Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs修飾電極伏安法測(cè)定食品中的亞硝酸根

郝玉翠

（唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000）

亞硝酸鹽（NO2－）會(huì)使人體正常的血紅蛋白氧化而失去攜氧能力，還可與各種胺類反應(yīng)形成強(qiáng)致癌物亞硝胺，導(dǎo)致消化系統(tǒng)癌癥的發(fā)生［1，2］。近年來(lái)，亞硝酸鹽作為食品添加劑在食品工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，因此，檢測(cè)食品中亞硝酸鹽的含量具有重要意義。目前，NO2－檢測(cè)方法有分光光度法［3］、色譜法［4，5］、流動(dòng)注射分析［6］等，這些分析方法大多操作復(fù)雜，分析速度慢，而化學(xué)修飾電極測(cè)定NO2－具有成本低、程序簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［7－11］。

碳納米管具有表面積大、導(dǎo)電性強(qiáng)和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，常被用于負(fù)載金屬材料。碳納米管與金屬具有協(xié)同作用，可提高復(fù)合材料的電催化性能［12］。貴金屬Pt具有良好的電催化性能，金屬Pt與Fe（Ⅲ）的協(xié)同作用可以表現(xiàn)出更好的電催化性能［13］。用上述相關(guān)材料制備對(duì)亞硝酸根具有良好電催化氧化作用的化學(xué)修飾電極，利用亞硝酸根氧化峰電流和亞硝酸根濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系的原理，可建立修飾電極測(cè)定亞硝酸根的新方法。本研究擬采用物理滴涂法和直接電化學(xué)沉積法制備Pt—Fe（III）/多壁碳納米管修飾玻碳電極（Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE），并研究該修飾電極對(duì)NO2－的電催化作用。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化其試驗(yàn)條件，建立用Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE測(cè)定 NO2－的新方法，旨在將其用于食品中NO2－含量的測(cè)定。

1 材料與方法

1.1 儀器

電化學(xué)分析儀：CHI660C型，上海辰華儀器公司；

超聲波清洗器：KQ-250DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

三電極系統(tǒng)（裸玻碳電極為基體工作電極（GCE）、飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑電極為對(duì)電極）：上海辰華儀器公司；

X射線衍射儀：UltimaⅣ型，日本理學(xué)公司；

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡：S-4800型，日本日立公司。

1.2 試劑

NaNO2：分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；

FeCl3：分析純，天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠；

氯鉑酸：分析純，博歐特（天津）化工貿(mào)易有限公司；

不同pH的0.1mol/L磷酸鹽緩沖溶液（PBS）：由濃度均為0.1mol/L的 H3PO4、NaH2PO4和 Na2HPO43種溶液配制而成，并采用0.1mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH。

1.3 Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE的制備

1.3.1 MWCNTs的純化 將0.1g MWCNTs放入10mL濃HNO3中，加熱回流8h，然后將所得MWCNTs懸濁液過(guò)濾，并用蒸餾水沖洗所得MWCNTs至濾液為中性。將所得MWCNTs烘干、研磨，備用。

1.3.2 GCE的拋光與清洗 用粒徑為0.5μm的Al2O3粉懸濁液將GCE表面拋光成鏡面，沖洗干凈，再分別用無(wú)水乙醇、蒸餾水超聲清洗5min，備用。

1.3.3 MWCNTs/GCE 的 制 備 稱 取5mg 研 磨 過(guò) 的MWCNTs，溶于10mL無(wú)水乙醇溶液中，用超聲清洗器將MWCNTs乙醇懸濁液超聲1h，以使MWCNTs在無(wú)水乙醇中分散均勻，然后取20μL分散均勻的MWCNTs乙醇懸濁液，將其滴涂在GCE表面，待乙醇揮發(fā)后，即制得 MWCNTs/GCE。

1.3.4 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 的 制 備 將 MWCNTs/GCE浸入0.5mol/L的 H2SO4溶液中，在－0.3～0.8V范圍內(nèi)以100mV/s的掃描速率循環(huán)伏安（CV）掃描10圈，使其活化。再將 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范圍內(nèi)以50mV/s的掃描速率CV掃描20圈，使 Pt—Fe（III）電沉積在 MWCNTs/GCE表面，即制得Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE。

1.4 方法

將三電極浸入含NO2－的PBS溶液中，以Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE為工作電極，在0.4～0.9V電位范圍內(nèi)記錄NO2－在工作電極上的差分脈沖伏安（DPV）曲線，根據(jù)DPV曲線上0.7V處的氧化峰電流進(jìn)行NO2－的定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 Pt—Fe（III）的電沉積

Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的電沉積 CV 曲線見(jiàn)圖1。由圖1可知，在0.3～0.5V時(shí)存在一對(duì)氧化還原峰a和a＇，這是由Fe3＋/Fe2＋氧化還原電對(duì)產(chǎn)生的。在－0.2～0 V時(shí)的氧化還原峰b和b＇是Pt的特征峰，這些峰是由吸附氫的電化學(xué)氧化與還原反應(yīng)產(chǎn)生的。吸附氫氧化還原峰的形狀、數(shù)目和大小是由暴露Pt的晶面、電極的預(yù)處理方法、溶液中所含雜質(zhì)以及支持電解質(zhì)性質(zhì)等因素決定的［14］。隨著CV掃描圈數(shù)的增加，CV曲線上氧化還原峰電流不斷增大，表明不斷有Pt微粒和Fe（III）的氧化物沉積在工作電極上。

圖1 Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的電沉積CV曲線Figure 1 Cyclic voltammogram for electrodeposition of Pt—Fe（III）on MWCNTs/GCE

2.2 Pt－Fe（III）/MWCNTs的表征

為研究電極修飾材料的成分和表面形貌，采用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對(duì)電極修飾材料進(jìn)行了表征，見(jiàn)圖2、3。

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

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

由圖2可知：MWCNTs和Pt—Fe（III）/MWCNTs在2θ為26°和43°時(shí)，均出現(xiàn)了明顯的衍射峰，對(duì)應(yīng)的分別是石墨（002）和石墨（100）產(chǎn)生的晶面衍射峰，Pt—Fe（III）/MWC-NTs的XRD圖譜上產(chǎn)生的另外4個(gè)衍射峰和Pt（JCPDS 04-0802）的譜圖一致，在40，46，67，81°的衍射峰與Pt（111）、Pt（200）、Pt（220）和Pt（311）晶面的特征衍射峰一一對(duì)應(yīng)，說(shuō)明Pt具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，利用Sherrer公式和Pt（220）的衍射峰半峰寬，計(jì)算出Pt的平均粒徑為3nm。在XRD圖譜中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Fe（III）的衍射峰，表明Fe（III）是以非晶態(tài)存在，其中 Fe（III）是以Fe2O3和FeOOH 形式存在［13］。

由圖3可知：MWNTs的管徑大約為40～50nm，MWNTs上分散的大部分納米粒子粒徑約為40～60nm；這些納米粒子都具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可能是由于Fe（III）氧化物的Fe—O—Fe鍵產(chǎn)生的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將Pt納米粒子分割成粒徑為3nm的納米粒子。

2.3 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對(duì) NO2－的電催化作用

將Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE分別在空白 PBS和含0.8mmol/L NO2－的PBS溶液中進(jìn)行DPV掃描，所得DPV曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知：0.8mmol/L NO2－＋0.1mol/L PBS曲線在0.7V處產(chǎn)生了明顯的氧化峰，說(shuō)明NO2－在Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE上發(fā)生了明顯的氧化反應(yīng)，該氧化峰對(duì)應(yīng)的是NO2－氧化為NO3－的氧化反應(yīng)，其可能的反應(yīng)機(jī)理：

NO2－＋ H2O→ NO3－＋2H＋＋2e－

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

將 GCE、MWCNTs/GCE 和 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 3種工作電極分別在空白PBS和含0.8mmol/L NO2－的PBS中進(jìn)行DPV掃描，所得DPV曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知：GCE曲線沒(méi)有明顯的氧化峰，MWCNTs/GCE和Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE曲線在0.7V附近都出現(xiàn)了明顯的氧化峰，但Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE曲線的氧化峰電流最大，說(shuō)明GCE對(duì)NO2－電催化作用不明顯，MWCNTs/GCE和Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE均對(duì)NO2－產(chǎn)生了明顯的電催化作用，但Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對(duì) NO2－的電催化作用最強(qiáng)。這是由于MWCNTs使電沉積在電極上的Pt粒子更加分散［15］，且Pt粒子和Fe（III）的協(xié)同作用，使得修飾電極表面積變大，活性位點(diǎn)增多，從而提高了修飾電極對(duì)NO2－的電催化性能。

圖5 不同工作電極在0.8mmol/L NO2－＋0.1mol/L PBS（pH＝3）中的DPV曲線Figure 5 Differential pulse voltammograms of different electrodes in 0.1mol/L PBS containing 0.8mmol/L nitrite at pH＝3

