氮掺杂石墨烯修饰丝网印刷电极测量油脂氧化诱导时间

王巍巍，朱振中，向思敏

(江南大学 化学与材料工程学院，江苏 无锡 214122)

植物油不仅可以作为加工食品和烹饪的原料,也被广泛地应用于制药、日化用品和生物柴油等领域[1-2]。但植物油在储藏和使用的过程中，其含有的不饱和脂肪酸在受热、光照和氧气等条件下易发生氧化反应，产生氢过氧化物并进而分解为醛、酮、酸等小分子，使油品品质下降[3]。因此，测量并获取油脂氧化稳定性的信息显得十分重要，而氧化诱导时间是评价油脂氧化稳定性的常用指标[4]。目前，评价油脂氧化稳定性的方法主要有比色法[5]、滴定法[6]、电导法[7]和电化学法[8]等。电导法的原理是将油脂氧化过程中产生的挥发性组分溶于水，进而改变溶液的电导率，测量的仅是挥发性组分，灵敏度不够理想；比色法、滴定法操作流程复杂,且灵敏度和准确度均有待改善；电化学法具有灵敏度高、响应快和易于在线检测等优点。但除电导法外，这些方法均要使用大量的有机试剂，易对环境造成污染。为此，耿佳佳等[9]采用油水先混合再分离的方法，通过测量分离后水相的阻抗值测量了油脂氧化诱导时间。但由于油脂氧化产物较复杂，而只有极性氧化产物才能进入水相，因此测量的准确度和灵敏度均不够理想。

碳纳米管和石墨烯都有较高的导电性能和电子传输能力[10-11]。氮掺杂石墨烯改变了石墨烯的结构，大大提高了石墨烯的自由载流子密度、导电性和稳定性[12]。且氮掺杂石墨烯含有丰富的吡啶型氮，能够与植物油中脂质氢过氧化物形成氢键[13]，从而能更灵敏地检测植物油的阻抗值及其变化。丝网印刷电极具有制作成本低、制作简单易裁剪，重现性好且易于现场即时检测等优点，在重金属离子检测和生物分子检测等方面得到了应用[14-15]。

本文构建了一种新型油脂氧化诱导时间测量体系，先选用适宜的萃取剂与油充分混合，使油脂氧化产物中的极性和弱极性物质有效地进入萃取相，用氮掺杂石墨烯(NRG)修饰丝网印刷电极测量分离后萃取相的阻抗值及其变化，从而灵敏准确地测量植物油的氧化诱导时间。

1 材料与方法

1.1 实验材料

天然鳞片石墨粉(含碳量99.9%，青岛莱西市南墅发达石墨公司)，多壁碳纳米管(纯度大于95%，上海达瑞化学品有限公司)，壳聚糖(脱乙酰度98%，山东奥康生物有限公司)，三聚氰胺(分析纯，阿拉丁化学试剂有限公司)，导电银浆(上海宝银电子材料有限公司)，印刷基板(明尼苏达矿业制造上海国际贸易有限公司)，橄榄油(上海家化联合股份有限公司)，N2(纯度99.9%，无锡新南化学气体有限公司)，实验用水均为超纯水，其他试剂均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。

CHI 660E型电化学工作站(上海辰华仪器公司)，高速台式离心机(上海安亭科学仪器厂)，KQ218超声波清洗器(昆山市超声仪器厂)，AR1530电子天平(上海奥豪斯仪器公司)，参比电极为甘汞电极(SCE，上海仪器厂)，BT100-2J蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 多壁碳纳米管前处理

称取适量多壁碳纳米管于100 mL烧杯中，加入混合酸(V浓硝酸∶V浓硫酸=1∶3)超声4 h后离心分离，水洗至中性，在红外烘箱中烘干。

1.2.2 氧化石墨烯的制备

参照文献[16-17]制备氧化石墨，再将所得氧化石墨用水超声分散约5 h，静置后取上层液离心分离，60℃下真空干燥，即得氧化石墨烯(GO)。

1.2.3 氮掺杂石墨烯的制备

将0.26 g三聚氰胺溶于50 mL甲醇中，加入0.6 g氧化石墨烯，超声分散均匀后置于水热反应釜中150℃反应12 h，再将反应产物置于管式炉中750℃下煅烧4 h(N2气氛)，室温自然冷却后研磨，即得氮掺杂石墨烯(NRG)。

