Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs修饰电极伏安法测定食品中的亚硝酸根

郝玉翠

（唐山学院环境与化学工程系，河北 唐山 063000）

亚硝酸盐（NO2－）会使人体正常的血红蛋白氧化而失去携氧能力，还可与各种胺类反应形成强致癌物亚硝胺，导致消化系统癌症的发生［1，2］。近年来，亚硝酸盐作为食品添加剂在食品工业中被广泛应用，因此，检测食品中亚硝酸盐的含量具有重要意义。目前，NO2－检测方法有分光光度法［3］、色谱法［4，5］、流动注射分析［6］等，这些分析方法大多操作复杂，分析速度慢，而化学修饰电极测定NO2－具有成本低、程序简单、响应快速等优点，近年来，成为该领域的研究热点［7－11］。

碳纳米管具有表面积大、导电性强和机械强度高等优点，常被用于负载金属材料。碳纳米管与金属具有协同作用，可提高复合材料的电催化性能［12］。贵金属Pt具有良好的电催化性能，金属Pt与Fe（Ⅲ）的协同作用可以表现出更好的电催化性能［13］。用上述相关材料制备对亚硝酸根具有良好电催化氧化作用的化学修饰电极，利用亚硝酸根氧化峰电流和亚硝酸根浓度在一定范围内呈线性关系的原理，可建立修饰电极测定亚硝酸根的新方法。本研究拟采用物理滴涂法和直接电化学沉积法制备Pt—Fe（III）/多壁碳纳米管修饰玻碳电极（Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE），并研究该修饰电极对NO2－的电催化作用。在此基础上，优化其试验条件，建立用Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE测定 NO2－的新方法，旨在将其用于食品中NO2－含量的测定。

1 材料与方法

1.1 仪器

电化学分析仪：CHI660C型，上海辰华仪器公司；

超声波清洗器：KQ-250DE型，昆山市超声仪器有限公司；

三电极系统（裸玻碳电极为基体工作电极（GCE）、饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂电极为对电极）：上海辰华仪器公司；

X射线衍射仪：UltimaⅣ型，日本理学公司；

场发射扫描电镜：S-4800型，日本日立公司。

1.2 试剂

NaNO2：分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；

FeCl3：分析纯，天津市津东天正精细化学试剂厂；

氯铂酸：分析纯，博欧特（天津）化工贸易有限公司；

不同pH的0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液（PBS）：由浓度均为0.1mol/L的 H3PO4、NaH2PO4和 Na2HPO43种溶液配制而成，并采用0.1mol/L的HCl调节pH。

1.3 Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE的制备

1.3.1 MWCNTs的纯化 将0.1g MWCNTs放入10mL浓HNO3中，加热回流8h，然后将所得MWCNTs悬浊液过滤，并用蒸馏水冲洗所得MWCNTs至滤液为中性。将所得MWCNTs烘干、研磨，备用。

1.3.2 GCE的抛光与清洗 用粒径为0.5μm的Al2O3粉悬浊液将GCE表面抛光成镜面，冲洗干净，再分别用无水乙醇、蒸馏水超声清洗5min，备用。

1.3.3 MWCNTs/GCE 的 制 备 称 取5mg 研 磨 过 的MWCNTs，溶于10mL无水乙醇溶液中，用超声清洗器将MWCNTs乙醇悬浊液超声1h，以使MWCNTs在无水乙醇中分散均匀，然后取20μL分散均匀的MWCNTs乙醇悬浊液，将其滴涂在GCE表面，待乙醇挥发后，即制得 MWCNTs/GCE。

1.3.4 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 的 制 备 将 MWCNTs/GCE浸入0.5mol/L的 H2SO4溶液中，在－0.3～0.8V范围内以100mV/s的扫描速率循环伏安（CV）扫描10圈，使其活化。再将 MWCNTs/GCE 浸入0.5mol/L H2SO4＋1.8mmol/L H2PtCl6＋1.2mmol/L FeCl3的溶液中在－0.3～0.8V范围内以50mV/s的扫描速率CV扫描20圈，使 Pt—Fe（III）电沉积在 MWCNTs/GCE表面，即制得Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE。

1.4 方法

将三电极浸入含NO2－的PBS溶液中，以Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE为工作电极，在0.4～0.9V电位范围内记录NO2－在工作电极上的差分脉冲伏安（DPV）曲线，根据DPV曲线上0.7V处的氧化峰电流进行NO2－的定量分析。

