基于BiOCl-MWCNT/GCE检测食品中痕量Zn (Ⅱ)

孙仲伟 ，黄迪惠，陈锦阳，叶瑞洪，陈盛

1.福建师范大学生命科学学院（福州 350119）；2.福建技术师范学院海洋与生化工程学院，食品软塑包装技术福建省高校工程研究中心（福清 350300）

锌是人体必需微量元素，在人体生长发育过程中发挥着重要作用，日常可以通过食用牡蛎、大豆等富含锌的食物进行维持机体功能需要[1]。现阶段检测营养品中锌含量的常用检测微量锌的方法有原子吸收光谱（AAS）法、电感耦合等离子质谱（ICPMS）法等[2-3]，这些方法分析快速且准确，但需要昂贵的仪器费用，并且具有操作不便、成本高、耗时长等缺点。相比而言，电化学的示差脉冲阳极溶出伏安（DPASV）法在检测微量金属方面，具有灵敏度高、耗时短、易操作、价格便宜等优点[4]，因此越来越受到食品检测人员关注。

铋电极有着优异的电催化性能，可同时检测镉、铅、锌等多种微量金属，对溶解氧不敏感，还有着无毒的性质，可用于替代传统的汞电极[5-6]。Keawkim等[7]先在丝网印刷电极表面修饰一层冠醚/Nafion复合材料，通过电沉积的方法，将Bi(Ⅲ)沉积在丝网印刷电极表面，制备铋膜修饰电极，应用于同时检测大米样品中Pb(Ⅲ)、Cd(Ⅲ)含量，具有良好的重现性和稳定性。Jothimuthu等[8]、Torma等[9]先将含0.5%的Nafion和0.1%的2,2’-联吡啶（Bpy）的修饰涂在玻碳电极的表面上，并在含有Bi的溶液中进行电沉积，制备铋膜修饰电极，可同时检测Zn(Ⅲ)、Cd(Ⅲ)和Pb(Ⅲ)含量，并使用ICP-MS技术对其结果进行了验证。

多壁碳纳米管在进行功能处理后，有着其独特的导电性、大的表面积和对某些目标分析物的高亲和力，而被广泛用作电极修饰材料[10-12]。Cerovac等[13]采用原位合成的方法制备BiOCl-MWCNT复合材料，并用于修饰玻碳电极，可同时检测沉积物孔隙水中的铅离子和铬离子，检测结果与通过石墨炉原子吸收光谱测定结果相同。试验将通过制备BiOCl-MWCNT复合材料，并将其制备成BiOCl-MWCNT/GCE电化学传感器，用于检测食品中微量锌的含量。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

多壁碳纳米管（MWCNT，购自Aladdin）；萘烷全氟化物离子交换树脂（Nafion，购自Alfa Aesar）；锌标准溶液（离子溶度为（1 000±1）μg/mL）、镉标准溶液（离子溶度为（1 000±1）μg/mL），购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；氯化铋（BiCl3）、盐酸羟氨（NH2OH·HCl）、无水乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、0.1 mol/L醋酸盐缓冲溶液由冰醋酸、三水合乙酸钠组成，均购自国药集团化学试剂有限公司；试剂均是分析纯等级，使用前未经提纯；溶液使用的超纯水由超纯水纯化系统（Milli-Q MillIpore，电阻18.2 MΩ·cm）制备。

电化学工作站，CHI660D，上海辰华仪器公司，采用三电极系统，玻碳电极（GCE）为工作电极，铂电极（上海辰华仪器公司）为对电极，饱和甘汞电极（上海辰华仪器公司）为参比电极；精密pH计，PHS-3C，上海虹益仪器仪表有限公司；电恒温鼓风干燥箱，GZX-GF101-3-BS-Ⅱ，上海跃进理疗机械有限公司。

1.2 修饰电极的制备

对文献[13-14]中的方法进行改进，制备BiOCl-MWCNT复合材料。在三口烧瓶内装有多壁碳纳米管，加入适量的浓硝酸，在90 ℃恒温反应4～5 h，洗涤、过滤、烘干，收集MWCNT-COOH纳米材料。分别称取20 mg BiCl3、16.4 mg MWNCTs，使用10 mL DMF（含100 μL 5% Nafion）超声分散，并在搅拌状态下滴加250 μL 1.8 mol/L盐酸羟氨溶液，持续搅拌10 min，随后分别用无水乙醇、丙酮对样品进行离心、洗涤，烘干即可制得BiOCl-MWCNT复合材料。称取5 mg复合材料，用5 mL DMF溶液（含10 μL 5% Nafion）超声分散，制得BiOCl-MWCNT复合材料修饰液。以同样的方法，在没有加入MWCNTs的条件下，制备BiOCl材料修饰液，以此作为试验对照组。

