氮摻雜石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷電極測量油脂氧化誘導時間

王巍巍，朱振中，向思敏

(江南大學 化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122)

植物油不僅可以作為加工食品和烹飪的原料,也被廣泛地應用于制藥、日化用品和生物柴油等領域[1-2]。但植物油在儲藏和使用的過程中，其含有的不飽和脂肪酸在受熱、光照和氧氣等條件下易發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生氫過氧化物并進而分解為醛、酮、酸等小分子，使油品品質下降[3]。因此，測量并獲取油脂氧化穩(wěn)定性的信息顯得十分重要，而氧化誘導時間是評價油脂氧化穩(wěn)定性的常用指標[4]。目前，評價油脂氧化穩(wěn)定性的方法主要有比色法[5]、滴定法[6]、電導法[7]和電化學法[8]等。電導法的原理是將油脂氧化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性組分溶于水，進而改變溶液的電導率，測量的僅是揮發(fā)性組分，靈敏度不夠理想；比色法、滴定法操作流程復雜,且靈敏度和準確度均有待改善；電化學法具有靈敏度高、響應快和易于在線檢測等優(yōu)點。但除電導法外，這些方法均要使用大量的有機試劑，易對環(huán)境造成污染。為此，耿佳佳等[9]采用油水先混合再分離的方法，通過測量分離后水相的阻抗值測量了油脂氧化誘導時間。但由于油脂氧化產(chǎn)物較復雜，而只有極性氧化產(chǎn)物才能進入水相，因此測量的準確度和靈敏度均不夠理想。

碳納米管和石墨烯都有較高的導電性能和電子傳輸能力[10-11]。氮摻雜石墨烯改變了石墨烯的結構，大大提高了石墨烯的自由載流子密度、導電性和穩(wěn)定性[12]。且氮摻雜石墨烯含有豐富的吡啶型氮，能夠與植物油中脂質氫過氧化物形成氫鍵[13]，從而能更靈敏地檢測植物油的阻抗值及其變化。絲網(wǎng)印刷電極具有制作成本低、制作簡單易裁剪，重現(xiàn)性好且易于現(xiàn)場即時檢測等優(yōu)點，在重金屬離子檢測和生物分子檢測等方面得到了應用[14-15]。

本文構建了一種新型油脂氧化誘導時間測量體系，先選用適宜的萃取劑與油充分混合，使油脂氧化產(chǎn)物中的極性和弱極性物質有效地進入萃取相，用氮摻雜石墨烯(NRG)修飾絲網(wǎng)印刷電極測量分離后萃取相的阻抗值及其變化，從而靈敏準確地測量植物油的氧化誘導時間。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

天然鱗片石墨粉(含碳量99.9%，青島萊西市南墅發(fā)達石墨公司)，多壁碳納米管(純度大于95%，上海達瑞化學品有限公司)，殼聚糖(脫乙酰度98%，山東奧康生物有限公司)，三聚氰胺(分析純，阿拉丁化學試劑有限公司)，導電銀漿(上海寶銀電子材料有限公司)，印刷基板(明尼蘇達礦業(yè)制造上海國際貿易有限公司)，橄欖油(上海家化聯(lián)合股份有限公司)，N2(純度99.9%，無錫新南化學氣體有限公司)，實驗用水均為超純水，其他試劑均為分析純(國藥集團化學試劑有限公司)。

CHI 660E型電化學工作站(上海辰華儀器公司)，高速臺式離心機(上海安亭科學儀器廠)，KQ218超聲波清洗器(昆山市超聲儀器廠)，AR1530電子天平(上海奧豪斯儀器公司)，參比電極為甘汞電極(SCE，上海儀器廠)，BT100-2J蠕動泵(保定蘭格恒流泵有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 多壁碳納米管前處理

稱取適量多壁碳納米管于100 mL燒杯中，加入混合酸(V濃硝酸∶V濃硫酸=1∶3)超聲4 h后離心分離，水洗至中性，在紅外烘箱中烘干。

1.2.2 氧化石墨烯的制備

參照文獻[16-17]制備氧化石墨，再將所得氧化石墨用水超聲分散約5 h，靜置后取上層液離心分離，60℃下真空干燥，即得氧化石墨烯(GO)。

1.2.3 氮摻雜石墨烯的制備

將0.26 g三聚氰胺溶于50 mL甲醇中，加入0.6 g氧化石墨烯，超聲分散均勻后置于水熱反應釜中150℃反應12 h，再將反應產(chǎn)物置于管式爐中750℃下煅燒4 h(N2氣氛)，室溫自然冷卻后研磨，即得氮摻雜石墨烯(NRG)。

