聚1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽離子液體膜增敏檢測丁羥基茴香醚

馬 勇，劉東燕，王炎英，葉曉雪，李春涯*

(1. 中國石油大學 勝利學院 化學工程學院，山東 東營 257097；2. 中南民族大學 化學與材料科學學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

抗氧化劑是能在食品、醫(yī)療或塑料工業(yè)中阻止氧化降解過程的物質. 因其能移除自由基，故也作為抗衰劑的有效成分. 盡管天然抗氧化劑，如維生素C、維生素E和多酚類等，都具有優(yōu)良的抗氧化性能，但昂貴的價格和不穩(wěn)定性限制了其應用. 因此，許多合成酚類化合物，如丁基羥基茴香醚、叔二丁基羥基甲苯、叔丁基氫醌等，也被用作抗氧化劑，廣泛用于聚乙烯、聚丙烯和各種橡膠制品. 酚類化合物結構類似于雌激素，故進入生物體內后能導致激素分泌紊亂，從而對生殖系統(tǒng)造成危害，導致癌癥、畸形等[1]. 鑒于酚類化合物對環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的影響，很多國家目前已經(jīng)開始限制使用酚類抗氧化劑，即便允許使用，對其用量也有著嚴格規(guī)定.我國對食品中的抗氧化劑也有明確的標準，但仍缺乏靈敏、準確、快速的檢測方法及器件.

目前食品包裝材料中酚類化合物的檢測方法主要有高效液相色譜法、氣相色譜-質譜法、熒光法以及電化學傳感器等[2-4]. 這些方法雖然靈敏度高、測定較準確，但需要使用大型復雜的儀器設備，儀器成本高、能耗高、樣品預處理復雜、分析時間長，很難進行現(xiàn)場、快速檢測.

離子液體是由一種含氮雜環(huán)的有機陽離子和一種無機陰離子組成的鹽，在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)，又稱為室溫離子液體(RTILs)、室溫熔融鹽、有機離子液體等. 作為一種新型溶劑，室溫離子液體具有一些傳統(tǒng)溶劑所不具備的性質：液態(tài)溫度范圍寬；溶解能力強；無顯著的蒸汽壓；熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性高；黏度大；導電性好，電位窗寬；低毒性以及對蛋白質和酶具有較好的生物相容性等；但離子液體用于構建膜修飾電極時卻存在易流失的特性，即使采用疏水性1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽制備膜修飾電極，仍難以維持其長期穩(wěn)定性[5]. 因此，常采用乙烯基單體在離子液體中聚合或以含乙烯基離子液體進行聚合制備聚離子液體來克服該缺陷[6,7]. 離子液體聚合物膜通常采用兩種方法制備:第一種方法是將聚合物和離子液體溶于揮發(fā)性溶劑，經(jīng)溶劑揮發(fā)以制備聚合物膜[8]；第二種方法是將單體和離子液體(通常含乙烯基)在適當引發(fā)劑存在下經(jīng)熱或光引發(fā)聚合[9]. 高溫和長時間聚合是限制熱聚合的主要因素. 光誘導聚合時間短、溫度低，然而只有很少的離子液體聚合物體系采用了光引發(fā)[10]. 電化學技術用于聚合物制備，與化學途徑相比，具有精確、參數(shù)可調的優(yōu)勢.

本實驗合成了1-乙烯基-3氨丙基咪唑四氟硼酸鹽(APVIMBF4)離子液體，并用核磁共振H譜、FT-IR光譜和UV/Vis光譜對其結構進行表征. 以N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(BIS) 作交聯(lián)劑，過硫酸銨(APS) 作引發(fā)劑，使1-乙烯基-3氨丙基咪唑四氟硼酸鹽離子液體在電極表面聚合，獲得聚APVIMBF4離子液體膜電極，在最佳的實驗條件下，基于伏安法研究丁基羥基茴香醚在聚APVIMBF4離子液體膜電極上的電化學行為. 由伏安曲線可知，丁基羥基茴香醚在該修飾電極上有一個氧化峰，負電位方向掃描過程未觀察到還原峰，為不可逆電化學過程. 與未修飾的玻碳電極相比，丁基羥基茴香醚在聚APVIMBF4離子液體膜電極上的氧化峰電流顯著增強，峰電流與丁基羥基茴香醚濃度在1.0×10-8～ 1.0×10-5mol/L之間，具有良好線性關系，檢出限為8.89×10-9mol/L(RSN=3).

