石墨烯/納米二氧化鈦/月桂酰-羧甲基殼聚糖電化學傳感器對奶粉中痕量鋅的測定

譚福能，李蕾

（文山學院化學與工程學院，云南文山663000）

鋅是人體所必需的微量元素之一，同時也是人體內多種酶的重要成分，在人體生長發(fā)育過程中具有重要作用，能夠維持正常食欲、增強免疫力、促進傷口愈合、維持男性的生精功能、清除體內膽固醇[1-4]。缺鋅時會導致食欲下降、生長發(fā)育緩慢，免疫力低下，同時易患上味覺障礙、口腔潰瘍、痤瘡、男性前列腺炎等疾病，但體內鋅含量過高也會帶來危害，甚至出現(xiàn)頑固性貧血，食欲下降，合并有血清脂肪酸及淀粉酶增高等癥狀[5-6]。因此對鋅含量的測定具有重要意義。目前測定鋅含量的方法主要有原子吸收光譜法[7]、極譜分析法[8]、分光光度法[9]、熒光法[10]等，但都存在一些缺點，如原子吸收光譜法樣品預處理復雜：極譜吸附法所用滴汞電極殘余電流較大，導致靈敏度不高，同時電極中汞易揮發(fā)且有毒：分光光度法測定準確度不高：熒光法易受其他離子的干擾，熒光會湮滅。而通過電化學傳感器檢測鋅具有成本低，前處理簡單，靈敏度和準確度較高的優(yōu)點。

石墨烯（graphene，GR）具有良好的導電性和大的比表面積，作為新型化學修飾電極的材料，具有良好的的吸附性能，能顯著提升電化學傳感器的靈敏度，降低檢出限[11-12]。但石墨烯不溶于任何溶劑，只能夠分散在溶劑中形成懸浮液，這也限制了石墨烯作為化學修飾電極材料方面的應用。

納米TiO2由于其大的比表面積、良好的化學穩(wěn)定性、表面活性、生物活性、和電催化活性等優(yōu)點而被用做化學修飾電極材料[13]。同時，納米TiO2兼具了納米材料和金屬氧化物的優(yōu)點，對金屬離子有較好的富集作用[14]。

殼聚糖（chitosan，CS）是甲殼素脫N-乙酰基的產(chǎn)物，是自然界中儲量豐富的天然高分子多糖，但殼聚糖水溶性較差，通過化學改性，可得到具有兩親性的殼聚糖衍生物[15]，使其兼具了天然高分子的生物活性、生物相容性和表面活性劑的表面活性、乳化性、增溶性[16]。

本文將殼聚糖改性為月桂酰-羧甲基殼聚糖（lauryl-carboxymethyl chitosan，LA-CMCS），并與石墨烯、納米二氧化鈦制成復合膜修飾玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE），制備了石墨烯/納米二氧化鈦/月桂酰-羧甲基殼聚糖電化學傳感器（GR/TiO2/LA-CMCS/GCE），通過兩親性的月桂酰-羧甲基殼聚糖的來分散石墨烯和納米TiO2，從而改善石墨烯和納米TiO2因分子間范德華力在水中易聚集、分散性較差的缺點，使二者的電化學特性得到充分的發(fā)揮，將該傳感器用于對奶粉中痕量鋅的測定。

圖1LA-CMCS的合成路線Fig.1 Synthetic route of LA-CMCS

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

CHI760E電化學工作站：上海辰華儀器有限公司；玻碳電極（GC，Φ=3 mm）：北京儀電科技有限公司；鉑電極（輔助電極）、飽和甘汞電極（參比電極）：上海雷磁儀器廠；IRPrestige-21型傅立葉變換紅外光譜儀：日本島津公司；殼聚糖（脫乙酰度為95%）：國藥集團上海試劑廠；石墨烯：蘇州碳豐石墨烯科技有限公司；納米TiO2：上海邁坤化工有限公司；月桂酰氯（分析純）：上海羅恩試劑有限公司；氯乙酸：南京化學試劑有限公司；鋅標準溶液（0.1 mol/L，使用時稀釋到所需濃度）：天津致遠化學試劑有限公司。

