微米尺寸的不規(guī)則片狀A(yù)B糊狀物形成(圖1A)。在ERGO/ABPE上，觀察到ERGO的特有的皺褶薄片結(jié)構(gòu)(圖1B)，表明ERGO成功的修飾在ABPE電極表面。

2.2 不同電極的CV表征

研究了1.0×10-3mol/L K3[Fe(CN)6]在0.1 mol/L KCl溶液中在不同電極上的循環(huán)伏安行為，如圖2所示。在裸CPE上，觀察到[Fe(CN)6]3-/4-的一對(duì)氧化還原峰，兩峰電位差ΔEp為225 mV(曲線a)，說(shuō)明[Fe(CN)6]3-/4-在CPE上電子轉(zhuǎn)移受到阻礙，為準(zhǔn)可逆的電極反應(yīng)。而在ABPE上，[Fe(CN)6]3-/4-的陽(yáng)極和陰極峰電流均明顯增大，ΔEp值降至91 mV(曲線b)，說(shuō)明ABPE明顯促進(jìn)了[Fe(CN)6]3-/4-的電子轉(zhuǎn)移速率，這可歸因于AB大的比表面積和良好的導(dǎo)電性能。當(dāng)ERGO修飾到ABPE表面時(shí)，[Fe(CN)6]3-/4-的氧化還原峰電流進(jìn)一步增大，陰極峰電位(Epc)為196 mV，陽(yáng)極峰電位(Epc)為0.278 mV，ΔEp減小至82 mV(曲線c)，這說(shuō)明ERGO進(jìn)一步促進(jìn)了[Fe(CN)6]3-/4-的氧化還原(曲線c)。根據(jù)Randles-sevick方程[20]：Ipc=(2.69×105)n3/2D1/2v1/2AC，其中Ipc為還原峰電流(A)，n為電轉(zhuǎn)移數(shù)，A為電極的活性表面積(cm2)，D為K3[Fe(CN)6]在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)(7.6×10-6cm2/s)[21]，C為K3[Fe(CN)6]的濃度(mol/cm3)，v為掃描速率(V/s)。通過(guò)上述方程，可計(jì)算出CPE、ABPE和ERGO/ABPE的平均電活性面積分別為0.006 77 cm2、0.015 86 cm2和0.023 26 cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明AB和ERGO提高了電極的有效電活性面積，從而顯著提高了電極的電化學(xué)響應(yīng)。

圖1 (A)ABPE和(B)ERGO/ABPE的掃描電子顯微鏡圖

圖2 1.0×10-3mol/L K 3[Fe(CN)6]在0.1mol/L KCl溶液中在(a)CPE，(b)ABPE，(c)ERGO/ABPE上的循環(huán)伏安圖。掃描速率:0.1V/s

2.3 SY的二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安行為

用二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安法(SDLSV)研究了SY在CPE、ABPE、ERGO/CPE和ERGO/ABPE上的電化學(xué)行為，結(jié)果如圖3所示。SY在CPE處的氧化電位為0.942 V，電流響應(yīng)差(I=0.034 57μA)(曲線a)，表明電子轉(zhuǎn)移緩慢。對(duì)于ABPE，SY的峰電流(I==0.145 4μA)明顯大于在CPE上獲得的峰電流。且峰電位負(fù)移到0.913 V(曲線b)，表明SY在ABPE上的氧化更為有利，這是由于AB具有導(dǎo)電性好、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特性，從而促進(jìn)了SY在電極的富集和加快了電子轉(zhuǎn)移的速率。在ERGO/CPE上，SY的氧化電位負(fù)移到0.884 V(曲線c)，峰電流增大至0.778 2μA。這是由于ERGO的高比表面積有利于SY在電極表面的吸附，且ERGO良好的電催化能力有效促進(jìn)了SY的電化學(xué)氧化。在ERGO/ABPE上，SY氧化發(fā)生在0.868 V處，與ERGO/CPE相比負(fù)移16 mV(曲線d)。ERGO/ABPE的峰電流(I=2.430μA)是ERGO/CPE的3.18倍，說(shuō)明ERGO和AB在電極表面具有協(xié)同作用，有效地促進(jìn)了SY在電極表面的電化學(xué)反應(yīng)，為SY的靈敏測(cè)定提供了基礎(chǔ)。