2.4 MWCNTs修飾量對(duì)測(cè)定的影響

試驗(yàn)研究了 MWCNTs修飾量在0～30μL變化時(shí)，NO2－在Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE上氧化峰電流的變化見(jiàn)圖6。結(jié)果表明：當(dāng)MWCNTs用量在0～20μL變化時(shí)，氧化峰電流隨著MWCNTs用量的增加而增加，這是因?yàn)殡SMWCNTs修飾量的逐漸增加，電極表面催化活性位點(diǎn)增多，導(dǎo)致氧化電流增加，但是當(dāng)MWCNTs修飾量超過(guò)20μL后，氧化峰電流隨MWCNTs修飾量的逐漸增加而降低，這是由于電極表面MWCNTs修飾層厚度過(guò)大，阻礙了NO2－與電極的電子交換。因此，以20μL作為MWCNTs的最佳用量來(lái)制備Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE。

圖6 MWCNTs用量對(duì)亞硝酸根氧化峰電流的影響Figure 6 The effect of the amount of MWCNTs on oxidation peak current of nitrite

2.5 Pt—Fe（III）電沉積圈數(shù)對(duì)測(cè)定的影響

試驗(yàn)研究了Pt—Fe（III）電沉積圈數(shù)對(duì)NO2－在Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE上的氧化峰電流的影響。將 MWCNTs/GCE在0.5mol/L H2SO4＋1.8mmol/L H2PtCl6＋1.2mmol/L FeCl3溶液中CV掃描0～50圈，制得不同Pt—Fe（Ⅲ）負(fù)載量的修飾電極，分別用不同Pt—Fe（III）負(fù)載量修飾電極為工作電極測(cè)定同濃度NO2－的氧化峰電流，見(jiàn)圖7。結(jié)果表明，當(dāng)Pt—Fe（III）電沉積圈數(shù)在0～20變化時(shí)，NO2－的氧化峰電流隨著電沉積圈數(shù)的增大而增大，當(dāng)電沉積圈數(shù)超過(guò)20時(shí)，NO2－的氧化峰電流不再隨著電沉積圈數(shù)的增加而顯著增大。這可能是由于Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的負(fù)載量趨近于飽和，兼顧修飾電極制備方法的簡(jiǎn)捷性和測(cè)定NO2－的靈敏度，選擇電沉積20圈作為Pt—Fe（III）最佳負(fù)載量。

圖7 Pt—Fe（Ⅲ）的電沉積圈數(shù)對(duì)亞硝酸根氧化峰電流的影響Figure 7 The effect of the electrodepositon circles of Pt—Fe（Ⅲ）on oxidation peak current of nitrite

2.6 pH值對(duì)測(cè)定的影響

試驗(yàn)研究了PBS的pH值在1～6變化時(shí)，8mmol/L NO2－氧化峰電流的變化，見(jiàn)圖8。結(jié)果表明，NO2－的氧化峰電流隨著PBS的pH值增大而減小，當(dāng)選用pH值為3的PBS作為底液時(shí)，NO2－的氧化峰電流較大，背景電流較小，峰形最好，因此，選用pH值為3的PBS作為底液。

圖8 pH對(duì)亞硝酸根氧化峰電流的影響Figure 8 The effect of pH on oxidation peak current of nitrite

2.7 線性范圍和檢測(cè)限

采用上述優(yōu)化條件，以 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE為工作電極，建立DPV法測(cè)定NO2－的新方法，NO2－在0.7V處產(chǎn)生的氧化峰電流ip（μA）與其濃度c（μmol/L）在3.0×10－7～2.0×10－3mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，見(jiàn)圖9、10，線性回歸方程為：ip＝0.026 3c＋0.512，相關(guān)系數(shù)r＝0.999 3，檢測(cè)限為1.0×10－7mol/L。

圖9 0.1mol/L PBS（pH＝3）中不同濃度 NO2－在Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE上的 DPV曲線Figure 9 Differential pulse voltammograms of Pt/MWCNTs/GCE in 0.1mol/L PBS（pH＝3）

圖10 亞硝酸根氧化峰電流與其濃度的線性關(guān)系Figure 10 The linear relationship between oxidation peak current of nitrite and concentration of nitrite

2.8 干擾試驗(yàn)

試驗(yàn)研究了Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對(duì)NO2－的選擇性，見(jiàn)表1。結(jié)果表明，在不超過(guò)±5%的誤差范圍內(nèi)，固定NO2－的 濃 度 為 0.8mmol/L，50 倍 的 K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42－、PO43－、SO32－和 NO3－等常見(jiàn)離子對(duì)測(cè)定不產(chǎn)生干擾，表明Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對(duì) NO2－具有較好的選擇性。

表1 常見(jiàn)離子對(duì)亞硝酸根測(cè)定的影響Table 1 Effect of common ions on the nitrite determination

