基于Au NPs@NU-901電化學傳感器檢測餅干中丁基羥基茴香醚的研究

尹林華,史朝霞,胡玉斐，李攻科

(中山大學 化學學院，廣東 廣州 510275)

丁基羥基茴香醚(BHA)是一種常用的抗氧化劑，可用于阻斷油脂的氧化[1]，廣泛用于油脂食品和富脂食品中。適量使用BHA能減少食品變質(zhì)問題，但若過量或超標，會對細胞產(chǎn)生毒性作用，輕者內(nèi)分泌失調(diào)導(dǎo)致肥胖[2]，嚴重者引起大腦和神經(jīng)發(fā)育的中斷[3]，在一定程度上致癌、致畸[4]。中國《食品添加劑使用衛(wèi)生標準》(GB 2760-2014)中規(guī)定：丁基羥基茴香醚可用于食用油脂、油炸食品、腌制肉類、早餐谷類食品，其最大使用量為0.2 g/kg。聯(lián)合國糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)和聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織(WHO)(1984)規(guī)定：丁基羥基茴香醚用于一般食用油脂，最大使用量為0.2 g/kg。盡管各組織對BHA的用量有嚴格規(guī)定，但仍然可能有部分食品生產(chǎn)商為了節(jié)約成本，牟取利益而添加過量BHA的劣質(zhì)油脂。因此，建立一種可快速、準確檢測油脂類食品中BHA含量的方法對于監(jiān)控油脂類食品的質(zhì)量具有重要意義。

常用的BHA分析方法有氣相色譜法[5]、高效液相色譜法[6-7]、凝膠滲透色譜-氣相色譜法[8]、表面增強拉曼光譜法[9]等，這些方法需復(fù)雜的實驗操作和昂貴的儀器。電化學方法具有快速便捷、靈敏度高、成本低等特點，有望設(shè)計成便攜式快檢儀器用于市場中食品的快速抽樣檢測。合適的電極修飾材料能顯著提高電化學方法檢測BHA的靈敏度和選擇性，現(xiàn)已有多種應(yīng)用于BHA檢測的電極修飾材料。郭敬軒等[10]利用多孔碳修飾玻碳電極檢測油脂中的BHA，得到檢測BHA的線性范圍為0.80～150.00 μg/mL，檢出限為0.17 μg/mL。葉耘峰[11]利用碳納米金復(fù)合材料修飾玻碳電極對油炸食品中的BHA進行定量檢測，具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。Divya等[12]利用聚L-半胱氨酸修飾的玻碳電極檢測植物油中的BHA含量，檢出限達到4.1×10-7mol/L?？梢婋姌O傳感材料對于電化學傳感器的靈敏度有著決定作用。實際食物樣品與植物油等相比，成分更復(fù)雜、干擾更嚴重，因此，需提高電化學檢測方法的抗干擾能力。而發(fā)展新型高效的電極修飾材料是提高電化學傳感器靈敏度和選擇性的重要途徑。

金屬有機骨架材料(MOFs)是一類由無機金屬簇與橋連的有機配體通過自組裝相互連接構(gòu)成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔晶體材料。MOFs的多孔性結(jié)構(gòu)使活性位點均勻分散到整個框架中，有利于催化底物與活性位點的結(jié)合以及物質(zhì)的運輸，其特定的孔徑大小[13]和孔道分布[14]使之具有選擇性催化作用,高的比表面積有利于底物分子在活性位點周圍的吸附和富集。MOFs作為多相催化劑具有良好的可回收性。為進一步提高MOFs催化中心的活性，通常采用功能基修飾等方法將所需的活性位點接枝到金屬離子/簇或有機連接劑上[15]。近年來，MOFs材料因此特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在電化學領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,Zhang 等[16]采用基于大孔碳的Co-MOF材料高效催化肼的電氧化和硝基苯的電還原反應(yīng)，Huang等[17]用差分脈沖伏安法研究了在復(fù)雜體系中Ni-MOF修飾電極對多巴胺的電化學響應(yīng)，方法顯示了較寬的線性范圍(0.2 ～100 μmol/L)和較低的檢出限(60 nmol/L)，以及良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。在眾多種類的MOFs材料中，鋯基類MOFs由于具有六氮雜環(huán)氧簇為特征的結(jié)構(gòu)，使其具有極高的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。Au NPs雖有較好的電催化性能，但其粒子易團聚、分散性較差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[18]。金屬納米粒子復(fù)合MOFs的晶體多孔結(jié)構(gòu)阻止了金屬納米粒子的普遍聚集，有利于催化劑的活性和穩(wěn)定性[19]，且MOFs材料較大比表面積的特點有利于目標物在電極表面的吸附。本文成功地合成了Au NPs@NU-901復(fù)合材料，研究了BHA在Au NPs@NU-901修飾電極上的電化學活性和電化學氧化還原機理，并將其用于餅干實際樣品中BHA含量的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

