基于BiOCl-MWCNT/GCE檢測食品中痕量Zn (Ⅱ)

孫仲偉 ，黃迪惠，陳錦陽，葉瑞洪，陳盛

1.福建師范大學生命科學學院（福州 350119）；2.福建技術師范學院海洋與生化工程學院，食品軟塑包裝技術福建省高校工程研究中心（福清 350300）

鋅是人體必需微量元素，在人體生長發育過程中發揮著重要作用，日常可以通過食用牡蠣、大豆等富含鋅的食物進行維持機體功能需要[1]。現階段檢測營養品中鋅含量的常用檢測微量鋅的方法有原子吸收光譜（AAS）法、電感耦合等離子質譜（ICPMS）法等[2-3]，這些方法分析快速且準確，但需要昂貴的儀器費用，并且具有操作不便、成本高、耗時長等缺點。相比而言，電化學的示差脈沖陽極溶出伏安（DPASV）法在檢測微量金屬方面，具有靈敏度高、耗時短、易操作、價格便宜等優點[4]，因此越來越受到食品檢測人員關注。

鉍電極有著優異的電催化性能，可同時檢測鎘、鉛、鋅等多種微量金屬，對溶解氧不敏感，還有著無毒的性質，可用于替代傳統的汞電極[5-6]。Keawkim等[7]先在絲網印刷電極表面修飾一層冠醚/Nafion復合材料，通過電沉積的方法，將Bi(Ⅲ)沉積在絲網印刷電極表面，制備鉍膜修飾電極，應用于同時檢測大米樣品中Pb(Ⅲ)、Cd(Ⅲ)含量，具有良好的重現性和穩定性。Jothimuthu等[8]、Torma等[9]先將含0.5%的Nafion和0.1%的2,2’-聯吡啶（Bpy）的修飾涂在玻碳電極的表面上，并在含有Bi的溶液中進行電沉積，制備鉍膜修飾電極，可同時檢測Zn(Ⅲ)、Cd(Ⅲ)和Pb(Ⅲ)含量，并使用ICP-MS技術對其結果進行了驗證。

多壁碳納米管在進行功能處理后，有著其獨特的導電性、大的表面積和對某些目標分析物的高親和力，而被廣泛用作電極修飾材料[10-12]。Cerovac等[13]采用原位合成的方法制備BiOCl-MWCNT復合材料，并用于修飾玻碳電極，可同時檢測沉積物孔隙水中的鉛離子和鉻離子，檢測結果與通過石墨爐原子吸收光譜測定結果相同。試驗將通過制備BiOCl-MWCNT復合材料，并將其制備成BiOCl-MWCNT/GCE電化學傳感器，用于檢測食品中微量鋅的含量。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

多壁碳納米管（MWCNT，購自Aladdin）；萘烷全氟化物離子交換樹脂（Nafion，購自Alfa Aesar）；鋅標準溶液（離子溶度為（1 000±1）μg/mL）、鎘標準溶液（離子溶度為（1 000±1）μg/mL），購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心；氯化鉍（BiCl3）、鹽酸羥氨（NH2OH·HCl）、無水乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、0.1 mol/L醋酸鹽緩沖溶液由冰醋酸、三水合乙酸鈉組成，均購自國藥集團化學試劑有限公司；試劑均是分析純等級，使用前未經提純；溶液使用的超純水由超純水純化系統（Milli-Q MillIpore，電阻18.2 MΩ·cm）制備。

電化學工作站，CHI660D，上海辰華儀器公司，采用三電極系統，玻碳電極（GCE）為工作電極，鉑電極（上海辰華儀器公司）為對電極，飽和甘汞電極（上海辰華儀器公司）為參比電極；精密pH計，PHS-3C，上海虹益儀器儀表有限公司；電恒溫鼓風干燥箱，GZX-GF101-3-BS-Ⅱ，上海躍進理療機械有限公司。

1.2 修飾電極的制備

對文獻[13-14]中的方法進行改進，制備BiOCl-MWCNT復合材料。在三口燒瓶內裝有多壁碳納米管，加入適量的濃硝酸，在90 ℃恒溫反應4～5 h，洗滌、過濾、烘干，收集MWCNT-COOH納米材料。分別稱取20 mg BiCl3、16.4 mg MWNCTs，使用10 mL DMF（含100 μL 5% Nafion）超聲分散，并在攪拌狀態下滴加250 μL 1.8 mol/L鹽酸羥氨溶液，持續攪拌10 min，隨后分別用無水乙醇、丙酮對樣品進行離心、洗滌，烘干即可制得BiOCl-MWCNT復合材料。稱取5 mg復合材料，用5 mL DMF溶液（含10 μL 5% Nafion）超聲分散，制得BiOCl-MWCNT復合材料修飾液。以同樣的方法，在沒有加入MWCNTs的條件下，制備BiOCl材料修飾液，以此作為試驗對照組。