1.2 月桂酰-羧甲基殼聚糖的制備

取2 g殼聚糖，加入20 mL氫氧化鈉溶液（30%），不斷攪拌3 h，使其堿化充分，然后不斷攪拌條件下加入40 mL異丙醇，緩慢滴加溶有1.5 g氯乙酸的乙醇溶液5 mL，45℃下攪拌回流反應5 h，分別用無水乙醇、丙酮洗滌3次后抽濾，放入真空干燥箱中50℃下干燥10 h后取出研碎，得到羧甲基殼聚糖（carboxymethyl chitosan，CMCS）。

取1 g羧甲基殼聚糖，加入90 mL異丙醇，再加入1 g NaOH，不斷攪拌使其溶解充分，，然后滴加4 g月桂酰氯，50℃下回流反應5 h，分別用無水乙醇、丙酮洗滌產(chǎn)品，抽濾后產(chǎn)品放入干燥箱中50℃下真空干燥后取出研碎，得到月桂酰-羧甲基殼聚糖。合成路線如圖1。

1.3 石墨烯/納米二氧化鈦/月桂酰-羧甲基殼聚糖修飾電極的制備

用A12O3（0.05 μm，0.03 μm）粉將玻碳電極拋光至鏡面后用蒸餾水洗凈，然后將電極置于超聲清洗儀中，分別用乙醇和蒸餾水超聲清洗3 min，再置于0.5 mol/L的H2SO4溶液中，循環(huán)掃描（掃描范圍為-1.5 V～1.5 V，掃描速度為100 mV/s）至循環(huán)伏安曲線穩(wěn)定為止。

取2gLA-CMCS溶解于50mL蒸餾水中，將活化處理好的玻碳電極置于LA-CMCS溶液中，循環(huán)掃描50圈（掃描范圍為-1.5 V～1.5 V，掃描速度為100 mV/s），取出電極后用蒸餾水淋洗3次，氮氣吹干后備用。

稱取0.1 gGR、0.05 g納米TiO2和0.1 gLA-CMCS，置于100 mL蒸餾水中，不斷攪拌30 min后置于超聲清洗儀中，超聲震蕩30 min使其分散均勻，得到混合懸浮溶液，使用微量進樣器吸取懸混液4 μL滴涂到上述制好的電極上，紅外燈下烘干后備用。修飾電極制備過程線路如圖2。

圖2GR/TiO2/LA-CMCS/GCE的制備過程Fig.2 Preparation process of GR/TiO2/LA-CMCS/GCE

1.4 月桂酰-羧甲基殼聚糖的傅立葉變換紅外分析

取適量干燥的LA-CMCS，研磨成粉末狀后與KBr混合壓片，樣品用IRPrestige-21型傅立葉變換紅外光譜儀進行紅外掃描，掃描范圍為4 000 cm-1～400 cm-1。

1.5 交流阻抗測試

交流阻抗測試（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）的工作電極分別為GCE、GR/TiO2/LACMCS/GCE，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。電解質為50 mL乙酸-乙酸鈉（pH4.2）的溶液和5 mL 0.01 mol/L的鐵氰化鉀的混合液，交流微擾幅度10 mV，掃描頻率為100 kHz～10 mHz。

1.6 循環(huán)伏安測試

循環(huán)伏安測試（cyclic voltammetry，CV）的工作電極、參比電極、輔助電極與EIS測試一致。電解質為Zn2+溶液和乙酸-乙酸鈉（pH4.2）混合液，掃描速率為100 mV/s，掃描范圍為-0.1V～0.6 V。

1.7 線性伏安測試

線性伏安實驗（linear sweep voltammetry，LSV）以不同濃度Zn2+溶液和乙酸-乙酸鈉（pH4.2）混合液作為電解質溶液。采用上述方法的三電極系統(tǒng)進行測試，在恒電壓下富集80 s，靜置10 s后進行掃描。掃描范圍-1.7 V～0.3 V，掃描速率為100 mV/s。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖3為殼聚糖，羧甲基殼聚糖，月桂酰-羧甲基殼聚糖的紅外光譜圖。

