介孔碳修飾電極檢測(cè)螺螄粉中豆制品的檸檬黃

程昊 ，樊靜靜，劉永逸

1. 廣西柳州螺螄粉工程技術(shù)研究中心，廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西科技大學(xué)（柳州 545006）；2. 柳州市食品藥品檢驗(yàn)所（柳州 545006）；3. 蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心（南寧 530004）

螺螄粉是由柳州特有的米粉和特色配料，用濃郁適度的酸辣味螺螄肉湯調(diào)和而成。其配料中，一般加有豆腐條、腐竹等豆制品。由于GB 2760—2014中未規(guī)定檸檬黃在豆制品中的最大使用量，少數(shù)不法廠家在生產(chǎn)中非法添加[1]。如果人們長期食用檸檬黃含量超標(biāo)的食品，對(duì)腎臟、肝臟產(chǎn)生一定傷害[2]。因此，需要對(duì)檸檬黃檢測(cè)，傳統(tǒng)方法有質(zhì)譜法[3]、熒光猝滅法[4]、高效液相色譜法[5-6]、加壓毛細(xì)管電色譜法[7]。這些方法具有昂貴、操作麻煩等缺點(diǎn)。近年來，電化學(xué)法因其靈敏度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)而被廣泛關(guān)注。

介孔碳材料因具有較高的比表面積及良好導(dǎo)電性等特性，在吸附與分離、電分析修飾電極等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[8-12]。用于制備介孔碳材料的碳源主要為昂貴的石化原料如苯酚和己二酚，不僅增加成本和能量消耗，而且含有一定毒性[13]。隨著研究深入，以可再生材料中的環(huán)境友好型天然糖作為碳源合成介孔碳材料越來越受歡迎，如Luo等[14]以麥芽糖為碳源，制備介孔碳材料。

試驗(yàn)以阿拉伯糖為碳源，SBA-15為模板劑，制備介孔碳材料，使用BET、XRD、TEM、SEM和XPS 對(duì)材料進(jìn)行表征。利用滴涂法制備基于介孔碳修飾電極，構(gòu)建一種簡便、快速、靈敏的測(cè)定檸檬黃的電化學(xué)方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

RST系列電化學(xué)工作站（鄭州世瑞思儀器科技有限公司），采用三電極系統(tǒng)：飽和甘汞電極（參比電極），鉑絲電極（對(duì)電極），玻碳電極（工作電極）。

SEM（日本日立公司）；TEM（美國FEI公司）；XPS（美國賽默飛世爾科技公司）；BET（美國麥克儀器公司）；XRD（日本理學(xué)）。

檸檬黃（HPLC≥98%，上海源葉生物有限公司）；Nafion（上海河森電氣有限公司）；磷酸二氫鈉、十二水合磷酸氫二鈉、異丙醇、氯化鉀、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀三水合物（西隴科學(xué)股份有限公司）；介孔硅（SBA-15）；試驗(yàn)所用試劑均為分析純；試驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 材料制備

介孔碳材料的制備：（1）初步碳化。以阿拉伯糖為碳源，SBA-15為模板，加入硫酸，在90 ℃左右將水分蒸發(fā)，在160 ℃的烘箱中放置6 h，完成初步碳化。（2）二次碳化。將（1）中所得到的產(chǎn)物溶于水中，加入碳源和硫酸，重復(fù)（1）中的操作，完成二次碳化。（3）在惰性氣體的保護(hù)下，于900 ℃保持4 h，完成整個(gè)碳化過程。得到的二氧化硅/碳復(fù)合產(chǎn)物用5%的HF溶液除去二氧化硅，得到介孔碳（CMK-3）[15]。

1.2.2 材料表征

采用SEM確定樣品的形貌及排列情況；采用TEM確定樣品的形貌和結(jié)構(gòu)；采用XRD分析樣品的晶態(tài)和結(jié)構(gòu)；采用BET測(cè)定樣品的比表面積、孔容及孔徑；采用XPS確定樣品的元素形態(tài)。

1.2.3 修飾電極的制備

將玻碳電極依次用0.3 μm、0.05 μm Al2O3粉末在麂皮上拋光打磨，按照超純水、乙醇、超純水的順序各超聲清洗10 s，用三電極系統(tǒng)，用電化學(xué)工作站循環(huán)伏安法測(cè)得電極的電位差在64～80 mV范圍內(nèi)，用N2吹干，作為待修飾玻碳電極。