H1850 TG16-WS高速離心機(湖南湘儀離心機儀器有限公司)；VORTEX 3混勻儀(德國IKA)；CHI-832b電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；超聲波清洗器(天津奧特賽恩斯儀器有限公司)；BSA-124-S型電子天平(賽多利斯科學儀器有限公司)；ESCALab250 X射線光電子能譜儀(XPS，美國賽默飛世爾公司)；FEI Tecnai G2 Spirit透射電鏡(TEM，荷蘭FEI公司)；Shimadzu LC-20AB系統(tǒng)高效液相色譜儀(HPLC，日本Shimadzu)；X射線衍射儀(XRD，日本Rigaku)；Avatar 330傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，美國Nicolet公司)。

無水硫酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉、磷酸氫二鈉、鹽酸、冰乙酸(廣州化學試劑廠)；丁基羥基茴香醚、十六烷基三甲基溴化銨、油酸鈉、硫代聚乙二醇、二氯甲烷、甲醇、苯甲酸、1-丙醇、二甲基甲酰胺(阿拉丁工業(yè)公司)；硼氫化鈉(西隴科學股份有限公司)；四氯金酸(北京華威銳科化工有限公司)；抗壞血酸(上海生工生物工程股份有限公司)；正丁醇鋯、1，3，6，8-四(苯甲酸)芘(百靈威科技有限公司)；以上所用試劑均為分析純，未經(jīng)純化直接使用。正己烷、乙腈(色譜級，北京迪馬科技有限公司)。實驗用餅干均購于廣州市超市。

1.2 實驗方法

1.2.1AuNPs@NU-901的制備

(1)金納米粒子(Au NPs)的合成[20]

在劇烈攪拌下將12.5 mL 38.8 mmol/L的檸檬酸鈉溶液快速加入125 mL 1 mmol/L沸騰的氯金酸溶液中回流30 min，隨后混合溶液繼續(xù)反應(yīng)攪拌30 min，將得到的深紅色溶液冷卻至室溫，得到金納米顆粒。制備好的金納米顆粒溶液置于4 ℃冰箱中保存。

(2)Au NPs@NU-901的合成[21]

①Au NPs的聚乙二醇化：硫代聚乙二醇(PEG-SH)溶于二氯甲烷(DCM,3 mL，0.3 mg/mL)中，加入3 mL步驟(1)得到的金納米顆粒。將4 mL甲醇緩慢地添加到頂部水層，并大力搖晃試管。深紅色二氯甲烷層中的金納米顆粒被提取，然后用二甲基甲酰胺(DMF)重復(fù)提取兩次去除多余的PEG-SH，得到的聚乙二醇化Au NPs(Au NPs@PEG-SH)分散在DMF中保存。

②Zr-cluster的合成：在300 mL正丙醇溶液中，加入15 mL 質(zhì)量分數(shù)為80%的正丁醇鋯和100 g 苯甲酸，溶液超聲處理10～20 min，將該溶液回流加熱，攪拌過夜，得到澄清的溶液。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去丙醇，得到白色結(jié)晶固體產(chǎn)品，用大量1-丙醇清洗固體，并在室溫下真空干燥。

