富勒烯C60/離子液體復合物修飾電極對莧菜紅的方波伏安檢測

李永紅，季穎，李媛，任彬彬，楊帆，劉新勝

(1.寧夏醫科大學 公共衛生與管理學院，寧夏 銀川 750004；2.寧夏醫科大學 基礎醫學院，寧夏 銀川 750004)

莧菜紅[1-2](AM)屬于水溶性的偶氮類色素，廣泛應用于食品工業中。研究顯示，莧菜紅不合理使用會對人類健康造成不利的影響，如高遺傳毒性、細胞毒性等[3]。目前，檢測莧菜紅的方法主要有毛細管電泳法[4]、高效液相色譜法[5]和電化學方法[6-7]等。電化學方法與其他檢測方法相比較，具有操作簡單、檢測靈敏等優點。

本文基于富勒烯[8-9]以及離子液體[10]的優越性能，制備了基于富勒烯C60/離子液體復合物修飾納米碳糊電極(C60/nano-CILE)的電化學傳感器，利用循環伏安法對修飾電極進行了表征，并研究了莧菜紅在該修飾電極上的電化學行為；研究了莧菜紅在電極表面的反應過程；討論了溶液pH值、富集時間和富集電位以及修飾劑含量等因素對莧菜紅峰電流的影響；研究了干擾物質對檢測的影響，建立了一種靈敏、快速的莧菜紅電化學檢測新方法。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

莧菜紅(AM，純度85%)，由上海麥克林生化科技有限公司提供；普通石墨粉，由國藥集團提供；富勒烯C60(純度99.9%)、納米石墨粉(nano-C，厚度<40 nm，片徑～400 nm)均由南京先豐納米材料科技有限公司提供；1-辛基吡啶六氟磷酸鹽、KH2PO4、Na2HPO4均為分析純；磷酸鹽緩沖液(PBS)，由KH2PO4和Na2HPO4制備；實驗中所有用水均為超純水。

CHI660E電化學工作站；三電極系統(工作電極為修飾電極(C60/nano-CILE)，輔助電極為Pt絲電極，參比電極為飽和甘汞電極)；IKA KMO2磁力攪拌器。

1.2 修飾電極制備

首先將納米石墨粉與富勒烯C60以一定比例混合并置于瑪瑙研缽中，然后加入1-辛基吡啶六氟磷酸鹽(OPPF6)以1∶1的比例混合研磨均勻，然后將制備好的混合物置于聚四氟乙烯管中，并用電吹風加熱2 min，冷卻到室溫后，在稱量紙上將電極表面打磨光滑，以此種方法制備的電極稱為富勒烯C60/離子液體復合物修飾納米碳糊電極(C60/nano-CILE)。

作為比較，同時制備以下電極：傳統碳糊電極(CPE)由石蠟油與普通石墨粉組成；納米碳糊電極(nano-CPE)是由納米石墨粉與石蠟油混合制成；富勒烯修飾的納米碳糊電極(C60/nano-CPE)是由納米石墨粉、fullerene C60與石蠟油以一定比例在瑪瑙研缽中混合均勻研制而成。

1.3 實驗方法

將三電極系統(工作電極為富勒烯C60/離子液體復合物修飾納米碳糊電極(C60/nano-CILE)，輔助電極為Pt絲電極，參比電極為飽和甘汞電極)和攪拌子置于5 mL 0.1 mol/L pH 7.0的PBS中，然后再向空白溶液中加入一定濃度的莧菜紅溶液，在室溫下，開路電位富集10 s，記錄電位范圍為0.4～1.0 V的方波伏安曲線(SWVs)。每次實驗掃描至少進行3次，以確保實驗的重現性，并且每次測定后都要用超純水沖洗工作電極，以便用于連續測定。

2 結果與討論

2.1 修飾電極的電化學表征

圖1為傳統碳糊電極(CPE)、納米碳糊電極(nano-CPE)、富勒烯修飾的納米碳糊電極(C60/nano-CPE)、富勒烯C60/離子液體復合物修飾的納米碳糊電極(C60/nano-CILE)在1 mmol/L混合探針溶液中的循環伏安圖。

