基于还原氧化石墨烯和乙炔炭黑的新型电化学传感器灵敏测定食品色素日落黄

邓培红，王淳之，唐清，曾珺，朱青青，舒晶

(1.衡阳师范学院 化学与材料科学学院，湖南 衡阳 421008；2.衡阳市第八中学，湖南 衡阳 421001；3.衡阳市成章实验中学，湖南 衡阳 421007)

日落黄(Sunset Yellow,SY)是一种水溶性的合成色素，因其色泽均匀性好、生产成本低、稳定性好等优点，在食品工业中得到了广泛的应用。但是SY会引起敏感人群的过敏、腹泻等症状[1]，当摄入过多时，会在体内积聚，对肾脏和肝脏造成损害。因此必须严格控制食品中SY的含量，不允许在鲜肉中添加SY，用作食品添加剂时要求SY的含量应小于50 ppm[2]。因此，发展一种简便、快速、灵敏的SY检测方法对食品安全和人类健康具有重要意义。

目前已报道了一些SY检测的分析方法，如分光光度法[3]、高效液相色谱法[4]、毛细管电泳法[5]、荧光发射光谱法[6]。分光光度法、毛细管电泳法和荧光法灵敏度低、线性范围窄、检出限高。色谱法需要复杂的前处理步骤和耗时的检测过程。而且，这些仪器比较复杂，价格昂贵，很难用于现场测量。与上述方法相比，新发展的电化学方法具有仪器简单、成本低、灵敏度高等优点。已报道的用于检测SY的电化学传感器有十六烷基三甲基溴化铵功能化蒙脱石钙修饰碳糊电极[7]，金纳米粒子/石墨烯修饰玻碳电极[8]，铂纳米粒子/石墨烯修饰玻碳电极[9]、多壁碳纳米管/氧化石墨烯修饰玻碳电极[10]，ZnO/半胱氨酸纳米复合物修饰玻碳电极[11]，双金属纳米粒子功能化石墨烯修饰玻碳电极[12]，壳聚糖/石墨烯修饰玻碳电极[13]等。这些电化学传感器的性能在很大程度上取决于修饰材料。因此，仍有必要探索新的材料来准确、快速地检测SY。

近年来，石墨烯以其巨大的比表面积、优异的导电性和高的催化活性引起了人们的广泛关注[14-16]。乙炔炭黑(acetylene black,AB)是一种特殊的炭黑，通常由乙炔在空气中加压燃烧而成，具有比表面积大、导电性好、吸附能力强等优点，在电化学领域得到了广泛的应用[17-18]。然而，同时利用石墨烯和乙炔炭黑的优点来快速、灵敏地检测SY还未见报道。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物，由于含有大量的含氧官能团，具有高度的亲水性和分散性。本工作首先将GO的水溶液滴在乙炔炭黑糊电极表面烘干，再进行电化学还原。用扫描电镜(SEM)研究了修饰电极的形貌，用循环伏安法(CV)和二阶导数线性扫描伏安法(SDLSV)研究了SY在该修饰电极上的电化学行为，对传感器的分析特性进行了详细的研究，并对其在实际样品中的应用进行了评价。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

在CHI 660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)进行循环伏安法(CV)测定；在JP-303型极谱分析仪(成都仪器厂)采用二阶导数线性扫描伏安法(SDLSV)进行条件优化和定量分析。电化学测量均采用传统的三电极系统，以ERGO/ABPE(内径1 mm)为工作电极，Pt丝为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。采用pHs-3c型数字式pH计(上海市雷磁仪器厂)进行缓冲溶液的制备；采用扫描电子显微镜(EVO10，德国蔡司ZEISS)进行电极形貌表征。

石墨粉、高锰酸钾、硝酸钾、过氧化氢由国药化学试剂有限公司提供；日落黄购自阿拉丁公司。所有化学试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。将0.045 24 g日落黄溶于100.00 mL水中，制备1.0 mmol/L标准储备溶液。用水进一步稀释制备了一系列低浓度工作液。以pH值为4.3的0.3 mol/L HAc-NaAc为支持电解质溶液。

