基于MoS2模拟酶检测可口可乐饮料中的磷酸根

陈清爱， 钟良双， 庞 杰， 郭良洽

(1. 福建农林大学食品科学学院， 福建 福州　350002； 2. 福州大学化学学院， 福建 福州　350116)



基于MoS2模拟酶检测可口可乐饮料中的磷酸根

陈清爱1， 钟良双2， 庞 杰1， 郭良洽2

(1. 福建农林大学食品科学学院， 福建 福州350002； 2. 福州大学化学学院， 福建 福州350116)

MoS2纳米片具有类辣根过氧化物酶的催化活性， 能高效地催化过氧化氢氧化底物3, 3′, 5, 5′-四甲基联苯胺(TMB)产生蓝色产物. 利用磷酸根能够降低MoS2纳米片催化活性的原理， 建立了一种检测磷酸根的比色传感体系并用于可口可乐饮料样品的检测. 实验考察并优化了温度、pH值、TMB浓度及H2O2浓度等参数影响， 在最优条件(温度45 ℃、pH5.0、TMB25mmol·L-1、H2O230mmol·L-1)下， 磷酸根浓度在2～40μmol·L-1范围内与吸光度具有良好的线性关系， 检测限(3σ/k)为0.79μmol·L-1.

MoS2； 磷酸根； 过氧化氢； 可口可乐

0　引言

二硫化钼(MoS2)分子是一种特殊的六方晶系层状结构， 分子层内S-Mo原子通过化学键结合, 层间则通过较弱的范德华力结合.MoS2具有较高化学稳定性、 耐热性、 强氧化性等特点， 被广泛应用到航天航空、 机械制造以及含有纳米MoS2的催化剂材料中[1]. 而纳米MoS2作为窄带隙p型半导体材料， 其带隙约为1.87eV, 与阳光中的可见光的能量相一致， 使其体现出了良好的光、 电等诸多优异的物理性能[2]， 在生物医学、 食品卫生、 药物筛选以及环境监测等领域也有着广阔的应用前景.

随着科学技术的不断发展以及人们生活水平的提高， 各式各样迎合人们口味的饮料也随之出现. 目前， 软饮料大致可以分为以下几大类： 碳酸饮料、 运动型饮料、 复合型果蔬汁饮料、 乳性饮料及茶饮料等[3]. 其中风靡全球的可口可乐和百事可乐等碳酸饮料受到人们的喜爱， 尤其是年轻人和小孩. 可乐饮料主要由糖、 碳酸水、 天然咖啡因和磷酸等按一定的比例组成. 根据《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准(GB2760—2014) 》[4]中规定， 磷酸根在饮料类(14.01包装饮用水除外)的最大使用量为5g·kg-1. 可乐中的磷酸属于中强酸， 如果超标食入会对人体造成一定的伤害， 尤其容易导致骨质疏松症的发生， 因此测定可乐中的磷酸根含量相当重要.

目前有关报道的磷酸根离子测定方法主要有光谱分析法、 电化学分析法、 色谱分析法以及各种联用分析技术等[5-8], 但这些方法存在操作冗长费时、 选择性差、 难以满足大规模快速筛查等缺点. 因此， 建立简单、 快速、 灵敏的磷酸根测定方法具有重要的应用价值和实际意义.

研究发现新型纳米材料MoS2具有类辣根过氧化物酶的催化活性， 它能高效地催化过氧化氢氧化底物3, 3′, 5, 5′-四甲基联苯胺(TMB)发生显色反应[9]. 实验发现， 在磷酸根存在下MoS2催化活性降低， 其相应的吸光度会下降， 而这种下降程度与磷酸根的量成正比， 基于这个原理建立了一种MoS2模拟酶催化活性检测磷酸根的体系， 并用于可口可乐样品中的磷酸根检测， 检测结果显示该方法相对误差小， 准确度较高.