將玻碳電極在0.3 μm、0.05 μm的拋光粉打磨、超純水洗滌、乙醇超聲后，室溫下晾干。在玻碳電極表面滴涂6 μL MWCNTs材料修飾液，恒溫干燥30 min，制得MWCNTs材料修飾電極。按照同樣的方法，制備BiOCl-MWCNT復合材料修飾電極、BiOCl材料修飾電極。

1.3 電化學檢測

在含有5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中，采用循環伏安（CV）法和阻抗（EIS）法，進行電化學表征。在由BiOCl-MWCNT/GCE為工作電極、飽和甘汞電極為參比電極、鉑電極為輔助電極組成的三電極系統，在0.1 mol/L醋酸鹽緩沖液中，基于示差脈沖陽極溶出伏安（DPASV）法檢測Zn(II)濃度。富集電壓-1.40 V，富集時間120 s。所有電化學操作均在室溫下進行。

2 結果與討論

2.1 修飾電極的電化學表征

圖1（A）為鐵氰化鉀溶液中GCE、MWCNTs/GCE、BiOCl/GCE、BiOCl-MWCNT/GCE的循環伏安曲線。與GCE相比，BiOCl/GCE表面的氧化還原峰電流明顯下降，表明BiOCl存在嚴重的阻礙作用；而MWCNTs/GCE表面的氧化還原峰電流明顯增強，這是由于MWCNTs有著大的比表面積與良好的導電性與電催化活性；BiOCl-MWCNT/GCE表面的氧化還原峰電流進一步增強，這是由于原位生成的BiOCl-MWCNT存在著協同作用，使其導電性明顯增強，電催化效果顯著提高。這個結論可由EIS阻抗測量證實。圖1（B）是GCE、MWCNTs/GCE、BiOCl/GCE、BiOCl-MWCNT/GCE的EIS圖。GCE表現出較高的阻抗；與GCE的阻抗相比，BiOCl/GCE的阻抗明顯增加，這是由于BiOCl阻礙電子的轉移；MWCNTs/GCE的阻抗明顯降低，這是由于MWCNTs的良好導電性、電催化活性；BiOCl-MWCNT/GCE阻抗最低，這是由于BiOCl-MWCNT復合材料之間的協同作用增強了電子轉移速度。因此，選擇BiOCl-MWCNT/GCE進行下一步試驗。

圖1 GCE（a）、MWCNTs/GCE（b）、BiOCl/GCE（c）、BiOCl-MWCNT/GCE（d）在含有5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol/L KCl中的循環伏安圖（A）和奈奎斯特圖（B）

2.2 可行性分析

如圖2所示，使用BiOCl-MWCNT/GCE檢測空白溶液的曲線e未出現Zn(Ⅱ)溶出峰，檢測含有Zn(Ⅱ)的緩沖液溶液的曲線d出現明顯Zn(Ⅱ)溶出峰；Zn(Ⅱ)在GCE（a）上的溶出峰非常小；MWCNTs存在著較大的比表面積以及電催化活性，使Zn(Ⅱ)溶出峰電流增強（b）；由于鉍表面與金屬易形成合金，BiOCl/GCE的靈敏度明顯提高（c）；BiOCl-MWCNT/GCE檢測Zn(Ⅱ)的溶出峰電流（d）明顯最高，可以歸因于MWCNTs有著大的比表面積，通過原位生成的BiOCl可能鑲嵌在MWCNT表面以及空隙中，MWCNTs與BiOCl的協同作用提高其對Zn(Ⅱ)的親和力，有益于吸附大量鋅離子。因此，BiOCl-MWCNT/GCE可以用于高靈敏度檢測Zn(Ⅱ)。

