基于四氧化三鐵磁性納米材料檢測(cè)油炸食品中特丁基對(duì)苯二酚的研究

（.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，河南開(kāi)封475000；.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南開(kāi)封475000）

特丁基對(duì)苯二酚（tert-butylhydroquinone，TBHQ）作為一種新合成的抗氧化劑，由于具有穩(wěn)定性好、耐高溫、低毒、抑菌等作用，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用[1-3]。但研究發(fā)現(xiàn)：TBHQ過(guò)量使用或使用不當(dāng)時(shí)會(huì)對(duì)人的身體健康造成嚴(yán)重影響，因此我國(guó)對(duì)TBHQ的使用有著嚴(yán)格的監(jiān)管。GB2760-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：TBHQ在油炸面制品中的限量為200 mg/kg（以油脂中的含量計(jì)），在油炸肉制品中禁止添加[4-5]。因此，建立一種方便、快捷的檢測(cè)方法對(duì)市場(chǎng)上食品中的TBHQ進(jìn)行快速有效的定量分析具有重要的意義。

目前，關(guān)于TBHQ的檢測(cè)方法有氣相色譜法、液相色譜、毛細(xì)管電泳法等，這些方法雖然具有檢出限低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但其由于前處理繁瑣，儀器昂貴，需要專(zhuān)人，因此不適合現(xiàn)場(chǎng)快速有效的定量分析[6-8]。電化學(xué)分析法由于具有操作簡(jiǎn)單、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)，在TBHQ現(xiàn)場(chǎng)快速、有效的定量分析方面存在較大的應(yīng)用潛力[9-10]。

Fe3O4磁性納米材料由于具有導(dǎo)電性好、吸附性強(qiáng)、比表面積大、具有良好的催化作用等優(yōu)點(diǎn)成為近幾年電化學(xué)分析研究的重點(diǎn)[11-13]。目前，雖然關(guān)于Fe3O4磁性納米材料的相關(guān)研究已有報(bào)道，但關(guān)于Fe3O4納米材料在TBHQ電化學(xué)檢測(cè)方面的研究還鮮有報(bào)道。因此，本文以Fe3O4為基質(zhì)，制備電化學(xué)傳感器對(duì)油炸食品中的TBHQ進(jìn)行快速、有效的定量分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

TBHQ：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；37%鹽酸、氯化鉀：洛陽(yáng)昊華化學(xué)試劑有限公司；冰乙酸、高氯酸：天津市福晨化學(xué)試劑廠；鐵氰化鉀、磷酸：洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠；無(wú)水乙醇：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；薯?xiàng)l：市售；所有化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CHI-660E電化學(xué)工作站：上海辰華儀器有限公司；三電極系統(tǒng)[Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極（Pt）為對(duì)電極]：以玻碳電極為工作電極；JSM-7001F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（field emission scanning electron microscope，F(xiàn)ESEM）、JEM-ARNPOOF NEOARM 透射電子顯微鏡（transmission elec-tron microscope，TEM）：日本JEOL；KQ-500E超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；IKAC-MAG HST恒溫磁力攪拌器：上海司樂(lè)儀器有限公司；移液槍?zhuān)嘿惸w世爾（上海）儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 Fe3O4制備

Fe3O4球合成：分別取FeCl3粉末5 g，檸檬酸三鈉1.8 g于300 mL錐形瓶中，加入150 mL乙醇溶液，超聲分散0.5 h然后強(qiáng)烈攪拌1 h使其分散均勻，在攪拌過(guò)程中加入醋酸鈉7.5 g攪拌0.5 h，然后將混合物移入水熱釜中加熱至200℃，保持8 h，然后冷卻至室溫25℃，用蒸餾水、乙醇洗滌數(shù)次，最后于60℃烘干備用既得Fe3O4納米材料。

1.3.2 Fe3O4/GCE制備

GCE電極的處理參照文獻(xiàn)[14-15]。用10 μL移液槍吸取一定量1.0 mg/mL的Fe3O4修飾液滴于GCE電極表面，然后用燒杯罩在上面（防止其被污染），25℃條件下自然干燥，即得Fe3O4/GCE。

1.4 樣品處理

準(zhǔn)確稱(chēng)取薯?xiàng)l10.000 0 g用研缽進(jìn)行粉碎，然后置于300 mL錐形瓶中加入150 mL無(wú)水乙醇溶解，混合均勻靜置8 h，然后用布氏漏斗過(guò)濾將濾液轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，用無(wú)水乙醇定容，備用。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用origin 8.5對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材料的形貌表征