1　实验部分

1.1试剂

MoS2纳米片(18μg·mL-1，MoS2纯度>99%)购买于南京先丰纳米材料科技有限公司； 3, 3′, 5, 5′-四甲基联苯胺购买于上海生工生物工程技术服务公司； 过氧化氢、 磷酸二氢钾、 冰醋酸、 醋酸钠、 硫酸和硫脲均购买于国药集团上海化学试剂公司； 硫酸亚铁购买于汕头市西陇化工厂； 三氯醋酸购买于天津市福晨化学试剂厂； 钼酸铵购买于阿拉丁试剂(上海)有限公司； 实验试剂均为分析纯， 实验所用水全部为超纯水(18.2MΩ·cm，Millipore超纯水系统)， 可口可乐饮料购自福州某超市.

1.2基于MoS2模拟酶测定磷酸根含量的测定

取300μL不同浓度的磷酸根标准溶液与30μLMoS2纳米片(18μg·mL-1)及100μLHAc-NaAc缓冲液(0.2mol·L-1，pH5.0)混匀后反应10min， 然后加入20μLTMB(25mmol·L-1)和50μL过氧化氢(40mmol·L-1)， 采用金属浴在45 ℃下反应30min； 反应结束后， 用50μL20%(体积分数)的H2SO4终止反应， 最后用Lamda750紫外-可见-近红外分光光度计(美国PerkinElmer公司)测定吸收光谱图； 以反应体系在450nm处的吸光度变化值(ΔA=A0-A)作定量分析， 制作工作曲线. 其中A0为反应体系在无磷酸根存在时的吸光度； A为反应体系在磷酸根存在时的吸光度.

1.3可口可乐饮料样品处理

可口可乐样品在测定前采用活性炭吸附除去样品中的焦糖从而降低样品颜色的干扰. 实验方法： 将50mL可乐注入圆底烧瓶， 加入5g活性炭， 搅拌、 回流加热约10min(100 ℃)， 然后撤去油浴锅， 待样品冷却至20 ℃后用滤纸过滤， 即得到无色的溶液.

2　结果与讨论

2.1传感体系的反应机理

基于MoS2模拟酶检测磷酸根的原理如图1所示.MoS2纳米片具有类辣根过氧化物酶的催化活性[9]， 它能高效地催化过氧化氢氧化底物TMB， 生成蓝色的产物， 反应体系在450nm处的吸光度随着反应时间的延长而增加(见图2曲线a). 在磷酸根存在下， 磷酸根与MoS2纳米片发生相互作用， 反应体系的吸光度明显降低(见图2曲线b)，MoS2纳米片的催化活性明显受到抑制.

2.2反应条件的优化2.2.1温度和pH值对体系的影响

实验考察了温度对体系的影响， 实验结果如图3(a)所示. 反应体系的吸光度变化值(ΔA=A0-A)随温度变化呈现先增大后减小的趋势， 尤其是超过55 ℃时吸光度变化值下降明显， 这可能是因为温度太高， 磷酸根与MoS2吸附的能力减弱， 抑制作用减小. 从实验结果可知， 在45 ℃时，ΔA值达到最大， 综合考虑， 选择45 ℃作为该体系的反应温度.

从图3(b)中可看出，pH值对体系的影响比较大.pH值为5.0时的ΔA值最大， 这可能是由于在pH值为5.0的条件下， 磷酸主要以磷酸二氢盐的形式存在， 有利于抑制MoS2的催化活性， 使得吸光度值降低. 从实验结果可看出， 体系的最适pH值为5.0.

2.2.2TMB和H2O2浓度对体系的影响

图4(a)所示是TMB浓度对反应体系实验结果的影响. 由图4(a)可看出， 随着TMB浓度的增大，ΔA值呈现先增大后减小的趋势， 在TMB浓度为25mmol·L-1时达到最大. 在TMB浓度超过25mmol·L-1后，ΔA值逐渐下降， 这是因为TMB浓度过高对反应产生抑制. 从图4(b)可看出， 随着H2O2浓度的增大，ΔA值逐渐增大， 在30mmol·L-1后略有降低， 这是因为当H2O2浓度超过30mmol·L-1后， 反应已经达到平衡， 所以体系的最优H2O2浓度为30mmol·L-1.

