热溶液中Nafion膜电极电化学分析法测定偶氮二甲酰胺

赵常志　张莉　辛晨

摘要基于偶氮二甲酰胺在热溶液中的高溶解度及其与Nafion膜电极的静电作用，建立了偶氮二甲酰胺的电化学分析法。考察了偶氮二甲酰胺溶解度的温度效应，研究了偶氮二甲酰胺在Nafion膜电极上还原反应的机理。利用热溶液中偶氮二甲酰胺在Nafion膜电极上的伏安响应，用差分脉冲伏安法测定了面粉中的偶氮二甲酰胺含量。在水浴恒温80℃、pH 6.0的实验条件和优化的测试参数下，Nafion膜电极的电流响应与偶氮二甲酰胺的浓度在0.93～10.5 μg/L范围内呈线性关系，检出限为0.58 μg/L（S/N=3），对实际样品测定的相对标准偏差小于5.9%，回收率为95.8%～104.0%，氨基脲和呋喃西林不干扰偶氮二甲酰胺的测定。

关键词电化学分析法； 偶氮二甲酰胺； Nafion膜电极； 热溶液； 面粉

1引 言

偶氮二甲酰胺（ADC）是一种白色或者淡黄色粉末，在工业中常用其作发泡剂，用于生产运动垫、橡胶鞋底等商品，增加产品的弹性。由于ADC能增强面团的柔韧性和强度，兼有漂白的作用，使面食有更好的外观和口感，可能作为添加剂用于食品工业[1～3]。美国允许使用ADC作为食品添加剂，规定面粉中的最大使用量是0.045 g/kg[2]。然而，有研究表明ADC破坏面粉中的维生素，影响人体对钙质的吸收，其代谢物可能损害人体的重要脏器，从而诱发癌症[4，5]。欧盟、新西蘭、澳洲、英国、新加坡和日本等国家和地区都已禁止在食品中使用ADC。鉴于ADC可能带来的危害，我国制定的《GB27602011食品添加剂使用标准》规定ADC作为添加剂在面粉中的使用限量是0.045 g/kg[3]，因此检测面粉中的ADC是否超标使用具有重要的意义。由于偶氮甲酰胺极性很强，微溶于水、醇和丙酮等试剂，致其检测方法种类偏少且研究进展缓慢。现有的高效液相色谱法操作繁杂，而且在反复洗脱的过程中，ADC 可能复溶不完全或发生降解，导致回收率偏低[6]。虽然也有一些其它测定ADC的方法，但基本都是与HPLC联用的技术[1，7]，以及毛细管电泳等方法[8，9]，这些方法并没有很好地解决原有的问题。另外，大型仪器的使用会增加测试成本，不利于实时和现场分析。发展测定ADC的电化学分析法，不仅能以低成本、快速、简便的技术检测ADC，也会给发展其它检测ADC的方法带来新思路。基于此，本研究采用加热试液的温度来增加ADC的溶解度，用Nafion膜电极（Nafion/GCE）富集ADC，建立了ADC的电化学分析法。

2实验部分

2.1仪器与试剂

TU1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）； CS501型超级恒温水浴（重庆实验设备厂）； CHI 760E和CHI832B型电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）。由玻碳电极（GCE，直径3.0 mm）为基底电极制备的Nafion膜电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，组成三电极工作系统。

Nafion（5%乙醇溶液，Sigma公司），用无水乙醇稀释10倍，作为电极的修饰液； ADC（纯度98%）、氨基脲（纯度 98%）和呋喃西林（纯度98%），购于百灵威化学技术有限公司，用磷酸盐缓冲溶液分别配成浓度为1.0×10

2.4实验方法

将适量ADC标准品或样品溶液与PBS （pH 6.0）混合后置于水浴电解池中，控制水温（80±0.2）℃。连接Nafion膜电极、参比电极和对电极至电化学工作站。经开路搅拌富集3 min后，静置30 s。设定电位扫描范围0～0.50 V，记录ADC在Nafion膜电极上的差分脉冲伏安（DPV）曲线，以电流强度定量ADC的浓度。再次测量前，需用PBS清洗电极至空白值。

3结果和讨论

3.1Nafion膜电极的电化学表征

Nafion膜是一种聚四氟乙烯的阳离子交换膜，具有耐热、耐腐蚀、强度大等优点，广泛应用在化学修饰电极和电化学分析的研究中[10，11]。Nafion膜本身不具有电活性，但是它含有大量SO