利用SEM和透射電子顯微鏡對(duì)Fe3O4納米材料進(jìn)行表征，其結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，F(xiàn)e3O4呈均勻的球形結(jié)構(gòu)，其直徑約為50 nm～100 nm，具有較大的比表面積，可以為電化學(xué)反應(yīng)提供較多的附著位點(diǎn)，增加其表面電子的轉(zhuǎn)移，提高電化學(xué)反應(yīng)的電流響應(yīng)。

圖1 Fe3O4的SEM和TEM圖Fig.1 SEM and TEM image of Fe3O4

2.2 不同電極的電化學(xué)表征

在 10 mmol/L 的 [Fe（CN）6]3-溶液（含 0.1 mol/L KCl）中分別對(duì)GCE和Fe3O4/GCE進(jìn)行交流阻抗分析，其結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 GCE，F(xiàn)e3O4/GCE在10 mmol/L的[Fe（CN）6]3-（含0.1 mol/L KCl）溶液中的交流阻抗圖譜Fig.2 Electrochemical impedance spectroscopy of GCE，F(xiàn)e3O4/GCE in 10 mmol/L[Fe（CN）6]3-containing 0.1 mol/L KCl

由圖2可知，GCE電阻為363 Ω，F(xiàn)e3O4/GCE電阻為234 Ω與GCE相比阻抗降低了35.54%，這說(shuō)明Fe3O4納米材料具有較高的比表面積和良好的吸附性，能夠給電極表面反應(yīng)物提供較多的結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)電極表面電子的轉(zhuǎn)移速率，提高電極導(dǎo)電性，增加響應(yīng)電流，進(jìn)而降低電極表面阻抗。

2.3 TBHQ在不同電極上的電化學(xué)行為

以0.1 mol/L的HCl為支持電解質(zhì)溶液，分別用GCE和Fe3O4/GCE對(duì)20 μg/mL的TBHQ進(jìn)行循環(huán)伏安（cyclic voltammetry，CV）掃描，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，GCE氧化峰電流 IP為49.04 μA，F(xiàn)e3O4/GCE氧化峰電流IP為61.88 μA與GCE相比，F(xiàn)e3O4/GCE在20 μg/mL的TBHQ溶液中氧化峰電流提高了26.18%，且氧化峰電位負(fù)移了0.022 V，這說(shuō)明Fe3O4的存在對(duì)TBHQ產(chǎn)生了催化作用[16]，加快了電極表面電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，加速了電子轉(zhuǎn)移速率。

圖3 GCE和Fe3O4/GCE在20 μg/mLTBHQ溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.3 CV response of GCE and Fe3O4/GCE in 20 μg/mL TBHQ

2.4 緩沖溶液的選擇

分別以0.1 mol/L的HCl、醋酸、磷酸和高氯酸為支持電解質(zhì)溶液，F(xiàn)e3O4/GCE為工作電極對(duì)20 μg/mL的TBHQ進(jìn)行CV掃描，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 Fe3O4/GCE在不同緩沖溶液中的CV曲線Fig.4 CV curves of Fe3O4/GCE in different buffer solutions

由圖4可知，4種電解質(zhì)對(duì)Fe3O4/GCE表面的電化學(xué)反應(yīng)有顯著性影響，其中當(dāng)以0.1 mol/L鹽酸緩沖液為支持電解質(zhì)溶液時(shí)，氧化電流值最大，IP為60.68 μA，并且氧化還原電位差ΔEp最小為39 mV，這說(shuō)明與其他3種緩沖液相比鹽酸緩沖液能很好地消除反應(yīng)離子的電遷移，促進(jìn)離子的擴(kuò)散，減小液界面電勢(shì)差，提高電流響應(yīng)，因此選取HCl為支持電解質(zhì)溶液。

2.5 緩沖溶液濃度的選擇

分別以 0.05、0.08、0.10、0.12、0.15、0.18、0.20 mol/L 的鹽酸為支持電解質(zhì)溶液對(duì)20 μg/mL的TBHQ進(jìn)行CV掃描，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著鹽酸濃度的增加，F(xiàn)e3O4/GCE在20 μg/mL的TBHQ中測(cè)得的氧化峰電流先增大后減小，且當(dāng)鹽酸濃度為0.10 mol/L時(shí)，氧化峰電流最大IP為60.78 μA，這是因?yàn)樵谝欢舛确秶鷥?nèi)隨著電解質(zhì)濃度的增加能夠有效地促進(jìn)電極表面離子的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，提高電化學(xué)反應(yīng)，但當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，離子間的相互作用力增大，影響電極表面離子的擴(kuò)散速率進(jìn)而影響電極表面的電化學(xué)反應(yīng)，降低氧化峰電流。因此，選取0.10 mol/L鹽酸緩沖液為支持電解質(zhì)溶液。

圖5 緩沖溶液濃度對(duì)Fe3O4/GCE的影響Fig.5 The effect of buffer concentration on the response of Fe3O4/GCE