2.3磷酸根含量的测定

图5(a)显示， 在最优反应体系下， 随着磷酸根浓度的增加， 反应体系在450nm处的吸光度呈有规律的下降趋势. 图5(b)的标准曲线显示， 反应体系在450nm处吸光度的降低程度(空白的吸光度减去磷酸根存在时的吸光度, y)与磷酸根的浓度(x)成正比， 磷酸根浓度在2～40μmol·L-1范围内具有良好的线性关系， 线性方程为y= 0.004 3 + 0.037 9x(R2=0.992)， 以3σ/k(其中σ=0.001 0， k=0.037 9)计算的检测限为0.79μmol·L-1.

2.4方法的选择性

2.5可乐饮料中磷酸根含量的测定

在最优化的配比和检测条件下, 应用新构建的MoS2纳米体系对不同稀释倍数的可口可乐样品进行检测， 同时与钼蓝比色法[10]进行比较. 实验检测结果如表1所示.

表1　基于MoS2纳米片模拟酶法与钼蓝比色法检测可口可乐中磷酸根的结果对比Tab.1　Results of phosphate detection in Coca Cola using MoS2 nanosheets as mimetic enzymeand molybdenum blue colorimetric method

3　结语

基于MoS2纳米片具有类辣根过氧化物酶催化活性， 能高效地催化过氧化氢氧化底物TMB产生颜色变化， 而磷酸根能使MoS2纳米片的催化活性降低这一原理， 建立了一种检测磷酸根的比色方法. 所建立的方法中磷酸根浓度在2～40μmol·L-1范围内具有良好的线性关系， 线性方程为y= 0.004 3+0.037 9x(R2=0.992)， 根据3倍信噪比(3σ/k)计算理论检出限为0.79μmol·L-1. 该方法应用于可口可乐饮料中磷酸根的测定， 与钼蓝比色法相比， 检测结果相对误差较小、 准确度较高.

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(责任编辑： 洪江星)

ThedetectionofphosphoricacidrootinCocaColabasedonMoS2nanosheetsasmimeticenzyme

CHENQing′ai1,ZHONGLiangshuang2,PANGJie1,GUOLiangqia2

(1.CollegeofFoodScience,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China;2.CollegeofChemistry,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

Molybdenumdisulfide(MoS2)nanosheetswerediscoveredtopossessanintrinsicperoxidase-likeactivityandcancatalyticallyoxidize3, 3’, 5, 5’-tetramethylbenzidine(TMB)byH2O2toproduceabluecolorproduct,andphosphatecanreducethephotocatalyticactivityofMoS2nanosheets.Basedonthisprinciple,asimplecolorimetricmethodforphosphatedetectionwasdevelopedandappliedtodetectphosphateinCocaColasamples.Severalanalyticalparametersincludingthetemperature,pHvalueandtheconcentrationofTMBandH2O2wereinvestigatedandoptimized.Undertheoptimalconditions(temperature45 ℃,pH=5.0,TMB25mmol·L-1,H2O230mmol·L-1),alinearrelationshipbetweentheconcentrationofphosphateandabsorbancecouldbeobtainedovertherangeof2to40μmol·L-1withadetectionlimitof0.79μmol·L-1(3σ/k).

molybdenumdisulfide(MoS2);phosphate;H2O2;CocaCola

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0124

1000-2243(2016)01-0124-05

2015-10-01

庞杰(1965-)， 博士， 研究员， 主要从事食品安全检测与评价方面研究，pang3721941@163.com；

国家自然科学基金资助项目(21177023)

O661

A

郭良洽(1975-)， 博士， 教授， 主要从事食品安全方面研究，lqguo@fzu.edu.cn