③Au NPs@NU-901的合成：于20 mL玻璃樣品瓶中，取36.4 mg Zr-cluster粉末分散于6.21 mL DMF中，然后加入3.63 mL冰乙酸，在劇烈攪拌下加入0.53 mL Au NPs@PEG-SH后，將10 mL 2 mg/mL溶于DMF的1，3，6，8-四(苯甲酸)芘(H4TBAPy)溶液以0.05 mL/min的速率緩慢注入，反應(yīng)攪拌過夜。將產(chǎn)品用DMF洗滌3次去除多余的雜質(zhì)，在丙酮中進行過夜的溶劑交換。最終60 ℃真空干燥得到Au NPs@NU-901復(fù)合材料。

1.2.2電化學傳感器的制備在濕潤的絨布上依次用直徑0.3 μm和0.05 μm氧化鋁粉漿將直徑3 mm的玻碳電極(GCE)打磨拋光平滑，分別在體積分數(shù)為50%的乙醇水溶液和超純水中超聲清洗1 min，用超純水沖洗電極。將5 μL 2 mg/mL的Au NPs@NU-901分散液滴涂在電極表面，空氣中置于紅外燈下烤干，得到Au NPs@NU-901復(fù)合材料修飾的玻碳電極(Au NPs@NU-901/GCE)。

1.2.3分析測定電化學測試均在CHI-823b型電化學工作站上進行，采用三電極體系:工作電極為Au NPs@NU-901/GCE，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑絲電極為對電極。若無特殊說明，使用pH 7.0的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液作為測定BHA的支持電解質(zhì)。在最優(yōu)條件下記錄0.1～0.7 V的差分脈沖伏安曲線(DPV)，以0.345 V處的氧化峰電流作為BHA的定量依據(jù)。

1.2.4餅干樣品預(yù)處理將待測餅干樣品置于密封袋中碾碎并用天平稱取4.0 g粉末，溶解在10 mL無水乙醇中。將混合物震蕩5 min，隨后超聲提取30 min，提取結(jié)束后將樣品在500 r/min下離心10 min。收集上清液，將上清液在40 ℃烘箱中烘干后，加入2 mL乙醇復(fù)溶，作為樣品待測液。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au NPs@NU-901材料的表征

分別用TEM和XRD研究Au NPs@NU-901復(fù)合材料的形貌和結(jié)構(gòu)(圖1)，從圖1A可以看出，NU-901具有均勻的橢圓形結(jié)構(gòu)，從圖1B可見Au NPs成功地被包覆在橢圓結(jié)構(gòu)中，Au NPs的粒徑在10 nm左右。采用XRD研究材料的晶體結(jié)構(gòu)(圖1C)發(fā)現(xiàn)，在2θ=5.0°、7.3°、10.2°的衍射峰分別對應(yīng)于晶體中(020)、(021)、(040)三種晶面的衍射[22]。

2.2 Au NPs@NU-901的增強效應(yīng)

為探究Au NPs@NU-901的電催化活性增強效應(yīng)，在pH 7.0磷酸緩沖鹽溶液中，考察了BHA在裸電極(GCE)、NU-901修飾玻碳電極(NU-901/GCE)、Au NPs修飾玻碳電極(Au NPs/GCE)和Au NPs@NU-901/GCE上的DPV和線性掃描伏安(LSV)行為。圖3給出了10 μmol/L BHA在GCE(a)、NU-901/GCE(b)、Au NPs/GCE(c)和Au NPs@NU-901/GCE(d)上的DPV曲線。從圖中可以看出，在0.2 V富集240 s后，在GCE上出現(xiàn)1個弱的氧化峰，峰電位為0.332 V，峰電流為0.148 1 μA。在NU-901/GCE上的BHA峰電流略有增加，Au NPs/GCE 上的BHA峰電流增加且峰電位負移，說明Au NPs具有一定的催化能力。而Au NPs@NU-901/GCE上BHA的峰電位為0.248 V，峰電流為0.284 6 μA。可以看出，用Au NPs@NU-901/GCE后，不僅BHA的氧化峰電流增加了1倍，且氧化峰電位負移了0.084 V，表明Au NPs@NU-901/GCE對BHA的電化學氧化過程具有較強的催化能力。

