石墨烯量子點修飾玻碳電極對日落黃的電化學檢測

張金磊,凌紹明,段 艷,符永芹,韋仁礦

(1.廣西高校桂西生態(tài)環(huán)境分析和污染控制重點實驗室，百色學院，廣西百色533000）（2.百色市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，廣西百色533000)

石墨烯量子點修飾玻碳電極對日落黃的電化學檢測

張金磊1*,凌紹明1,段 艷1,符永芹1,韋仁礦2

(1.廣西高校桂西生態(tài)環(huán)境分析和污染控制重點實驗室，百色學院，廣西百色533000）（2.百色市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，廣西百色533000)

利用Hummer方法制備了石墨烯量子點(GQDs，graphene quantum dots)，并在室溫下將其修飾于玻碳電極表面，制得了測定日落黃的電化學傳感器(GQDs/GCE)。研究了日落黃(SY)在該修飾電極(GQDs/GCE)上的電化學行為。在0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5)的溶液中，日落黃(SY)在(GQDs/GCE)上有一對可逆的氧化還原峰。在最優(yōu)化條件下用循環(huán)伏安法測得日落黃的氧化峰電流與其濃度在4.0×10-7～1.0×10-4mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關系，檢測限為1.0×10-7mol/L。實驗表明，石墨烯量子點對日落黃的氧化還原有明顯的催化和增敏作用。利用優(yōu)化后的條件對芬達飲料進行測定，回收率在99.5%～103.8%。

石墨烯量子點;日落黃;測定;電化學行為

Abstract:A new method for the determination of sunset yellow (SY)was established based on the graphene quantum dots(GQDs)modified glassy carbon electrode(GQDs/GCE).In 0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5)buffer solution,the electrode process of SY was reversible at GQDs/GCE.The GQDs/GCE showed a remarkable catalytic and enhancement effect on redox of SY.A linear dynamic range of 4.0×10-7mol/L to 1.0×10-4mol/L(r2=0.992)with a detection limit of 1.0×10-7mol/L was obtained.The electrochemical behaviors of SY were studied and electron transfer coefficient(α=0.45),proton number(X=1)and electron transfer number(n=2)have been determined.This method has been used to determine the content of SY in drinks.The recovery was determined to be 99.5%to 103.8%by means of standard addition method.

Key words:graphene quantum dots;sunset yellow;determination;electrochemical behavior

0 引言

日落黃(Sunset yellow，簡稱SY)的分子式為C16H10N2Na2O7S2，相對分子質(zhì)量為 452.38，是一種偶氮類色素。是一種無臭的橙紅色粉末，微溶于乙醇，易溶于水、甘油、丙二醇，不溶于油脂。日落黃屬于合成偶氮染料，因其結構穩(wěn)定、顏色鮮亮、有增加外觀顏色好看的作用且價格低廉，被廣泛應用于飲料、藥物、飼料、食品、化妝品、煙草、玩具和食品包裝材料等的著色[1]，但用量受到嚴格限制，同時生鮮肉中未被允許添加日落黃(SY)。

日落黃是用人工化學合成方法所制得的有機色素，這種人工合成色素對人體健康產(chǎn)生危害，危害包括一般毒性、致瀉性、致突性(基因突變)與致癌作用，尤其是在致癌作用中更明顯[2]。若消費者長期或一次性的大量食用日落黃含量超標的食品，可能會引起過敏、焦躁、偏頭痛、支氣管哮喘、腹瀉濕疹等癥狀甚至可能導致癌癥[3]。當攝入量過大，超過肝臟的負荷時，就會在體內(nèi)蓄積，進而會對肝臟和腎臟將會產(chǎn)生一定的傷害[4]。有研究表明，兒童智力的影響，多動癥等行為障礙都與長期攝入人工添加劑有關。雖然食品、飲料中可以限量添加日落黃，但在生鮮肉類，牛肉、醬鹵肉、魚干等熟肉制品中是不能添加的。

目前測定日落黃的方法有很多種，主要有HPLC法（高效液相色譜法）[5-6]、熒光光譜法[7]、分光光度法[8]、電化學法[9-10]等。色譜法相比光譜法和電化學方法來說，擁有更為廣泛的應用，但是需要專門的操作人員來操作，儀器的使用條件和檢測的方法要求相對較高，而且需要有機溶劑的量是比較大的，而復雜繁瑣的預處理更是使色譜法不能得到普遍的運用。為克服色譜方法的不足，電化學方法由于具有設備簡單、操作方便、能耗低、環(huán)境污染小、修飾程序簡單等特點，引起了研究者的廣泛關注。電化學修飾電極對日落黃的測定已有報道，如石震等[11]將新型碳材料乙炔黑分散制備成乙炔黑-殼聚糖復合膜修飾玻碳電極，研究了日落黃在該修飾電極上的電化學行為。結果表明：電極修飾峰電流明顯增大，氧化還原峰電位差減小。徐利斌等[12]采用石墨烯量子點功能化多壁碳納米管構建日落黃和酒食黃同時檢測的電化學傳感器（GQDs-MWNTs/GCE）。在0.825 V和0.752 V處出現(xiàn)一對氧化還原峰，說明GQDs-MWNTs功能化的新型復合物增強了修飾電極的導電性、檢測靈敏度、穩(wěn)定性和抗干擾能力。