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電化學工作站，武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司；NEXUS 470紅外光譜儀，美國Niolet公司；AVANCE III 400核磁共振儀，法國Bruker公司；UB-2550紫外可見分光光度計，日本Shimadzu公司；N-乙烯基咪唑，西亞試劑；3-溴丙氨氫溴酸鹽，天津阿法埃莎；其他試劑均購自上海國藥集團化學試劑有限公司，未經(jīng)純化直接使用.

1.2 合成VAPimBF4離子液體

1.2.1 實驗方案

VAPimBF4離子液體參照文獻合成[7]，其路線如圖1所示. 以無水乙腈為溶劑，溶解3-溴丙氨基氫溴酸鹽和N-乙烯基咪唑，將溫度升至55 ℃，在氮氣保護下反應12 h. 減壓旋蒸移除乙腈，加適量超純水后以甲苯多次洗滌，分液，水相加適量甲醇，并以Na2CO3溶液調節(jié)pH值至9～10，減壓蒸餾得固體產物；以四氟硼酸鈉飽和溶液溶解固體產物，攪拌反應1 h，以二氯甲烷萃取，有機相干燥后蒸發(fā)溶劑，即得1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽離子液體.

圖1 1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽(VAPimBF4) 合成路線Fig. 1 Scheme for synthesis of VAPimBF4

1.2.2 制備Poly-AVPimBF4/GCE修飾電極

直徑為3 mm的玻碳電極用氧化鋁粉拋光成鏡面，二次水洗凈，分別用硝酸(1∶1)、無水乙醇和二次水超聲2 min，室溫晾干，備用.

0.1 mol/L Tris-HCl溶液, 1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽和BIS交聯(lián)劑混勻，加入10%的APS溶液，5%的四甲基乙二胺(TMEDA)溶液，混勻. 移取適量混合液滴涂于GCE表面，室溫下干燥成膜，即得Poly-VAPimBF4膜修飾玻碳電極. 當?shù)瓮苛可儆?.5 μL時，不能在電極表面形成均勻的聚合物膜；當混合液的滴涂量超過5.5 μL時，易溢出電極表面造成成膜不均及脫膜現(xiàn)象. 故選取最佳滴涂量為5.5 μL.

1.2.3 電化學測試方法

電化學測試采用三電極體系：Poly-VAPimBF4/GCE修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為對電極；工作電極在丁基羥基茴香醚中的循環(huán)伏安法(CV)和方波伏安法(SWV)掃描電壓范圍分別為0.1～0.8 V和-0.2～0.8 V，富集時間為120 s，富集電位0.1 V.

2 結果討論

2.1 表征VAPimBF4離子液體

2.1.1 核磁共振氫譜表征

用D2O作溶劑，1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽(VAPimBF4)的核磁共振氫譜如圖2所示. 其咪唑陽離子的1H NMR(δ) : 9.07(s, 1H), 7.75(s, 1H), 7.58(s, 1H), 7.08(m, 1H), 5.74(d, 1H), 5.38(d, 1H), 4.36(t, 2H), 3.40(t, 2H), 2.38(m, 2H). 由分析結果可知，所制備的離子液體與目標化合物吻合.

圖2 VAPimBF4離子液體的1H NMR譜圖Fig. 2 1H NMR spectrum of VAPimBF4 ionic liquid

2.1.2 FT-IR光譜表征

1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽(VAPimBF4) 的紅外光譜圖如圖3所示.

