石墨烯修饰电极电化学阻抗法测量油脂的氧化诱导时间

王 艇， 朱振中，闵 欣， 赵 敏

(江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122)

油脂是维持人类生命的重要能源之一,是构成人体组织的一种重要组成成分。油脂的自氧化过程非常复杂，其变化历程主要分为诱导期、发展期、终止期三个部分[1]。诱导期是一个缓慢的过程，其中油脂发生氧化产生过氧化物，接下来的发展期过氧化物分解产生醛、酮等游离小分子物质。油脂自动氧化由诱导期到发展期之间的时间(氧化诱导时间)与油脂的抗氧化能力，即油脂的氧化稳定性密切相关[2]。因此，可以通过测量油脂的氧化诱导时间来评价油脂的氧化稳定性。

目前，评价油脂氧化稳定性的方法主要有OSI法[3]、电位滴定法[4]、AOM法[5]和电导率法[6]等。这些方法各有其特点，但由于油脂氧化反应过程的复杂性，如油脂氧化过程中产生的小分子或易挥发性物质会随热空气挥发，使得测量结果的准确度和灵敏度受到影响。交流阻抗(EIS)法能较准确地测量油脂氧化过程中的过氧化值(POV)[7]，但油脂的导电性较差，而油脂氧化过程所引起的阻抗变化相对较小，用裸玻碳电极(GCE)进行阻抗测量时，灵敏度较低，实验误差较大。所以有必要对GCE进行修饰以使能较准确、灵敏地测量油脂的阻抗。

石墨烯(GR)是一种由单层碳原子紧密堆积成的六方蜂窝状晶格结构的晶体[8]，它具有许多优越的物理化学性质，如比表面积大、导电性能好、优异的机械力学性能、易于修饰及可大规模生产等[9,10]。石墨烯还具有优异的电化学性能，如电荷传递电阻小、电催化活性高和电化学窗口宽等。所以，石墨烯是一种优异的电极修饰材料，已广泛应用于环境、食品、生物等领域的电活性分子的快速检测[11 - 13]。本文制备了电沉积-还原氧化石墨烯修饰玻碳电极(rGO/GCE)，并对其电化学性能进行研究。由于rGO/GCE可以快速、准确地测量油脂样品(杏仁油)在氧化过程中阻抗值及其变化，据此建立了一种简便、灵敏和准确地测量油脂氧化诱导时间的电化学分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660D型电化学工作站(上海辰华仪器公司)；KQ218型超声波清洗器(昆山超声仪器厂)；AR1530型电子天平(上海奥豪斯仪器公司)。

氧化石墨烯(GO)采用Hummers法，由天然鳞片石墨合成[14]。0.5%壳聚糖(CS)溶液：准确称取0.500 g壳聚糖，溶解在100 mL的pH=4.0的HAc缓冲溶液中，在室温下超声1 h后待用。K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、FeCl2、KSCN、无水乙醇、甲醇、三氯甲烷、LiCl，均购自国药集团化学试剂有限公司。实验用水为超纯水。

杏仁油(上海家化联合股份有限公司)。

1.2 修饰电极的制备

将裸GCE依次用0.3、0.05 μm Al2O3粉末在鹿皮上打磨、抛光后，依次用无水乙醇和超纯水各超声5 min，每次超声后用超纯水冲洗，室温下晾干，备用。

1.2.1石墨烯-壳聚糖修饰电极(GR-CS/GCE) 取1 mg石墨烯(GR)分散于1 mL DMF中，再加入0.25 mL的0.5%壳聚糖溶液，超声分散30 min，得稳定的黑色悬浮液。取10 μL悬浮液滴涂于抛光过的GCE表面，室温晾干，即得GR-CS/GCE。

1.2.2电沉积法制备rGO/GCE将处理好的GCE置于1.0 g/L GO+0.05 mol/L的NaCl溶液中，通N2除氧。以饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为对电极，采用循环伏安法，以20 mV/s的扫速在-1.5～0.5 V电位范围内扫描30圈，冲洗、室温晾干后，即得rGO/GCE。

1.3 油脂交流阻抗的测量

采用三电极体系：以rGO/GCE(或GCE、GR-CS/GCE)为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极。称取0.20 g的油样于电解池中，加入25 mL 1.0×10-3mol/L LiCl-(乙醇∶三氯甲烷=20∶3)支持电解质，搅拌溶解后插入三电极体系，调节扰动电压为5 mV，在5 Hz～600 kHz的频率范围内测量体系的交流阻抗(EIS)谱。

1.4 油脂过氧化值的测定

按照国家标准(GB/T5009.37-2003)[15]进行测定。

图1 不同电极在5.0×10-3 mol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液(含0.1 mol/L KCl)中的交流阻抗图(A)和循环伏安图(B)

1.5 诱导时间的计算

诱导时间用双切线法确定，即分别对POV-时间曲线和阻抗-时间曲线作双切线，交点所对应的时间即为油脂的氧化诱导时间。

2 结果与讨论

2.1 修饰电极的电化学表征

电化学中常采用EIS谱来表征电极表面的电子转移阻力。图1为GCE、GR-CS/GCE和rGO/GCE在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的EIS谱和循环伏安(CV)图。从图1A可知三个电极的导电性为GCE