2.3 涂層優化

修飾電極表面的修飾量是電化學響應的重要影響因素。試驗中滴涂6 μL/層BiOCl-MWCNT的復合材料，并通過考察滴涂層數來探究修飾量對Zn(Ⅱ)溶出峰電流的影響。如圖3所示，涂層從1層到3層，隨著涂層的增加，Zn(Ⅱ)溶出峰電流逐漸增強；當BiOCl-MWCNT的涂層高于3層時，Zn(Ⅱ)溶出峰電流逐漸下降，可能是由于涂膜厚度的增加，阻礙了Zn(Ⅱ)與電極之間的相互作用。因此，選擇BiOCl-MWCNT在玻碳電極表面滴涂3層為最優涂層數，并用于下一步試驗。

圖2 Zn(Ⅱ)在GCE（a）、MWCNTs/GCE（b）、BiOCl/GCE（c）、BiOCl-MWCNT/GCE（d）的溶出伏安曲線

圖3 Zn(Ⅱ)在BiOCl-MWCNT不同修飾層數（n=5）的溶出峰電流

2.4 檢測條件優化

為獲得Zn(Ⅱ)在BiOCl-MWCNT/GCE表面的最佳伏安響應電流，主要考察緩沖液的種類和pH、富集電位和富集時間。圖4（A）顯示，在相同pH的PBS、BR、NaAc-HAc緩沖液中Zn(Ⅱ)的溶出峰電流柱形圖，與PBS、BR緩沖液中的溶出峰電流相比，在NaAc-HAc緩沖液中Zn(Ⅱ)具有最高的溶出峰電流。因此，后續試驗中選擇NaAc-HAc作為緩沖液。

pH對溶液中各個組分的存在形式及組成有影響，因此進一步探究NaAc-HAc緩沖液的pH對Zn(Ⅱ)的影響。圖4（B）顯示pH與Zn(Ⅱ)溶出峰電流的關系，在pH 3.75～4.50的范圍，隨著pH的升高，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸增強；在pH 4.50～5.25的范圍，隨著pH的升高，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸減弱。這是由于在pH較低的條件下，氫離子在修飾膜表面易被還原，導致Zn(Ⅱ)在修飾膜表面難以發生還原；而在pH太高的條件下，修飾膜表面的Bi(Ⅲ)容易發生水解，從而降低BiOCl-MWCNT/GCE的敏感性[15]。因此，后續試驗中選擇pH 4.50作為醋酸鹽緩沖液pH。

為了考察富集電位在溶出分析試驗中的作用，通過試驗考察富集電位對試驗的影響。富集電位的范圍選擇-1.10～-1.45 V，結果如圖4（C）所示。隨著富集電位的負移，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流逐漸增強；當富集電位負于-1.40 V時，溶出峰電流增長緩慢，并且復合材料修飾電極的重現性降低。因此，后續試驗中選擇-1.40 V作為富集電位。

為了獲得更好的富集效果，探究富集時間的影響。富集時間選擇0～180 s，結果如圖4（D）所示。富集時間從0增加到120 s，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流明顯增強，這表明富集時間的增加有利于Zn(Ⅱ)在修飾膜表面富集；富集時間超過120 s，Zn(Ⅱ)的溶出峰電流增長緩慢，甚至趨于平緩，這表明Zn(Ⅱ)在修飾膜表面的富集已經達到飽和。因此，富集時間120 s即可滿足檢測要求，同時為了減少檢測時間，后續試驗中選擇120 s作為富集時間。

圖4 檢測條件對Zn(Ⅱ)溶出峰電流的影響

2.5 標準工作曲線與檢出限

在優化的試驗條件下，基于示差脈沖陽極溶出伏安法，采用BiOCl-MWCNT/GCE定量分析檢測溶液中的Zn(Ⅱ)濃度。如圖5（A）所示，在Zn(Ⅱ)4.00～660 μg/L質量濃度范圍內，隨著溶液中Zn(Ⅱ)濃度增加，Zn(Ⅱ)溶出峰增強。圖5（B）顯示Zn(Ⅱ)溶出峰電流（ΔI）與質量濃度（μg/L）的線性關系，回歸方程ΔI/μA=1.394 1+0.147 6C（μg/L），R2=0.991 2，基于3倍的信噪比（S/N=3），檢出限為1.25 μg/L。如表1所示，與先前報道的修飾電極檢測Zn(Ⅱ)的方法相比，該方法有著卓越的檢出限以及優異線性檢測范圍。

