基于BiOCl-MWCNT/GCE檢測(cè)食品中痕量Zn (Ⅱ)

孫仲偉 ，黃迪惠，陳錦陽(yáng)，葉瑞洪，陳盛

1.福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（福州 350119）；2.福建技術(shù)師范學(xué)院海洋與生化工程學(xué)院，食品軟塑包裝技術(shù)福建省高校工程研究中心（福清 350300）

鋅是人體必需微量元素，在人體生長(zhǎng)發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用，日?？梢酝ㄟ^食用牡蠣、大豆等富含鋅的食物進(jìn)行維持機(jī)體功能需要[1]?，F(xiàn)階段檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)品中鋅含量的常用檢測(cè)微量鋅的方法有原子吸收光譜（AAS）法、電感耦合等離子質(zhì)譜（ICPMS）法等[2-3]，這些方法分析快速且準(zhǔn)確，但需要昂貴的儀器費(fèi)用，并且具有操作不便、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。相比而言，電化學(xué)的示差脈沖陽(yáng)極溶出伏安（DPASV）法在檢測(cè)微量金屬方面，具有靈敏度高、耗時(shí)短、易操作、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此越來越受到食品檢測(cè)人員關(guān)注。

鉍電極有著優(yōu)異的電催化性能，可同時(shí)檢測(cè)鎘、鉛、鋅等多種微量金屬，對(duì)溶解氧不敏感，還有著無毒的性質(zhì)，可用于替代傳統(tǒng)的汞電極[5-6]。Keawkim等[7]先在絲網(wǎng)印刷電極表面修飾一層冠醚/Nafion復(fù)合材料，通過電沉積的方法，將Bi(Ⅲ)沉積在絲網(wǎng)印刷電極表面，制備鉍膜修飾電極，應(yīng)用于同時(shí)檢測(cè)大米樣品中Pb(Ⅲ)、Cd(Ⅲ)含量，具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。Jothimuthu等[8]、Torma等[9]先將含0.5%的Nafion和0.1%的2,2’-聯(lián)吡啶（Bpy）的修飾涂在玻碳電極的表面上，并在含有Bi的溶液中進(jìn)行電沉積，制備鉍膜修飾電極，可同時(shí)檢測(cè)Zn(Ⅲ)、Cd(Ⅲ)和Pb(Ⅲ)含量，并使用ICP-MS技術(shù)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

多壁碳納米管在進(jìn)行功能處理后，有著其獨(dú)特的導(dǎo)電性、大的表面積和對(duì)某些目標(biāo)分析物的高親和力，而被廣泛用作電極修飾材料[10-12]。Cerovac等[13]采用原位合成的方法制備BiOCl-MWCNT復(fù)合材料，并用于修飾玻碳電極，可同時(shí)檢測(cè)沉積物孔隙水中的鉛離子和鉻離子，檢測(cè)結(jié)果與通過石墨爐原子吸收光譜測(cè)定結(jié)果相同。試驗(yàn)將通過制備BiOCl-MWCNT復(fù)合材料，并將其制備成BiOCl-MWCNT/GCE電化學(xué)傳感器，用于檢測(cè)食品中微量鋅的含量。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

多壁碳納米管（MWCNT，購(gòu)自Aladdin）；萘烷全氟化物離子交換樹脂（Nafion，購(gòu)自Alfa Aesar）；鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液（離子溶度為（1 000±1）μg/mL）、鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液（離子溶度為（1 000±1）μg/mL），購(gòu)自國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；氯化鉍（BiCl3）、鹽酸羥氨（NH2OH·HCl）、無水乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、0.1 mol/L醋酸鹽緩沖溶液由冰醋酸、三水合乙酸鈉組成，均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；試劑均是分析純等級(jí)，使用前未經(jīng)提純；溶液使用的超純水由超純水純化系統(tǒng)（Milli-Q MillIpore，電阻18.2 MΩ·cm）制備。

