介孔碳修饰电极检测螺蛳粉中豆制品的柠檬黄

程昊 ，樊静静，刘永逸

1. 广西柳州螺蛳粉工程技术研究中心，广西糖资源绿色加工重点实验室，生物与化学工程学院，广西科技大学（柳州 545006）；2. 柳州市食品药品检验所（柳州 545006）；3. 蔗糖产业省部共建协同创新中心（南宁 530004）

螺蛳粉是由柳州特有的米粉和特色配料，用浓郁适度的酸辣味螺蛳肉汤调和而成。其配料中，一般加有豆腐条、腐竹等豆制品。由于GB 2760—2014中未规定柠檬黄在豆制品中的最大使用量，少数不法厂家在生产中非法添加[1]。如果人们长期食用柠檬黄含量超标的食品，对肾脏、肝脏产生一定伤害[2]。因此，需要对柠檬黄检测，传统方法有质谱法[3]、荧光猝灭法[4]、高效液相色谱法[5-6]、加压毛细管电色谱法[7]。这些方法具有昂贵、操作麻烦等缺点。近年来，电化学法因其灵敏度高、响应快等特点而被广泛关注。

介孔碳材料因具有较高的比表面积及良好导电性等特性，在吸附与分离、电分析修饰电极等领域具有广阔的应用前景[8-12]。用于制备介孔碳材料的碳源主要为昂贵的石化原料如苯酚和己二酚，不仅增加成本和能量消耗，而且含有一定毒性[13]。随着研究深入，以可再生材料中的环境友好型天然糖作为碳源合成介孔碳材料越来越受欢迎，如Luo等[14]以麦芽糖为碳源，制备介孔碳材料。

试验以阿拉伯糖为碳源，SBA-15为模板剂，制备介孔碳材料，使用BET、XRD、TEM、SEM和XPS 对材料进行表征。利用滴涂法制备基于介孔碳修饰电极，构建一种简便、快速、灵敏的测定柠檬黄的电化学方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

RST系列电化学工作站（郑州世瑞思仪器科技有限公司），采用三电极系统：饱和甘汞电极（参比电极），铂丝电极（对电极），玻碳电极（工作电极）。

SEM（日本日立公司）；TEM（美国FEI公司）；XPS（美国赛默飞世尔科技公司）；BET（美国麦克仪器公司）；XRD（日本理学）。

柠檬黄（HPLC≥98%，上海源叶生物有限公司）；Nafion（上海河森电气有限公司）；磷酸二氢钠、十二水合磷酸氢二钠、异丙醇、氯化钾、铁氰化钾、亚铁氰化钾三水合物（西陇科学股份有限公司）；介孔硅（SBA-15）；试验所用试剂均为分析纯；试验用水均为超纯水。

1.2 试验步骤

1.2.1 材料制备

介孔碳材料的制备：（1）初步碳化。以阿拉伯糖为碳源，SBA-15为模板，加入硫酸，在90 ℃左右将水分蒸发，在160 ℃的烘箱中放置6 h，完成初步碳化。（2）二次碳化。将（1）中所得到的产物溶于水中，加入碳源和硫酸，重复（1）中的操作，完成二次碳化。（3）在惰性气体的保护下，于900 ℃保持4 h，完成整个碳化过程。得到的二氧化硅/碳复合产物用5%的HF溶液除去二氧化硅，得到介孔碳（CMK-3）[15]。

1.2.2 材料表征

采用SEM确定样品的形貌及排列情况；采用TEM确定样品的形貌和结构；采用XRD分析样品的晶态和结构；采用BET测定样品的比表面积、孔容及孔径；采用XPS确定样品的元素形态。

1.2.3 修饰电极的制备

将玻碳电极依次用0.3 μm、0.05 μm Al2O3粉末在麂皮上抛光打磨，按照超纯水、乙醇、超纯水的顺序各超声清洗10 s，用三电极系统，用电化学工作站循环伏安法测得电极的电位差在64～80 mV范围内，用N2吹干，作为待修饰玻碳电极。

介孔碳悬浊液的制备：称2.0 mg CMK-3粉末分散于1 mL含有0.05% wt Nafion的超纯水-异丙醇（4∶1，V/V）混合液中，用超声仪超声混合30 min得到2.0 mg/mL的CMK-3悬浮液。

