基于MoS2模擬酶檢測可口可樂飲料中的磷酸根

陳清愛， 鐘良雙， 龐 杰， 郭良洽

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院， 福建 福州　350002； 2. 福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院， 福建 福州　350116)

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基于MoS2模擬酶檢測可口可樂飲料中的磷酸根

陳清愛1， 鐘良雙2， 龐 杰1， 郭良洽2

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院， 福建 福州350002； 2. 福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院， 福建 福州350116)

MoS2納米片具有類辣根過氧化物酶的催化活性， 能高效地催化過氧化氫氧化底物3, 3′, 5, 5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)產(chǎn)生藍色產(chǎn)物. 利用磷酸根能夠降低MoS2納米片催化活性的原理， 建立了一種檢測磷酸根的比色傳感體系并用于可口可樂飲料樣品的檢測. 實驗考察并優(yōu)化了溫度、pH值、TMB濃度及H2O2濃度等參數(shù)影響， 在最優(yōu)條件(溫度45 ℃、pH5.0、TMB25mmol·L-1、H2O230mmol·L-1)下， 磷酸根濃度在2～40μmol·L-1范圍內(nèi)與吸光度具有良好的線性關(guān)系， 檢測限(3σ/k)為0.79μmol·L-1.

MoS2； 磷酸根； 過氧化氫； 可口可樂

0　引言

二硫化鉬(MoS2)分子是一種特殊的六方晶系層狀結(jié)構(gòu)， 分子層內(nèi)S-Mo原子通過化學(xué)鍵結(jié)合, 層間則通過較弱的范德華力結(jié)合.MoS2具有較高化學(xué)穩(wěn)定性、 耐熱性、 強氧化性等特點， 被廣泛應(yīng)用到航天航空、 機械制造以及含有納米MoS2的催化劑材料中[1]. 而納米MoS2作為窄帶隙p型半導(dǎo)體材料， 其帶隙約為1.87eV, 與陽光中的可見光的能量相一致， 使其體現(xiàn)出了良好的光、 電等諸多優(yōu)異的物理性能[2]， 在生物醫(yī)學(xué)、 食品衛(wèi)生、 藥物篩選以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景.

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們生活水平的提高， 各式各樣迎合人們口味的飲料也隨之出現(xiàn). 目前， 軟飲料大致可以分為以下幾大類： 碳酸飲料、 運動型飲料、 復(fù)合型果蔬汁飲料、 乳性飲料及茶飲料等[3]. 其中風(fēng)靡全球的可口可樂和百事可樂等碳酸飲料受到人們的喜愛， 尤其是年輕人和小孩. 可樂飲料主要由糖、 碳酸水、 天然咖啡因和磷酸等按一定的比例組成. 根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準 食品添加劑使用標(biāo)準(GB2760—2014) 》[4]中規(guī)定， 磷酸根在飲料類(14.01包裝飲用水除外)的最大使用量為5g·kg-1. 可樂中的磷酸屬于中強酸， 如果超標(biāo)食入會對人體造成一定的傷害， 尤其容易導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生， 因此測定可樂中的磷酸根含量相當(dāng)重要.

目前有關(guān)報道的磷酸根離子測定方法主要有光譜分析法、 電化學(xué)分析法、 色譜分析法以及各種聯(lián)用分析技術(shù)等[5-8], 但這些方法存在操作冗長費時、 選擇性差、 難以滿足大規(guī)模快速篩查等缺點. 因此， 建立簡單、 快速、 靈敏的磷酸根測定方法具有重要的應(yīng)用價值和實際意義.

研究發(fā)現(xiàn)新型納米材料MoS2具有類辣根過氧化物酶的催化活性， 它能高效地催化過氧化氫氧化底物3, 3′, 5, 5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)發(fā)生顯色反應(yīng)[9]. 實驗發(fā)現(xiàn)， 在磷酸根存在下MoS2催化活性降低， 其相應(yīng)的吸光度會下降， 而這種下降程度與磷酸根的量成正比， 基于這個原理建立了一種MoS2模擬酶催化活性檢測磷酸根的體系， 并用于可口可樂樣品中的磷酸根檢測， 檢測結(jié)果顯示該方法相對誤差小， 準確度較高.