電化學(xué)工作站，CHI660D，上海辰華儀器公司，采用三電極系統(tǒng)，玻碳電極（GCE）為工作電極，鉑電極（上海辰華儀器公司）為對(duì)電極，飽和甘汞電極（上海辰華儀器公司）為參比電極；精密pH計(jì)，PHS-3C，上海虹益儀器儀表有限公司；電恒溫鼓風(fēng)干燥箱，GZX-GF101-3-BS-Ⅱ，上海躍進(jìn)理療機(jī)械有限公司。

1.2 修飾電極的制備

對(duì)文獻(xiàn)[13-14]中的方法進(jìn)行改進(jìn)，制備BiOCl-MWCNT復(fù)合材料。在三口燒瓶?jī)?nèi)裝有多壁碳納米管，加入適量的濃硝酸，在90 ℃恒溫反應(yīng)4～5 h，洗滌、過濾、烘干，收集MWCNT-COOH納米材料。分別稱取20 mg BiCl3、16.4 mg MWNCTs，使用10 mL DMF（含100 μL 5% Nafion）超聲分散，并在攪拌狀態(tài)下滴加250 μL 1.8 mol/L鹽酸羥氨溶液，持續(xù)攪拌10 min，隨后分別用無水乙醇、丙酮對(duì)樣品進(jìn)行離心、洗滌，烘干即可制得BiOCl-MWCNT復(fù)合材料。稱取5 mg復(fù)合材料，用5 mL DMF溶液（含10 μL 5% Nafion）超聲分散，制得BiOCl-MWCNT復(fù)合材料修飾液。以同樣的方法，在沒有加入MWCNTs的條件下，制備BiOCl材料修飾液，以此作為試驗(yàn)對(duì)照組。

將玻碳電極在0.3 μm、0.05 μm的拋光粉打磨、超純水洗滌、乙醇超聲后，室溫下晾干。在玻碳電極表面滴涂6 μL MWCNTs材料修飾液，恒溫干燥30 min，制得MWCNTs材料修飾電極。按照同樣的方法，制備BiOCl-MWCNT復(fù)合材料修飾電極、BiOCl材料修飾電極。

1.3 電化學(xué)檢測(cè)

在含有5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中，采用循環(huán)伏安（CV）法和阻抗（EIS）法，進(jìn)行電化學(xué)表征。在由BiOCl-MWCNT/GCE為工作電極、飽和甘汞電極為參比電極、鉑電極為輔助電極組成的三電極系統(tǒng)，在0.1 mol/L醋酸鹽緩沖液中，基于示差脈沖陽(yáng)極溶出伏安（DPASV）法檢測(cè)Zn(II)濃度。富集電壓-1.40 V，富集時(shí)間120 s。所有電化學(xué)操作均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的電化學(xué)表征

圖1（A）為鐵氰化鉀溶液中GCE、MWCNTs/GCE、BiOCl/GCE、BiOCl-MWCNT/GCE的循環(huán)伏安曲線。與GCE相比，BiOCl/GCE表面的氧化還原峰電流明顯下降，表明BiOCl存在嚴(yán)重的阻礙作用；而MWCNTs/GCE表面的氧化還原峰電流明顯增強(qiáng)，這是由于MWCNTs有著大的比表面積與良好的導(dǎo)電性與電催化活性；BiOCl-MWCNT/GCE表面的氧化還原峰電流進(jìn)一步增強(qiáng)，這是由于原位生成的BiOCl-MWCNT存在著協(xié)同作用，使其導(dǎo)電性明顯增強(qiáng)，電催化效果顯著提高。這個(gè)結(jié)論可由EIS阻抗測(cè)量證實(shí)。圖1（B）是GCE、MWCNTs/GCE、BiOCl/GCE、BiOCl-MWCNT/GCE的EIS圖。GCE表現(xiàn)出較高的阻抗；與GCE的阻抗相比，BiOCl/GCE的阻抗明顯增加，這是由于BiOCl阻礙電子的轉(zhuǎn)移；MWCNTs/GCE的阻抗明顯降低，這是由于MWCNTs的良好導(dǎo)電性、電催化活性；BiOCl-MWCNT/GCE阻抗最低，這是由于BiOCl-MWCNT復(fù)合材料之間的協(xié)同作用增強(qiáng)了電子轉(zhuǎn)移速度。因此，選擇BiOCl-MWCNT/GCE進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