圖3 VAPimBF4離子液體的紅外光譜圖Fig. 3 FTIR spectrum of VAPimBF4 ionic liquid

由圖3可知，3468 cm-1和3392 cm-1處為伯胺上的N-H伸縮振動峰，3026 cm-1和2845 cm-1處的寬峰為-CH=CH2上C-H的伸縮振動和-CH2-上的C-H伸縮振動重疊峰，1657 cm-1和1560 cm-1處為咪唑環(huán)上C=N雙鍵和C=C雙鍵的骨架振動峰，1170 cm-1處的吸收峰也證明了伯胺的存在. 通過紅外光譜表征，證明VAPimBF4離子液體具有氨基和C=C雙鍵官能團.

2.1.3 紫外光譜表征

由于離子液體的陽離子含有咪唑環(huán)，故在紫外-可見光區(qū)會產生光吸收效應. VAPimBF4離子液體和N-乙烯基咪唑的紫外-可見光譜曲線如圖4所示. 圖4中曲線a 為N-乙烯基咪唑的紫外-可見光譜曲線，其在228 nm處有較強吸收；圖4中曲線b 為VAPimBF4離子液體的紫外-可見吸收光譜曲線，其最大吸收峰位于220 nm處，表明在VAPimBF4離子液體中含有咪唑環(huán)結構，且其最大吸收峰略有藍移，主要源于咪唑環(huán)的N原子發(fā)生烷基化反應后，孤對電子發(fā)生鍵合反應，n→π*躍遷消失，共軛效應減弱，最大吸收波長發(fā)生藍移.

圖4 (a) N-乙烯基咪唑和(b) VAPimBF4離子液體的紫外-可見光譜曲線Fig. 4 UV/Vis spectra of(a) N-Vinylimidazole and(b) APVIMBF4

2.1.4 HPLC-MS表征

圖5 VAPimBF4的HPLC-MS圖譜Fig. 5 HPLC-MS spectrum of VAPimBF4 ionic liquid

1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶于二次水，以甲醇為流動相， HPLC-MS表征，質譜圖如圖5所示. 離子液體的咪唑陽離子的式量為152.139，與目標產物陽離子分子量一致.

2.2 丁基羥基茴香醚的循環(huán)伏安行為

圖6為1.0 μmol/L丁基羥基茴香醚在裸玻碳電極(a)和Poly-VAPimBF4/GCE修飾電極(b)上的循環(huán)伏安曲線.

圖6 1.0 μmol/L丁基羥基茴香醚在裸玻碳(a)和Poly-VAPimBF4/GCE(b)電極上的循環(huán)伏安曲線支持電解質:磷酸鹽緩沖溶液 pH 5.0；掃描速度: 100 mV/sFig. 6 Voltammograms of BHA at a bare GCE(a)and a Poly-VAPimBF4/GCE(b)Supporting electrolyte: phosphate buffer pH 5.0; Scan rate: 100 mV/s

由圖6可知，丁基羥基茴香醚在裸玻碳電極和Poly-VAPimBF4/GCE修飾電極上都有一不可逆氧化峰，但在聚離子液體膜修飾電極表面的氧化峰峰電流顯著增強，說明聚離子液體膜可以促進丁基羥基茴香醚在電極表面的富集量，對丁基羥基茴香醚檢測具有增敏效應.