圖3 10 μmol/L BHA在不同電極上DPV響應(yīng)曲線Fig.3 DPV curves of 10 μmol/L BHA on different electrodes a：GCE,b:NU-901/GCE，c:Au NPs/GCE,d:Au NPs@NU-901/GCE

2.3 BHA的電化學反應(yīng)機理

為了研究BHA在Au NPs@NU-901/GCE的電化學氧化機理，用LSV研究了在不同pH值和掃描速度下BHA峰電位和峰電流的變化規(guī)律。首先，考察了50 μmol/L BHA在pH=2.2～8.0的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液中的LSV曲線。如圖4所示，當pH值從2.2升至7.0，峰電流隨之增大，但當pH值繼續(xù)增大時，峰電流開始減小。同時，峰電位隨pH值的增大發(fā)生負移并呈明顯的線性關(guān)系，線性方程為Ep=0.707-0.042 1×pH，r2=0.995 9，說明參與BHA氧化的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等。

圖4 50 μmol/L BHA在不同pH值下的LSV曲線Fig.4 LSV curves of 50 μmol/L BHA on Au NPs@NU-901/GCE at different pH valuespH value:2.2,3.8,5.0,6.0,7.0,8.0;insert：linear curve of Ep and pH value

隨后采用LSV方法研究了當掃速在50～250 mV/s區(qū)間內(nèi)變化時，50 μmol/L BHA的峰電流和峰電位的變化。發(fā)現(xiàn)當掃速逐漸增加時，BHA的峰電流(Ip,μA)與掃速(v,mV/s)呈現(xiàn)線性相關(guān)，線性方程為Ip=0.555+0.005v，r2=0.992 0，表明BHA在Au NPs@NU-901/GCE的氧化是受吸附控制的過程。同時，峰電位(Ep,V)隨掃速的變化符合方程Ep=0.333+0.024×lnv，r2=0.991 0。

對于受吸附控制的不可逆氧化還原過程，掃速(v，mV/s)與峰電位(Ep，V)符合如下方程[33-34]：

(1)

式中，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，k0為非均相電子轉(zhuǎn)移標準速率常數(shù)，E0′為標準電極電位，α為BHA氧化的轉(zhuǎn)移系數(shù)，通常取α=0.5。由該方程計算可得n值約為2，說明有兩個電子參與了BHA在電極上的氧化還原過程。

綜合pH值對峰電流的影響，以及掃描速度對峰電流、峰電位的影響可知：BHA在Au NPs@NU-901/GCE上發(fā)生的氧化還原過程有兩個電子和兩個質(zhì)子參與，該結(jié)果與文獻報道一致[35]。

2.4 分析方法

采取DPV方法作為BHA的定量檢測方法時，支持電解質(zhì)種類和pH值對電化學檢測的靈敏度具有重要影響。因此，考察了不同pH值緩沖體系，如磷酸鹽緩沖溶液(PBS)、Na2HPO4-檸檬酸、Britton-Robinson緩沖溶液(BR)、NaAc-HAc、Na2HPO4-NaH2PO4對BHA峰電流和峰電位的影響，發(fā)現(xiàn)在Na2HPO4-NaH2PO4介質(zhì)的檢測效果最好。進一步對Na2HPO4-NaH2PO4介質(zhì)的pH值(2.2、3.8、5.0、5.8、6.5、7.0、8.0)進行優(yōu)化。結(jié)果顯示,隨著pH值的增大，峰電位負移，當pH 7.0時峰電流最大，因此選擇pH 7.0的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液作為檢測BHA的支持電解質(zhì)。

