介孔碳修飾電極檢測螺螄粉中豆制品的檸檬黃

程昊 ，樊靜靜，劉永逸

1. 廣西柳州螺螄粉工程技術研究中心，廣西糖資源綠色加工重點實驗室，生物與化學工程學院，廣西科技大學（柳州 545006）；2. 柳州市食品藥品檢驗所（柳州 545006）；3. 蔗糖產業省部共建協同創新中心（南寧 530004）

螺螄粉是由柳州特有的米粉和特色配料，用濃郁適度的酸辣味螺螄肉湯調和而成。其配料中，一般加有豆腐條、腐竹等豆制品。由于GB 2760—2014中未規定檸檬黃在豆制品中的最大使用量，少數不法廠家在生產中非法添加[1]。如果人們長期食用檸檬黃含量超標的食品，對腎臟、肝臟產生一定傷害[2]。因此，需要對檸檬黃檢測，傳統方法有質譜法[3]、熒光猝滅法[4]、高效液相色譜法[5-6]、加壓毛細管電色譜法[7]。這些方法具有昂貴、操作麻煩等缺點。近年來，電化學法因其靈敏度高、響應快等特點而被廣泛關注。

介孔碳材料因具有較高的比表面積及良好導電性等特性，在吸附與分離、電分析修飾電極等領域具有廣闊的應用前景[8-12]。用于制備介孔碳材料的碳源主要為昂貴的石化原料如苯酚和己二酚，不僅增加成本和能量消耗，而且含有一定毒性[13]。隨著研究深入，以可再生材料中的環境友好型天然糖作為碳源合成介孔碳材料越來越受歡迎，如Luo等[14]以麥芽糖為碳源，制備介孔碳材料。

試驗以阿拉伯糖為碳源，SBA-15為模板劑，制備介孔碳材料，使用BET、XRD、TEM、SEM和XPS 對材料進行表征。利用滴涂法制備基于介孔碳修飾電極，構建一種簡便、快速、靈敏的測定檸檬黃的電化學方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

RST系列電化學工作站（鄭州世瑞思儀器科技有限公司），采用三電極系統：飽和甘汞電極（參比電極），鉑絲電極（對電極），玻碳電極（工作電極）。

SEM（日本日立公司）；TEM（美國FEI公司）；XPS（美國賽默飛世爾科技公司）；BET（美國麥克儀器公司）；XRD（日本理學）。

檸檬黃（HPLC≥98%，上海源葉生物有限公司）；Nafion（上海河森電氣有限公司）；磷酸二氫鈉、十二水合磷酸氫二鈉、異丙醇、氯化鉀、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀三水合物（西隴科學股份有限公司）；介孔硅（SBA-15）；試驗所用試劑均為分析純；試驗用水均為超純水。

1.2 試驗步驟

1.2.1 材料制備

介孔碳材料的制備：（1）初步碳化。以阿拉伯糖為碳源，SBA-15為模板，加入硫酸，在90 ℃左右將水分蒸發，在160 ℃的烘箱中放置6 h，完成初步碳化。（2）二次碳化。將（1）中所得到的產物溶于水中，加入碳源和硫酸，重復（1）中的操作，完成二次碳化。（3）在惰性氣體的保護下，于900 ℃保持4 h，完成整個碳化過程。得到的二氧化硅/碳復合產物用5%的HF溶液除去二氧化硅，得到介孔碳（CMK-3）[15]。

1.2.2 材料表征

采用SEM確定樣品的形貌及排列情況；采用TEM確定樣品的形貌和結構；采用XRD分析樣品的晶態和結構；采用BET測定樣品的比表面積、孔容及孔徑；采用XPS確定樣品的元素形態。

1.2.3 修飾電極的制備

將玻碳電極依次用0.3 μm、0.05 μm Al2O3粉末在麂皮上拋光打磨，按照超純水、乙醇、超純水的順序各超聲清洗10 s，用三電極系統，用電化學工作站循環伏安法測得電極的電位差在64～80 mV范圍內，用N2吹干，作為待修飾玻碳電極。

介孔碳懸濁液的制備：稱2.0 mg CMK-3粉末分散于1 mL含有0.05% wt Nafion的超純水-異丙醇（4∶1，V/V）混合液中，用超聲儀超聲混合30 min得到2.0 mg/mL的CMK-3懸浮液。

取7 μL上述制得的CMK-3懸浮液滴涂于處理好的裸玻碳電極表面，靜置干燥，即得試驗所用的CMK-3修飾電極，記作CMK-3/GCE。

1.2.4 檸檬黃標準溶液的制備

534 mg/L檸檬黃標準溶液：準確稱取13.36 mg的檸檬黃，定容于25 mL的棕色容量瓶中，超聲波除氣后得到534 mg/L的檸檬黃標準溶液。取1 mL 534 mg/L的檸檬黃標準溶液，定容于10 mL的容量瓶中，得到53.4 mg/L的檸檬黃溶液，兩瓶溶液均放置在冰箱備用。