2.6 修飾量的選擇

以0.1 mol/L的鹽酸緩沖液為支持電解質(zhì)，分別以1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 μL 的 Fe3O4修飾 GCE 制備Fe3O4/GCE傳感器對(duì)20 μg/mL的TBHQ進(jìn)行CV掃描，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 Fe3O4修飾量對(duì)Fe3O4/GCE的影響Fig.6 The effect of Fe3O4loading on the response of Fe3O4/GCE

由圖6可知，隨著Fe3O4修飾量的增加，F(xiàn)e3O4/GCE在20 μg/mL TBHQ中測(cè)得的氧化峰電流先增大后減小，當(dāng)修飾量為3μL時(shí)氧化峰電流達(dá)到最大為61.09μA。這是因?yàn)镕e3O4具有良好的導(dǎo)電性，能夠有效地促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移，增加電流響應(yīng)，但當(dāng)修飾量過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致電極表面涂層較厚，F(xiàn)e3O4聚集，阻礙電子的轉(zhuǎn)移，增加阻抗，進(jìn)而降低電流響應(yīng)，因此Fe3O4修飾量選取3 μL。

2.7 不同掃描速率的CV曲線

以0 mol/L的鹽酸緩沖液為支持電解質(zhì)，分別以10、20、30、40、60、80、100、150、200、300、400、500 mV/s的掃描速率對(duì)20 μg/mL TBHQ進(jìn)行CV掃描，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 Fe3O4/GCE在不同掃描速率下在20 μg/mL TBHQ中的CV曲線Fig.7 CV curves of Fe3O4/GCE in 20 μg/mL TBHQ at different scan rates

由圖7可知，隨著掃描速率的增加，F(xiàn)e3O4/GCE在20 μg/mL TBHQ中測(cè)得的氧化峰電流也逐漸增加，且其掃描速率平方根與峰電流值呈線性關(guān)系，這說(shuō)明電極表面的反應(yīng)主要受擴(kuò)散過(guò)程控制。

2.8 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在最佳試驗(yàn)條件下分別對(duì) 0.1 μg/mL～50 μg/mL的TBHQ進(jìn)行定量分析，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 TBHQ濃度與氧化峰電流間的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve between oxidation peak current and concentration of TBHQ

由圖8可知，TBHQ濃度與其氧化峰電流在0.5 μg/mL～35 μg/mL 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為：Y=2.984 1X+0.048 0（X為T(mén)BHQ濃度，Y為氧化峰電流），R2=0.999 6，相關(guān)性較好，檢出限（3σ）為0.21 μg/mL，檢出限較低，線性范圍較寬符合試驗(yàn)要求。

2.9 實(shí)際樣品檢測(cè)

在最佳試驗(yàn)條件下采用加標(biāo)法對(duì)薯?xiàng)l中TBHQ進(jìn)行實(shí)際樣品檢測(cè)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出其含量，平行測(cè)定3次，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)際樣品檢測(cè)及加標(biāo)后回收率Table 1 Detection of TBHQ and recovery of TBHQ

由表1可知，TBHQ加標(biāo)回收率在99.60%～106.25%之間，精密度較高，符合試驗(yàn)要求，且與氣相色譜法相比，結(jié)果一致，可信度較高，可用于實(shí)際樣品中TBHQ的定量分析。

2.10 重復(fù)性研究

在最佳試驗(yàn)條件下用Fe3O4/GCE對(duì)20 μg/mL的TBHQ連續(xù)掃描10次，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 TBHQ連續(xù)掃描10次的氧化峰電流Table 2 Oxidation peak current of TBHQ scanned for 10 times continuously

由表2可知，在最優(yōu)試驗(yàn)條件下，對(duì)20 μg/mL的TBHQ連續(xù)掃描10次的峰電位及峰電流值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.26%，說(shuō)明Fe3O4/GCE的穩(wěn)定性、重復(fù)性較好。

3 結(jié)論

在Fe3O4磁性納米材料的基礎(chǔ)上制備了Fe3O4/GCE傳感器，對(duì)薯?xiàng)l中的TBHQ進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明：Fe3O4具有良好的導(dǎo)電性、吸附作用和催化效果，能夠有效地促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移，增加相應(yīng)電流，提高電極靈敏度。利用Fe3O4/GCE對(duì)薯?xiàng)l中的TBHQ進(jìn)行定量分析，其加標(biāo)回收率在99.60%～106.25%之間，精密度較高，符合試驗(yàn)要求，且Fe3O4/GCE的穩(wěn)定性、重復(fù)性較好，與氣相色譜法相比，結(jié)果一致，可信度較高，且該方法簡(jiǎn)單、方便、快捷、成本低可用于實(shí)際樣品中TBHQ現(xiàn)場(chǎng)快速有效的定量分析。