圖1 GCE（a）、MWCNTs/GCE（b）、BiOCl/GCE（c）、BiOCl-MWCNT/GCE（d）在含有5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol/L KCl中的循環(huán)伏安圖（A）和奈奎斯特圖（B）

2.2 可行性分析

如圖2所示，使用BiOCl-MWCNT/GCE檢測(cè)空白溶液的曲線e未出現(xiàn)Zn(Ⅱ)溶出峰，檢測(cè)含有Zn(Ⅱ)的緩沖液溶液的曲線d出現(xiàn)明顯Zn(Ⅱ)溶出峰；Zn(Ⅱ)在GCE（a）上的溶出峰非常??；MWCNTs存在著較大的比表面積以及電催化活性，使Zn(Ⅱ)溶出峰電流增強(qiáng)（b）；由于鉍表面與金屬易形成合金，BiOCl/GCE的靈敏度明顯提高（c）；BiOCl-MWCNT/GCE檢測(cè)Zn(Ⅱ)的溶出峰電流（d）明顯最高，可以歸因于MWCNTs有著大的比表面積，通過原位生成的BiOCl可能鑲嵌在MWCNT表面以及空隙中，MWCNTs與BiOCl的協(xié)同作用提高其對(duì)Zn(Ⅱ)的親和力，有益于吸附大量鋅離子。因此，BiOCl-MWCNT/GCE可以用于高靈敏度檢測(cè)Zn(Ⅱ)。

2.3 涂層優(yōu)化

修飾電極表面的修飾量是電化學(xué)響應(yīng)的重要影響因素。試驗(yàn)中滴涂6 μL/層BiOCl-MWCNT的復(fù)合材料，并通過考察滴涂層數(shù)來探究修飾量對(duì)Zn(Ⅱ)溶出峰電流的影響。如圖3所示，涂層從1層到3層，隨著涂層的增加，Zn(Ⅱ)溶出峰電流逐漸增強(qiáng)；當(dāng)BiOCl-MWCNT的涂層高于3層時(shí)，Zn(Ⅱ)溶出峰電流逐漸下降，可能是由于涂膜厚度的增加，阻礙了Zn(Ⅱ)與電極之間的相互作用。因此，選擇BiOCl-MWCNT在玻碳電極表面滴涂3層為最優(yōu)涂層數(shù)，并用于下一步試驗(yàn)。

圖2 Zn(Ⅱ)在GCE（a）、MWCNTs/GCE（b）、BiOCl/GCE（c）、BiOCl-MWCNT/GCE（d）的溶出伏安曲線

圖3 Zn(Ⅱ)在BiOCl-MWCNT不同修飾層數(shù)（n=5）的溶出峰電流

2.4 檢測(cè)條件優(yōu)化

為獲得Zn(Ⅱ)在BiOCl-MWCNT/GCE表面的最佳伏安響應(yīng)電流，主要考察緩沖液的種類和pH、富集電位和富集時(shí)間。圖4（A）顯示，在相同pH的PBS、BR、NaAc-HAc緩沖液中Zn(Ⅱ)的溶出峰電流柱形圖，與PBS、BR緩沖液中的溶出峰電流相比，在NaAc-HAc緩沖液中Zn(Ⅱ)具有最高的溶出峰電流。因此，后續(xù)試驗(yàn)中選擇NaAc-HAc作為緩沖液。

pH對(duì)溶液中各個(gè)組分的存在形式及組成有影響，因此進(jìn)一步探究NaAc-HAc緩沖液的pH對(duì)Zn(Ⅱ)的影響。圖4（B）顯示pH與Zn(Ⅱ)溶出峰電流的關(guān)系，在pH 3.75～4.50的范圍，隨著pH的升高，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸增強(qiáng)；在pH 4.50～5.25的范圍，隨著pH的升高，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸減弱。這是由于在pH較低的條件下，氫離子在修飾膜表面易被還原，導(dǎo)致Zn(Ⅱ)在修飾膜表面難以發(fā)生還原；而在pH太高的條件下，修飾膜表面的Bi(Ⅲ)容易發(fā)生水解，從而降低BiOCl-MWCNT/GCE的敏感性[15]。因此，后續(xù)試驗(yàn)中選擇pH 4.50作為醋酸鹽緩沖液pH。