将玻碳电极在0.3 μm、0.05 μm的抛光粉打磨、超纯水洗涤、乙醇超声后，室温下晾干。在玻碳电极表面滴涂6 μL MWCNTs材料修饰液，恒温干燥30 min，制得MWCNTs材料修饰电极。按照同样的方法，制备BiOCl-MWCNT复合材料修饰电极、BiOCl材料修饰电极。

1.3 电化学检测

在含有5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中，采用循环伏安（CV）法和阻抗（EIS）法，进行电化学表征。在由BiOCl-MWCNT/GCE为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂电极为辅助电极组成的三电极系统，在0.1 mol/L醋酸盐缓冲液中，基于示差脉冲阳极溶出伏安（DPASV）法检测Zn(II)浓度。富集电压-1.40 V，富集时间120 s。所有电化学操作均在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 修饰电极的电化学表征

图1（A）为铁氰化钾溶液中GCE、MWCNTs/GCE、BiOCl/GCE、BiOCl-MWCNT/GCE的循环伏安曲线。与GCE相比，BiOCl/GCE表面的氧化还原峰电流明显下降，表明BiOCl存在严重的阻碍作用；而MWCNTs/GCE表面的氧化还原峰电流明显增强，这是由于MWCNTs有着大的比表面积与良好的导电性与电催化活性；BiOCl-MWCNT/GCE表面的氧化还原峰电流进一步增强，这是由于原位生成的BiOCl-MWCNT存在着协同作用，使其导电性明显增强，电催化效果显著提高。这个结论可由EIS阻抗测量证实。图1（B）是GCE、MWCNTs/GCE、BiOCl/GCE、BiOCl-MWCNT/GCE的EIS图。GCE表现出较高的阻抗；与GCE的阻抗相比，BiOCl/GCE的阻抗明显增加，这是由于BiOCl阻碍电子的转移；MWCNTs/GCE的阻抗明显降低，这是由于MWCNTs的良好导电性、电催化活性；BiOCl-MWCNT/GCE阻抗最低，这是由于BiOCl-MWCNT复合材料之间的协同作用增强了电子转移速度。因此，选择BiOCl-MWCNT/GCE进行下一步试验。

图1 GCE（a）、MWCNTs/GCE（b）、BiOCl/GCE（c）、BiOCl-MWCNT/GCE（d）在含有5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol/L KCl中的循环伏安图（A）和奈奎斯特图（B）

2.2 可行性分析

如图2所示，使用BiOCl-MWCNT/GCE检测空白溶液的曲线e未出现Zn(Ⅱ)溶出峰，检测含有Zn(Ⅱ)的缓冲液溶液的曲线d出现明显Zn(Ⅱ)溶出峰；Zn(Ⅱ)在GCE（a）上的溶出峰非常小；MWCNTs存在着较大的比表面积以及电催化活性，使Zn(Ⅱ)溶出峰电流增强（b）；由于铋表面与金属易形成合金，BiOCl/GCE的灵敏度明显提高（c）；BiOCl-MWCNT/GCE检测Zn(Ⅱ)的溶出峰电流（d）明显最高，可以归因于MWCNTs有着大的比表面积，通过原位生成的BiOCl可能镶嵌在MWCNT表面以及空隙中，MWCNTs与BiOCl的协同作用提高其对Zn(Ⅱ)的亲和力，有益于吸附大量锌离子。因此，BiOCl-MWCNT/GCE可以用于高灵敏度检测Zn(Ⅱ)。

2.3 涂层优化

修饰电极表面的修饰量是电化学响应的重要影响因素。试验中滴涂6 μL/层BiOCl-MWCNT的复合材料，并通过考察滴涂层数来探究修饰量对Zn(Ⅱ)溶出峰电流的影响。如图3所示，涂层从1层到3层，随着涂层的增加，Zn(Ⅱ)溶出峰电流逐渐增强；当BiOCl-MWCNT的涂层高于3层时，Zn(Ⅱ)溶出峰电流逐渐下降，可能是由于涂膜厚度的增加，阻碍了Zn(Ⅱ)与电极之间的相互作用。因此，选择BiOCl-MWCNT在玻碳电极表面滴涂3层为最优涂层数，并用于下一步试验。