3.2温度对偶氮二甲酰胺溶解度的影响

ADC是一种极性很强的偶氮化合物，由于在常温水中溶解度很低，很难观察到在裸电极上的还原反应。但是，加热溶剂会提高ADC的溶解度[12]。不同温度下ADC溶液的紫外吸收曲线（图3）表明[2]，随着温度由25℃， 50℃， 80℃和90℃顺次升高，其在245 nm处的特征峰随之增强，表明ADC溶解度的温度效应非常明显。图4显示了在不同温度下，ADC分别在GCE 和Nafion膜电极上的循环伏安曲线。低温时，在GCE上观察不到ADC的伏安响应； 当温度达到80℃时，才出现微小的电流响应。而在Nafion膜电极上，随着温度升高，电流响应明显增大； 80℃时，电流响应不再增强； 超过90℃时，电流响应微降。这是由于Nafion膜在较高的温度下能保持化学结构及性能的稳定[13]，但超过80℃时，Nafion膜内部水分蒸发，质子传递受到较大影响，导致膜的阻抗增大[14]。实验结果表明，ADC在热溶液中的溶解度明显提高，合适的温度既能使ADC充分溶解，又能保持Nafion膜电极对ADC有较好的响应性能。因此，本实验利用恒温水浴保持80℃的温度。

3.3偶氮二甲酰胺在Nafion膜电极上的还原反应

单偶氮化合物能在电极表面获得2个电子和2个质子而发生还原反应[15]。在以不同扫描速度测得ADC的循环伏安曲线（图5）中，ADC在Nafion膜电极上只出现了阴极峰，没有阳极峰，显然为不可逆的还原反应。从图5可见，随着扫描速度的增加，峰电位Ep逐渐负移，扫速在为10～ 200 mV/s 范围内， Ep为0.36～ 0.42 V； 同时，峰电流ip随着扫速v 的增加而增大。由ip与v的线性相关性（图5中的插图）可知，ADC在Nafion膜电极上的还原为表面吸附控制的电极反应。按照Laviron方程计算[16]，此反应的电子转移系数α及速率常数ks分别为0.52和0.817/s。

修饰电极表面的Nafion膜呈负电性，因而ADC在Nafion膜电极上的电化学行为与ADC的荷电状态密切相关。由于ADC是碱性化合物，其荷电状态取决于溶液的pH值。分别以pH=5.0， 5.5， 6.0， 6.5和7.0的磷酸盐缓冲溶液为底液，考察了5.0×10 mol/L ADC在不同pH值缓冲溶液中的伏安响应（图6），发现ADC在Nafion膜电极上的ip随底液pH值变化，在pH= 6.0的溶液中， ip强度最大，这是由于ADC的氨基在加质子荷正电后，更容易与负电性的Nafion膜发生静电效应，膜电极富集了ADC。同时，pH 6.0的PBS可作为缓冲溶液的优化pH值。另一方面， Ep随底液pH值的增加而负移，在pH 5.0～7.0范围内， Ep与pH值的线性关系为Ep=0.056pH +0.032（图6插图），进一步表明ADC在Nafion膜电极上的还原反应为式（1）所示的2质子2电子的电极反应。

3.5方法的重现性与稳定性

尽管Nafion膜電极有很好的电化学稳定性[17]，但考虑到在测试过程中，Nafion膜电极表面可能钝化，影响样品测定的重现性和稳定性，所以每次测定后，需将Nafion膜电极在搅拌下置于PBS中清洗，再放入空白底液中进行扫描，确认洗脱完全，然后再进行下一次测定。同一支Nafion膜电极连续重复测定3.45 μg/L ADC 7次，相对标准偏差（RSD）小于3.9%。按同样方法制备的5支工作电极测定相同浓度ADC的RSD<5.8%。在湿润保存下，10天后Nafion膜电极对同浓度基质的电流强度仅比初次测量减少了5%，保存30天后电流响应为初始电流响应的91%。虽然干燥保存Nafion膜电极的效果稍差，但保存30天后经过在PBS中活化，电流响应仍然不低于初次测量值的90%。

3.6抗干扰性能测试和方法的应用

除了强还原试剂，一般无机化合物不干扰ADC的测定。在最佳实验条件下，以测量误差在5%以内为限，考察了面粉中可能存在的物质对ADC伏安响应的影响。分别将5.0×10

AbstractBased on the high solubility of azodicarbonamide （ADC） in hot solution and its electrostatic interaction with Nafion film， a new electroanalytical method was developed for the determination of ADC by using Nafion film electrode. The effect of temperature on the solubility of ADC and the mechanism of the reduction reaction of ADC on Nafion film electrode were investigated. Under the experimental conditions such as water bath at a constant temperature of 80 ℃， pH 6.0 and optimal test parameters， the differential pulse voltammetric response was proportional to the concentration of ADC in the range of 0.93 -10.5 μg/L， and the detection limit was estimated to 0.58 μg/L. The relative standard deviation was less than 5.86 % and the recovery was 95.8%-104.0% for the determination of the ADC in flour samples. The semicarbazide and nitrofurazone did not interfere with the determination of ADC.

KeywordsElectrochemical analysis； Azodicarbonamide； Nafion film electrode； Hot solution； Flour