介孔碳懸濁液的制備：稱2.0 mg CMK-3粉末分散于1 mL含有0.05% wt Nafion的超純水-異丙醇（4∶1，V/V）混合液中，用超聲儀超聲混合30 min得到2.0 mg/mL的CMK-3懸浮液。

取7 μL上述制得的CMK-3懸浮液滴涂于處理好的裸玻碳電極表面，靜置干燥，即得試驗(yàn)所用的CMK-3修飾電極，記作CMK-3/GCE。

1.2.4 檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

534 mg/L檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取13.36 mg的檸檬黃，定容于25 mL的棕色容量瓶中，超聲波除氣后得到534 mg/L的檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)溶液。取1 mL 534 mg/L的檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容于10 mL的容量瓶中，得到53.4 mg/L的檸檬黃溶液，兩瓶溶液均放置在冰箱備用。

1.2.5 電化學(xué)方法

將534 mg/L的檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到10 mL磷酸鹽緩沖溶液中，將三電極系統(tǒng)插入此溶液，以0.06 V/s的掃描速率，采用循環(huán)伏安掃描法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 CMK-3材料的表征

圖1（a）～（d）分別表示裸電極、Nafion/CMK-3復(fù)合膜電極、CMK-3的SEM圖，CMK-3的TEM圖。由圖1（a）可見，裸電極表面光滑。由圖1（b）可見，CMK-3在電極表面形成一層致密的聚合膜，說明CMK-3已成功附著于電極表面。圖1（c）采用SEM表征分析CMK-3材料的形貌及排列情況，如圖1（c）所示，可以觀察到材料為有序排列的棒狀，說明模板劑SBA-15經(jīng)過高溫碳化和除硅后也能保持有序的棒狀排列結(jié)構(gòu)。圖1（d）是CMK-3的TEM圖，可以分析CMK-3材料的形貌和結(jié)構(gòu)，由圖1（d）可以觀察到CMK-3材料的孔道結(jié)構(gòu)排列的有序性，這些孔道結(jié)構(gòu)是去除SBA-15模板留下的介孔孔道，從而形成CMK-3的介孔微觀結(jié)構(gòu)。圖1（d）也可以觀察到大片排列整齊的條紋狀結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步說明CMK-3是有序排列的材料。

圖1 裸電極（a）、Nafion/CMK-3復(fù)合膜電極（b）、CMK-3的SEM（c）、CMK-3的TEM圖（d）

為進(jìn)一步研究CMK-3材料的孔道結(jié)構(gòu)，采用N2吸/脫附技術(shù)分析CMK-3材料的比表面積、孔徑大小及分布。從圖2可以觀察到CMK-3材料的等溫線屬于典型的Ⅳ型等溫線，在高N2相對(duì)壓強(qiáng)下，形成明顯的H1 型滯后環(huán)[16-17]，這與介孔碳材料的特性一致。CMK-3材料的BJH孔徑分布圖中（見圖2插圖），可以觀察到CMK-3材料孔徑大小較為均一，且分布狹窄，主要分布在5 nm左右，比表面積為1237.59 m2/g，總孔容為1.63 cm3/g，進(jìn)一步表明制備的CMK-3材料是介孔材料。

圖2 CMK-3的 N2吸/脫附等溫線和BJH孔徑分布圖

圖3為CMK-3的廣角XRD譜圖，可以觀察到在2θ=23°和2θ=43°處有2個(gè)較寬的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于無定型碳的（002）和（100）晶格面，表明CMK-3材料為無定型碳材料。

圖3 CMK-3的XRD圖譜

XPS是一種用于表征材料中的元素組成和離子狀態(tài)的分析方法，圖4（a）為CMK-3的XPS的全譜圖，顯示2個(gè)特征峰C1s（95.37at.%）和O1s（4.16at.%）分別位于結(jié)合能為284.5和531.3 eV處[18]。從圖4（b）中可以觀察到C1s能譜主要由283.7，284.9和288.6 eV處的3個(gè)峰結(jié)合而成，依次與C＝C，C—C，C＝O的結(jié)合能相對(duì)應(yīng)[19]。從圖4（c）中可以觀察到O1s能譜主要由532.5，533.8和534.7 eV處的3個(gè)峰結(jié)合而成，依次與C＝O，C—O，H2O的結(jié)合能相對(duì)應(yīng)。印證在高溫煅燒以及HF刻蝕下C和O之間形成化學(xué)鍵，表明材料主要由C和O這2種元素組成。