1.2.4 氮掺杂石墨烯修饰丝网印刷电极的制备

1.2.4.1 导电碳浆制作

将一定量的鳞片石墨粉(或鳞片石墨粉与碳纳米管或鳞片石墨粉与碳纳米管和氧化石墨烯)与四乙氧基硅氧烷(TEOS)和稀盐酸搅拌混合，加热1 h后陈化过夜，超声分散均匀，即得到相应的导电碳浆。其中鳞片石墨粉与TEOS质量比1∶2，碳纳米管、鳞片石墨粉与TEOS质量比0.1∶1∶2，氧化石墨烯、碳纳米管、鳞片石墨粉与TEOS质量比0.1∶0.1∶1∶2。

1.2.4.2 丝网印刷电极的制备

先将导电银浆印刷到印刷基板表面，放入烘箱中于90℃干燥30 min；再印刷上述制备的导电碳浆，放入烘箱中于90℃干燥30 min；最后涂布绝缘层。电极常温晾干30 min后在pH 7.0的磷酸盐缓冲液(先通N2除O2)中电还原(-1.8～0 V)。制备的丝网印刷电极分别标记为SPE1(导电碳浆中含石墨粉)、SPE2(导电碳浆中含石墨粉和碳纳米管)和SPE3(导电碳浆中含石墨粉、碳纳米管和氧化石墨烯)。

1.2.4.3 氮掺杂石墨烯修饰丝网印刷电极的制备

取1 mg氮掺杂石墨烯(NRG)于1 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和H2O(体积比1∶1)混合液中，再加入0.25 mL 0.5%的壳聚糖溶液,超声分散30 min，得到稳定的黑色分散悬浮液，取3 μL悬浮液滴加在SPE3表面，室温晾干，即得NRG-SPE。

1.2.5 油脂交流阻抗的测量

将油样恒温加热，分别控制油样和萃取剂的流量为1.5 mL/min，使油和萃取剂按体积比1∶1充分混合，通过分离器分离成油相和萃取相溶液，取分离后萃取相溶液用氮掺杂石墨烯修饰丝网印刷电极(NRG-SPE)进行电化学阻抗测量。阻抗的测量条件为：扰动电压5 mV，频率范围(5～8)×105Hz。

1.2.6 油脂过氧化值的测定

按照GB/T 5009.37—2003《食用植物油卫生标准的分析方法》测定油脂过氧化值。

1.2.7 氧化诱导时间的计算

参照GB/T 21121—2007用双切线法确定油脂的氧化诱导时间，即分别对过氧化值-时间曲线和阻抗-时间曲线作双切线，交点所对应的时间即为油脂的氧化诱导时间。

2 结果与讨论

2.1 丝网印刷电极的电化学特性

图1为不同的丝网印刷电极在5×10-3mol/L[Fe(CN)6]4-溶液中的循环伏安图和交流阻抗图。

由图1(A)可以看出，随着导电碳浆中碳纳米管、氧化石墨烯的加入和NRG的修饰，电极的氧化还原峰电流逐渐增大，峰电位差依次减小。这是由于碳纳米管和氧化石墨烯的粒径比石墨粉小，可以填充于石墨片层之间，形成更加完整的导电网络。其中，NRG-SPE的氧化还原峰电流最大，峰电位差最小。因为氮掺杂石墨烯改变了石墨烯的结构，大大提高了石墨烯的自由载流子密度和导电性。由图1(B)可以看出，不同丝网印刷电极的阻抗值为NRG-SPE(d)

2.2 电极组成优化

2.2.1 导电碳浆配方优化

导电碳浆中不同的组分及其配比均对丝网印刷电极的性能(特别是导电性能)有较大的影响。研究结果表明，当石墨粉与TEOS的质量比为1∶2，或当碳纳米管、鳞片石墨粉和TEOS的质量比为0.1∶1∶2，或当氧化石墨烯、碳纳米管、鳞片石墨粉和TEOS的质量比为0.1∶0.1∶1∶2时，所制备的丝网印刷电极的性能较好，在橄榄油测量体系中的阻抗值较小。

2.2.2 NRG修饰量的影响

当NRG修饰量从2 μL增加到3 μL时，电极在橄榄油测量体系中的阻抗值减小；但当NRG修饰量从3 μL到6 μL时，测量体系的阻抗值反而增大。这是由于随着电极修饰膜厚度的增加，电子转移的阻力也随之增大。故3 μL的NRG修饰量较为适宜。

2.3 油脂阻抗测量条件优化

2.3.1 不同电极的影响

SPE1(a)、SPE2(b)、SPE3(c)和NRG-SPE(d)在橄榄油中的交流阻抗图见图2。

图2 不同电极在橄榄油中的交流阻抗图

由图2可以看出，NRG-SPE的电子转移阻抗值最小，导电性最好。其次为SPE3、SPE2和SPE1。这进一步说明了氧化石墨烯、碳纳米管和氮掺杂石墨烯均具有良好的导电性，且能相互协同促进电子转移。所以NRG-SPE能更灵敏地检测油脂的阻抗及其变化。

