石墨烯-壳聚糖修饰玻碳电极测定日落黄

林素英， 谢丽燕， 陈 宇， 林 旺， 王振辉

( 1.莆田学院 环境与生物工程学院， 福建 莆田 351100；2.福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室， 福建 莆田 351100 )

0 引言

日落黄(SY)是一种人工合成的水溶性偶氮类色素， 具有稳定性高、 着色力强、 价格相对低廉的优点， 被广泛应用于食品、 药物及化妆品的着色。 研究表明， 过量摄入日落黄可能引发过敏反应、 肾脏和肝脏损害等问题[1]； 《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》 (GB 2760—2014)规定， 日落黄在不同种类食品中的最大允许使用量为0.025～0.500g/kg[2]。 可见， 探索一种快速、 灵敏的检测方法来对食品中日落黄含量进行监测， 具有重要意义。 目前国内外的检测方法主要有色谱法、 光谱法、 化学发光法及电化学法等[3]， 其中电化学法是通过物质在溶液中的电化学行为进行分析的。 相较于传统的检测手段， 电化学法具有灵敏度高、 仪器设备简单、 操作便捷的优点， 可用于快速检测以及大批量样品的检测， 在食品分析等领域中发挥了重要作用[4]。

要使电化学法发挥其特别优势， 需对工作电极进行修饰与设计。 石墨烯材料具有力学强度高、 导电性好、 催化活性大等特点[5]， 在开发具有优异电分析性能的电化学传感器方面得到广泛的研究。 采用不同石墨烯基材料修饰电极进行日落黄测定已有报道， 如胡晴晴等制备了聚L-精氨酸/石墨烯修饰电极[6]， 张金磊等制备了石墨烯量子点修饰电极[7]， 付菊等制备了聚嘧啶/石墨烯复合膜修饰电极[8]。 不过， 石墨烯存在生物相容性不好、 难分离等问题， 可构建复合物提高电化学活性并减少团聚[9]。 壳聚糖表面含有氨基、 羟基、 乙酰氨基、 螯合基等活性官能团[10]， 成膜性好。 基于石墨烯-壳聚糖构建的电化学传感器具优良的生物相容性、 电子传输性及催化性[11]。 Feng 等制备了壳聚糖/氧化石墨烯复合材料用于检测三聚氰胺[12]， 樊雪梅等用氧化石墨烯-壳聚糖(GO-CS)复合膜修饰电极测定尿酸[13]。 Magerusan 等通过电化学剥离石墨棒获得壳聚糖/石墨烯纳米材料用于修饰电极， 测定日落黄检测检出限为0.066 6 μmol/L[14]。 但这些方法存在修饰电极制备步骤繁琐、 操作不易等缺点。 本研究通过溶液共混法， 制备了GO-CS 复合溶液， 用滴涂法修饰玻碳电极(GCE)， 研究日落黄在该修饰电极上的电化学行为， 通过差分脉冲伏安法(DPV)来确定测定日落黄含量的最优条件。 提出了一种检测日落黄的新方法， 为快速、 灵敏测定食品中日落黄含量提供参考。

1 实验部分

1.1 实验仪器与主要试剂

电化学分析仪(MEC-12B，江苏江分电分析仪器有限公司)； 超纯水净水器(AXLC1820，上海富诗特仪器设备有限公司)； 分析天平(BSA224S，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)； 移液枪(1～10 μL，德国艾本德公司)； 超声波清洗器(KQ5200E，昆山市超声仪器有限公司)； 酸度计(PBS-25，深圳市优米仪器设备公司)。

石墨烯(GO，北京莹宇电子科技有限公司，厚度0.34～3.40 nm，片径30 ～50 nm)； 日落黄、 乙酸、 磷酸氢二钠、 磷酸二氢钠(国药集团化学试剂有限公司，AR)； 亚铁氰化钾、 铁氰化钾、 氯化钾、 壳聚糖(CS)、 无水乙醇、 氢氧化钾、 盐酸(天津市河东区红岩试剂厂，AR)； 实验用水为超纯水。