取7 μL上述制得的CMK-3悬浮液滴涂于处理好的裸玻碳电极表面，静置干燥，即得试验所用的CMK-3修饰电极，记作CMK-3/GCE。

1.2.4 柠檬黄标准溶液的制备

534 mg/L柠檬黄标准溶液：准确称取13.36 mg的柠檬黄，定容于25 mL的棕色容量瓶中，超声波除气后得到534 mg/L的柠檬黄标准溶液。取1 mL 534 mg/L的柠檬黄标准溶液，定容于10 mL的容量瓶中，得到53.4 mg/L的柠檬黄溶液，两瓶溶液均放置在冰箱备用。

1.2.5 电化学方法

将534 mg/L的柠檬黄标准溶液加入到10 mL磷酸盐缓冲溶液中，将三电极系统插入此溶液，以0.06 V/s的扫描速率，采用循环伏安扫描法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 CMK-3材料的表征

图1（a）～（d）分别表示裸电极、Nafion/CMK-3复合膜电极、CMK-3的SEM图，CMK-3的TEM图。由图1（a）可见，裸电极表面光滑。由图1（b）可见，CMK-3在电极表面形成一层致密的聚合膜，说明CMK-3已成功附着于电极表面。图1（c）采用SEM表征分析CMK-3材料的形貌及排列情况，如图1（c）所示，可以观察到材料为有序排列的棒状，说明模板剂SBA-15经过高温碳化和除硅后也能保持有序的棒状排列结构。图1（d）是CMK-3的TEM图，可以分析CMK-3材料的形貌和结构，由图1（d）可以观察到CMK-3材料的孔道结构排列的有序性，这些孔道结构是去除SBA-15模板留下的介孔孔道，从而形成CMK-3的介孔微观结构。图1（d）也可以观察到大片排列整齐的条纹状结构，从而进一步说明CMK-3是有序排列的材料。

图1 裸电极（a）、Nafion/CMK-3复合膜电极（b）、CMK-3的SEM（c）、CMK-3的TEM图（d）

为进一步研究CMK-3材料的孔道结构，采用N2吸/脱附技术分析CMK-3材料的比表面积、孔径大小及分布。从图2可以观察到CMK-3材料的等温线属于典型的Ⅳ型等温线，在高N2相对压强下，形成明显的H1 型滞后环[16-17]，这与介孔碳材料的特性一致。CMK-3材料的BJH孔径分布图中（见图2插图），可以观察到CMK-3材料孔径大小较为均一，且分布狭窄，主要分布在5 nm左右，比表面积为1237.59 m2/g，总孔容为1.63 cm3/g，进一步表明制备的CMK-3材料是介孔材料。

图2 CMK-3的 N2吸/脱附等温线和BJH孔径分布图

图3为CMK-3的广角XRD谱图，可以观察到在2θ=23°和2θ=43°处有2个较宽的衍射峰，分别对应于无定型碳的（002）和（100）晶格面，表明CMK-3材料为无定型碳材料。

图3 CMK-3的XRD图谱

XPS是一种用于表征材料中的元素组成和离子状态的分析方法，图4（a）为CMK-3的XPS的全谱图，显示2个特征峰C1s（95.37at.%）和O1s（4.16at.%）分别位于结合能为284.5和531.3 eV处[18]。从图4（b）中可以观察到C1s能谱主要由283.7，284.9和288.6 eV处的3个峰结合而成，依次与C＝C，C—C，C＝O的结合能相对应[19]。从图4（c）中可以观察到O1s能谱主要由532.5，533.8和534.7 eV处的3个峰结合而成，依次与C＝O，C—O，H2O的结合能相对应。印证在高温煅烧以及HF刻蚀下C和O之间形成化学键，表明材料主要由C和O这2种元素组成。

图4 CMK-3的色谱图

2.2 柠檬黄在CMK-3/GCE上的电化学行为

为研究修饰电极对柠檬黄的电化学行为，将CMK-3/GCE和裸电极在含有5.34 mg/L柠檬黄的0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液（pH 4.0）中进行循环伏安法检测。如图5所示，相比于裸电极，CMK-3/GCE对柠檬黄的电流响应明显提高，这是由于CMK-3具有较大的比表面积和丰富的孔结构，CMK-3作为修饰材料，较大的比表面积和孔结构可为电化学反应提供更多的活性位点，能增大电极对柠檬黄的电流响应，更利于电子之间的传递，且在修饰电极上的反应具有可逆性。