1.2 氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯参照文献[19]制备。首先，将0.5 g石墨粉、0.5 g NaNO3和23 mL浓H2SO4在冰浴中搅拌混合。将3 g KMnO4缓慢添加到混合物中，混合液转移到35℃的水浴中，搅拌2 h，形成浓稠的糊状物。然后缓慢加入40 mL水，继续搅拌30 min，同时将温度升高至95°C反应1 h。加入100 mL水终止反应，搅拌下加入3 mL H2O2溶液(30%)，溶液颜色从深棕色变为黄色。将所得悬浮液过滤，用1 M HCl洗涤，再用超纯水洗涤，50℃下真空干燥8 h得氧化石墨。然后将适量氧化石墨加入超纯水中，超声振荡2 h，6 000 rpm离心，制成1.0 mg/mL氧化石墨烯溶液。

1.3 修饰电极的制备

将3.0 g乙炔炭黑粉末和0.5 g固体石蜡在研钵中充分混合，在80℃下加热，形成均匀的糊状物。立即将一部分糊状物填充到内径1.0 mm的玻璃毛细管的一端，另一端插入铜线与碳糊接触并固定，电极表面在称重纸上抛光，制得乙炔炭黑糊电极(ABPE)。将2.0μL的氧化石墨烯(GO)水溶液(1.0 mg mL-1)滴涂在ABPE表面，红外灯下干燥，制得氧化石墨烯修饰ABPE(GO/ABPE)。然后在磷酸盐缓冲溶液(pH6.5)中以恒电位(-1.2V，120 s)还原GO膜，所得电极标记为ERGO/ABPE。为了证明AB的独特性能，采用类似的方法制备了传统的石墨粉碳糊电极(CPE)和ERGO/CPE进行比较。

1.4 电化学测量

在含一定浓度SY的0.30 mol/L HAc-NaAc(pH4.3)溶液中，在0.1V电位下富集90 s后，以0.1V/s的扫描速率进行循环伏安扫描和二阶导数线性伏安扫描，分别记录从0.1到1.3 V的伏安图。每次测量后，在相同电位范围内，在1.0 mol/L H2SO4中连续扫描电极4-5次可再生电极表面。所有实验均在室温下进行。

2 结果和讨论

2.1 SEM表征

用扫描电子显微镜(SEM)对裸ABPE和ERGO/ABPE的表面形貌进行了观察，SEM图像如图1所示。裸ABPE的表面由具有微米尺寸的不规则片状AB糊状物形成(图1A)。在ERGO/ABPE上，观察到ERGO的特有的皱褶薄片结构(图1B)，表明ERGO成功的修饰在ABPE电极表面。

2.2 不同电极的CV表征

研究了1.0×10-3mol/L K3[Fe(CN)6]在0.1 mol/L KCl溶液中在不同电极上的循环伏安行为，如图2所示。在裸CPE上，观察到[Fe(CN)6]3-/4-的一对氧化还原峰，两峰电位差ΔEp为225 mV(曲线a)，说明[Fe(CN)6]3-/4-在CPE上电子转移受到阻碍，为准可逆的电极反应。而在ABPE上，[Fe(CN)6]3-/4-的阳极和阴极峰电流均明显增大，ΔEp值降至91 mV(曲线b)，说明ABPE明显促进了[Fe(CN)6]3-/4-的电子转移速率，这可归因于AB大的比表面积和良好的导电性能。当ERGO修饰到ABPE表面时，[Fe(CN)6]3-/4-的氧化还原峰电流进一步增大，阴极峰电位(Epc)为196 mV，阳极峰电位(Epc)为0.278 mV，ΔEp减小至82 mV(曲线c)，这说明ERGO进一步促进了[Fe(CN)6]3-/4-的氧化还原(曲线c)。根据Randles-sevick方程[20]：Ipc=(2.69×105)n3/2D1/2v1/2AC，其中Ipc为还原峰电流(A)，n为电转移数，A为电极的活性表面积(cm2)，D为K3[Fe(CN)6]在溶液中的扩散系数(7.6×10-6cm2/s)[21]，C为K3[Fe(CN)6]的浓度(mol/cm3)，v为扫描速率(V/s)。通过上述方程，可计算出CPE、ABPE和ERGO/ABPE的平均电活性面积分别为0.006 77 cm2、0.015 86 cm2和0.023 26 cm2。实验结果进一步表明AB和ERGO提高了电极的有效电活性面积，从而显著提高了电极的电化学响应。