該實驗擬將石墨烯量子點 (GQDs,graphene quantum dots)修飾于玻碳電極表面制得測定日落黃的電化學傳感器(GQDs/GCE)，為日落黃的選擇性檢測提供一種新的方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI760e型電化學工作站（上海辰華儀器公司）、三電極系統(tǒng)：工作電極為石墨烯量子點修飾玻碳電極，輔助電極為鉑絲電極、參比電極為銀-氯化銀電極，KQ218超聲波清洗器 （昆山市超聲儀器有限公司），TDZ5-WS湘儀離心機 （湖南湘儀離心機儀器有限公司），RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）。

實驗所用試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。所有實驗在常溫下進行。

1.2 石墨烯量子點的制備

該實驗首先采用Hummer方法合成氧化石墨烯(GO)：將石墨粉 1.5 g、NaNO31.5 g 和 H2SO469 mL混合，在冰浴條件下攪拌，緩慢加入9 g KMnO4,然后緩慢升溫至室溫并攪拌1 h，緩慢加入100 mL水，溫度升至90℃，攪拌30 min，加入300 mL水和100 mL 30%的H2O2，然后用水洗滌、離心直至中性。最后把過濾物置于烘箱中干燥過夜得到石墨烯(GO)，將其配置成4 mg/mL的溶液，待用。

將40 mL 30%的H2O2和 10 mL 25%～28%的氨水加入5 mL石墨烯(GO)溶液中，在80℃強烈攪拌下反應24 h,在65℃時旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去過量的氨水和H2O2，乙醇洗滌后，制得石墨烯量子點(GQDs,graphene quantum dots)。

1.3GQDs/GCE的制備

1.3.1 修飾劑的制備

稱取1 μL石墨烯量子點溶液置于1 mL試管中，加入1.0 mL蒸餾水，超聲分散15 min，得到分散良好的石墨烯量子點分散液。

1.3.2 修飾電極的制備

將玻碳電極 (直徑3 mm)用粒徑為0.05 μm的Al2O3粉末打磨至鏡面，用水沖洗干凈后，依次用10 mL無水乙醇、10 mL蒸餾水各超聲清洗1 min，室溫條件下晾干備用。用微量進樣器量取6 μL修飾劑滴于電極表面，于紅外燈下蒸發(fā)溶劑，得到GQDs/GCE，室溫冷卻備用。

1.4 實驗方法

實驗以 100 mV/s的掃描速率(ν)在 0.6～1.2 V電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描10圈，得到穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖(CV)。實驗采用微分脈沖伏安法和循環(huán)伏安法進行測定。

2 結果與討論

2.1 實驗條件的優(yōu)化

2.1.1 支持電解質(zhì)選擇

利用循環(huán)安法考察日落黃在不同底液(NH3-NH4Cl;HAc-NaAc;NaH2PO4-Na2HPO4)中的電化學行為。結果表明日落黃在HAc-NaAc溶液中的峰形最好且峰電流最大，所以體系選擇HAc-NaAc作為支持電解質(zhì)。

2.1.2 pH對ip和Ep的影響

物質(zhì)的電化學行為與支持電解質(zhì)的pH值有一定的關系。該實驗采用循環(huán)伏安法研究了不同pH(4.0～5.5)的 HAc-NaAc 緩沖溶液(0.15 mol/L)對日落黃峰電流和峰電位的影響。當pH值從4.0逐漸增加到4.5時，日落黃在修飾電極上的氧化峰ip逐漸增加；隨著pH繼續(xù)增加，氧化峰ip反而下降。因此，該實驗選擇pH值為4.5的HAc-NaAc緩沖溶液(0.15 mol/L)作為支持電解質(zhì)。由圖1可知，隨著pH的增加，氧化、還原峰電位均負移，說明SY的氧化還原過程中有質(zhì)子參與，且二者之間呈良好的線性關系，二者之間的關系為：Epa(V)=1.0702-0.0330pH，相關系數(shù)為r2=0.9960；Epc(V)=0.9798-0.0247pH。相關系數(shù)為r2=0.9975。對于可逆電極過程，依據(jù)關系式有Ep=E0-0.059(m/n)pH，(其中m為質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù))，得到 m/n=0.5。

圖1 不同pH的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of GQDs/GCE in 0.15 mol/L HAc-NaAc buffer solution containing 5×10-5mol/L SY.(from a to f:5.5，5.2，4.0，4.8，4.5，4.0)