2 结果与讨论

2.1 Pt—Fe（III）的电沉积

Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的电沉积 CV 曲线见图1。由图1可知，在0.3～0.5V时存在一对氧化还原峰a和a＇，这是由Fe3＋/Fe2＋氧化还原电对产生的。在－0.2～0 V时的氧化还原峰b和b＇是Pt的特征峰，这些峰是由吸附氢的电化学氧化与还原反应产生的。吸附氢氧化还原峰的形状、数目和大小是由暴露Pt的晶面、电极的预处理方法、溶液中所含杂质以及支持电解质性质等因素决定的［14］。随着CV扫描圈数的增加，CV曲线上氧化还原峰电流不断增大，表明不断有Pt微粒和Fe（III）的氧化物沉积在工作电极上。

图1 Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的电沉积CV曲线Figure 1 Cyclic voltammogram for electrodeposition of Pt—Fe（III）on MWCNTs/GCE

2.2 Pt－Fe（III）/MWCNTs的表征

为研究电极修饰材料的成分和表面形貌，采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对电极修饰材料进行了表征，见图2、3。

图2 MWCNTs和Pt—Fe（III）/MWCNTs的XRD图Figure 2 The XRD patterns of MWCNTs and Pt—Fe（III）/MWCNTs

图3 Pt—Fe（III）/MWCNTs的SEM 图Figure 3 The SEM imagine of Pt—Fe（III）/MWCNTs

由图2可知：MWCNTs和Pt—Fe（III）/MWCNTs在2θ为26°和43°时，均出现了明显的衍射峰，对应的分别是石墨（002）和石墨（100）产生的晶面衍射峰，Pt—Fe（III）/MWC-NTs的XRD图谱上产生的另外4个衍射峰和Pt（JCPDS 04-0802）的谱图一致，在40，46，67，81°的衍射峰与Pt（111）、Pt（200）、Pt（220）和Pt（311）晶面的特征衍射峰一一对应，说明Pt具有面心立方晶体结构，利用Sherrer公式和Pt（220）的衍射峰半峰宽，计算出Pt的平均粒径为3nm。在XRD图谱中，没有发现Fe（III）的衍射峰，表明Fe（III）是以非晶态存在，其中 Fe（III）是以Fe2O3和FeOOH 形式存在［13］。

由图3可知：MWNTs的管径大约为40～50nm，MWNTs上分散的大部分纳米粒子粒径约为40～60nm；这些纳米粒子都具有网状结构，可能是由于Fe（III）氧化物的Fe—O—Fe键产生的网状结构将Pt纳米粒子分割成粒径为3nm的纳米粒子。

2.3 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE对 NO2－的电催化作用

将Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE分别在空白 PBS和含0.8mmol/L NO2－的PBS溶液中进行DPV扫描，所得DPV曲线见图4。由图4可知：0.8mmol/L NO2－＋0.1mol/L PBS曲线在0.7V处产生了明显的氧化峰，说明NO2－在Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE上发生了明显的氧化反应，该氧化峰对应的是NO2－氧化为NO3－的氧化反应，其可能的反应机理：

NO2－＋ H2O→ NO3－＋2H＋＋2e－

图4 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE在0.1mol/L PBS（pH＝3）中的DPV曲线Figure 4 Differential pulse voltammograms of Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE in PBS at pH＝3

将 GCE、MWCNTs/GCE 和 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 3种工作电极分别在空白PBS和含0.8mmol/L NO2－的PBS中进行DPV扫描，所得DPV曲线见图5。由图5可知：GCE曲线没有明显的氧化峰，MWCNTs/GCE和Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE曲线在0.7V附近都出现了明显的氧化峰，但Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE曲线的氧化峰电流最大，说明GCE对NO2－电催化作用不明显，MWCNTs/GCE和Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE均对NO2－产生了明显的电催化作用，但Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE对 NO2－的电催化作用最强。这是由于MWCNTs使电沉积在电极上的Pt粒子更加分散［15］，且Pt粒子和Fe（III）的协同作用，使得修饰电极表面积变大，活性位点增多，从而提高了修饰电极对NO2－的电催化性能。

图5 不同工作电极在0.8mmol/L NO2－＋0.1mol/L PBS（pH＝3）中的DPV曲线Figure 5 Differential pulse voltammograms of different electrodes in 0.1mol/L PBS containing 0.8mmol/L nitrite at pH＝3

2.4 MWCNTs修饰量对测定的影响

试验研究了 MWCNTs修饰量在0～30μL变化时，NO2－在Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE上氧化峰电流的变化见图6。结果表明：当MWCNTs用量在0～20μL变化时，氧化峰电流随着MWCNTs用量的增加而增加，这是因为随MWCNTs修饰量的逐渐增加，电极表面催化活性位点增多，导致氧化电流增加，但是当MWCNTs修饰量超过20μL后，氧化峰电流随MWCNTs修饰量的逐渐增加而降低，这是由于电极表面MWCNTs修饰层厚度过大，阻碍了NO2－与电极的电子交换。因此，以20μL作为MWCNTs的最佳用量来制备Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE。