1　實驗部分

1.1試劑

MoS2納米片(18μg·mL-1，MoS2純度>99%)購買于南京先豐納米材料科技有限公司； 3, 3′, 5, 5′-四甲基聯(lián)苯胺購買于上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)公司； 過氧化氫、 磷酸二氫鉀、 冰醋酸、 醋酸鈉、 硫酸和硫脲均購買于國藥集團上海化學(xué)試劑公司； 硫酸亞鐵購買于汕頭市西隴化工廠； 三氯醋酸購買于天津市福晨化學(xué)試劑廠； 鉬酸銨購買于阿拉丁試劑(上海)有限公司； 實驗試劑均為分析純， 實驗所用水全部為超純水(18.2MΩ·cm，Millipore超純水系統(tǒng))， 可口可樂飲料購自福州某超市.

1.2基于MoS2模擬酶測定磷酸根含量的測定

取300μL不同濃度的磷酸根標(biāo)準溶液與30μLMoS2納米片(18μg·mL-1)及100μLHAc-NaAc緩沖液(0.2mol·L-1，pH5.0)混勻后反應(yīng)10min， 然后加入20μLTMB(25mmol·L-1)和50μL過氧化氫(40mmol·L-1)， 采用金屬浴在45 ℃下反應(yīng)30min； 反應(yīng)結(jié)束后， 用50μL20%(體積分數(shù))的H2SO4終止反應(yīng)， 最后用Lamda750紫外-可見-近紅外分光光度計(美國PerkinElmer公司)測定吸收光譜圖； 以反應(yīng)體系在450nm處的吸光度變化值(ΔA=A0-A)作定量分析， 制作工作曲線. 其中A0為反應(yīng)體系在無磷酸根存在時的吸光度； A為反應(yīng)體系在磷酸根存在時的吸光度.

1.3可口可樂飲料樣品處理

可口可樂樣品在測定前采用活性炭吸附除去樣品中的焦糖從而降低樣品顏色的干擾. 實驗方法： 將50mL可樂注入圓底燒瓶， 加入5g活性炭， 攪拌、 回流加熱約10min(100 ℃)， 然后撤去油浴鍋， 待樣品冷卻至20 ℃后用濾紙過濾， 即得到無色的溶液.

2　結(jié)果與討論

2.1傳感體系的反應(yīng)機理

基于MoS2模擬酶檢測磷酸根的原理如圖1所示.MoS2納米片具有類辣根過氧化物酶的催化活性[9]， 它能高效地催化過氧化氫氧化底物TMB， 生成藍色的產(chǎn)物， 反應(yīng)體系在450nm處的吸光度隨著反應(yīng)時間的延長而增加(見圖2曲線a). 在磷酸根存在下， 磷酸根與MoS2納米片發(fā)生相互作用， 反應(yīng)體系的吸光度明顯降低(見圖2曲線b)，MoS2納米片的催化活性明顯受到抑制.

2.2反應(yīng)條件的優(yōu)化2.2.1溫度和pH值對體系的影響

實驗考察了溫度對體系的影響， 實驗結(jié)果如圖3(a)所示. 反應(yīng)體系的吸光度變化值(ΔA=A0-A)隨溫度變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 尤其是超過55 ℃時吸光度變化值下降明顯， 這可能是因為溫度太高， 磷酸根與MoS2吸附的能力減弱， 抑制作用減小. 從實驗結(jié)果可知， 在45 ℃時，ΔA值達到最大， 綜合考慮， 選擇45 ℃作為該體系的反應(yīng)溫度.

從圖3(b)中可看出，pH值對體系的影響比較大.pH值為5.0時的ΔA值最大， 這可能是由于在pH值為5.0的條件下， 磷酸主要以磷酸二氫鹽的形式存在， 有利于抑制MoS2的催化活性， 使得吸光度值降低. 從實驗結(jié)果可看出， 體系的最適pH值為5.0.

2.2.2TMB和H2O2濃度對體系的影響

圖4(a)所示是TMB濃度對反應(yīng)體系實驗結(jié)果的影響. 由圖4(a)可看出， 隨著TMB濃度的增大，ΔA值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 在TMB濃度為25mmol·L-1時達到最大. 在TMB濃度超過25mmol·L-1后，ΔA值逐漸下降， 這是因為TMB濃度過高對反應(yīng)產(chǎn)生抑制. 從圖4(b)可看出， 隨著H2O2濃度的增大，ΔA值逐漸增大， 在30mmol·L-1后略有降低， 這是因為當(dāng)H2O2濃度超過30mmol·L-1后， 反應(yīng)已經(jīng)達到平衡， 所以體系的最優(yōu)H2O2濃度為30mmol·L-1.