隨后對材料滴涂量、富集時間、富集電位進行優(yōu)化。首先考察了2 mg/mL Au NPs@NU-901水溶液在玻碳電極上滴涂量的影響。結(jié)果顯示，當?shù)瓮苛繌?增至5 μL時，5.0 μmol/L BHA的峰電流逐漸增大，而當?shù)瓮苛窟M一步增加(5～10 μL)時，電流反而有所下降，原因可能是滴涂量過大時造成修飾膜太厚，從而影響了電極表面的反應(yīng)效率和離子擴散速率。繼續(xù)增加滴涂量則使得部分材料溢出電極修飾區(qū)域，導(dǎo)致12 μL滴涂量的電極修飾厚度不如10 μL，但電流強度有所增大(見圖5)。因此從電流強度和重現(xiàn)性角度來看，最佳滴涂量為5 μL。實驗繼續(xù)對富集電位和富集時間進行優(yōu)化，結(jié)果顯示富集電位從-0.3 V增至-0.2 V時，峰電流隨之增大，繼續(xù)增大至0.1 V的過程中峰電流逐漸減小，可知最佳富集電位為-0.2 V，此時測得最大峰電流為0.261 5 μA。富集時間從60 s增至240 s時，峰電流隨之增大，繼續(xù)增至300 s，部分BHA可能從電極表面返回到溶液中，使峰電流逐漸減小，因此選擇最佳富集時間為240 s，此條件下最大峰電流為0.310 5 μA。為檢驗該方法的重現(xiàn)性，制備9個不同的傳感器在同一條件下對同一BHA溶液進行測定，相對標準偏差(RSD)為3.6%，表明方法具有良好的重現(xiàn)性。

圖5 電極滴涂量對5.0 μmol/L BHA峰電流的影響Fig.5 Effect of drop-coating volume on peak current of 5.0 μmol/L BHA

為了實現(xiàn)對BHA的定量檢測，在最優(yōu)條件下考察了不同濃度(0.10、1.0、5.0、10、15、20、25、30、40、45、50 μmol/L)BHA的DPV曲線，結(jié)果顯示，BHA的氧化峰電流(Ip)與其濃度(c，μmol/L)在0.10～50 μmol/L范圍內(nèi)呈線性相關(guān)，線性方程為Ip=0.042 8+0.020 1c(BHA)，相關(guān)系數(shù)r2=0.994 8，檢出限(S/N=3)為0.049 μmol/L，表明該電化學傳感器具有較好的靈敏度。不同濃度BHA電流響應(yīng)值的RSD均在4.8%以內(nèi)，結(jié)合重現(xiàn)性實驗結(jié)果，表明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性，在BHA檢測方面具有較好的應(yīng)用前景。

2.5 干擾實驗

2.6 樣品分析

將DPV方法用于3種市售餅干(酥性、威化、壓縮餅干)中BHA含量的測定，每個樣品進行5次平行檢測。隨后向3種餅干中加入1.00、3.00、5.00 μmol/L的BHA標準溶液，進行加標回收實驗。結(jié)果列于表1中，其加標回收率為95.6%～104%，相對標準偏差(RSD)均小于5%，且樣品的檢測結(jié)果與國家標準方法(GB/T 17814-2011)[36]的結(jié)果高度一致，表明該方法具有較好準確性與精密度，能滿足實際樣品中BHA的檢測要求。

表1 餅干樣品中BHA的檢測結(jié)果Table 1 Determination of BHA in biscuit samples

3 結(jié) 論

基于有機金屬框架NU-901的較大比表面積及金納米粒子Au NPs具有高催化活性，本文成功地合成了Au NPs@NU-901復(fù)合材料，并制備電化學傳感器用于檢測抗氧化劑BHA。方法的線性范圍為0.10～50 μmol/L，檢出限(S/N=3)為0.049 μmol/L，用于市售餅干中BHA的檢測，加標回收率為95.6%～104%，樣品檢測結(jié)果與國家標準方法——高效液相色譜法(HPLC)的檢測結(jié)果吻合。該方法靈敏準確、選擇性好，能滿足實際樣品中抗氧化劑BHA的檢測，顯示了良好的應(yīng)用前景。