電化學(xué)方法檢測(cè)生乳中氯離子

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(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047)

氯化鈉俗稱(chēng)食鹽,無(wú)色立方結(jié)晶或細(xì)小結(jié)晶粉末,是一種生活中常用的調(diào)味品,過(guò)量攝入會(huì)造成人體細(xì)胞鉀元素丟失和組織積水[1]。在牛奶中,摻雜氯化鈉主要因?yàn)槁然c是高密度物質(zhì),可以掩蓋摻水后的理化改變,從而達(dá)到校正乳汁讀數(shù),增加比重效果[2-3]。生乳是乳制品質(zhì)量控制的源頭,其質(zhì)量和安全直接影響乳制品的后續(xù)加工[4-5],摻鹽生乳流入到乳品生產(chǎn)中,不僅影響乳制品的口感還會(huì)對(duì)人身體健康造成損害[6]。因此,為保證最終生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量,應(yīng)對(duì)進(jìn)廠生乳鹽含量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控[7-9]。

國(guó)內(nèi)外通常以氯離子含量為指標(biāo)衡量生乳中食鹽含量,氯離子常用測(cè)定方法是滴定法。GB5009.44-2016通過(guò)硝酸銀和鉻酸鉀對(duì)牛乳酸提液進(jìn)行滴定,以硝酸銀的消耗量對(duì)牛乳中氯離子定量檢測(cè)。但是,沉淀滴定法存在人為誤差,且操作時(shí)間較長(zhǎng)。除國(guó)標(biāo)法外,徐茂蓉等[10]建立了一種毛細(xì)管電泳法測(cè)定牛乳中的氯離子含量,該方法分離效率高、分析速度快、樣品用量少,彌補(bǔ)了毛細(xì)管電泳法測(cè)定牛乳中氯離子含量的空白。但是毛細(xì)管直徑較細(xì),易損壞,每次進(jìn)樣前和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均需要用各種試劑進(jìn)行沖洗,操作繁雜,并且檢測(cè)結(jié)果容易受到pH影響,對(duì)人員操作要求較高;黃麗等[11]利用在線滲析——離子色譜法檢測(cè)了牛乳中的陰離子,該方法樣品操作簡(jiǎn)單,準(zhǔn)確度高。但是,離子色譜檢測(cè)設(shè)備較昂貴,不易普及。因此,迫切需要建立一種快速、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)方法。

電化學(xué)以其反應(yīng)速度快、靈敏度高、成本低廉、適合在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[12-14]。銀和氯離子有很強(qiáng)的反應(yīng)活性,可以無(wú)需修飾利用電極自身的性質(zhì)提高工作電極的針對(duì)性和靈敏性,降低了檢測(cè)成本[15-17]。因此,本文以銀電極為研究電極,采用循環(huán)伏安法對(duì)生乳氯離子進(jìn)行檢測(cè),分析氯離子對(duì)銀電極的電化學(xué)反應(yīng)影響,以此為基礎(chǔ),建立了一種無(wú)需修飾工作電極即可檢測(cè)氯離子含量的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生乳 由江西陽(yáng)光乳業(yè)股份有限公司長(zhǎng)山現(xiàn)代有機(jī)牧場(chǎng)提供,經(jīng)GB5009.44-2016銀量法測(cè)定氯離子含量為0.03 mol/L;氯化鈉(AR) 天津市永大化學(xué)試劑有限公司;硫酸鈉(AR)、氯化鉀(AR) 天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;糊精、葡萄糖 武漢遠(yuǎn)成共創(chuàng)科技有限公司;三氯乙酸(AR) 天津市大茂化學(xué)試劑廠;無(wú)水乙醇(AR) 上海振興化工一廠;γ-Al2O3粉末、銀電極、鉑片電極 上海仙仁儀器儀表有限公司;Ag/AgCl參比電極 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

PHS-3C pH計(jì) 上海雷磁有限公司;CHI440C 電化學(xué)石英晶體微天平 上海辰華有限公司;TCL-15B高速離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;KQ-2200DP超聲波清洗器 昆山市超聲清洗儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 電極預(yù)處理 銀電極,在0.1 mol/L KCl溶液中采用雙電位階躍法(-0.6 V階躍到+0.8 V,+0.8 V階躍到-0.6 V),進(jìn)行2次氧化還原處理,而后把電極用超純水沖洗干凈,氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>

1.2.2 測(cè)試方法 在室溫條件下,以銀電極為工作電極,鉑片電極為輔助電極,Ag/AgCl電極為參比電極組裝成測(cè)定回路,置于待測(cè)液中,對(duì)待測(cè)液進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描。循環(huán)伏安法初始條件:電位范圍-0.65～0.4 V,掃描圈數(shù)20,掃描速率0.1 V/s,靜置時(shí)間1 min。