1.2.4 氮摻雜石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷電極的制備

1.2.4.1 導電碳漿制作

將一定量的鱗片石墨粉(或鱗片石墨粉與碳納米管或鱗片石墨粉與碳納米管和氧化石墨烯)與四乙氧基硅氧烷(TEOS)和稀鹽酸攪拌混合，加熱1 h后陳化過夜，超聲分散均勻，即得到相應的導電碳漿。其中鱗片石墨粉與TEOS質量比1∶2，碳納米管、鱗片石墨粉與TEOS質量比0.1∶1∶2，氧化石墨烯、碳納米管、鱗片石墨粉與TEOS質量比0.1∶0.1∶1∶2。

1.2.4.2 絲網(wǎng)印刷電極的制備

先將導電銀漿印刷到印刷基板表面，放入烘箱中于90℃干燥30 min；再印刷上述制備的導電碳漿，放入烘箱中于90℃干燥30 min；最后涂布絕緣層。電極常溫晾干30 min后在pH 7.0的磷酸鹽緩沖液(先通N2除O2)中電還原(-1.8～0 V)。制備的絲網(wǎng)印刷電極分別標記為SPE1(導電碳漿中含石墨粉)、SPE2(導電碳漿中含石墨粉和碳納米管)和SPE3(導電碳漿中含石墨粉、碳納米管和氧化石墨烯)。

1.2.4.3 氮摻雜石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷電極的制備

取1 mg氮摻雜石墨烯(NRG)于1 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和H2O(體積比1∶1)混合液中，再加入0.25 mL 0.5%的殼聚糖溶液,超聲分散30 min，得到穩(wěn)定的黑色分散懸浮液，取3 μL懸浮液滴加在SPE3表面，室溫晾干，即得NRG-SPE。

1.2.5 油脂交流阻抗的測量

將油樣恒溫加熱，分別控制油樣和萃取劑的流量為1.5 mL/min，使油和萃取劑按體積比1∶1充分混合，通過分離器分離成油相和萃取相溶液，取分離后萃取相溶液用氮摻雜石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷電極(NRG-SPE)進行電化學阻抗測量。阻抗的測量條件為：擾動電壓5 mV，頻率范圍(5～8)×105Hz。

1.2.6 油脂過氧化值的測定

按照GB/T 5009.37—2003《食用植物油衛(wèi)生標準的分析方法》測定油脂過氧化值。

1.2.7 氧化誘導時間的計算

參照GB/T 21121—2007用雙切線法確定油脂的氧化誘導時間，即分別對過氧化值-時間曲線和阻抗-時間曲線作雙切線，交點所對應的時間即為油脂的氧化誘導時間。

2 結果與討論

2.1 絲網(wǎng)印刷電極的電化學特性

圖1為不同的絲網(wǎng)印刷電極在5×10-3mol/L[Fe(CN)6]4-溶液中的循環(huán)伏安圖和交流阻抗圖。

由圖1(A)可以看出，隨著導電碳漿中碳納米管、氧化石墨烯的加入和NRG的修飾，電極的氧化還原峰電流逐漸增大，峰電位差依次減小。這是由于碳納米管和氧化石墨烯的粒徑比石墨粉小，可以填充于石墨片層之間，形成更加完整的導電網(wǎng)絡。其中，NRG-SPE的氧化還原峰電流最大，峰電位差最小。因為氮摻雜石墨烯改變了石墨烯的結構，大大提高了石墨烯的自由載流子密度和導電性。由圖1(B)可以看出，不同絲網(wǎng)印刷電極的阻抗值為NRG-SPE(d)

2.2 電極組成優(yōu)化

2.2.1 導電碳漿配方優(yōu)化

導電碳漿中不同的組分及其配比均對絲網(wǎng)印刷電極的性能(特別是導電性能)有較大的影響。研究結果表明，當石墨粉與TEOS的質量比為1∶2，或當碳納米管、鱗片石墨粉和TEOS的質量比為0.1∶1∶2，或當氧化石墨烯、碳納米管、鱗片石墨粉和TEOS的質量比為0.1∶0.1∶1∶2時，所制備的絲網(wǎng)印刷電極的性能較好，在橄欖油測量體系中的阻抗值較小。

2.2.2 NRG修飾量的影響

當NRG修飾量從2 μL增加到3 μL時，電極在橄欖油測量體系中的阻抗值減?。坏擭RG修飾量從3 μL到6 μL時，測量體系的阻抗值反而增大。這是由于隨著電極修飾膜厚度的增加，電子轉移的阻力也隨之增大。故3 μL的NRG修飾量較為適宜。

2.3 油脂阻抗測量條件優(yōu)化

2.3.1 不同電極的影響

SPE1(a)、SPE2(b)、SPE3(c)和NRG-SPE(d)在橄欖油中的交流阻抗圖見圖2。

圖2 不同電極在橄欖油中的交流阻抗圖

由圖2可以看出，NRG-SPE的電子轉移阻抗值最小，導電性最好。其次為SPE3、SPE2和SPE1。這進一步說明了氧化石墨烯、碳納米管和氮摻雜石墨烯均具有良好的導電性，且能相互協(xié)同促進電子轉移。所以NRG-SPE能更靈敏地檢測油脂的阻抗及其變化。