2.6 抗干擾性

在最優的試驗條件下，探究干擾Zn(Ⅱ)檢測的影響。由于Zn(Ⅱ)的溶出峰電位在-1.2 V附近，Cd(Ⅱ)的溶出峰電位在-0.8 V附近，而且Cd(Ⅱ)經常出現在實際樣品檢測中，有可能影響Zn(Ⅱ)的檢測[21]，因此選擇Cd(Ⅱ)作為干擾物質，探究在Cd(Ⅱ)存在下對Zn(Ⅱ)的檢測的影響。如圖6（A）所示，在含有不同濃度Cd(Ⅱ)（0～2 000 μg/L）的Zn(Ⅱ)（66 μg/L）溶液，比較Zn(Ⅱ)的溶出峰，明顯發現Zn(Ⅱ)與Cd(Ⅱ)的溶出峰分離良好，Zn(Ⅱ)的溶出峰電位在-1.2 V附近，Cd(Ⅱ)在溶出峰電位在-0.8 V附近；如圖6（B）所示，隨著Cd(Ⅱ)濃度的增加，其對Zn(Ⅱ)的檢測沒有明顯影響，即使在Cd(Ⅱ)濃度為2 000 μg/L，其對Zn(Ⅱ)的檢測只存在略微影響。

圖5 （A）不同Zn(Ⅱ)濃度在BiOCl-MWCNT/GCE上的溶出伏安圖；（B）Zn(Ⅱ)的溶出峰電流與濃度的線性關系（n=5）

表1 電化學方法測定Zn(Ⅱ)的分析性能比較

圖6 在含有不同濃度Cd(Ⅱ)的Zn(Ⅱ)溶液，溶出伏安圖（A）與溶出峰電流（B）

2.7 重現性、穩定性

通過5次平行測定66 μg/L Zn(Ⅱ)的溶出峰電流，探究BiOCl-MWCNT/GCE的重現性，其溶出峰電流的相對標準偏差（δRSD）為4.66%，表明該制備的電極具有良好的重現性。為探究所制備電極的穩定性，將BiOCl-MWCNT/GCE在室溫下放置7，14和21 d檢測66 μg/L Zn(Ⅱ)，其溶出峰電流分別降低了3.05%，3.49%和3.63%，可見該制備的電極具有良好的穩定性。

2.8 實際樣品檢測

為了研究基于BiOCl-MWCNT/GCE檢測飲用水中Zn(Ⅱ)含量的準確性，從超市購買了3種類型的飲用水。用0.22 μm膜將飲用水進行過濾，分別加入100，330和460 μg/L Zn(Ⅱ)標準溶液，并用0.1 mol/L pH 4.50 NaAc-HAc緩沖液稀釋、定容，標注樣品Ⅰ、樣品Ⅱ、樣品Ⅲ，在優化的試驗條件下進行樣品中Zn(Ⅱ)濃度檢測。如表2所示，水樣中Zn(Ⅱ)的回收率在94.12%～103.33%之間，δRSD在1.00%～4.40%之間。因此，該方法可用于飲用水中Zn(Ⅱ)含量檢測。同時，探究葡萄糖酸鋅口服溶液的Zn(Ⅱ)含量，并進行試驗。葡萄糖酸鋅口服溶液由藥店購買。移取適量的葡萄糖酸性口服溶液，用0.1 mol/L pH 4.50 NaAc-HAc緩沖液稀釋、定容成50 mL樣品Ⅳ，檢測結果如表3所示。樣品中Zn(Ⅱ)質量濃度為100～102 μg/L，δRSD在1.99%～2.98%之間，計算得出葡萄糖酸鋅口服溶液中Zn(Ⅱ)含量為0.41～0.42 mg/L，接近商品標示的0.5 mg/mL。因此，該方法可用于葡萄糖酸鋅口服溶液中Zn(Ⅱ)含量檢測。

表2 飲用水中Zn(Ⅱ)含量的測定（n=3）

表3 葡萄糖口服溶液中Zn(Ⅱ)含量的測定（n=3）

3 結論

綜上所述，基于原位合成制備BiOCl-MWCNT復合材料修飾玻碳電極，可用于檢測食品中Zn(Ⅱ)含量。在優化的試驗條件下，在Zn(Ⅱ) 4.00～660 μg/L濃度范圍內，溶出峰電流與濃度有良好的線性關系。基于3倍的信噪比（S/N=3），該方法檢測Zn(Ⅱ)的檢出限為1.25 μg/L。使用該方法檢測飲用水中的Zn(Ⅱ)濃度，回收率在94.12%～103.33%之間；葡萄糖口服溶液中Zn(Ⅱ)含量的檢測結果貼近商品標示的含量。因此，BiOCl-MWCNT/GCE電化學傳感器可用于食品中Zn(Ⅱ)含量的檢測。