2.3.2 测量体系与交流阻抗参数的选择

2.3.2.1 支持电解质的选择

选取不同酸度的缓冲溶液(pH 4.0～10.0)作为支持电解质进行测量。结果表明，pH 7.0的磷酸盐缓冲液中得到的阻抗图谱较为完整，因此选择pH 7.0的磷酸盐缓冲液(PBS)作为测量体系的支持电解质。

2.3.2.2 萃取剂的优化

将橄榄油在80℃下加热不同时间，分别与不同组成的萃取剂混合，取分离后的含水相进行阻抗值的测量，结果见图3。

图3 橄榄油与不同萃取剂混合分离后的阻抗值变化

由图3可见，用pH 7.0的磷酸盐缓冲液为萃取剂时，橄榄油加热不同时间阻抗值的变化为170 Ω，而在缓冲液中加入不同的有机溶剂后，阻抗值的变化均增大。这是由于适当改变萃取剂的极性有利于油脂氧化产物中的极性和弱极性物质进入萃取相。其中，磷酸盐缓冲液-乙腈混合体系的阻抗值变化最大，为1 100 Ω。进一步研究了乙腈与磷酸盐缓冲液体积比的影响，发现当乙腈与磷酸盐缓冲液的体积比为1∶2时，阻抗值变化最大，即测量的灵敏度最高。

2.3.2.3 流动系统参数的选择

油和萃取剂体积比和流量均对测量结果的灵敏度有影响。选取10∶1～1∶10的油和萃取剂体积比进行实验，发现较大和较小的油和萃取剂体积比，体系氧化前后阻抗值变化都太小，灵敏度低。最佳油和萃取剂体积比为1∶1。进一步考察了流量的影响，发现最适流量为1.5 mL/min，在此流量下油和萃取剂可以混合充分。

2.3.2.4 测量频率的选择

交流阻抗谱(EIS)是一种频率域的测量方法，测量频率范围很宽，合适的测量频率很重要。在频率分别为(0.1～1)×109Hz范围内进行阻抗测量，根据阻抗图谱的稳定性、灵敏性以及规则性，发现当频率范围为(5～8)×105Hz时，测量时间较短，同时记录阻抗谱清晰、稳定。因此，实验选择测量频率为(5～8)×105Hz。

2.4 油脂阻抗值和过氧化值随时间的变化关系

取适量橄榄油样品恒温于80℃，每隔一段时间进行取样，按照1.2.5和1.2.6测量阻抗值和油样的过氧化值(POV)，结果见图4。

图4 橄榄油的过氧化值和阻抗值随时间变化关系曲线

由图4可知，氧化开始的一段时间，随着橄榄油的氧化，其过氧化物缓慢增多，过氧化值缓慢增加，测量体系的阻抗值缓慢减小，加热一段时间后，过氧化值升高速率加快，阻抗值减小速率也加快。这是因为随着油脂的加热氧化，初期产生大量的活性自由基使氧化过程链反应速率加快，产生的过氧化物、小分子的醛、酮等物质不断增加，这些氧化产物中的极性和弱极性物质易溶于萃取剂，通过油和萃取剂混合分离后，含水相测量体系的介电常数增加，进而导致体系阻抗值变小。

根据1.2.7的双切线法用图4中阻抗值-时间(Z-t)曲线和过氧化值-时间(POV-t)曲线，分别求得橄榄油的氧化诱导时间为4.52 h和4.63 h。平行测量3次，由阻抗值-时间所求的氧化诱导时间与国标法所求的氧化诱导时间的相对偏差小于5%。在95%置信度下，由Z-t与POV-t求得的氧化诱导时间的F值为3.27、t值为2.68(F0.05=19.00、t0.05,2=4.30)。F、t检验结果表明两种方法之间不存在系统误差。因此，氮掺杂石墨烯修饰丝网印刷电极交流阻抗法可以方便准确地测量橄榄油的氧化诱导时间。

3 结 论

本文所构建的新型油脂氧化诱导时间测量体系，通过适宜极性的萃取剂与油充分混合，使油脂氧化产物中的极性和弱极性物质有效地进入萃取相，用氮掺杂石墨烯(NRG)修饰丝网印刷电极灵敏、准确地测量分离后萃取相的阻抗值及其变化，从而灵敏准确地测量油脂的氧化诱导时间。由阻抗值-时间所求的氧化诱导时间与国标法所求的氧化诱导时间的相对偏差小于5%，且两种方法之间不存在系统误差。同时，该测量体系中有机溶剂使用量相比其他检测方法更少，因而更加环保。