图2 Zn(Ⅱ)在GCE（a）、MWCNTs/GCE（b）、BiOCl/GCE（c）、BiOCl-MWCNT/GCE（d）的溶出伏安曲线

图3 Zn(Ⅱ)在BiOCl-MWCNT不同修饰层数（n=5）的溶出峰电流

2.4 检测条件优化

为获得Zn(Ⅱ)在BiOCl-MWCNT/GCE表面的最佳伏安响应电流，主要考察缓冲液的种类和pH、富集电位和富集时间。图4（A）显示，在相同pH的PBS、BR、NaAc-HAc缓冲液中Zn(Ⅱ)的溶出峰电流柱形图，与PBS、BR缓冲液中的溶出峰电流相比，在NaAc-HAc缓冲液中Zn(Ⅱ)具有最高的溶出峰电流。因此，后续试验中选择NaAc-HAc作为缓冲液。

pH对溶液中各个组分的存在形式及组成有影响，因此进一步探究NaAc-HAc缓冲液的pH对Zn(Ⅱ)的影响。图4（B）显示pH与Zn(Ⅱ)溶出峰电流的关系，在pH 3.75～4.50的范围，随着pH的升高，Zn(Ⅱ)的溶出峰电流逐渐增强；在pH 4.50～5.25的范围，随着pH的升高，Zn(Ⅱ)的溶出峰电流逐渐减弱。这是由于在pH较低的条件下，氢离子在修饰膜表面易被还原，导致Zn(Ⅱ)在修饰膜表面难以发生还原；而在pH太高的条件下，修饰膜表面的Bi(Ⅲ)容易发生水解，从而降低BiOCl-MWCNT/GCE的敏感性[15]。因此，后续试验中选择pH 4.50作为醋酸盐缓冲液pH。

为了考察富集电位在溶出分析试验中的作用，通过试验考察富集电位对试验的影响。富集电位的范围选择-1.10～-1.45 V，结果如图4（C）所示。随着富集电位的负移，Zn(Ⅱ)的溶出峰电流逐渐增强；当富集电位负于-1.40 V时，溶出峰电流增长缓慢，并且复合材料修饰电极的重现性降低。因此，后续试验中选择-1.40 V作为富集电位。

为了获得更好的富集效果，探究富集时间的影响。富集时间选择0～180 s，结果如图4（D）所示。富集时间从0增加到120 s，Zn(Ⅱ)的溶出峰电流明显增强，这表明富集时间的增加有利于Zn(Ⅱ)在修饰膜表面富集；富集时间超过120 s，Zn(Ⅱ)的溶出峰电流增长缓慢，甚至趋于平缓，这表明Zn(Ⅱ)在修饰膜表面的富集已经达到饱和。因此，富集时间120 s即可满足检测要求，同时为了减少检测时间，后续试验中选择120 s作为富集时间。

图4 检测条件对Zn(Ⅱ)溶出峰电流的影响

2.5 标准工作曲线与检出限

在优化的试验条件下，基于示差脉冲阳极溶出伏安法，采用BiOCl-MWCNT/GCE定量分析检测溶液中的Zn(Ⅱ)浓度。如图5（A）所示，在Zn(Ⅱ)4.00～660 μg/L质量浓度范围内，随着溶液中Zn(Ⅱ)浓度增加，Zn(Ⅱ)溶出峰增强。图5（B）显示Zn(Ⅱ)溶出峰电流（ΔI）与质量浓度（μg/L）的线性关系，回归方程ΔI/μA=1.394 1+0.147 6C（μg/L），R2=0.991 2，基于3倍的信噪比（S/N=3），检出限为1.25 μg/L。如表1所示，与先前报道的修饰电极检测Zn(Ⅱ)的方法相比，该方法有着卓越的检出限以及优异线性检测范围。