磷酸盐缓冲液(PBS): 采用磷酸氢二钠和磷酸二氢钠配制成0.1mol/L 溶液， 用KOH 溶液或盐酸溶液调节pH 值。 日落黄用超纯水配制成1×10-3mol/L 储备液， 低温避光保存， 使用时用PBS 稀释至所需浓度。 铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液浓度为1.0×10-3mol/L， 含0.1 mol/L 电解质氯化钾。

1.2 修饰电极的制备

将GCE 在麂皮上依次用0.1、 0.3、 0.05 μm的Al2O3粉抛光成镜面， 再分别用超纯水、 1 ∶1 HNO3溶液、 无水乙醇将残留在电极表面的抛光材料冲洗干净， 晾干。 清洗完的电极采用循环伏安法(CV)在0.5 mol/L H2SO4溶液中活化， 在铁氰化钾/亚铁氰化钾中检验至氧化还原峰电位差在90 mV 以下， 即GCE 预处理完毕， 将电极取出， 洗净备用[15]。

将适量CS 溶解于5%(体积比)的乙酸水溶液中， 制成1 g/L 的CS 溶液。 在搅拌下将5.0 mg GO 超声分散于10 mL CS 溶液中， 制成0.5 g/L 的GO-CS 复合溶液。

用移液枪移取5.0 μL GO-CS 复合溶液， 滴涂在预处理好的GCE 表面， 再置于35℃烘箱中干燥30 min， 制得GO-CS/GCE(即修饰电极)。

1.3 实验方法

以GO-CS/GCE 为工作电极、 铂丝电极为辅助电极、 Ag/AgCl 电极为参比电极， 构建三电极体系， 采用CV 对GO-CS/GCE 进行表征， 利用DPV 对日落黄进行检测， 考察电位范围、 溶液pH 值、 富集电位、 富集时间及干扰物质对日落黄测定的影响。 为使GO-CS/GCE 恢复活性， 单次扫描后需将电极置于空白的PBS 中扫描曲线稳定， 才能进行下次测定。

2 结果与分析

2.1 GO-CS/GCE 的表征

2.1.1 扫描电子显微镜(SEM)图

图1a 为GO/GCE 的SEM 图， 可以看到电极表面具有层状褶皱， 显著增大了电极的比表面积。 图1b ～d 为不同倍数的GO-CS/GCE 的SEM图， 可见CS 分布于GO 表面， 增加电极的活性位点[10]， 进而增强对日落黄的响应能力。

图1 修饰电极的SEM 图

2.1.2 CV 表征

分别以GCE、 GO-CS/GCE 为工作电极， 置于1×10-4mol/L 的日落黄(pH ＝2.5)溶液中进行CV 扫描， 于富集电位0.1 V 时富集1 min， 电位范围0.4 ～0.8 V， 扫描速度100 mV/s， 结果如图2 所示。 可见日落黄在GCE 上的响应弱，而在GO-CS/GCE 上有明确的氧化还原峰， 且峰电流明显增大， 这可能是因为GO-CS 修饰增大了比表面积， 且CS 的活性官能团有利于日落黄在电极表面的吸附， 有效地加快了电子转移速率。

图2 日落黄在不同电极上的CV 图

2.2 测定条件优化

采用DPV 优化测试条件， 日落黄浓度为2.5×10-5mol/L。

2.2.1 测定电位范围

测定电位范围为-0.2 ～1.4 V， pH ＝2.5，富集电位为0.1 V， 富集时间为1 min。 在DPV扫描中发现峰电位随高电位增大而右移， 在0.4 ～0.8 V 的区间峰形最锐利， 峰电流最大。 因此选择0.4 ～0.8 V 为后续测试的电位范围。

2.2.2 pH 值的影响

参照2.2.1 方法， 改变测试溶液pH 值(分别为2.5、5.0、6.5、7.0、8.0)， 测定日落黄溶液在不同pH 值下的DPV 曲线， 见图3。 由图3 可见， 随着pH 值增大， 日落黄溶液的氧化峰电位出现负移， 峰电流整体减小趋势明显， 为提高测试灵敏度， 溶液pH 值应选择2.5。