2.3.2 測量體系與交流阻抗參數(shù)的選擇

2.3.2.1 支持電解質的選擇

選取不同酸度的緩沖溶液(pH 4.0～10.0)作為支持電解質進行測量。結果表明，pH 7.0的磷酸鹽緩沖液中得到的阻抗圖譜較為完整，因此選擇pH 7.0的磷酸鹽緩沖液(PBS)作為測量體系的支持電解質。

2.3.2.2 萃取劑的優(yōu)化

將橄欖油在80℃下加熱不同時間，分別與不同組成的萃取劑混合，取分離后的含水相進行阻抗值的測量，結果見圖3。

圖3 橄欖油與不同萃取劑混合分離后的阻抗值變化

由圖3可見，用pH 7.0的磷酸鹽緩沖液為萃取劑時，橄欖油加熱不同時間阻抗值的變化為170 Ω，而在緩沖液中加入不同的有機溶劑后，阻抗值的變化均增大。這是由于適當改變萃取劑的極性有利于油脂氧化產(chǎn)物中的極性和弱極性物質進入萃取相。其中，磷酸鹽緩沖液-乙腈混合體系的阻抗值變化最大，為1 100 Ω。進一步研究了乙腈與磷酸鹽緩沖液體積比的影響，發(fā)現(xiàn)當乙腈與磷酸鹽緩沖液的體積比為1∶2時，阻抗值變化最大，即測量的靈敏度最高。

2.3.2.3 流動系統(tǒng)參數(shù)的選擇

油和萃取劑體積比和流量均對測量結果的靈敏度有影響。選取10∶1～1∶10的油和萃取劑體積比進行實驗，發(fā)現(xiàn)較大和較小的油和萃取劑體積比，體系氧化前后阻抗值變化都太小，靈敏度低。最佳油和萃取劑體積比為1∶1。進一步考察了流量的影響，發(fā)現(xiàn)最適流量為1.5 mL/min，在此流量下油和萃取劑可以混合充分。

2.3.2.4 測量頻率的選擇

交流阻抗譜(EIS)是一種頻率域的測量方法，測量頻率范圍很寬，合適的測量頻率很重要。在頻率分別為(0.1～1)×109Hz范圍內進行阻抗測量，根據(jù)阻抗圖譜的穩(wěn)定性、靈敏性以及規(guī)則性，發(fā)現(xiàn)當頻率范圍為(5～8)×105Hz時，測量時間較短，同時記錄阻抗譜清晰、穩(wěn)定。因此，實驗選擇測量頻率為(5～8)×105Hz。

2.4 油脂阻抗值和過氧化值隨時間的變化關系

取適量橄欖油樣品恒溫于80℃，每隔一段時間進行取樣，按照1.2.5和1.2.6測量阻抗值和油樣的過氧化值(POV)，結果見圖4。

圖4 橄欖油的過氧化值和阻抗值隨時間變化關系曲線

由圖4可知，氧化開始的一段時間，隨著橄欖油的氧化，其過氧化物緩慢增多，過氧化值緩慢增加，測量體系的阻抗值緩慢減小，加熱一段時間后，過氧化值升高速率加快，阻抗值減小速率也加快。這是因為隨著油脂的加熱氧化，初期產(chǎn)生大量的活性自由基使氧化過程鏈反應速率加快，產(chǎn)生的過氧化物、小分子的醛、酮等物質不斷增加，這些氧化產(chǎn)物中的極性和弱極性物質易溶于萃取劑，通過油和萃取劑混合分離后，含水相測量體系的介電常數(shù)增加，進而導致體系阻抗值變小。

根據(jù)1.2.7的雙切線法用圖4中阻抗值-時間(Z-t)曲線和過氧化值-時間(POV-t)曲線，分別求得橄欖油的氧化誘導時間為4.52 h和4.63 h。平行測量3次，由阻抗值-時間所求的氧化誘導時間與國標法所求的氧化誘導時間的相對偏差小于5%。在95%置信度下，由Z-t與POV-t求得的氧化誘導時間的F值為3.27、t值為2.68(F0.05=19.00、t0.05,2=4.30)。F、t檢驗結果表明兩種方法之間不存在系統(tǒng)誤差。因此，氮摻雜石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷電極交流阻抗法可以方便準確地測量橄欖油的氧化誘導時間。

3 結 論

本文所構建的新型油脂氧化誘導時間測量體系，通過適宜極性的萃取劑與油充分混合，使油脂氧化產(chǎn)物中的極性和弱極性物質有效地進入萃取相，用氮摻雜石墨烯(NRG)修飾絲網(wǎng)印刷電極靈敏、準確地測量分離后萃取相的阻抗值及其變化，從而靈敏準確地測量油脂的氧化誘導時間。由阻抗值-時間所求的氧化誘導時間與國標法所求的氧化誘導時間的相對偏差小于5%，且兩種方法之間不存在系統(tǒng)誤差。同時，該測量體系中有機溶劑使用量相比其他檢測方法更少，因而更加環(huán)保。