富勒烯C60/离子液体复合物修饰电极对苋菜红的方波伏安检测

2019-12-03李永红季颖李媛任彬彬杨帆刘新胜

应用化工 2019年11期

李永红，季颖，李媛，任彬彬，杨帆，刘新胜

(1.宁夏医科大学公共卫生与管理学院，宁夏银川 750004；2.宁夏医科大学基础医学院，宁夏银川 750004)

苋菜红[1-2](AM)属于水溶性的偶氮类色素，广泛应用于食品工业中。研究显示，苋菜红不合理使用会对人类健康造成不利的影响，如高遗传毒性、细胞毒性等[3]。目前，检测苋菜红的方法主要有毛细管电泳法[4]、高效液相色谱法[5]和电化学方法[6-7]等。电化学方法与其他检测方法相比较，具有操作简单、检测灵敏等优点。

本文基于富勒烯[8-9]以及离子液体[10]的优越性能，制备了基于富勒烯C60/离子液体复合物修饰纳米碳糊电极(C60/nano-CILE)的电化学传感器，利用循环伏安法对修饰电极进行了表征，并研究了苋菜红在该修饰电极上的电化学行为；研究了苋菜红在电极表面的反应过程；讨论了溶液pH值、富集时间和富集电位以及修饰剂含量等因素对苋菜红峰电流的影响；研究了干扰物质对检测的影响，建立了一种灵敏、快速的苋菜红电化学检测新方法。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

苋菜红(AM，纯度85%)，由上海麦克林生化科技有限公司提供；普通石墨粉，由国药集团提供；富勒烯C60(纯度99.9%)、纳米石墨粉(nano-C，厚度<40 nm，片径～400 nm)均由南京先丰纳米材料科技有限公司提供；1-辛基吡啶六氟磷酸盐、KH2PO4、Na2HPO4均为分析纯；磷酸盐缓冲液(PBS)，由KH2PO4和Na2HPO4制备；实验中所有用水均为超纯水。

CHI660E电化学工作站；三电极系统(工作电极为修饰电极(C60/nano-CILE)，辅助电极为Pt丝电极，参比电极为饱和甘汞电极)；IKA KMO2磁力搅拌器。

1.2 修饰电极制备

首先将纳米石墨粉与富勒烯C60以一定比例混合并置于玛瑙研钵中，然后加入1-辛基吡啶六氟磷酸盐(OPPF6)以1∶1的比例混合研磨均匀，然后将制备好的混合物置于聚四氟乙烯管中，并用电吹风加热2 min，冷却到室温后，在称量纸上将电极表面打磨光滑，以此种方法制备的电极称为富勒烯C60/离子液体复合物修饰纳米碳糊电极(C60/nano-CILE)。

作为比较，同时制备以下电极：传统碳糊电极(CPE)由石蜡油与普通石墨粉组成；纳米碳糊电极(nano-CPE)是由纳米石墨粉与石蜡油混合制成；富勒烯修饰的纳米碳糊电极(C60/nano-CPE)是由纳米石墨粉、fullerene C60与石蜡油以一定比例在玛瑙研钵中混合均匀研制而成。

1.3 实验方法

将三电极系统(工作电极为富勒烯C60/离子液体复合物修饰纳米碳糊电极(C60/nano-CILE)，辅助电极为Pt丝电极，参比电极为饱和甘汞电极)和搅拌子置于5 mL 0.1 mol/L pH 7.0的PBS中，然后再向空白溶液中加入一定浓度的苋菜红溶液，在室温下，开路电位富集10 s，记录电位范围为0.4～1.0 V的方波伏安曲线(SWVs)。每次实验扫描至少进行3次，以确保实验的重现性，并且每次测定后都要用超纯水冲洗工作电极，以便用于连续测定。

2 结果与讨论

2.1 修饰电极的电化学表征

图1为传统碳糊电极(CPE)、纳米碳糊电极(nano-CPE)、富勒烯修饰的纳米碳糊电极(C60/nano-CPE)、富勒烯C60/离子液体复合物修饰的纳米碳糊电极(C60/nano-CILE)在1 mmol/L混合探针溶液中的循环伏安图。

图1 CPE(a)、nano-CPE(b)、C60/nano-CPE(c)和C60/nano-CILE(d)在含有0.1 mol/L KCl的1 mmol/LFe[(CN)6]3-/4-溶液中的循环伏安图，扫速50 mV/sFig.1 Cyclic voltammograms of 1 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-containing 0.1 mol/L KCl at CPE(a)，nano-CPE(b)，C60/nano-CPE(c) and C60/nano-CILE(d)，respectively，with a scan rate of 50 mV/s

由图1可知，，CPE(曲线a)上没有出现明显的氧化还原峰；nano-CPE(曲线b)和C60/nano-CPE(曲线c)上氧化还原峰电流均有所增加，且C60/nano-CPE上氧化峰电位差更小。而在C60/nano-CILE(曲线d)上可以观察到一对峰形很好的氧化还原峰，峰电流显著增加，且峰电位差进一步减小。结果表明，C60/nano-CILE具有更好的电化学性能，能有效地促进电子转移，这是由富勒烯较大的比表面积和离子液体的良好导电性共同作用的结果。

2.2 苋菜红在不同修饰电极上的电化学行为

图2为20 μmol/L AM在不同电极CPE(a)、nano-CPE(b)、C60/nano-CPE(c)、C60/nano-CILE(d)上的方波伏安图。

由图2可知，苋菜红在不同电极的氧化峰电流：CPE

图2 20 μmol/L AM在不同电极上CPE(a)、nano-CPE(b)、C60/nano-CPE(c)和C60/nano-CILE(d)上的方波伏安图Fig.2 SWVs of 20 μmol/L AM at the CPE(a)，nano-CPE(b)，C60/nano-CPE(c) and C60/nano-CILE(d)