图1 (A)ABPE和(B)ERGO/ABPE的扫描电子显微镜图

图2 1.0×10-3mol/L K 3[Fe(CN)6]在0.1mol/L KCl溶液中在(a)CPE，(b)ABPE，(c)ERGO/ABPE上的循环伏安图。扫描速率:0.1V/s

2.3 SY的二阶导数线性扫描伏安行为

用二阶导数线性扫描伏安法(SDLSV)研究了SY在CPE、ABPE、ERGO/CPE和ERGO/ABPE上的电化学行为，结果如图3所示。SY在CPE处的氧化电位为0.942 V，电流响应差(I=0.034 57μA)(曲线a)，表明电子转移缓慢。对于ABPE，SY的峰电流(I==0.145 4μA)明显大于在CPE上获得的峰电流。且峰电位负移到0.913 V(曲线b)，表明SY在ABPE上的氧化更为有利，这是由于AB具有导电性好、比表面积大、吸附能力强等特性，从而促进了SY在电极的富集和加快了电子转移的速率。在ERGO/CPE上，SY的氧化电位负移到0.884 V(曲线c)，峰电流增大至0.778 2μA。这是由于ERGO的高比表面积有利于SY在电极表面的吸附，且ERGO良好的电催化能力有效促进了SY的电化学氧化。在ERGO/ABPE上，SY氧化发生在0.868 V处，与ERGO/CPE相比负移16 mV(曲线d)。ERGO/ABPE的峰电流(I=2.430μA)是ERGO/CPE的3.18倍，说明ERGO和AB在电极表面具有协同作用，有效地促进了SY在电极表面的电化学反应，为SY的灵敏测定提供了基础。

图3 1×10-5mol/L SY在不同电极上的二阶导数线性扫描伏安图a：CPE，b：ABPE，c：ERGO/CPE，d：ERGO/ABPE。底液为0.3 mol/LHAc-NaAc缓冲液(pH4.3)，富集电位:0.1 V，富集时间:90 s，扫描速率:0.1 V/s

2.4 扫描速率的影响

用循环伏安法研究了扫描速率(v)对1×10-5mol/L SY在ERGO/ABPE上电化学响应的影响，结果如图4所示。SY的峰电流在30~300 mV/s范围内与扫描速率成正比，线性方程为Ip(μA)=28.03 v(V/s)+0.122 1(r=0.999 4)。因此SY的电极过程受吸附控制。虽然峰电流随扫描速率的增加而增大，但背景电流也随之增大。高扫描速率不适合峰电流的测量，因此选择0.1 V/s对SY进行定量分析。SY的氧化峰电位随扫描速率的增加而正移，与扫描速度对数值(ln v)呈线性关系：Ep(V)=0.0297ln v(V s-1)+0.9413(R=0.992 3)。在吸附控制和完全不可逆的电极过程中，根据Laviron理论[22]，Ep=E0+RT/(αn F)ln[RT k0/(αn F)]+RT/(αn F)ln v(1)电子转移数n可由Ep与ln v关系曲线的斜率求得。由于RT/nF=0.029 7，对于完全不可逆的电极过程，α=0.5，计算得n≈2。因此，SY的氧化是一个两电子参与的反应。

图4 不同扫描速率下1×10-5mol/L SY在ERGO/ABPE上的循环伏安图.(a-j：0.03，0.06，0.09，0.12，0.15，0.18，0.21，0.24，0.27，0.30 V/s)

2.5 测定条件优化

2.5.1 支持电解质和溶液p H值的影响

用二阶导数线性扫描伏安法研究了1×10-5mol/L SY在不同电解质中的氧化反应。支持电解质包括磷酸盐缓冲液(pH4.0-8.0)、HAc-NaAc缓冲液(pH3.0-6.0)、HAc-NH4Ac缓冲液(p H3.0-6.0)、(CH2)6N4-HCl缓冲液(pH4.0-6.0)、HCl、H2SO4和HNO3溶液(各0.1 mol/L)。结果表明，在HAc-NaAc缓冲液中观察到最佳的峰形和最大的峰电流。在0.05~0.5 mol/L范围内研究了HAc-NaAc缓冲溶液的浓度对SY峰电流的影响，发现HAc-NaAc缓冲溶液浓度为0.3 mol/L时SY的峰电流最大。进一步研究了HAc-NaAc缓冲溶液pH值对SY伏安响应的影响。结果表明，随着缓冲液pH值的增加，氧化峰电位向负方向移动，说明质子参与了电极反应。峰电位(Ep)与pH值之间的关系为Ep(V)=-0.0579pH+1.1170(r=0.998 7)。斜率-0.057 9 V/pH接近理论值-0.059 V/pH，表明电子与质子参与电极反应的比例为1:1。并且SY氧化峰电流的最大值出现在pH值4.3处，随着缓冲液pH值的进一步增大SY峰电流逐渐减小，因此选择溶液的最佳pH值为4.3。