1.2.3 氯離子存在下銀電極電化學(xué)反應(yīng)

1.2.3.1 氯離子測(cè)試液的制備 以1.0 mol/L的硫酸鈉溶液作為電解質(zhì)底液,向該電解質(zhì)底液中加入氯化鈉,分別制備了0.02、0.06、0.08、0.10、0.12 mol/L氯離子測(cè)試液;使用稀硫酸和稀氫氧化鈉調(diào)節(jié)0.02 mol/L氯離子測(cè)試液的pH,制備了pH為3.8、4.6、5.4、6.2、7.0的0.02 mol/L氯離子測(cè)試液。所有溶液測(cè)試前均需通入超純氮?dú)獬酢?/p>

1.2.3.2 氯離子存在對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響 以電位范圍-0.65～0.40 V,掃描圈數(shù)20,掃描速率0.1 V/s,對(duì)加入0.02 mol/L氯化鈉前后的硫酸鈉溶液(1.0 mol/L)進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,研究氯離子存在對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響。

1.2.3.3 掃描速率對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響 固定電位范圍-0.65～0.40 V,掃描圈數(shù)20,以不同掃描速率(0.01、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 V/s),對(duì)濃度為0.02 mol/L的氯離子測(cè)試液(電解質(zhì)為1.0 mol/L的硫酸鈉溶液)進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描,探討掃描速率對(duì)銀電極電化學(xué)反應(yīng)的影響[18]。

對(duì)于準(zhǔn)可逆反應(yīng)參與反應(yīng)的電子數(shù)n,可根據(jù)能特斯定律-氧化峰電位與還原峰電位之差,通過(guò)不同掃描速度的電位之差取平均值求得,遵循關(guān)系式:

式(1)

式中:R是標(biāo)準(zhǔn)氣體常數(shù)(8.314 J·K-1·mol-1),T是開(kāi)爾文溫度,n為電子轉(zhuǎn)移數(shù),F是法拉第常數(shù)(96487 C/mol),ΔEp是氧化還原峰的電位差。

1.2.3.4 pH對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響 在初始參數(shù)下,對(duì)pH分別為3.8、4.6、5.4、6.2、7.0,濃度為0.02 mol/L的氯離子測(cè)試液進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描,探討pH對(duì)銀電極的電化學(xué)反應(yīng)的影響[18]。

1.2.3.5 氯離子濃度對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)影響 在初始參數(shù)下,對(duì)濃度分別為0.02、0.06、0.08、0.10、0.12 mol/L的氯離子測(cè)試液進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描,探討氯離子濃度對(duì)銀電極的電化學(xué)反應(yīng)的影響[18]。

1.2.4 摻鹽乳樣品中氯離子濃度的測(cè)定

1.2.4.1 摻鹽乳樣品的制備 實(shí)驗(yàn)前將冷藏保存的生乳放置至室溫。在生乳中摻雜氯化鈉,分別制備氯離子濃度為0.03、0.05、0.09、0.13、0.17、0.20 mol/L的摻雜乳樣品。

取20 mL摻雜奶樣品放入45 mL離心管中,并加入10 mL 10%的三氯乙酸溶液,同時(shí)用振蕩器混勻1 min,促使蛋白質(zhì)凝固。隨后在10000 r/min條件下離心10 min去除脂肪和蛋白質(zhì),獲取清澈液后加入1.0 mol/L Na2SO4,通入超純氮?dú)獬鹾髠溆肹18]。

1.2.4.2 摻鹽乳中氯離子濃度的測(cè)定 以電位范圍-0.65～0.40 V,掃描圈數(shù)20,掃描速率0.2 V/s,對(duì)1.2.4.1中的所有樣品,逐一進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描,據(jù)此收集銀電極在不同濃度氯化鈉乳中的電化學(xué)信號(hào)。

1.2.4.3 線性范圍及檢出限 將1.2.4.2中各個(gè)樣本的氧化、還原峰電流值進(jìn)行線性回歸分析,結(jié)合3Sb/m計(jì)算檢出限[18]。

1.2.5 抗干擾實(shí)驗(yàn) 在0.02 mol/L氯離子測(cè)試液中加入20 g/L的糊精、20 g/L葡萄糖進(jìn)行干擾試驗(yàn)。以電位范圍-0.65～0.40 V,掃描圈數(shù)20,掃描速率0.0.2 V/s,對(duì)各個(gè)樣本進(jìn)行循環(huán)掃描,據(jù)此收集加入其它高密度物質(zhì)后銀電極的電化學(xué)信號(hào)。