2.2 掃描速率對峰電流的影響

掃描速率對日落黃(SY)峰電流和峰電位的影響如圖2所示。由圖2可知，在100～400 mV/s，峰電流與掃描速率的平方根成正比，線性方程為：Ipc(μA)=-24.0367+3.33091/2(ν:mV/s)， r2=0.9950；Ipa(μA)=-31.2900+4.39901/2(ν:mV/s)， r2=0.9930。說明電極反應過程是受吸附控制的。增加掃描速率，Epa逐漸正移，而Epc逐漸負移，說明掃描速率v對Ep是有影響的。對掃描速率取自然對數(shù)，得到 Ep與 lnv 關系:Epc=0.8341-0.0240lnv(ν:V/s)，r2=0.9913；Epa=0.9647+0.0197lnv(v:V/s)，r2=0.9902。

2.3 標準曲線

在最優(yōu)實驗條件下 (0.15 mol/L pH4.5 HAc-NaAc)采用循環(huán)伏安法研究了日落黃(SY)濃度與其峰電流間的關系，繪制了日落黃的CV曲線(如圖3所示)。從圖3中可以看出，ip隨日落黃(SY)濃度增高而逐步增大，工作曲線方程為：Ip(μA)=1.2210+0.2277c(μmol/L)，相關系數(shù) r2=0.9920，線性范圍：4.0×10-7~1.0×10-4mol/L，檢測限為 1×10-7mol/L。該實驗所研制的化學傳感器的線性范圍比文獻報道的要寬[13-15]，表明石墨烯量子點具有良好的電催化性能。

2.4 日落黃(SY)在裸電極和修飾電極上的電化學行為

分別掃描裸電極(a)和石墨烯量子點(GQDs/GCE)(b)在底液和待測液中的循環(huán)伏安曲線(圖4)。如圖4所示，日落黃在裸電極上于0.905 V處出現(xiàn)一個明顯的氧化峰，在0.898 V處出現(xiàn)一個不明顯的還原峰；而修飾電極于0.921 V處出現(xiàn)一個氧化峰，且氧化峰電流增大了約9倍；在0.887 V處出現(xiàn)一個還原峰，峰形變好且還原峰電流增大了約183倍。這說明石墨烯量子點在修飾電極上能很好地催化日落黃的氧化還原反應；且日落黃(SY)在石墨烯量子點修飾電極上表現(xiàn)出良好的可逆性。對于可逆反應，有ΔEp=(59/n)mV，圖4b中的ΔEp=34 mV，算得n=1.74≈2，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)。由2.1.2可知，m/n=1/2，故求得質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)m=1。 因此參與電極反應的電子數(shù)為2，質(zhì)子數(shù)為1。

圖3 不同濃度日落黃的循環(huán)伏安曲線Fig.3 The cyclic voltammograms of SY on the GQDs/GCE in 0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5).The inset shows relationship between Ipaand the concentration of SY.from a to k:4.0×10-7,1.0×10-6,4.0×10-6,1.0×10-5,3.0×10-5,4.0×10-5,5.0×10-5,6.0×10-5,7.0×10-5,8.0×10-5,1.0×10-4mol/L)

圖4 不同電極上日落黃的循環(huán)伏安曲線Fig.4 The cyclic voltammograms of(a)bare GCE and(b)GQDs/GCE in 0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5)containing 5×10-5mol/L SY

2.5 飲料中日落黃的測定

實驗采用標準加入法對日落黃含量進行了測定。取200 μL的芬達飲料加入到10 mL的緩沖溶液中，結果見表1。由表1可知，樣品的回收率在99.5%～103.8%。結果表明本方法準確可靠，可以采用實驗建立的這種新方法來測定樣品中日落黃。中國 《食品添加劑使用衛(wèi)生標準》(GB2760-1996)規(guī)定：日落黃用于碳酸飲料最大使用量為0.10 g/kg，實驗測得該飲料中日落黃含量為0.0061 g/kg，說明該飲料日落黃含量符合衛(wèi)生標準。

表1 樣品中日落黃的測定結果(n=5)Tab.1 Determination results of SY using the present sensor

3 結論

石墨烯量子點修飾玻碳電極對日落黃(SY)的氧化還原具有較好的催化作用。在pH=4.5 0.15 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液中，修飾劑用量為6 μL的條件下，日落黃氧化峰峰電流與日落黃(SY)濃度在 4.0×10-7～1.0×10-4mol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關系，檢測限為1.0×10-7mol/L。該傳感器可以為日落黃(SY)選擇性檢測提供了新的方法。

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Study of sunset yellow and its determination using graphene quantum dots modified glassy carbon electrodes

Zhang Jin-lei1*,Ling Shao-ming1,Duan Yan1,Fu Yong-qin1,Wei Ren-kuang2
(1.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Regional Ecological Environment Analysis and Pollution Control of West Guangxi,Baise University,Baise 533000,China)(2.Baise Products Quality Supervision and Inspection Institute,Baise 533000,China)

廣西教育廳科研項目(KY2016YB420)資助

*通信聯(lián)系人，E-mail:279849344@qq.com