1.2.5 電化學方法

將534 mg/L的檸檬黃標準溶液加入到10 mL磷酸鹽緩沖溶液中，將三電極系統插入此溶液，以0.06 V/s的掃描速率，采用循環伏安掃描法進行測定。

2 結果與討論

2.1 CMK-3材料的表征

圖1（a）～（d）分別表示裸電極、Nafion/CMK-3復合膜電極、CMK-3的SEM圖，CMK-3的TEM圖。由圖1（a）可見，裸電極表面光滑。由圖1（b）可見，CMK-3在電極表面形成一層致密的聚合膜，說明CMK-3已成功附著于電極表面。圖1（c）采用SEM表征分析CMK-3材料的形貌及排列情況，如圖1（c）所示，可以觀察到材料為有序排列的棒狀，說明模板劑SBA-15經過高溫碳化和除硅后也能保持有序的棒狀排列結構。圖1（d）是CMK-3的TEM圖，可以分析CMK-3材料的形貌和結構，由圖1（d）可以觀察到CMK-3材料的孔道結構排列的有序性，這些孔道結構是去除SBA-15模板留下的介孔孔道，從而形成CMK-3的介孔微觀結構。圖1（d）也可以觀察到大片排列整齊的條紋狀結構，從而進一步說明CMK-3是有序排列的材料。

圖1 裸電極（a）、Nafion/CMK-3復合膜電極（b）、CMK-3的SEM（c）、CMK-3的TEM圖（d）

為進一步研究CMK-3材料的孔道結構，采用N2吸/脫附技術分析CMK-3材料的比表面積、孔徑大小及分布。從圖2可以觀察到CMK-3材料的等溫線屬于典型的Ⅳ型等溫線，在高N2相對壓強下，形成明顯的H1 型滯后環[16-17]，這與介孔碳材料的特性一致。CMK-3材料的BJH孔徑分布圖中（見圖2插圖），可以觀察到CMK-3材料孔徑大小較為均一，且分布狹窄，主要分布在5 nm左右，比表面積為1237.59 m2/g，總孔容為1.63 cm3/g，進一步表明制備的CMK-3材料是介孔材料。

圖2 CMK-3的 N2吸/脫附等溫線和BJH孔徑分布圖

圖3為CMK-3的廣角XRD譜圖，可以觀察到在2θ=23°和2θ=43°處有2個較寬的衍射峰，分別對應于無定型碳的（002）和（100）晶格面，表明CMK-3材料為無定型碳材料。

圖3 CMK-3的XRD圖譜

XPS是一種用于表征材料中的元素組成和離子狀態的分析方法，圖4（a）為CMK-3的XPS的全譜圖，顯示2個特征峰C1s（95.37at.%）和O1s（4.16at.%）分別位于結合能為284.5和531.3 eV處[18]。從圖4（b）中可以觀察到C1s能譜主要由283.7，284.9和288.6 eV處的3個峰結合而成，依次與C＝C，C—C，C＝O的結合能相對應[19]。從圖4（c）中可以觀察到O1s能譜主要由532.5，533.8和534.7 eV處的3個峰結合而成，依次與C＝O，C—O，H2O的結合能相對應。印證在高溫煅燒以及HF刻蝕下C和O之間形成化學鍵，表明材料主要由C和O這2種元素組成。

圖4 CMK-3的色譜圖

2.2 檸檬黃在CMK-3/GCE上的電化學行為

為研究修飾電極對檸檬黃的電化學行為，將CMK-3/GCE和裸電極在含有5.34 mg/L檸檬黃的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液（pH 4.0）中進行循環伏安法檢測。如圖5所示，相比于裸電極，CMK-3/GCE對檸檬黃的電流響應明顯提高，這是由于CMK-3具有較大的比表面積和豐富的孔結構，CMK-3作為修飾材料，較大的比表面積和孔結構可為電化學反應提供更多的活性位點，能增大電極對檸檬黃的電流響應，更利于電子之間的傳遞，且在修飾電極上的反應具有可逆性。

