多壁碳納米管/石墨烯修飾電極檢測飲料中日落黃

李海龍，索習東，喬洪濤，尹愛萍

（忻州師范學院化學系，山西 忻州 034000）

日落黃（sunset yellow，SY）是一種具有特殊性質的偶氮類染色素，同時也是一種常用的色素，在食品和藥物方面均具有增加外觀的著色效果[1-3]。我國GB 2760—2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》規定，日落黃在水果飲料、乳酸菌飲料的最大允許使用量不超過0.10 g/kg。若長期食用含有日落黃的食品，則會出現過敏、腹瀉等嚴重癥狀，且當攝入量超過肝臟負荷時，會對人體造成極大傷害[4]。迄今為止，研究者探究了很多種檢測日落黃含量的方法，包括能消除干擾的雙波長補償計算法[5]、應用范圍比較廣泛的高效液相色譜法[6]、靈敏度比較高的熒光光譜法[7]、操作相對簡便的分光光度法[8]、具有良好選擇性的共振瑞利散射光譜法[9]和電化學法[10-12]等。電化學方法不僅靈敏度高、準確度好，還有儀器設備易得等優點，引起了人們的普遍關注。

石墨烯[13-14]是由碳原子構成、呈六角形狀，并且形成像蜂窩一樣的晶格似的一層薄薄的膜。它擁有十分好的導熱性能、電導性能、透光性能，并且擁有高強度、超輕薄等優良特征，被普遍應用在鋰電池材料、太陽能材料，還被運用在薄膜晶體管的制備、傳感器、半導體器件、復合材料制備等方面[15-16]，并且都取得了較佳的效果。目前，采用電化學方法測定日落黃時，存在電極修飾物易脫落、選擇性不高且檢測過程容易受到干擾等問題。為了解決這些問題，研究者嘗試利用材料的協同效應或者層層組裝的方式修飾電極，制得性能優良的傳感器，極大地提高了電極的抗干擾能力及穩定性[17-18]。

本試驗利用酸性條件下帶正電荷的殼聚糖與帶負電荷的十二烷基苯磺酸鈉的靜電相互作用，將殼聚糖-多壁碳納米管（chitosan-multi-walled carbon nanotubes，CTS-MWCNTs）的分散液修飾在玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE）表面，然后將其在石墨烯-十二烷基苯磺酸鈉（graphene-sodium dodecyl benzene sulfonate，GO-SDBS）復合溶液中浸泡 2 min，制成穩定的殼聚糖-多壁碳納米管/石墨烯-十二烷基苯磺酸鈉復合膜修飾玻碳電極（CTS-MWCNTs/GO-SDBS/GCE）。將這兩種納米材料修飾到電極表面能很好地催化日落黃的氧化還原反應，同時，該修飾電極可用于測定樣品中日落黃，為日落黃的選擇性檢測提供一種快速、準確的新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

多壁碳納米管（98%）：中國科學院成都有機化學有限公司；殼聚糖：Sigma公司；醋酸、醋酸鈉、硝酸鈉、濃硫酸、高錳酸鉀、過氧化氫、十二烷基苯磺酸鈉、日落黃、鹽酸、氫氧化鈉（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。試驗用水為忻州師范學院化學系無機基礎實驗室自備超純水。

1.2 儀器與設備

電子分析天平（FA1004B）：上海精密儀器儀表有限公司；高功率數控超聲波清洗器（KQ-2000KDB）：昆山市超聲儀器有限公司；電化學工作站（CHI760e）：上海辰華儀器有限責任公司；高效液相色譜儀（HPLC-2030）：日本島津公司；場發射掃描電鏡（SU-8010）：日本日立公司；透射電子顯微鏡（Tecnai G2F20）：美國FEI公司；真空干燥箱（DZF-6012）：上海一恒科學儀器有限公司；紅外線快速干燥箱（WS70）：鄭州標和儀器有限公司。

1.3 石墨烯的制備

采用Si等[19]的方法合成氧化石墨烯（oxidized graphene，GO）：準確稱量 3.0g石墨粉、3.0gNaNO3和 138mL H2SO4加入圓底燒瓶中，混合均勻，在冰浴的條件下，邊攪拌邊緩慢加入KMnO418g，攪拌1h后，將溶液升溫到25℃，再慢慢加入100 mL水并將溫度升高至90℃，攪拌30 min。加入300 mL水和100 mL 30%過氧化氫，最后用水反復洗滌、4 000 r/min離心約15次直至中性。把所得濾餅置于烘箱中干燥12 h得到GO，待用。