圖 3CS、CMCS、LA-CMCS 的紅外光譜圖Fig.3IR of CS，CMCS and LA-CMCS

由圖3可見，在b、c譜線中，1 610 cm-1～1 618 cm-1處為-COOH的伸縮振動吸收峰，這表明羧甲基已成功引入到殼聚糖上，b譜線中1 050 cm-1～1 150 cm-1處CO-C鍵的不對稱伸縮振動吸收峰明顯增強，1 615 cm-1處吸收峰為羧基鈉鹽的特征吸收峰，表明-COOH已經(jīng)接到了-OH位上；c譜線中2 960 cm-1～2 870 cm-1處吸收峰是-CH3和-CH2-的伸縮振動吸收峰，說明月桂酰基已接到殼聚糖上。

2.2 交流阻抗表征

以1 mmol/L的鐵氰化鉀溶液為電化學探針，進行不同電極的交流阻抗試驗，結果見圖4。

由圖4可見，GCE的阻抗圖在高頻區(qū)一條曲線，半圓狀不明顯，低頻區(qū)則呈直線，說明在玻碳電極上電荷表面?zhèn)鬟f電阻Rct的值較小，電子傳遞速度很快，而在GR/TiO2/GCE和GR/TiO2/LA-CMCS/GCE的EIS圖譜上，高頻區(qū)明顯呈現(xiàn)半圓狀、低頻區(qū)則呈直線，說明納米TiO2、石墨烯、LA-CMCS已成功修飾到電極上，其阻礙了電子的傳遞，使得修飾電極表面的Rct增大，且電極過程是受動力學和擴散聯(lián)合控制[17]。而GR/TiO2/LA-CMCS/GCE圖譜上的半圓更小，說明此電極表面的Rct要小于GR/TiO2/GCE，這是由于LA-CMCS更好地分散了石墨烯，使修飾膜層傳遞電子速度變快。

圖4 不同電極上鐵氰化鉀的交流阻抗譜圖Fig.4 EIS of potassium ferricyanide at different electrodes

2.3 鋅離子的電化學行為

分 別 以 GCE、GR/TiO2/GCE、GR/TiO2/LA-CMCS/GCE為工作電極在10 μmol/L鋅離子溶液中進行循環(huán)伏安掃描，結果見圖5。

圖5 不同電極上鋅離子的循環(huán)伏安曲線Fig.5 CV of zinc（II）at different electrodes

由圖5可知，在3種電極上的循環(huán)伏安行為均在-1.0 V附近出現(xiàn)一峰形好、峰電流較大的峰，但GR/TiO2/LA-CMCS/GCE和GR/TiO2/GCE上的峰電流明顯要大于玻碳電極，這說明電極通過修飾后對鋅離子的檢測具有更高的靈敏度，這是由于石墨烯和納米TiO2對鋅離子均有較強的吸附和富集作用，能增強電極對鋅離子的電催化作用。而相對GR/TiO2/GCE，GR/TiO2/LA-CMCS/GCE上的峰電流更大，這是由于LA-CMCS較好地分散了石墨烯和納米TiO2，使修飾電極的復合膜富集和導電能力更強，同時LA-CMCS上的-NH2能與鋅離子形成配合物吸附在電極表面，有利于氧化還原反應的進行

2.4 電解質底液和pH值對測試峰電流的影響

電解質底液對修飾電極的電催化作用有重要影響，分別選擇了0.1 mol/L KCl、HAc-NaAc、NaH2PO4-Na2HPO4、KNO3加入到蒸餾水中作為電解質底液，pH值在6.8～7.2之間，以GR/TiO2/LA-CMCS/GCE為工作電極，研究了電解質底液對鋅離子溶出峰的影響（見圖 6）。

圖6 鋅離子在不同底液中的循環(huán)伏安曲線Fig.6 CV of zinc（II）at different electrodes

圖6結果表明，鋅離子在HAc-NaAc中峰電流最大，背景電流較小，峰形最好，峰電位較小，故選用HAc-NaAc作為底液。

循環(huán)伏安法考查了在不同pH值（2.6～5.8）條件下鋅離子在HAc-NaAc底液中溶出峰峰電流的變化情況，結果見圖7。

圖7 不同pH值下鋅離子的峰電流Fig.7 Peak current of zinc（II）at different pH

從圖7可以看出，隨著pH的增加，鋅離子的峰電流先增大后減小，這是因為CS的等電點為6.3，在pH值為4.2時帶正電荷，此時LA-CMCS上部分氨基和羧基被質子化而帶正電，這就使得修飾復合膜層帶正電而加速了電子的傳遞，峰電流增大。故實驗選擇pH4.2的HAc-NaAc溶液電解質底液。