2.3 實驗條件優(yōu)化

考察了富集電位、富集時間、溶液pH值等實驗條件對丁基羥基茴香醚氧化峰峰電流的影響. 圖7(a)為富集電位的影響，由圖可知，富集電位從-0.3 V正移至0.1 V時，10 μmol/L丁基羥基茴香醚的氧化峰峰電流逐漸增大，由0.1 V繼續(xù)正移到0.3 V時，峰電流呈下降趨勢. 故選擇最佳的富集電位為0.1 V. 在0.1 V最佳富集電位下，考察了富集時間對丁基羥基茴香醚氧化峰峰電流的影響. 從圖7(b)可以看出，隨著富集時間增加，峰電流逐漸增大，當達到120 s以后，峰電流增長趨于穩(wěn)定，故選擇120 s為最佳富集時間. 支持電解質的pH值對丁基羥基茴香醚電化學行為的影響，如圖7(c)所示，當 pH值由3.0增加至5.0時，丁基羥基茴香醚峰電流逐漸增大，pH值繼續(xù)增大，峰電流則迅速下降，故選擇pH 5.0的磷酸緩沖溶液為支持電解質.

圖7 富集電位(a)、富集時間(b)和溶液pH值(c)對丁基羥基茴香醚氧化峰峰電流的影響Fig. 7 Influence of accumulation potential(a), accumulation time(b) and pH value(c) on the oxidation peak current of BHA

2.4 選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

考察了Poly-VAPimBF4/GCE測定丁基羥基茴香醚時的選擇性. 結果表明，100倍的常見無機離子(如Mg2+、Fe2+、Cu2+、NO3-、SO42-、PO43-等)、生物活性分子(如抗壞血酸、多巴胺、尿酸等)和酚類化合物(如對硝基苯酚、乙萘酚)對BHA的干擾可忽略；50倍的對苯二酚、鄰苯二酚、間苯二酚、苯酚不干擾丁基羥基茴香醚的氧化峰峰電流(SD<5%)，表明Poly-VAPimBF4/GCE用于測定BHA時有較好的選擇性. 平行制備8支Poly-VAPimBF4/GCE，用于測定10 μmol/L丁基羥基茴香醚，相對標準偏差(RSD)為0.62%，表明該修飾電極具有良好的重現(xiàn)性. 將Poly-VAPimBF4/GCE修飾電極置于4 ℃冰箱內放置兩周，測量相同濃度的丁基羥基茴香醚溶液，放置后其響應信號為原始值的96%，說明該修飾電極具有較好的穩(wěn)定性.

2.5 分析性能

圖8(a)為最佳實驗條件下，不同濃度的丁基羥基茴香醚在Poly-VAPimBF4/GCE上的方波伏安響應曲線，由圖可知，隨BHA濃度增加，氧化峰峰電流逐漸增加. 圖8(b)為氧化峰峰電流與BHA濃度間的關系曲線，可以看出，在該濃度范圍內，呈現(xiàn)出兩段線性關系. 在1.0×10-8～1.0×10-6mol/L濃度范圍內，其線性方程為：I(μA) =3.332c(μmol/L)+ 0.9809(R2=0.997); 在1.0×10-6～1.0×10-5mol/L范圍內，其線性方程為：I(μA) =0.470c(μmol/L)+ 0.3955(R2=0.999)，檢出限為8.8×10-9mol/L(RSN= 3).

圖8 不同濃度BHA在Poly-VAPimBF4/GCE上的方波伏安響應曲線(a)及氧化峰峰電流與BHA濃度間的關系曲線(b)Fig. 8 Square wave voltammograms of BHAat the Poly-VAPimBF4/GCE with different concentrations(a)and calibration curve for BHA determination(b)

3 結論

合成了1-乙烯基-3-氨丙基咪唑四氟硼酸鹽離子液體，并將其聚合至玻碳電極表面，獲得了聚離子液體膜修飾電極(poly-VAPimBF4/GCE)，考察了丁基羥基茴香醚在poly-VAPimBF4/GCE電極上的電化學行為，發(fā)現(xiàn)聚離子液體膜能顯著增強丁基羥基茴香醚的氧化峰峰電流. 與已有的丁基羥基茴香醚檢測方法相比，該聚離子液體膜修飾電極具有較高的檢測靈敏度和較寬的線性范圍，該聚離子液體膜修飾電極有望用于實際樣品中丁基羥基茴香醚測定.