图6 MWCNTs用量对亚硝酸根氧化峰电流的影响Figure 6 The effect of the amount of MWCNTs on oxidation peak current of nitrite

2.5 Pt—Fe（III）电沉积圈数对测定的影响

试验研究了Pt—Fe（III）电沉积圈数对NO2－在Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE上的氧化峰电流的影响。将 MWCNTs/GCE在0.5mol/L H2SO4＋1.8mmol/L H2PtCl6＋1.2mmol/L FeCl3溶液中CV扫描0～50圈，制得不同Pt—Fe（Ⅲ）负载量的修饰电极，分别用不同Pt—Fe（III）负载量修饰电极为工作电极测定同浓度NO2－的氧化峰电流，见图7。结果表明，当Pt—Fe（III）电沉积圈数在0～20变化时，NO2－的氧化峰电流随着电沉积圈数的增大而增大，当电沉积圈数超过20时，NO2－的氧化峰电流不再随着电沉积圈数的增加而显著增大。这可能是由于Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的负载量趋近于饱和，兼顾修饰电极制备方法的简捷性和测定NO2－的灵敏度，选择电沉积20圈作为Pt—Fe（III）最佳负载量。

图7 Pt—Fe（Ⅲ）的电沉积圈数对亚硝酸根氧化峰电流的影响Figure 7 The effect of the electrodepositon circles of Pt—Fe（Ⅲ）on oxidation peak current of nitrite

2.6 pH值对测定的影响

试验研究了PBS的pH值在1～6变化时，8mmol/L NO2－氧化峰电流的变化，见图8。结果表明，NO2－的氧化峰电流随着PBS的pH值增大而减小，当选用pH值为3的PBS作为底液时，NO2－的氧化峰电流较大，背景电流较小，峰形最好，因此，选用pH值为3的PBS作为底液。

图8 pH对亚硝酸根氧化峰电流的影响Figure 8 The effect of pH on oxidation peak current of nitrite

2.7 线性范围和检测限

采用上述优化条件，以 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE为工作电极，建立DPV法测定NO2－的新方法，NO2－在0.7V处产生的氧化峰电流ip（μA）与其浓度c（μmol/L）在3.0×10－7～2.0×10－3mol/L范围内呈良好的线性关系，见图9、10，线性回归方程为：ip＝0.026 3c＋0.512，相关系数r＝0.999 3，检测限为1.0×10－7mol/L。

图9 0.1mol/L PBS（pH＝3）中不同浓度 NO2－在Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE上的 DPV曲线Figure 9 Differential pulse voltammograms of Pt/MWCNTs/GCE in 0.1mol/L PBS（pH＝3）

图10 亚硝酸根氧化峰电流与其浓度的线性关系Figure 10 The linear relationship between oxidation peak current of nitrite and concentration of nitrite

2.8 干扰试验

试验研究了Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE对NO2－的选择性，见表1。结果表明，在不超过±5%的误差范围内，固定NO2－的 浓 度 为 0.8mmol/L，50 倍 的 K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42－、PO43－、SO32－和 NO3－等常见离子对测定不产生干扰，表明Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE对 NO2－具有较好的选择性。

表1 常见离子对亚硝酸根测定的影响Table 1 Effect of common ions on the nitrite determination

2.9 电极的重现性与稳定性

用同一支Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE对0.8mmol/L NO2－溶液平行测定8次，其峰电流值的相对标准偏差（RSD）为2.9%。将使用后的 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE清洗后，封好保存1周，其对NO2－的响应电流值为最初响应电流值的92%，说明Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE具有较好的重现性和稳定性。

2.10 样品的检测及加标回收试验

采用GB 5009.33—2010《食品安全国家标准 食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》的方法对市售的3种香肠样品进行预处理，用Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE测定香肠中的亚硝酸根含量，并做加标回收试验，同时，用GB 5009.33—2010中的分光光度法测定香肠样品中亚硝酸根含量，结果见表2。由表2可知，Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE测定 NO2－的加标回收率为98.1%～102%，与分光光度法测定的结果基本一致，方法准确度较高。

表2 样品的加标回收率Table 2 The recovery rate of the samples（n＝5）

3 结论

本试验采用物理滴涂法和直接电化学沉积法制得的Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE对 NO2－具有良好的电催化氧化性能，Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 可用于测定 3.0×10－7～2.0×10－3mol/L浓度范围内的 NO2－，检测限为1.0×10－7mol/L。该电化学分析方法具有成本低、操作简便、响应快速、灵敏度高等优点，可用于检测食品中NO2－的含量。

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