2.5 掃描速度的影響

以GR/TiO2/LA-CMCS/GCE為工作電極，在不同掃描速度下進行CV實驗（見圖8）。

圖8 掃描速度對鋅離子峰電流的影響Fig.8 The effect of scan rate on the peak current of zinc（II）

由圖8可知隨著掃描速度的增大，峰電流增大。峰電流與掃描速度呈線性關系（圖8插圖），線性方程為Ipa（μA）=-1.31-0.052 v（mV/s），r=0.999 19，表明該電極反應過程主要受吸附控制。鋅離子在-1.0 V修飾電極富集后還原為鋅，當電位向正方向掃描時，鋅又被氧化成鋅離子，當掃描速度增加時，CV曲線的背景電流也變大，影響了鋅離子的檢測，為使修飾電極能兼顧高靈敏度和低背景電流，故選擇掃描速度為100 mv/s。

2.6 富集電位及富集時間的選擇[l2]

改變富集電位從-1.5 V～-0.5 V，結果表明，隨著富集電位正移，鋅的溶出峰電流先增大后減小，富集電位為-1.1 V時，溶出峰電流值最大。改變富集時間在40 s～120 s范圍內，峰電流值隨著富集時間的延長，溶出峰電流增大。當富集到一定時間超過100 s后峰電流變化不再明顯，這說明電極與電解質溶液界面之間達到富集平衡，鋅離子吸附量已飽和。因此本試驗選擇富集電位-1.1 V，時間為100 s。

2.7 對鋅離子的測定

按上述試驗方法對不同濃度鋅溶液進行測定（圖 9）。

圖9 不同濃度下鋅離子的LSV曲線Fig.9 LSV of zinc（II）at different concentrations

圖9結果表明，該電化學傳感器傳感器在-1.1 v時，鋅離子的峰電流與其濃度在2.0×10-8mol/L～4.0×10-4mol/L的范圍內成線性關系（見圖9插圖），線性方程為 I（μA）=-1.189+0.467 9c（μmol/L），相關系數(shù) R為0.998 3，以3倍的標準偏差法計算得檢出限為1.3×10-8mol/L。對2.0×10-5mol/L的鋅離子溶液平行測定10次，相對標準偏差為2.1%，將GR/TiO2/LA-CMCS/GCE室溫下放置5 d，測定時鋅離子峰電流減小了5.1%，和放置前變化不大，說明此傳感器穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好。

2.8 樣品分析

按上述試驗方法對5種嬰幼兒奶粉樣品中鋅的含量進行了測定，每個樣品測定5次，與火焰原子吸收分光光度法（AAS）測定的結果進行比較，AAS測定鋅時按照GB 5413.21-2010《嬰幼兒食品和乳品中鈣、鐵、鋅、鈉、鉀、鎂、銅和錳的測定》中的要求進行，結果見表1。

表1 奶粉樣品鋅含量分析Table 1 Determination results of zinc（II）in milk powder

由表1結果可知，通過GR/TiO2/LA-CMCS/GCE電化學傳感器的結果和AAS測定結果大致相同，每個樣品測定5次，經(jīng)標準曲線法計算，RSD為在3.1%～4.1%之間，回收率為在97.4%～103.2%之間，說明該電化學傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

3 結論

本文用兩親性月桂酰-羧甲基殼聚糖與石墨烯、納米TiO2制成復合膜修飾玻碳電極（GCE），制備了能檢測痕量鋅的電化學傳感器。結果表明：經(jīng)過化學修飾后電極對鋅離子具有良好的吸附富集作用，電化學靈敏度變大。交流阻抗試驗表明GR/TiO2/LA-CMCS復合膜已經(jīng)成功修飾到電極表面。將該電化學傳感器成功用于對嬰幼兒奶粉鋅含量的測定，檢出限為檢出限為1.3×10-8mol/L，相對標準偏差為2.1%。此傳感器制備簡便，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好，線性范圍寬，為痕量鋅的檢測提供了一種新方法。

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