1.2.6 實(shí)際生乳樣品中氯離子濃度的測(cè)定 準(zhǔn)確稱(chēng)取5份相同的生乳樣品,用本文方法測(cè)定氯離子含量后,分別向生乳中加入0.015、0.030、0.045、0.060、0.075 mol/L氯化鈉。再次使用本文方法測(cè)量摻雜乳,從而獲得實(shí)際樣品的回收率;并且使用GB5009.44-2016銀量法測(cè)量摻雜乳,比較GB5009.44-2016銀量法與本方法有無(wú)明顯差異。每組試驗(yàn)重復(fù)5次,取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將石英晶體微天平中的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin 8.0專(zhuān)業(yè)作圖軟件中繪制圖形;通過(guò)SPSS 19(SPSS Inc.,Chicago,IL)對(duì)數(shù)據(jù)顯著性差異進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氯離子對(duì)銀電極電化學(xué)反應(yīng)的影響

2.1.1 氯離子存在對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響 在-0.65～0.40 V電位范圍內(nèi),對(duì)加入氯離子前后的硫酸鈉溶液進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,研究氯離子對(duì)銀電極電化學(xué)反應(yīng)的影響。角圖(圖1)為銀電極在1.0 mol/L硫酸鈉空白溶液的循環(huán)伏安掃描曲線,氧化還原峰電位分別為0.238、0.094 V(vs.Ag/AgCl),此反應(yīng)對(duì)應(yīng)著銀電極自身的氧化還原[19-20]。當(dāng)向空白溶液加入0.02 mol/L氯化鈉后,在0.145、-0.037 V(vs.Ag/AgCl)左右出現(xiàn)了較大的氧化還原峰,且峰電流比1.0 mol/L硫酸鈉溶液中引發(fā)的增大20倍,說(shuō)明銀電極在氯離子存在下發(fā)生了劇烈的電化學(xué)反應(yīng)。

圖1 銀電極在0.02 mol/L氯離子測(cè)試液循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of silver electrode in the test solution with 0.02 mol/L chloride ions注:角圖表示1.0 mol/L硫酸鈉溶液的循環(huán)伏安圖。

2.1.2 掃描速率對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響 以不同的掃描速率于-0.65～0.40 V電位范圍對(duì)0.02 mol/L氯離子測(cè)試液進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描,結(jié)果表明,氧化還原峰電流在0.01～0.5 V/s的掃描速率范圍內(nèi)隨掃描速率呈現(xiàn)線性關(guān)系,線性方程為:Ipc(μA)=81.37v+188.53,R2=0.994;Ipa(μA)=-23.64v-81.31,R2=0.990。因此可認(rèn)為銀在電極表面的反應(yīng)受動(dòng)力學(xué)控制,同時(shí)可知此反應(yīng)為準(zhǔn)可逆過(guò)程。當(dāng)改變掃描速率時(shí),氧化峰電位正移,說(shuō)明更難于被氧化,而還原峰電位負(fù)移,說(shuō)明在電極表面的反應(yīng)更難于被還原。將氧化峰電位與還原峰電位之差代入式(1),可得轉(zhuǎn)移電子數(shù)約為1。

圖2 銀電極在不同掃描速率下循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of silver electrode at different scan rates注:a～e掃描速率分別為0.01、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 V/s;角圖為峰電流與掃描速率的關(guān)系曲線圖。

2.1.3 pH對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響 在-0.65～0.40 V電位范圍對(duì)不同pH條件下的0.02 mol/L 氯離子測(cè)試液進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描,發(fā)現(xiàn)氯離子測(cè)試液的pH在3.8～7.0上的范圍變化時(shí),銀電極的氧化還原峰電位沒(méi)有隨pH呈現(xiàn)移動(dòng)現(xiàn)象,說(shuō)明該反應(yīng)沒(méi)有質(zhì)子參與反應(yīng),pH對(duì)此電化學(xué)反應(yīng)無(wú)影響。

2.1.4 氯離子濃度對(duì)銀電極電化學(xué)信號(hào)的影響 在-0.65～0.40 V電位范圍對(duì)不同濃度氯離子測(cè)試液進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)定。當(dāng)氯離子濃度增加時(shí),氧化還原峰電流均提高,氧化峰電位仍然在0.145 V附近,而還原峰電位則產(chǎn)生了負(fù)移,說(shuō)明當(dāng)氯化鈉濃度越高時(shí),銀在電極表面的還原反應(yīng)更難于被還原,可逆性變差。

圖3 在不同濃度氯化鈉中銀電極的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of silver electrode in the test solution with different concentrations of chlorine ion注:a～e分別為0.02、0.06、0.08、0.10、0.12 mol/L的氯化鈉測(cè)試液。