圖1 CPE(a)、nano-CPE(b)、C60/nano-CPE(c)和C60/nano-CILE(d)在含有0.1 mol/L KCl的1 mmol/LFe[(CN)6]3-/4-溶液中的循環伏安圖，掃速50 mV/sFig.1 Cyclic voltammograms of 1 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-containing 0.1 mol/L KCl at CPE(a)，nano-CPE(b)，C60/nano-CPE(c) and C60/nano-CILE(d)，respectively，with a scan rate of 50 mV/s

由圖1可知，，CPE(曲線a)上沒有出現明顯的氧化還原峰；nano-CPE(曲線b)和C60/nano-CPE(曲線c)上氧化還原峰電流均有所增加，且C60/nano-CPE上氧化峰電位差更小。而在C60/nano-CILE(曲線d)上可以觀察到一對峰形很好的氧化還原峰，峰電流顯著增加，且峰電位差進一步減小。結果表明，C60/nano-CILE具有更好的電化學性能，能有效地促進電子轉移，這是由富勒烯較大的比表面積和離子液體的良好導電性共同作用的結果。

2.2 莧菜紅在不同修飾電極上的電化學行為

圖2為20 μmol/L AM在不同電極CPE(a)、nano-CPE(b)、C60/nano-CPE(c)、C60/nano-CILE(d)上的方波伏安圖。

由圖2可知，莧菜紅在不同電極的氧化峰電流：CPE

圖2 20 μmol/L AM在不同電極上CPE(a)、nano-CPE(b)、C60/nano-CPE(c)和C60/nano-CILE(d)上的方波伏安圖Fig.2 SWVs of 20 μmol/L AM at the CPE(a)，nano-CPE(b)，C60/nano-CPE(c) and C60/nano-CILE(d)

2.3 掃速的影響

通過循環伏安法考察了掃描速率對20 μmol/L莧菜紅氧化峰電流的影響，結果見圖3。

圖3 20 μmol/L AM在C60/nano-CILE上不同掃速下的循環伏安圖(A)和AM陽極峰電流與掃速的平方根的線性關系圖(B)Fig.3 Cyclic voltammograms of 20 μmol/L AM at the C60/nano-CILE at different scan rate(A)，and the relationship between the peak currents and square root of scan rates(B)

由圖3可知，在25～300 mV/s范圍內(從內到外掃速分別為：25，50，100，150，200，250，300 mV/s)，氧化峰電流隨著掃描速率的增加而增加。結果表明，氧化峰電流與掃速的平方根呈線性關系，其線性回歸方程為：I(μA)=2.646 0v1/2(mV1/2·s-1/2) -6.186 4(r2=0.990 9)，表明莧菜紅在該修飾電極上的氧化過程為擴散控制的過程。

2.4 分析條件的優化

2.4.1 溶液pH的影響 實驗考察了不同pH的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)對20 μmol/L莧菜紅的電化學響應的影響，結果見圖4。

圖4 20 μmol/L AM在不同pH的0.1 mol/L PBS中的方波伏安圖(A)和pH值對AM峰電位和峰電流的影響(B)Fig.4 SWVs of 20 μmol/L AM in 0.1 mol/L PBS with different pH value(A)，and effects of pH value on the peak current (Ipa) and peak potential (Epa) of AM(B)pH：a～e分別為5，6，7，8，9

由圖4A可知，在富集過程中，當緩沖液pH值從5.0增加到9.0時，莧菜紅峰電位隨著pH的增加而負移，其峰電位與pH的線性方程為：Epa(V)=-0.048pH+1.0472(r2=0.991 2)，斜率為48 mV/pH，結果表明莧菜紅在該修飾電極上的響應過程是一個等質子和等電子參與的過程。由圖4B可知，當緩沖液的 pH值 從5.0增加到7.0時，莧菜紅的峰電流逐漸增加；當緩沖液的pH值為7.0時，莧菜紅的峰電流達到最大值。而當緩沖液pH值從7.0增加到9.0時，莧菜紅的峰電流逐漸減小。因此本實驗選擇0.1 mol/L pH 7.0 PBS作為后續緩沖液。

2.4.2 修飾劑含量的選擇 考察了C60/nano-CILE電極中修飾劑含量(質量分數)不同對電化學響應的影響，結果見圖5。

圖5 不同含量富勒烯C60對20 μmol/L AM峰電流的影響Fig.5 Effect of the amount of fullerene C60 in carbon paste on the oxidation peak current of 20 μmol/L AM