為了考察富集電位在溶出分析試驗(yàn)中的作用，通過試驗(yàn)考察富集電位對(duì)試驗(yàn)的影響。富集電位的范圍選擇-1.10～-1.45 V，結(jié)果如圖4（C）所示。隨著富集電位的負(fù)移，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸增強(qiáng)；當(dāng)富集電位負(fù)于-1.40 V時(shí)，溶出峰電流增長(zhǎng)緩慢，并且復(fù)合材料修飾電極的重現(xiàn)性降低。因此，后續(xù)試驗(yàn)中選擇-1.40 V作為富集電位。

為了獲得更好的富集效果，探究富集時(shí)間的影響。富集時(shí)間選擇0～180 s，結(jié)果如圖4（D）所示。富集時(shí)間從0增加到120 s，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流明顯增強(qiáng)，這表明富集時(shí)間的增加有利于Zn(Ⅱ)在修飾膜表面富集；富集時(shí)間超過120 s，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流增長(zhǎng)緩慢，甚至趨于平緩，這表明Zn(Ⅱ)在修飾膜表面的富集已經(jīng)達(dá)到飽和。因此，富集時(shí)間120 s即可滿足檢測(cè)要求，同時(shí)為了減少檢測(cè)時(shí)間，后續(xù)試驗(yàn)中選擇120 s作為富集時(shí)間。

圖4 檢測(cè)條件對(duì)Zn(Ⅱ)溶出峰電流的影響

2.5 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線與檢出限

在優(yōu)化的試驗(yàn)條件下，基于示差脈沖陽(yáng)極溶出伏安法，采用BiOCl-MWCNT/GCE定量分析檢測(cè)溶液中的Zn(Ⅱ)濃度。如圖5（A）所示，在Zn(Ⅱ)4.00～660 μg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，隨著溶液中Zn(Ⅱ)濃度增加，Zn(Ⅱ)溶出峰增強(qiáng)。圖5（B）顯示Zn(Ⅱ)溶出峰電流（ΔI）與質(zhì)量濃度（μg/L）的線性關(guān)系，回歸方程ΔI/μA=1.394 1+0.147 6C（μg/L），R2=0.991 2，基于3倍的信噪比（S/N=3），檢出限為1.25 μg/L。如表1所示，與先前報(bào)道的修飾電極檢測(cè)Zn(Ⅱ)的方法相比，該方法有著卓越的檢出限以及優(yōu)異線性檢測(cè)范圍。

2.6 抗干擾性

在最優(yōu)的試驗(yàn)條件下，探究干擾Zn(Ⅱ)檢測(cè)的影響。由于Zn(Ⅱ)的溶出峰電位在-1.2 V附近，Cd(Ⅱ)的溶出峰電位在-0.8 V附近，而且Cd(Ⅱ)經(jīng)常出現(xiàn)在實(shí)際樣品檢測(cè)中，有可能影響Zn(Ⅱ)的檢測(cè)[21]，因此選擇Cd(Ⅱ)作為干擾物質(zhì)，探究在Cd(Ⅱ)存在下對(duì)Zn(Ⅱ)的檢測(cè)的影響。如圖6（A）所示，在含有不同濃度Cd(Ⅱ)（0～2 000 μg/L）的Zn(Ⅱ)（66 μg/L）溶液，比較Zn(Ⅱ)的溶出峰，明顯發(fā)現(xiàn)Zn(Ⅱ)與Cd(Ⅱ)的溶出峰分離良好，Zn(Ⅱ)的溶出峰電位在-1.2 V附近，Cd(Ⅱ)在溶出峰電位在-0.8 V附近；如圖6（B）所示，隨著Cd(Ⅱ)濃度的增加，其對(duì)Zn(Ⅱ)的檢測(cè)沒有明顯影響，即使在Cd(Ⅱ)濃度為2 000 μg/L，其對(duì)Zn(Ⅱ)的檢測(cè)只存在略微影響。