圖3 1×10-5mol/L SY在不同電極上的二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安圖a：CPE，b：ABPE，c：ERGO/CPE，d：ERGO/ABPE。底液為0.3 mol/LHAc-NaAc緩沖液(pH4.3)，富集電位:0.1 V，富集時(shí)間:90 s，掃描速率:0.1 V/s

2.4 掃描速率的影響

用循環(huán)伏安法研究了掃描速率(v)對(duì)1×10-5mol/L SY在ERGO/ABPE上電化學(xué)響應(yīng)的影響，結(jié)果如圖4所示。SY的峰電流在30~300 mV/s范圍內(nèi)與掃描速率成正比，線性方程為Ip(μA)=28.03 v(V/s)+0.122 1(r=0.999 4)。因此SY的電極過(guò)程受吸附控制。雖然峰電流隨掃描速率的增加而增大，但背景電流也隨之增大。高掃描速率不適合峰電流的測(cè)量，因此選擇0.1 V/s對(duì)SY進(jìn)行定量分析。SY的氧化峰電位隨掃描速率的增加而正移，與掃描速度對(duì)數(shù)值(ln v)呈線性關(guān)系：Ep(V)=0.0297ln v(V s-1)+0.9413(R=0.992 3)。在吸附控制和完全不可逆的電極過(guò)程中，根據(jù)Laviron理論[22]，Ep=E0+RT/(αn F)ln[RT k0/(αn F)]+RT/(αn F)ln v(1)電子轉(zhuǎn)移數(shù)n可由Ep與ln v關(guān)系曲線的斜率求得。由于RT/nF=0.029 7，對(duì)于完全不可逆的電極過(guò)程，α=0.5，計(jì)算得n≈2。因此，SY的氧化是一個(gè)兩電子參與的反應(yīng)。

圖4 不同掃描速率下1×10-5mol/L SY在ERGO/ABPE上的循環(huán)伏安圖.(a-j：0.03，0.06，0.09，0.12，0.15，0.18，0.21，0.24，0.27，0.30 V/s)

2.5 測(cè)定條件優(yōu)化

2.5.1 支持電解質(zhì)和溶液p H值的影響

用二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安法研究了1×10-5mol/L SY在不同電解質(zhì)中的氧化反應(yīng)。支持電解質(zhì)包括磷酸鹽緩沖液(pH4.0-8.0)、HAc-NaAc緩沖液(pH3.0-6.0)、HAc-NH4Ac緩沖液(p H3.0-6.0)、(CH2)6N4-HCl緩沖液(pH4.0-6.0)、HCl、H2SO4和HNO3溶液(各0.1 mol/L)。結(jié)果表明，在HAc-NaAc緩沖液中觀察到最佳的峰形和最大的峰電流。在0.05~0.5 mol/L范圍內(nèi)研究了HAc-NaAc緩沖溶液的濃度對(duì)SY峰電流的影響，發(fā)現(xiàn)HAc-NaAc緩沖溶液濃度為0.3 mol/L時(shí)SY的峰電流最大。進(jìn)一步研究了HAc-NaAc緩沖溶液pH值對(duì)SY伏安響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，隨著緩沖液pH值的增加，氧化峰電位向負(fù)方向移動(dòng)，說(shuō)明質(zhì)子參與了電極反應(yīng)。峰電位(Ep)與pH值之間的關(guān)系為Ep(V)=-0.0579pH+1.1170(r=0.998 7)。斜率-0.057 9 V/pH接近理論值-0.059 V/pH，表明電子與質(zhì)子參與電極反應(yīng)的比例為1:1。并且SY氧化峰電流的最大值出現(xiàn)在pH值4.3處，隨著緩沖液pH值的進(jìn)一步增大SY峰電流逐漸減小，因此選擇溶液的最佳pH值為4.3。