2.1.5 氯離子存在下銀電極的反應(yīng)機(jī)理 上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,銀在氯離子測(cè)試液中電化學(xué)反應(yīng)為準(zhǔn)可逆過(guò)程,且反應(yīng)的電子數(shù)約為1,因此初步判斷以硫酸鈉為電解質(zhì),在較低濃度氯離子溶液中,銀電極表面上的反應(yīng)過(guò)程為:正向掃描時(shí),Ag失去了電子被氧化后,與溶液中的氯離子結(jié)合生成氯化銀沉淀;而負(fù)向掃描時(shí),氯化銀發(fā)生了還原反應(yīng)。所以陽(yáng)極反應(yīng)可表示為:Ag+Cl-→AgCl↓+e-;陰極反應(yīng)可表示為:AgCl+e-→Ag+Cl-[21]。

表2 生鮮乳樣品中氯離子的加標(biāo)回收率測(cè)定結(jié)果及與其他方法結(jié)果顯著性比較(n=5)Table 2 Recovery rates of chloride ions in raw milk samples and significant comparison results of another method(n=5)

然而,當(dāng)增大氯離子濃度時(shí),氧化還原峰電流均提高,氧化峰電位仍然在0.145 V附近,而還原峰電位則產(chǎn)生了負(fù)移,說(shuō)明當(dāng)氯化鈉濃度較高時(shí),銀在電極表面的還原反應(yīng)更難于被還原,可逆性變差。

2.2 生乳中氯離子濃度的測(cè)定結(jié)果

2.2.1 摻鹽乳中氯離子的濃度 將銀電極依次對(duì)1.2.3中樣品進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。結(jié)果顯示,銀電極出現(xiàn)一對(duì)與測(cè)試液中相似的氧化還原峰。氧化峰電位并無(wú)明顯變化,但是還原峰電位隨著氯離子的濃度增加而負(fù)移,并且氧化、還原峰電流均與氯離子濃度呈線性關(guān)系,因此可根據(jù)此現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行氯離子的定性和定量檢測(cè)分析。

圖4 銀電極在含不同氯離子濃度生乳提取液中循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of the silver electrode in raw milk extracts with different concentrations of chloride ion注:a～e為在乳中氯化鈉濃度分別為 0.03、0.05、0.09、0.13、0.17、0.21 mol/L。

2.2.2 線性范圍與檢出限 生乳氯離子濃度范圍為0.03～0.21 mol/L時(shí),氧化峰、還原峰電流與氯離子濃度呈線性關(guān)系,線性方程為Ipa(μA)=-3729.5 C(mol/L)+21.462,R2=0.990,Ipc(μA)=6068.3 C(mol/L)+94.686,R2=0.990;此實(shí)驗(yàn)方法對(duì)乳樣品中氯離子的檢出限為0.001 mol/L。

2.3 抗干擾試驗(yàn)結(jié)果

在含0.02 mol/L氯化鈉的硫酸鈉溶液中分別加入其它高密度物質(zhì)(20 g/L的糊精、20 g/L葡萄糖)進(jìn)行干擾試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)三次,結(jié)果如表1所示,峰電流值的大小無(wú)明顯差異,說(shuō)明這些高密度物質(zhì)對(duì)氯離子的檢測(cè)均無(wú)干擾。

表1 抗干擾試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the anti-interference test

2.4 實(shí)際樣品測(cè)定結(jié)果

采用本文方法對(duì)5個(gè)生乳樣本進(jìn)行加標(biāo)回收率的測(cè)定,每組試驗(yàn)重復(fù)6次。本文方法回收率平均值為102.58%,且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的穩(wěn)定性較好,這表明所提出的方法對(duì)于快速檢測(cè)生鮮乳中的氯離子具有可行性。另外,通過(guò)配對(duì)t檢驗(yàn)判斷本文方法和GB5009.44-2016 銀量法有無(wú)顯著差異性,兩種方法的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0014、0.009,計(jì)算得到的t值為0.345,小于臨界t值2.776,p值為0.747,大于0.05的顯著水平,表明本文方法和GB5009.44-2016銀量法沒(méi)有顯著差異。

3 結(jié)論

以銀電極為研究電極,銀氯化銀電極為參比電極,鉑片電極為輔助電極構(gòu)成三電極檢測(cè)系統(tǒng),在含氯化鈉溶液的測(cè)試液中,利用電化學(xué)循環(huán)伏安法探索了氯離子存在下銀電極的電化學(xué)反應(yīng)。電位正向掃描時(shí),Ag失去了電子被氧化,與溶液中的氯離子結(jié)合生成氯化銀沉淀;而負(fù)向掃描時(shí),氯化銀發(fā)生了還原反應(yīng)?；诖朔磻?yīng),建立了一種快速、方便測(cè)定生乳中氯離子的方法。此方法檢出限為0.001 mol/L,回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別在93.3%～113.7%和2.33%～4.89%,與GB5009.44-2016銀量法比較無(wú)明顯差異。