圖5 （A）不同Zn(Ⅱ)濃度在BiOCl-MWCNT/GCE上的溶出伏安圖；（B）Zn(Ⅱ)的溶出峰電流與濃度的線性關(guān)系（n=5）

表1 電化學(xué)方法測(cè)定Zn(Ⅱ)的分析性能比較

圖6 在含有不同濃度Cd(Ⅱ)的Zn(Ⅱ)溶液，溶出伏安圖（A）與溶出峰電流（B）

2.7 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性

通過5次平行測(cè)定66 μg/L Zn(Ⅱ)的溶出峰電流，探究BiOCl-MWCNT/GCE的重現(xiàn)性，其溶出峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（δRSD）為4.66%，表明該制備的電極具有良好的重現(xiàn)性。為探究所制備電極的穩(wěn)定性，將BiOCl-MWCNT/GCE在室溫下放置7，14和21 d檢測(cè)66 μg/L Zn(Ⅱ)，其溶出峰電流分別降低了3.05%，3.49%和3.63%，可見該制備的電極具有良好的穩(wěn)定性。

2.8 實(shí)際樣品檢測(cè)

為了研究基于BiOCl-MWCNT/GCE檢測(cè)飲用水中Zn(Ⅱ)含量的準(zhǔn)確性，從超市購(gòu)買了3種類型的飲用水。用0.22 μm膜將飲用水進(jìn)行過濾，分別加入100，330和460 μg/L Zn(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)溶液，并用0.1 mol/L pH 4.50 NaAc-HAc緩沖液稀釋、定容，標(biāo)注樣品Ⅰ、樣品Ⅱ、樣品Ⅲ，在優(yōu)化的試驗(yàn)條件下進(jìn)行樣品中Zn(Ⅱ)濃度檢測(cè)。如表2所示，水樣中Zn(Ⅱ)的回收率在94.12%～103.33%之間，δRSD在1.00%～4.40%之間。因此，該方法可用于飲用水中Zn(Ⅱ)含量檢測(cè)。同時(shí)，探究葡萄糖酸鋅口服溶液的Zn(Ⅱ)含量，并進(jìn)行試驗(yàn)。葡萄糖酸鋅口服溶液由藥店購(gòu)買。移取適量的葡萄糖酸性口服溶液，用0.1 mol/L pH 4.50 NaAc-HAc緩沖液稀釋、定容成50 mL樣品Ⅳ，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。樣品中Zn(Ⅱ)質(zhì)量濃度為100～102 μg/L，δRSD在1.99%～2.98%之間，計(jì)算得出葡萄糖酸鋅口服溶液中Zn(Ⅱ)含量為0.41～0.42 mg/L，接近商品標(biāo)示的0.5 mg/mL。因此，該方法可用于葡萄糖酸鋅口服溶液中Zn(Ⅱ)含量檢測(cè)。

表2 飲用水中Zn(Ⅱ)含量的測(cè)定（n=3）

表3 葡萄糖口服溶液中Zn(Ⅱ)含量的測(cè)定（n=3）

3 結(jié)論

綜上所述，基于原位合成制備BiOCl-MWCNT復(fù)合材料修飾玻碳電極，可用于檢測(cè)食品中Zn(Ⅱ)含量。在優(yōu)化的試驗(yàn)條件下，在Zn(Ⅱ) 4.00～660 μg/L濃度范圍內(nèi)，溶出峰電流與濃度有良好的線性關(guān)系?；?倍的信噪比（S/N=3），該方法檢測(cè)Zn(Ⅱ)的檢出限為1.25 μg/L。使用該方法檢測(cè)飲用水中的Zn(Ⅱ)濃度，回收率在94.12%～103.33%之間；葡萄糖口服溶液中Zn(Ⅱ)含量的檢測(cè)結(jié)果貼近商品標(biāo)示的含量。因此，BiOCl-MWCNT/GCE電化學(xué)傳感器可用于食品中Zn(Ⅱ)含量的檢測(cè)。