2.5.2 富集條件的選擇

由于SY在ERGO/ABPE上的氧化是由吸附控制，研究了富集電位和富集時(shí)間對(duì)1×10-5mol/L SY氧化電流的影響。結(jié)果表明，當(dāng)富集電位在-0.30~0.30 V之間變化時(shí)，SY電流先增大后減小，在0.1V達(dá)到最大值。研究了富集時(shí)間對(duì)SY電流的影響。隨著富集時(shí)間從0 s延長(zhǎng)到90 s，電流明顯增大，但當(dāng)富集超過(guò)90 s時(shí)，電流增大緩慢，說(shuō)明SY在電極表面的吸附已達(dá)飽和。因此，選擇90 s的富集時(shí)間測(cè)定SY。

2.6 ERGO/ABPE的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

用同一支ERGO/ABPE對(duì)1×10-5mol/L SY溶液重復(fù)測(cè)定7次，每次測(cè)量后在1.0 mol/L H2SO4溶液中在相同電位范圍內(nèi)連續(xù)掃描4-5次，清洗電極表面的吸附物，計(jì)算得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(RSD)為3.74%，表明ERGO/ABPE具有良好的重復(fù)性。按相同方法分別制備了5支修飾電極，測(cè)得1×10-5mol/L SY峰電流的RSD值為4.17%。將修飾電極在室溫下在空氣中貯存一段時(shí)間，以評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。第一周后電流未見明顯下降，2周后電流仍維持在初始值的87.3%，表明ERGO/ABPE具有良好的穩(wěn)定性。

圖5 不同濃度SY在ERGO/ABPE上獲得二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安圖。(A)從a到f:1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10μmol/L；(B)從a到h:0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8μmol/L；(C)SY濃度與峰電流的校準(zhǔn)曲線。支持電解質(zhì):0.3mol/L HAc-NaAc緩沖液(p H 4.3)，富集電位0.1V，富集時(shí)間90s，掃描速度0.1V/s

2.7 干擾試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)方法的選擇性，測(cè)定了1×10-5mol/L SY在不同干擾物存在下的伏安響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，1.0×10-3mol/L Zn2+、Cu2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-、SO42-、CO32-、葡萄糖、草酸、蔗糖、甘氨酸、丙氨酸、L-半胱氨酸、L-絲氨酸、咖啡因、苯甲酸；5.0×10-4mol/L維生素C；2.0×10-5mol/L莧菜紅、誘惑紅對(duì)測(cè)定無(wú)影響。

2.8 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，用SDLSV對(duì)SY進(jìn)行定量分析。圖5顯示了不同濃度的SY在ERGO/ABPE上的SDLSV曲線。隨著SY濃度的增加，峰電流增大。SY的峰電流與濃度在4.0×10-8~2.0×10-6mol/L和2.0×10-6~1.0×10-5mol/L范圍內(nèi)呈良好的分段線性關(guān)系，線性方程分別為I(μA)=0.4061c(μmol/L)+0.0207(r=0.998 3)和I(μA)=0.2001c(μmol/L)+0.4536(r=0.996 5),檢出限為：1.0×10-8mol/L。

2.9 樣品分析

以不同品牌的軟飲料(統(tǒng)一鮮橙多、匯源果汁、娃哈哈、農(nóng)夫果園)為例，驗(yàn)證了ERGO/ABPE在實(shí)際樣品測(cè)定中的應(yīng)用。在SDLSV分析之前，對(duì)樣品過(guò)濾以去除懸浮物。用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定SY的濃度。結(jié)果見表1。如表1所示，SY的含量為4.16×10-6~7.18×10-6mol/L，回收率在98.4~102.5%之間，表明新方法準(zhǔn)確可行。

表1 軟飲料中SY的測(cè)定結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論

本文結(jié)合石墨烯和乙炔炭黑的優(yōu)良性能，利用電還原技術(shù)制備了一種新型的化學(xué)修飾電極(ERGO/ABPE)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ERGO/ABPE對(duì)SY的氧化具有良好的電催化性能，其檢測(cè)的線性范圍為4.0×10-8~2.0×10-6mol/L和2.0×10-6~1.0×10-5mol/L，檢測(cè)限達(dá)1.0×10-8mol/L。該修飾電極具有響應(yīng)速度快、成本低、靈敏度高、選擇性好、線性范圍寬、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)。