圖5 相同濃度下檸檬黃在GCE和CMK-3/GCE的循環伏安曲線

2.3 試驗條件優化

為獲得最佳試驗條件，采用循環伏安法考察修飾劑用量、緩沖溶液pH和掃描速率對氧化峰電流值的影響。

考察CMK-3修飾劑的用量對檸檬黃的氧化峰電流的影響。如圖6（a）所示，在2～7 μL范圍內，氧化峰電流逐漸增大，修飾劑用量大于7 μL時，氧化峰電流逐漸降低。可能是修飾劑用量的增加，有效面積增大，故氧化峰電流增大。當電極表面的修飾劑用量增大到一定量時，隨著修飾劑的繼續增大，電極表面修飾膜層增厚，使電極的電阻增大，阻礙檸檬黃與電極之間的電子轉移，導電性下降。因此，修飾劑用量為7 μL最佳。

考察PBS緩沖溶液在pH 3.5～6.0范圍內對檸檬黃的氧化峰電流的影響。如圖6（b）所示，在pH 3.5～4.0范圍內，氧化峰電流逐漸增大，pH大于4.0時，氧化峰電流則逐漸降低。因此pH 4.0最佳。

考察不同掃描速率對檸檬黃在介孔碳修飾電極上循環伏安曲線的影響，結果如圖6（c）所示，掃描速率在0.01～0.1 V/s范圍內氧化峰電流的變化，檸檬黃的氧化峰電流與掃描速率呈線性關系，線性方程為I=476.7807V-0.1414，線性關系為R2=0.9954。說明檸檬黃在CMK-3/GCE電極表面的氧化是受吸附控制過程。試驗結果表明，提高掃描速率有利于提高檸檬黃的氧化峰電流，當掃描速率過高時，電流過大不利于峰電流的測定，掃描速率0.06 V/s時，信噪比最好，故試驗選擇掃描速率為0.06 V/s。

圖6 修飾劑用量與峰電流值的大小關系（a）、pH與峰電流值的大小關系（b）和不同掃描速率的檸檬黃循環伏安曲線及與電流值的線性圖（c）

2.4 重現性和穩定性

為研究修飾電極的重現性，用同樣的方法同時制備10根CMK-3修飾的玻碳電極，并在磷酸鹽緩沖液（pH 4.0）加入5.34 mg/L檸檬黃溶液進行檢測比較，其相對標準偏差為1.62%。結果表明，該修飾電極具有良好的重現性。修飾電極的重復性是通過用一根修飾電極在上述溶液中進行10次重復檢測，其相對標準偏差為1.67%，表明修飾電極也具有良好的重復性。

2.5 標準曲線和檢出限

如圖7所示，在試驗優化的條件下，對檸檬黃標準溶液系列進行測定，結果表明，檸檬黃的質量濃度在5.34×10-4～5.34 mg/L范圍內與氧化峰電流呈線性關系，線性回歸方程I=1.6503c+13.7022，相關系數為R2=0.9982。檢出限（S/N=3）為1.42×10-4mg/L。

圖7 檸檬黃的標準曲線

2.6 回收試驗

為評價該方法在檢測實際樣品中的應用，利用修飾電極對腐竹中檸檬黃的含量進行電化學檢測。將樣品粉碎，稱取2.00 g置于50 mL離心管中，加入30 mL提取液（V乙醇∶V氨水∶V水=7∶2∶1），以3000 r/min轉速離心15 min，倒出上清液，用20 mL的提取液再提取1次，合并上清液倒入蒸發皿中，水浴蒸發至約2 mL，轉移至10 mL容量瓶中并用超純水定容，搖勻后，置于離心管中，以12000 r/min高速離心10 min，上清液直接測。在最佳條件下檢測，所得結果的SRSD為4.13%，之后進行加標回收試驗，所得結果如表1所示，回收率在97.38%～104.45%之間，表明提供的方法可用于螺螄粉中腐竹的檢測。

表1 腐竹樣品中檸檬黃的測定（n=6）

2.7 干擾試驗

如圖8所示，在最佳條件下，利用循環伏安法探究常見干擾物對檢測0.534 mg/L檸檬黃的影響，相對測量誤差控制在±5%以內。試驗結果表明5倍的NH4+，10倍的Mg2+、SO42-、K+、Cl-，20倍的CO32-、葡萄糖，50倍的蔗糖對測定不產生干擾。故所制備的CMK-3/GCE的抗干擾能力和選擇性較好。

圖8 各干擾物質對測定檸檬黃的影響

3 結論

以阿拉伯糖作為碳源，通過硬模板法合成有序介孔碳材料，采用滴涂法將有序介孔碳材料固定在玻碳電極表面，制備了能檢測檸檬黃的電化學傳感器。結果表明，經過化學修飾后電極對檸檬黃具有良好的吸附富集作用。將該電化學傳感器成功用于螺螄粉中豆制品的檸檬黃的測定，檢出限為1.42×10-4mg/L。該方法制備的傳感器操作簡單，具有良好的穩定性、重復性和抗干擾能力，為檸檬黃的檢測提供新方法。