2.3 扫速的影响

通过循环伏安法考察了扫描速率对20 μmol/L苋菜红氧化峰电流的影响，结果见图3。

图3 20 μmol/L AM在C60/nano-CILE上不同扫速下的循环伏安图(A)和AM阳极峰电流与扫速的平方根的线性关系图(B)Fig.3 Cyclic voltammograms of 20 μmol/L AM at the C60/nano-CILE at different scan rate(A)，and the relationship between the peak currents and square root of scan rates(B)

由图3可知，在25～300 mV/s范围内(从内到外扫速分别为：25，50，100，150，200，250，300 mV/s)，氧化峰电流随着扫描速率的增加而增加。结果表明，氧化峰电流与扫速的平方根呈线性关系，其线性回归方程为：I(μA)=2.646 0v1/2(mV1/2·s-1/2) -6.186 4(r2=0.990 9)，表明苋菜红在该修饰电极上的氧化过程为扩散控制的过程。

2.4 分析条件的优化

2.4.1 溶液pH的影响实验考察了不同pH的磷酸盐缓冲溶液(PBS)对20 μmol/L苋菜红的电化学响应的影响，结果见图4。

图4 20 μmol/L AM在不同pH的0.1 mol/L PBS中的方波伏安图(A)和pH值对AM峰电位和峰电流的影响(B)Fig.4 SWVs of 20 μmol/L AM in 0.1 mol/L PBS with different pH value(A)，and effects of pH value on the peak current (Ipa) and peak potential (Epa) of AM(B)pH：a～e分别为5，6，7，8，9

由图4A可知，在富集过程中，当缓冲液pH值从5.0增加到9.0时，苋菜红峰电位随着pH的增加而负移，其峰电位与pH的线性方程为：Epa(V)=-0.048pH+1.0472(r2=0.991 2)，斜率为48 mV/pH，结果表明苋菜红在该修饰电极上的响应过程是一个等质子和等电子参与的过程。由图4B可知，当缓冲液的 pH值从5.0增加到7.0时，苋菜红的峰电流逐渐增加；当缓冲液的pH值为7.0时，苋菜红的峰电流达到最大值。而当缓冲液pH值从7.0增加到9.0时，苋菜红的峰电流逐渐减小。因此本实验选择0.1 mol/L pH 7.0 PBS作为后续缓冲液。

2.4.2 修饰剂含量的选择考察了C60/nano-CILE电极中修饰剂含量(质量分数)不同对电化学响应的影响，结果见图5。

图5 不同含量富勒烯C60对20 μmol/L AM峰电流的影响Fig.5 Effect of the amount of fullerene C60 in carbon paste on the oxidation peak current of 20 μmol/L AM

由图5可知，当修饰剂比例由0增加到7.5%时，苋菜红氧化峰电流明显增加，可能是由于适量的富勒烯能有效地增加修饰电极的表面积，使得富集效率提高；当修饰剂比例达到7.5%时，苋菜红峰电流达到最大值；然而继续增加修饰剂含量(由7.5%增加到15%时)，由于背景电流增加，反而导致苋菜红氧化峰电流变化不明显(稍有减小)。因此，为实现苋菜红的高灵敏度检测，实验选取最佳修饰剂比例为7.5%

2.4.3 富集电位和富集时间考察了在不同富集电位下，C60/nano-CILE电极上苋菜红峰电流的变化情况，结果表明，施加富集电位后苋菜红的氧化峰电流与开路电位富集相比变化不大。同时实验发现，富集时间为10 s时即可达到很好的效果。因此，本实验选择在开路电位条件对苋菜红进行富集且富集时间为10 s。

2.5 标准曲线

在最优实验条件下，采用C60/nano-CILE结合方波伏安法对苋菜红进行了检测。图6为不同浓度的苋菜红在C60/nano-CILE上的方波伏安图。

图6 不同浓度的AM在C60/nano-CILE上的方波伏安图(A)和AM峰电流与浓度的线性关系图(B)Fig.6 SWVs for different concentrations of AM (A)，and the relationship between the peak currents and the AM concentration in the range of 0.5～20 μmol/L(B)A图中从下到上AM的浓度分别为0，0.1，0.5，1，2，5，10，20，50，100 μmol/L

由图6可知，氧化峰电流随着苋菜红浓度的增加而增加，且氧化峰电流与苋菜红的浓度在 0.5～20 μmol/L范围内呈现较好的线性关系，其线性回归方程为I(μA)=1.285 5c(μmol/L)+1.558 8(r2=0.990 6)，检测限为0.1 μmol/L(S/N=3)。当苋菜红浓度超过20 μmol/L时，峰电流增加不明显，说明苋菜红在该修饰电极基本达到饱和状态。

2.6 重现性研究

本实验使用6支以相同方法制备的修饰电极在含有20 μmol/L苋菜红的 0.1 mol/L pH 7.0的PBS中进行检测，苋菜红峰电流的相对标准偏差RSD为4.68%；在相同条件下，使用同一支修饰电极对苋菜红进行6次重复测量，其峰电流的相对标准偏差RSD为3.39%。实验结果说明，该修饰电极具有良好的重现性。

2.7 干扰研究

2.8 实际样品检测

为了验证本实验方法在实际样品中的可行性，将此方法运用于某品牌葡萄味饮料中苋菜红的检测。无需对饮料进行预处理，但为使其浓度适应标准曲线范围，首先用0.1 mol/L pH 7.0的PBS将实际样品饮料稀释25倍，再用建立的方法进行检测，最后进行加标回收率实验，结果见表1。结果显示，样品检测的加标回收率在 95.0% ～103.2% 之间，说明这种检测方法可用于实际样品中苋菜红的检测。