2.2 rGO/GCE修饰条件的选择

2.2.1GO悬浮液浓度的影响采用不同浓度的GO悬浮液，用循环伏安还原法电沉积还原的rGO/GCE对杏仁油阻抗进行测量。结果表明，悬浮液浓度从0.25 g/L增加至1.0 g/L的过程中，体系的阻抗值明显降低；当悬浮液的浓度继续增加到1.5 g/L和2.0 g/L时，由于电极修饰膜厚度的增加，不利于电子转移，阻抗值反而增大。本实验选用浓度为1.0 g/L的修饰液进行阻抗的测量。

2.2.2电沉积圈数的选择固定沉积液的氧化石墨烯浓度、电位扫描范围和扫描速率，考察了电沉积圈数对油脂阻抗值得影响。结果表明，当沉积30圈时修饰电极测量油脂得阻抗值最小。故本实验选择电沉积圈数为30圈。

2.2.3扫描速度的影响在其他条件相同的情况下，随着扫描速度的增加，氧化峰电流和还原峰电流明显增加，且峰电流与扫描速度呈正比。但当扫描速度过大时，充电电流过大，使得峰形不稳定。所以选择最佳扫描扫描速度为20 mV/s。

2.3 油脂阻抗测量条件的优化

图2 不同电极测量杏仁油的交流阻抗图

2.3.1不同修饰电极的影响电化学中常采用EIS谱来表征电极表面的阻力变化，并通过适当的等效电路求出各参数。本文采用图2插图中的等效电路RS(Q(RctZw))，其中，RS为溶液阻抗；Rct为电子转移阻抗；半圆容抗弧Q为常相位角原件；Zw为Warburg阻抗。

图2为GCE、GR-CS/GCE和rGO/GCE测量杏仁油的阻抗图谱。从图中可见，半圆容抗弧的直径GCE>GR-CS/GCE>rGO/GCE,即rGO/GCE的电子转移阻抗最小，这进一步说明了rGO膜具有较好的导电性。所以选择rGO/GCE进行油脂阻抗的测量。

2.3.2GCE直径的影响分别用rGO/GCE测量杏仁油的阻抗值，发现GCE的直径越大，测出的阻抗值越小。rGO修饰膜对杏仁油中的氢过氧化物有明显的催化作用，使氢过氧化物中的醛、酮等小分子在修饰电极上的电子传递速率更快。而膜的有效表面积越大，修饰电极的活性越大，电化学信号越灵敏。所以选择直径为5 mm的GCE进行油脂阻抗的测量。

2.3.3溶剂的选择对不同的有机溶剂进行油脂溶解和阻抗测量时发现，选择乙醇∶三氯甲烷=20∶3(V/V)作为溶剂时能完全溶解油脂。本实验选择乙醇和三氯甲烷的混合溶液为溶解油脂的溶剂。

2.3.4油脂取样量的影响分别称取油脂样品0.10、0.20、0.50和1.00 g，溶解于支持电解质中并测量其阻抗谱，发现随着油脂含量的增大，体系的阻抗值也越来越大。由于油脂本身的导电性较差，且油脂氧化过程所引起阻抗变化的绝对值较小，若体系的阻抗值太大，则测量结果的灵敏度就会降低；若体系的阻抗值太小，阻抗图谱的稳定性或重现性受到影响，测量结果的准确度难以得到保证。实验结果表明，油脂取样量为0.20 g时，能较好地满足测量结果的准确度和精密度的要求。

2.3.5测量频率的选择交流阻抗谱是一种频率域的测量方法，测量频率范围很宽，所以选择合适的测量频率对实验测量很重要。在频率分别为5 Hz～100 kHz、5 Hz～300 kHz、5 Hz～600 kHz和5 Hz～900 kHz范围内测量油脂阻抗时，根据阻抗图谱的稳定性、灵敏性以及规则性，发现当频率范围为5 Hz～600 kHz时，所记录阻抗谱清晰、稳定。

2.4 油脂阻抗和过氧化值随时间的关系

取适量的杏仁油于70 ℃水浴条件下加热，每隔一定时间，准确称取0.20 g油样测量其阻抗值(图3A),并同步测量其过氧化值(图3B)。如图3A中所示，油脂加速氧化过程中阻抗随时间的增加而减小，这是由于油脂氧化过程中会产生极性的醛、酮等小分子，这些小分子物质会使油的介电常数增加，进而引起传感器电容的增加，电容值的增加导致体系阻抗值的减小[17]。加速氧化过程刚开始时，随着油脂中过氧化物的增多，油脂的POV缓慢增加，而阻抗缓慢减小，此段时间为油脂在该温度条件下的诱导期。随后POV快速增大，同时，阻抗下降速率也加快。

通过图3B中的阻抗(Z′)-t曲线和POV-t曲线，可分别求得杏仁油在70 ℃水浴下的诱导时间为2.54 h和2.58 h。由POV-t曲线求得的诱导时间与由阻抗-t曲线求得的诱导时间几乎相同，说明交流阻抗法可以较快捷、灵敏和准确地得到油脂的氧化诱导时间。

图3 杏仁油的阻抗值(A)和过氧化值(B)随时间变化关系曲线

3 结论

本文采用循环伏安法电沉积还原制备rGO/GCE修饰电极，并研究了随着油脂样品的氧化在该修饰电极上交流阻抗的变化。结果表明，rGO/GCE修饰电极能够准确灵敏地通过EIS法测量杏仁油氧化过程中所引起的阻抗值的变化，由阻抗-时间曲线求得的诱导时间与POV-时间曲线所求得的诱导时间几乎相同。该方法与国家标准方法相比，电化学阻抗法是一种更为简便、准确和经济的方法。