1.4 CTS-MWCNTs/GO-SDBS/GCE的制備

稱量多壁碳納米管（MWCNTs）粉末1.0 mg，再添加1 mL的殼聚糖（CTS）溶液，超聲分散30 min得到1 mg/mL的CTS-MWCNTs分散液。待用。

用0.05 μm的氧化鋁粉把電極表面打磨光滑，超純水沖洗干凈電極表面，分別在無水乙醇、水中超聲清洗2次，自然風干。然后將6 μL的CTS-MWCNTs分散液滴在玻碳電極表面，用紅外燈將其烘干并冷卻。最后用3 mg/mL的GO-SDBS復合溶液浸泡2 min后，室溫（25℃）下晾干，得到CTS-MWCNTs/GO-SDBS/GCE。將6 μL的CTS-MWCNTs分散液滴在干凈的玻碳電極表面，紅外烘干，冷卻后得到CTS-MWCNTs/GCE；將電極放置在3 mg/mL GO-SDBS復合溶液浸泡2 min后，常溫晾干，得到GO-SDBS/GCE。

1.5 試驗方法

掃描電鏡：將樣品粉末均勻分布在樣品臺的導電膠上，然后推入樣品倉，樣品倉抽真空，在5 kV工作電壓、工作距離8 mm條件下采集樣品掃描電鏡信息。

透射電鏡：將樣品粉末分散在乙醇溶液中進行15 min超聲分散，將分散好的樣品液滴在銅網上面，讓其自然干燥，使樣品分散在銅網上，推入樣品倉，樣品倉抽真空，采用20 kV工作電壓進行透射測試，采集樣品透射電鏡信息。

日落黃電化學行為研究、掃描速率研究等采用循環伏安法（cyclic voltammetry，CV），工作曲線的繪制及樣品分析采用微分脈沖伏安（differential pulse voltammetry，DPV）法。

1.6 數據處理

電化學圖形的繪制及數據處理采用的是origin 8.0軟件，圖形的編輯采用的是Adobe illustrator軟件。

2 結果與分析

2.1 材料的形貌表征

圖1為多壁碳納米管和氧化石墨烯的形貌表征。

圖1 多壁碳納米管的透射電鏡圖和氧化石墨烯的掃描電鏡圖Fig.1 The transmission electron microscopy image of MWCNTs and the scanning electron microscopy image of GO

從圖1a可以看出，多壁碳納米管相互纏繞在一起，大部分外徑在4 nm～6 nm，且多壁碳納米管的純度很高。從圖1b可以看出，氧化石墨烯呈褶皺狀的片層材料，這種特征形貌可以使石墨烯穩定存在。

2.2 日落黃在不同電極上的電化學行為

用循環伏安法研究日落黃在不同電極上的電化學行為，結果見圖2。

圖2 不同修飾電極的循環伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of different modified electrodes

由圖2可知，在裸GCE上日落黃出現了一個氧化峰和一個不明顯的還原峰（a），氧化峰及還原峰的峰電位分別為0.883 V和0.902 V。當電極表面修飾殼聚糖-多壁碳納米管分散液或石墨烯-十二烷基苯磺酸鈉溶液后，氧化峰電流明顯增大，并沒有出現明顯的還原峰（b、c）。將CTS-MWCNTs和GO-SDBS納米材料復合到一起后，出現了峰形較好的氧化還原峰（d）；相比單個修飾材料（CTS-MWCNTs或GO-SDBS），氧化峰電流增加了5倍，還原峰電流增加了40倍，且日落黃在該復合膜修飾電極上展現出了較好的可逆性。說明將兩種納米材料修飾到電極表面能很好地催化日落黃的氧化還原反應，可能原因為兩者的協同效應[20]。