2.9 電極的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

用同一支Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對(duì)0.8mmol/L NO2－溶液平行測(cè)定8次，其峰電流值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.9%。將使用后的 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE清洗后，封好保存1周，其對(duì)NO2－的響應(yīng)電流值為最初響應(yīng)電流值的92%，說(shuō)明Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE具有較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

2.10 樣品的檢測(cè)及加標(biāo)回收試驗(yàn)

采用GB 5009.33—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測(cè)定》的方法對(duì)市售的3種香腸樣品進(jìn)行預(yù)處理，用Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE測(cè)定香腸中的亞硝酸根含量，并做加標(biāo)回收試驗(yàn)，同時(shí)，用GB 5009.33—2010中的分光光度法測(cè)定香腸樣品中亞硝酸根含量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE測(cè)定 NO2－的加標(biāo)回收率為98.1%～102%，與分光光度法測(cè)定的結(jié)果基本一致，方法準(zhǔn)確度較高。

表2 樣品的加標(biāo)回收率Table 2 The recovery rate of the samples（n＝5）

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用物理滴涂法和直接電化學(xué)沉積法制得的Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對(duì) NO2－具有良好的電催化氧化性能，Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 可用于測(cè)定 3.0×10－7～2.0×10－3mol/L濃度范圍內(nèi)的 NO2－，檢測(cè)限為1.0×10－7mol/L。該電化學(xué)分析方法具有成本低、操作簡(jiǎn)便、響應(yīng)快速、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于檢測(cè)食品中NO2－的含量。

1 皇甫超申，史齊，李延紅，等.亞硝酸鹽對(duì)人體健康的利害分析［J］.環(huán)境與健康雜志，2010，27（8）：733～736.

2 劉曉軍，蔡玉文，胡強(qiáng)，等.食品中亞硝酸鹽檢測(cè)方法研究進(jìn)展［J］.食品與機(jī)械，2014，30（1）：239～242.

3 劉海軍.對(duì)氨基苯甲酸光度法測(cè)定水中NO2－［J］.中國(guó)給水排水，2000，16（2）：51～52.

4 戰(zhàn)旭梅，劉靖，劉萍.高效液相色譜法測(cè)定香腸中亞硝酸鹽含量［J］.食品與機(jī)械，2014，30（6）：72～74.

5 閆仲麗，楊志巖，張曉清.離子色譜法測(cè)定燕窩中亞硝酸鹽的含量［J］.食品與機(jī)械，2012，28（3）：62～64.

7 Yildiz G，Oztekin N，Orbay A，et al.Voltammetric determination of nitrite in meat products using polyvinylimidazole modified carbon paste electrode［J］.Food Chemistry，2014，152：245～250.

8 Ojani R，Raoof J B，Zamani S.A novel and simple electrochemi-cal sensor for electrocatalytic reduction of nitrite and oxidation of phenylhydrazine based on poly（o-anisidine）film using ionic liquid carbon paste electrode［J］.Applied Surface Science，2013，271：98～104.

9 Muthukumar P，John S A.Gold nanoparticles decorated on cobalt porphyrin-modified glassy carbon electrode for the sensitive determination of nitrite ion［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2014，421：78～84.

10 張娜，張克營(yíng)，王芹.基于氧化鋯/石墨烯復(fù)合材料修飾電極測(cè)定亞硝酸根［J］.分析試驗(yàn)室，2014，33（12）：1 413～1 415.

11 于浩，鄭笑晨，劉冉彤.多壁碳納米管負(fù)載鐵氰化銅—鐵修飾電極的制備及對(duì)亞硝酸根的測(cè)定［J］.應(yīng)用化學(xué)，2014，31（11）：1 336～1 343.

12 Afkhami A，Soltani-Felehgari F，Madrakian T.Highly sensitive and selective determination of thiocyanate using gold nanoparticles surface decorated multi-walled carbon nanotubes modified carbon paste electrode［J］.Sensors and Actuators B，2014，196：467～474.

13 Wang Shu-qing，Yin Yi-mei，Lin Xiang-qin.Cooperative effect of Pt nanoparticles and Fe（III）in the electrocatalytic oxidation of nitrite［J］.Electrochemistry Communications，2004，6（3）：259～262.

14 Bard A J，F(xiàn)aulkner L R.Electrochemical Methods［M］.New York：John Wiley Sons，1980：540.

15 Zhao Kun，He Yi，Zhu Cheng-yun，et al.Electrochemical behavior of propranolol hydrochloride in neutral solution on platinum nanoparticles doped multi-walled carbon nanotubes modified glassy carbon electrode［J］.Electrochimica Acta，2012，80：405～410.