图5 相同浓度下柠檬黄在GCE和CMK-3/GCE的循环伏安曲线

2.3 试验条件优化

为获得最佳试验条件，采用循环伏安法考察修饰剂用量、缓冲溶液pH和扫描速率对氧化峰电流值的影响。

考察CMK-3修饰剂的用量对柠檬黄的氧化峰电流的影响。如图6（a）所示，在2～7 μL范围内，氧化峰电流逐渐增大，修饰剂用量大于7 μL时，氧化峰电流逐渐降低。可能是修饰剂用量的增加，有效面积增大，故氧化峰电流增大。当电极表面的修饰剂用量增大到一定量时，随着修饰剂的继续增大，电极表面修饰膜层增厚，使电极的电阻增大，阻碍柠檬黄与电极之间的电子转移，导电性下降。因此，修饰剂用量为7 μL最佳。

考察PBS缓冲溶液在pH 3.5～6.0范围内对柠檬黄的氧化峰电流的影响。如图6（b）所示，在pH 3.5～4.0范围内，氧化峰电流逐渐增大，pH大于4.0时，氧化峰电流则逐渐降低。因此pH 4.0最佳。

考察不同扫描速率对柠檬黄在介孔碳修饰电极上循环伏安曲线的影响，结果如图6（c）所示，扫描速率在0.01～0.1 V/s范围内氧化峰电流的变化，柠檬黄的氧化峰电流与扫描速率呈线性关系，线性方程为I=476.7807V-0.1414，线性关系为R2=0.9954。说明柠檬黄在CMK-3/GCE电极表面的氧化是受吸附控制过程。试验结果表明，提高扫描速率有利于提高柠檬黄的氧化峰电流，当扫描速率过高时，电流过大不利于峰电流的测定，扫描速率0.06 V/s时，信噪比最好，故试验选择扫描速率为0.06 V/s。

图6 修饰剂用量与峰电流值的大小关系（a）、pH与峰电流值的大小关系（b）和不同扫描速率的柠檬黄循环伏安曲线及与电流值的线性图（c）

2.4 重现性和稳定性

为研究修饰电极的重现性，用同样的方法同时制备10根CMK-3修饰的玻碳电极，并在磷酸盐缓冲液（pH 4.0）加入5.34 mg/L柠檬黄溶液进行检测比较，其相对标准偏差为1.62%。结果表明，该修饰电极具有良好的重现性。修饰电极的重复性是通过用一根修饰电极在上述溶液中进行10次重复检测，其相对标准偏差为1.67%，表明修饰电极也具有良好的重复性。

2.5 标准曲线和检出限

如图7所示，在试验优化的条件下，对柠檬黄标准溶液系列进行测定，结果表明，柠檬黄的质量浓度在5.34×10-4～5.34 mg/L范围内与氧化峰电流呈线性关系，线性回归方程I=1.6503c+13.7022，相关系数为R2=0.9982。检出限（S/N=3）为1.42×10-4mg/L。

图7 柠檬黄的标准曲线

2.6 回收试验

为评价该方法在检测实际样品中的应用，利用修饰电极对腐竹中柠檬黄的含量进行电化学检测。将样品粉碎，称取2.00 g置于50 mL离心管中，加入30 mL提取液（V乙醇∶V氨水∶V水=7∶2∶1），以3000 r/min转速离心15 min，倒出上清液，用20 mL的提取液再提取1次，合并上清液倒入蒸发皿中，水浴蒸发至约2 mL，转移至10 mL容量瓶中并用超纯水定容，摇匀后，置于离心管中，以12000 r/min高速离心10 min，上清液直接测。在最佳条件下检测，所得结果的SRSD为4.13%，之后进行加标回收试验，所得结果如表1所示，回收率在97.38%～104.45%之间，表明提供的方法可用于螺蛳粉中腐竹的检测。

表1 腐竹样品中柠檬黄的测定（n=6）

2.7 干扰试验

如图8所示，在最佳条件下，利用循环伏安法探究常见干扰物对检测0.534 mg/L柠檬黄的影响，相对测量误差控制在±5%以内。试验结果表明5倍的NH4+，10倍的Mg2+、SO42-、K+、Cl-，20倍的CO32-、葡萄糖，50倍的蔗糖对测定不产生干扰。故所制备的CMK-3/GCE的抗干扰能力和选择性较好。

图8 各干扰物质对测定柠檬黄的影响

3 结论

以阿拉伯糖作为碳源，通过硬模板法合成有序介孔碳材料，采用滴涂法将有序介孔碳材料固定在玻碳电极表面，制备了能检测柠檬黄的电化学传感器。结果表明，经过化学修饰后电极对柠檬黄具有良好的吸附富集作用。将该电化学传感器成功用于螺蛳粉中豆制品的柠檬黄的测定，检出限为1.42×10-4mg/L。该方法制备的传感器操作简单，具有良好的稳定性、重复性和抗干扰能力，为柠檬黄的检测提供新方法。