由圖5可知，當修飾劑比例由0增加到7.5%時，莧菜紅氧化峰電流明顯增加，可能是由于適量的富勒烯能有效地增加修飾電極的表面積，使得富集效率提高；當修飾劑比例達到7.5%時，莧菜紅峰電流達到最大值；然而繼續增加修飾劑含量(由7.5%增加到15%時)，由于背景電流增加，反而導致莧菜紅氧化峰電流變化不明顯(稍有減小)。因此，為實現莧菜紅的高靈敏度檢測，實驗選取最佳修飾劑比例為7.5%

2.4.3 富集電位和富集時間 考察了在不同富集電位下，C60/nano-CILE電極上莧菜紅峰電流的變化情況，結果表明，施加富集電位后莧菜紅的氧化峰電流與開路電位富集相比變化不大。同時實驗發現，富集時間為10 s時即可達到很好的效果。因此，本實驗選擇在開路電位條件對莧菜紅進行富集且富集時間為10 s。

2.5 標準曲線

在最優實驗條件下，采用C60/nano-CILE結合方波伏安法對莧菜紅進行了檢測。圖6為不同濃度的莧菜紅在C60/nano-CILE上的方波伏安圖。

圖6 不同濃度的AM在C60/nano-CILE上的方波伏安圖(A)和AM峰電流與濃度的線性關系圖(B)Fig.6 SWVs for different concentrations of AM (A)，and the relationship between the peak currents and the AM concentration in the range of 0.5～20 μmol/L(B)A圖中從下到上AM的濃度分別為0，0.1，0.5，1，2，5，10，20，50，100 μmol/L

由圖6可知，氧化峰電流隨著莧菜紅濃度的增加而增加，且氧化峰電流與莧菜紅的濃度在 0.5～20 μmol/L范圍內呈現較好的線性關系，其線性回歸方程為I(μA)=1.285 5c(μmol/L)+1.558 8(r2=0.990 6)，檢測限為0.1 μmol/L(S/N=3)。當莧菜紅濃度超過20 μmol/L時，峰電流增加不明顯，說明莧菜紅在該修飾電極基本達到飽和狀態。

2.6 重現性研究

本實驗使用6支以相同方法制備的修飾電極在含有20 μmol/L莧菜紅的 0.1 mol/L pH 7.0的PBS中進行檢測，莧菜紅峰電流的相對標準偏差RSD為4.68%；在相同條件下，使用同一支修飾電極對莧菜紅進行6次重復測量，其峰電流的相對標準偏差RSD為3.39%。實驗結果說明，該修飾電極具有良好的重現性。

2.7 干擾研究

2.8 實際樣品檢測

為了驗證本實驗方法在實際樣品中的可行性，將此方法運用于某品牌葡萄味飲料中莧菜紅的檢測。無需對飲料進行預處理，但為使其濃度適應標準曲線范圍，首先用0.1 mol/L pH 7.0的PBS將實際樣品飲料稀釋25倍，再用建立的方法進行檢測，最后進行加標回收率實驗，結果見表1。結果顯示，樣品檢測的加標回收率在 95.0% ～103.2% 之間，說明這種檢測方法可用于實際樣品中莧菜紅的檢測。

表1 C60/nano-CILE測定飲料中的莧菜紅 (n=3①)Table 1 Determination of AM in beverages using C60/nano-CILE

注：①測量3次的平均值；②總量等于檢測值乘以稀釋倍數(×25)。

3 結論

(1)本實驗成功制備了富勒烯C60/離子液體復合物修飾納米碳糊電極(C60/nano-CILE)，構建的傳感器具備良好的電化學性能。

(2)與其他電極相比，莧菜紅在富勒烯C60/離子液體復合物修飾納米碳糊電極上的氧化峰電流明顯增加，說明具有大表面積的富勒烯和高導電性的離子液體對莧菜紅有明顯的增敏作用。

(3)利用方波伏安法進行定量分析，莧菜紅的氧化峰電流和濃度在0.5～20 μmol/L范圍內呈良好的線性關系，檢測限為0.1 μmol/L(S/N=3)。

(4)該修飾電極抗干擾能力強、重現性好，能夠快速、準確、靈敏地檢測莧菜紅，可成功用于飲料等實際樣品的檢測。