图3 日落黄在不同pH 值下的DPV 曲线

2.2.3 富集电位的影响

富集电位和富集时间是影响修饰电极性能的主要因素[14]。 为提高电极的灵敏度， 研究了不同富集电位时日落黄溶液(pH ＝5.0，富集时间2 min)的DPV 曲线， 富集电位-0.2 ～0.4 V， 每次增大0.1 V， 结果见图4。 可见日落黄溶液峰电流与富集电位的关系曲线呈先增大后减小的趋势， 富集电位为0.1 V 时峰电流达到最大， 超过0.3V 后峰电流显著下降(可能是因为随着富集电位的增大色素会分解[15])， 故确定富集电位为0.1V。

图4 日落黄溶液中峰电流与富集电位关系图

2.2.4 富集时间的影响

设定pH＝5.0， 富集电位为0.1 V， 富集时间为1 ～3 min， 图5 记录了日落黄溶液峰电流与富集时间的关系。 由图5 可见， 峰电流随着富集时间的增加先增后降， 在1 min 时达到最大，随后缓慢降低， 说明1 min 时富集量已经达到最大， 后续测试设定富集时间为1 min。

图5 日落黄溶液中峰电流与富集时间关系图

2.3 线性范围与检出限

采用DPV 研究了不同浓度的日落黄溶液在最佳条件下的电化学行为。 测试参数设置如下:测试电位范围0.4 ～0.8 V， 溶液pH ＝2.5， 富集电位0.1 V， 富集时间1 min。 图6 是不同浓度日落黄溶液在GO-CS/GCE 上的DPV 曲线。 由图6 可见， 峰电流随浓度增大而增大， 峰电位会向右微移， 由于浓度为4×10-5和5×10-5mol/L 的DPV 曲线变形明显， 故仅讨论1×10-7～3×10-5mol/L 范围内峰电流与浓度的关系。 结果如图7所示， 峰电流与日落黄浓度呈线性关系， 线性方程为I(μA)＝0.7967c(μmol/L)＋9.5644，相关系数R2＝0.997 6，检出限为8.4×10-8mol/L(信噪比S/N＝3)。

图6 不同浓度日落黄溶液的DPV 曲线

图7 峰电流与日落黄浓度的线性关系图

2.4 GO-CS/GCE 的重现性、 稳定性和抗干扰性

制作4 支GO-CS/GCE 用于3×10-6mol/L 日落黄溶液的检测， 相对偏差为4.08%， 用同一根电极对日落黄溶液平行测定5 次， 电流响应值相对标准偏差(RSD)为3.78%， 说明GO-CS/GCE 重现性良好。 测试后的GO-CS/GCE 置于PBS(pH＝7.0)溶液中连续扫描至曲线稳定， 在4℃下保存一周， 对日落黄溶液进行测定， 发现峰电流降至原来的91.7%， 表明电极具有不错的稳定性。 按相同的实验方法， 考察了常见食品中所包含的干扰物的影响， 结果表明100 倍浓度的葡萄糖、 尿酸、 草酸、 柠檬酸、 柠檬酸钠及200 倍浓度的Mg2＋、 Ca2＋、 Na＋和K＋等无机离子对日落黄的检测没有明显影响。

2.5 样品测定

取市售某饮料5 mL， 以PBS(pH ＝2.5)溶液定容至50 mL， 通过DPV 测量， 未检出日落黄。为了评估该方法的准确性， 在溶液中添加日落黄进行加标回收实验， 平行测试6 组。 日落黄添加量为4.00 μmol/L， 平均回收值为3.97 μmol/L，回收率为99.3% ， RSD 为4.4%， 表明该方法重现性好， 可应用于测定食品中日落黄的含量。

3 结论

采用共混法制备GO-CS 复合溶液， 然后用滴涂法制备了修饰电极: GO-CS/GCE， 并将之应用于日落黄溶液浓度的测定。 通过对实验条件进行优化， 获得了测定的最佳条件， 并采用DPV 研究了日落黄在该修饰电极上的电化学行为， 日落黄溶液浓度在1×10-7～3×10-5mol/L时， 峰电流与日落黄浓度呈线性关系， 检出限为8.4×10-8mol/L。 该修饰电极制备方法简单、 稳定性好， 有望在实际应用中快速、 灵敏地测定食品中日落黄含量。