2.5.2 富集条件的选择

由于SY在ERGO/ABPE上的氧化是由吸附控制，研究了富集电位和富集时间对1×10-5mol/L SY氧化电流的影响。结果表明，当富集电位在-0.30~0.30 V之间变化时，SY电流先增大后减小，在0.1V达到最大值。研究了富集时间对SY电流的影响。随着富集时间从0 s延长到90 s，电流明显增大，但当富集超过90 s时，电流增大缓慢，说明SY在电极表面的吸附已达饱和。因此，选择90 s的富集时间测定SY。

2.6 ERGO/ABPE的重现性和稳定性

用同一支ERGO/ABPE对1×10-5mol/L SY溶液重复测定7次，每次测量后在1.0 mol/L H2SO4溶液中在相同电位范围内连续扫描4-5次，清洗电极表面的吸附物，计算得相对标准差(RSD)为3.74%，表明ERGO/ABPE具有良好的重复性。按相同方法分别制备了5支修饰电极，测得1×10-5mol/L SY峰电流的RSD值为4.17%。将修饰电极在室温下在空气中贮存一段时间，以评价其稳定性。第一周后电流未见明显下降，2周后电流仍维持在初始值的87.3%，表明ERGO/ABPE具有良好的稳定性。

图5 不同浓度SY在ERGO/ABPE上获得二阶导数线性扫描伏安图。(A)从a到f:1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10μmol/L；(B)从a到h:0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8μmol/L；(C)SY浓度与峰电流的校准曲线。支持电解质:0.3mol/L HAc-NaAc缓冲液(p H 4.3)，富集电位0.1V，富集时间90s，扫描速度0.1V/s

2.7 干扰试验

为了评价方法的选择性，测定了1×10-5mol/L SY在不同干扰物存在下的伏安响应。实验数据表明，1.0×10-3mol/L Zn2+、Cu2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-、SO42-、CO32-、葡萄糖、草酸、蔗糖、甘氨酸、丙氨酸、L-半胱氨酸、L-丝氨酸、咖啡因、苯甲酸；5.0×10-4mol/L维生素C；2.0×10-5mol/L苋菜红、诱惑红对测定无影响。

2.8 标准曲线和检出限

在优化的实验条件下，用SDLSV对SY进行定量分析。图5显示了不同浓度的SY在ERGO/ABPE上的SDLSV曲线。随着SY浓度的增加，峰电流增大。SY的峰电流与浓度在4.0×10-8~2.0×10-6mol/L和2.0×10-6~1.0×10-5mol/L范围内呈良好的分段线性关系，线性方程分别为I(µA)=0.4061c(µmol/L)+0.0207(r=0.998 3)和I(µA)=0.2001c(µmol/L)+0.4536(r=0.996 5),检出限为：1.0×10-8mol/L。

2.9 样品分析

以不同品牌的软饮料(统一鲜橙多、汇源果汁、娃哈哈、农夫果园)为例，验证了ERGO/ABPE在实际样品测定中的应用。在SDLSV分析之前，对样品过滤以去除悬浮物。用标准加入法测定SY的浓度。结果见表1。如表1所示，SY的含量为4.16×10-6~7.18×10-6mol/L，回收率在98.4~102.5%之间，表明新方法准确可行。

表1 软饮料中SY的测定结果(n=3)

3 结论

本文结合石墨烯和乙炔炭黑的优良性能，利用电还原技术制备了一种新型的化学修饰电极(ERGO/ABPE)，实验发现，ERGO/ABPE对SY的氧化具有良好的电催化性能，其检测的线性范围为4.0×10-8~2.0×10-6mol/L和2.0×10-6~1.0×10-5mol/L，检测限达1.0×10-8mol/L。该修饰电极具有响应速度快、成本低、灵敏度高、选择性好、线性范围宽、检测限低等优点。