2.3 測定條件優化

2.3.1 緩沖液pH值對峰電流（Ip）和峰電位（Ep）的影響

緩沖溶液不同pH值對峰電流和峰電位的影響見圖3。

圖3 緩沖溶液不同pH值對峰電流和峰電位的影響Fig.3 Effect of pH of buffer solution on Ipand Ep

如圖3所示，試驗選擇0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液作為底液時，Ipa（氧化峰電流）隨著pH值增大而逐漸增大，但當pH值從4.5增大到5.5時，Ipa反而下降。因此選擇HAc-NaAc緩沖溶液的pH值為4.5。如圖3C、圖3D所示，氧化峰（Epa）與還原峰（Epc）的峰電位均隨著pH值的增大而變小的趨勢，說明SY的氧化還原過程有質子參與。得到兩者之間的關系式：Epa=1.241-0.063pH，R2為 0.994 5；Epc=0.970-0.046pH，R2為0.997 0。對于可逆電極過程，依據關系式Ep=Eθ-0.059（m/n）pH，（其中m為質子轉移數，n為電子轉移數），得到m/n=1。表明參與電極反應的質子數與電子數相等。

2.3.2 掃描速率的影響

不同掃描速率下的循環伏安圖見圖4。

從圖4可以看出，在50 mV/s～350 mV/s，Ipc及Ipa均隨著掃描速率的加快而增大。掃描速率與峰電流和峰電位的關系見圖5。

圖5 掃描速率與峰電流和峰電位的關系圖Fig.5 The relations between scan rates and Ipor Ep

由圖5可知，掃描速率與峰電流的關系Ipc=-5.961+1.491v1/2，R2為 0.994 5；Ipa=-6.400+2.341v1/2，R2為 0.999 3。峰電流與v1/2成正比，說明SY在該修飾電極上的反應過程受擴散控制。如圖5c、圖5d所示，Epa隨著掃描速率的加快逐漸正移，而Epc則逐漸負移。得到Epa與掃描速率lnv的關系為Epa=0.993+0.025 lnv，R2為0.995 5；Epc與掃描速率lnv的關系為Epc=0.688-0.045 lnv，R2為0.994 7。

2.4 工作曲線的繪制

在0.2 mol/L pH4.5的HAc-NaAc緩沖溶液中，以日落黃濃度為橫坐標，相應的氧化峰電流值為縱坐標，繪制日落黃（SY）的DPV曲線，具體結果見圖6。

圖6 日落黃的工作曲線Fig.6 The working curve of SY

由圖6B可知，在2.0×10-7mol/L～2.0×10-6mol/L時，日落黃濃度與峰電流呈較好的線性關系：Ip=1.051+1.171c，R2為 0.999 0；當濃度在 2.0×10-6mol/L～4.0×10-5mol/L時，標準工作曲線為Ip=3.421+0.244c，R2為0.995 2。檢測限為1.0×10-7mol/L。試驗結果比許多文獻檢測范圍大[21-22]，表明殼聚糖-多壁碳納米管/石墨烯-十二烷基苯磺酸鈉復合膜具備良好的電催化作用，可以作為檢測日落黃的新方法。

2.5 飲料樣品分析

準確量取100 μL九制陳皮飲料加入到10 mL、0.2 mol/L醋酸醋酸鈉緩沖溶液（pH4.5）中，按照2.4中試驗方法測定待測液的DPV。試驗未檢測出日落黃的含量，說明溶液中日落黃含量低于該方法的檢測限1.0×10-7mol/L（即4.5 mg/kg），即該飲料日落黃含量很低，遠遠小于國標規定的日落黃最大使用量（100.0 mg/kg）。采用標準加入法進行加標回收試驗，結果如表1所示。

表1 飲料中日落黃含量的測定結果（n=5）Table 1 Determination result of SY in beverages（n=5）

由表1可知，回收率在98.5%～102.0%，相對標準偏差在2.4%～4.5%。表明試驗建立的新方法測定樣品中SY的含量具有較高的準確度和精密度。

3 結論

在殼聚糖-多壁碳納米管/石墨烯-十二烷基苯磺酸鈉復合膜修飾玻碳電極（CTS-MWCNTs/GO-SDBS/GCE）上，日落黃的 Ip與其濃度（2.0×10-7mol/L～4.0×10-5mol/L）呈較好的線性關系，檢測限為1.0×10-7mol/L。對飲料中日落黃含量進行測定，取得了較好的效果。