2.3磷酸根含量的測定

圖5(a)顯示， 在最優(yōu)反應(yīng)體系下， 隨著磷酸根濃度的增加， 反應(yīng)體系在450nm處的吸光度呈有規(guī)律的下降趨勢. 圖5(b)的標(biāo)準曲線顯示， 反應(yīng)體系在450nm處吸光度的降低程度(空白的吸光度減去磷酸根存在時的吸光度, y)與磷酸根的濃度(x)成正比， 磷酸根濃度在2～40μmol·L-1范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系， 線性方程為y= 0.004 3 + 0.037 9x(R2=0.992)， 以3σ/k(其中σ=0.001 0， k=0.037 9)計算的檢測限為0.79μmol·L-1.

2.4方法的選擇性

2.5可樂飲料中磷酸根含量的測定

在最優(yōu)化的配比和檢測條件下, 應(yīng)用新構(gòu)建的MoS2納米體系對不同稀釋倍數(shù)的可口可樂樣品進行檢測， 同時與鉬藍比色法[10]進行比較. 實驗檢測結(jié)果如表1所示.

表1　基于MoS2納米片模擬酶法與鉬藍比色法檢測可口可樂中磷酸根的結(jié)果對比Tab.1　Results of phosphate detection in Coca Cola using MoS2 nanosheets as mimetic enzymeand molybdenum blue colorimetric method

3　結(jié)語

基于MoS2納米片具有類辣根過氧化物酶催化活性， 能高效地催化過氧化氫氧化底物TMB產(chǎn)生顏色變化， 而磷酸根能使MoS2納米片的催化活性降低這一原理， 建立了一種檢測磷酸根的比色方法. 所建立的方法中磷酸根濃度在2～40μmol·L-1范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系， 線性方程為y= 0.004 3+0.037 9x(R2=0.992)， 根據(jù)3倍信噪比(3σ/k)計算理論檢出限為0.79μmol·L-1. 該方法應(yīng)用于可口可樂飲料中磷酸根的測定， 與鉬藍比色法相比， 檢測結(jié)果相對誤差較小、 準確度較高.

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(責(zé)任編輯： 洪江星)

ThedetectionofphosphoricacidrootinCocaColabasedonMoS2nanosheetsasmimeticenzyme

CHENQing′ai1,ZHONGLiangshuang2,PANGJie1,GUOLiangqia2

(1.CollegeofFoodScience,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China;2.CollegeofChemistry,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

Molybdenumdisulfide(MoS2)nanosheetswerediscoveredtopossessanintrinsicperoxidase-likeactivityandcancatalyticallyoxidize3, 3’, 5, 5’-tetramethylbenzidine(TMB)byH2O2toproduceabluecolorproduct,andphosphatecanreducethephotocatalyticactivityofMoS2nanosheets.Basedonthisprinciple,asimplecolorimetricmethodforphosphatedetectionwasdevelopedandappliedtodetectphosphateinCocaColasamples.Severalanalyticalparametersincludingthetemperature,pHvalueandtheconcentrationofTMBandH2O2wereinvestigatedandoptimized.Undertheoptimalconditions(temperature45 ℃,pH=5.0,TMB25mmol·L-1,H2O230mmol·L-1),alinearrelationshipbetweentheconcentrationofphosphateandabsorbancecouldbeobtainedovertherangeof2to40μmol·L-1withadetectionlimitof0.79μmol·L-1(3σ/k).

molybdenumdisulfide(MoS2);phosphate;H2O2;CocaCola

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0124

1000-2243(2016)01-0124-05

2015-10-01

龐杰(1965-)， 博士， 研究員， 主要從事食品安全檢測與評價方面研究，pang3721941@163.com；

國家自然科學(xué)基金資助項目(21177023)

O661

A

郭良洽(1975-)， 博士， 教授， 主要從事食品安全方面研究，lqguo@fzu.edu.cn