2.6 抗干扰性

在最优的试验条件下，探究干扰Zn(Ⅱ)检测的影响。由于Zn(Ⅱ)的溶出峰电位在-1.2 V附近，Cd(Ⅱ)的溶出峰电位在-0.8 V附近，而且Cd(Ⅱ)经常出现在实际样品检测中，有可能影响Zn(Ⅱ)的检测[21]，因此选择Cd(Ⅱ)作为干扰物质，探究在Cd(Ⅱ)存在下对Zn(Ⅱ)的检测的影响。如图6（A）所示，在含有不同浓度Cd(Ⅱ)（0～2 000 μg/L）的Zn(Ⅱ)（66 μg/L）溶液，比较Zn(Ⅱ)的溶出峰，明显发现Zn(Ⅱ)与Cd(Ⅱ)的溶出峰分离良好，Zn(Ⅱ)的溶出峰电位在-1.2 V附近，Cd(Ⅱ)在溶出峰电位在-0.8 V附近；如图6（B）所示，随着Cd(Ⅱ)浓度的增加，其对Zn(Ⅱ)的检测没有明显影响，即使在Cd(Ⅱ)浓度为2 000 μg/L，其对Zn(Ⅱ)的检测只存在略微影响。

图5 （A）不同Zn(Ⅱ)浓度在BiOCl-MWCNT/GCE上的溶出伏安图；（B）Zn(Ⅱ)的溶出峰电流与浓度的线性关系（n=5）

表1 电化学方法测定Zn(Ⅱ)的分析性能比较

图6 在含有不同浓度Cd(Ⅱ)的Zn(Ⅱ)溶液，溶出伏安图（A）与溶出峰电流（B）

2.7 重现性、稳定性

通过5次平行测定66 μg/L Zn(Ⅱ)的溶出峰电流，探究BiOCl-MWCNT/GCE的重现性，其溶出峰电流的相对标准偏差（δRSD）为4.66%，表明该制备的电极具有良好的重现性。为探究所制备电极的稳定性，将BiOCl-MWCNT/GCE在室温下放置7，14和21 d检测66 μg/L Zn(Ⅱ)，其溶出峰电流分别降低了3.05%，3.49%和3.63%，可见该制备的电极具有良好的稳定性。

2.8 实际样品检测

为了研究基于BiOCl-MWCNT/GCE检测饮用水中Zn(Ⅱ)含量的准确性，从超市购买了3种类型的饮用水。用0.22 μm膜将饮用水进行过滤，分别加入100，330和460 μg/L Zn(Ⅱ)标准溶液，并用0.1 mol/L pH 4.50 NaAc-HAc缓冲液稀释、定容，标注样品Ⅰ、样品Ⅱ、样品Ⅲ，在优化的试验条件下进行样品中Zn(Ⅱ)浓度检测。如表2所示，水样中Zn(Ⅱ)的回收率在94.12%～103.33%之间，δRSD在1.00%～4.40%之间。因此，该方法可用于饮用水中Zn(Ⅱ)含量检测。同时，探究葡萄糖酸锌口服溶液的Zn(Ⅱ)含量，并进行试验。葡萄糖酸锌口服溶液由药店购买。移取适量的葡萄糖酸性口服溶液，用0.1 mol/L pH 4.50 NaAc-HAc缓冲液稀释、定容成50 mL样品Ⅳ，检测结果如表3所示。样品中Zn(Ⅱ)质量浓度为100～102 μg/L，δRSD在1.99%～2.98%之间，计算得出葡萄糖酸锌口服溶液中Zn(Ⅱ)含量为0.41～0.42 mg/L，接近商品标示的0.5 mg/mL。因此，该方法可用于葡萄糖酸锌口服溶液中Zn(Ⅱ)含量检测。

表2 饮用水中Zn(Ⅱ)含量的测定（n=3）

表3 葡萄糖口服溶液中Zn(Ⅱ)含量的测定（n=3）

3 结论

综上所述，基于原位合成制备BiOCl-MWCNT复合材料修饰玻碳电极，可用于检测食品中Zn(Ⅱ)含量。在优化的试验条件下，在Zn(Ⅱ) 4.00～660 μg/L浓度范围内，溶出峰电流与浓度有良好的线性关系。基于3倍的信噪比（S/N=3），该方法检测Zn(Ⅱ)的检出限为1.25 μg/L。使用该方法检测饮用水中的Zn(Ⅱ)浓度，回收率在94.12%～103.33%之间；葡萄糖口服溶液中Zn(Ⅱ)含量的检测结果贴近商品标示的含量。因此，BiOCl-MWCNT/GCE电化学传感器可用于食品中Zn(Ⅱ)含量的检测。