圖4 CMK-3的色譜圖

2.2 檸檬黃在CMK-3/GCE上的電化學(xué)行為

為研究修飾電極對(duì)檸檬黃的電化學(xué)行為，將CMK-3/GCE和裸電極在含有5.34 mg/L檸檬黃的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液（pH 4.0）中進(jìn)行循環(huán)伏安法檢測(cè)。如圖5所示，相比于裸電極，CMK-3/GCE對(duì)檸檬黃的電流響應(yīng)明顯提高，這是由于CMK-3具有較大的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，CMK-3作為修飾材料，較大的比表面積和孔結(jié)構(gòu)可為電化學(xué)反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)，能增大電極對(duì)檸檬黃的電流響應(yīng)，更利于電子之間的傳遞，且在修飾電極上的反應(yīng)具有可逆性。

圖5 相同濃度下檸檬黃在GCE和CMK-3/GCE的循環(huán)伏安曲線

2.3 試驗(yàn)條件優(yōu)化

為獲得最佳試驗(yàn)條件，采用循環(huán)伏安法考察修飾劑用量、緩沖溶液pH和掃描速率對(duì)氧化峰電流值的影響。

考察CMK-3修飾劑的用量對(duì)檸檬黃的氧化峰電流的影響。如圖6（a）所示，在2～7 μL范圍內(nèi)，氧化峰電流逐漸增大，修飾劑用量大于7 μL時(shí)，氧化峰電流逐漸降低?？赡苁切揎梽┯昧康脑黾?，有效面積增大，故氧化峰電流增大。當(dāng)電極表面的修飾劑用量增大到一定量時(shí)，隨著修飾劑的繼續(xù)增大，電極表面修飾膜層增厚，使電極的電阻增大，阻礙檸檬黃與電極之間的電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)電性下降。因此，修飾劑用量為7 μL最佳。

考察PBS緩沖溶液在pH 3.5～6.0范圍內(nèi)對(duì)檸檬黃的氧化峰電流的影響。如圖6（b）所示，在pH 3.5～4.0范圍內(nèi)，氧化峰電流逐漸增大，pH大于4.0時(shí)，氧化峰電流則逐漸降低。因此pH 4.0最佳。

考察不同掃描速率對(duì)檸檬黃在介孔碳修飾電極上循環(huán)伏安曲線的影響，結(jié)果如圖6（c）所示，掃描速率在0.01～0.1 V/s范圍內(nèi)氧化峰電流的變化，檸檬黃的氧化峰電流與掃描速率呈線性關(guān)系，線性方程為I=476.7807V-0.1414，線性關(guān)系為R2=0.9954。說明檸檬黃在CMK-3/GCE電極表面的氧化是受吸附控制過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，提高掃描速率有利于提高檸檬黃的氧化峰電流，當(dāng)掃描速率過高時(shí)，電流過大不利于峰電流的測(cè)定，掃描速率0.06 V/s時(shí)，信噪比最好，故試驗(yàn)選擇掃描速率為0.06 V/s。

圖6 修飾劑用量與峰電流值的大小關(guān)系（a）、pH與峰電流值的大小關(guān)系（b）和不同掃描速率的檸檬黃循環(huán)伏安曲線及與電流值的線性圖（c）

2.4 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

為研究修飾電極的重現(xiàn)性，用同樣的方法同時(shí)制備10根CMK-3修飾的玻碳電極，并在磷酸鹽緩沖液（pH 4.0）加入5.34 mg/L檸檬黃溶液進(jìn)行檢測(cè)比較，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.62%。結(jié)果表明，該修飾電極具有良好的重現(xiàn)性。修飾電極的重復(fù)性是通過用一根修飾電極在上述溶液中進(jìn)行10次重復(fù)檢測(cè)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.67%，表明修飾電極也具有良好的重復(fù)性。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

如圖7所示，在試驗(yàn)優(yōu)化的條件下，對(duì)檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，檸檬黃的質(zhì)量濃度在5.34×10-4～5.34 mg/L范圍內(nèi)與氧化峰電流呈線性關(guān)系，線性回歸方程I=1.6503c+13.7022，相關(guān)系數(shù)為R2=0.9982。檢出限（S/N=3）為1.42×10-4mg/L。

圖7 檸檬黃的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.6 回收試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)該方法在檢測(cè)實(shí)際樣品中的應(yīng)用，利用修飾電極對(duì)腐竹中檸檬黃的含量進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)。將樣品粉碎，稱取2.00 g置于50 mL離心管中，加入30 mL提取液（V乙醇∶V氨水∶V水=7∶2∶1），以3000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，倒出上清液，用20 mL的提取液再提取1次，合并上清液倒入蒸發(fā)皿中，水浴蒸發(fā)至約2 mL，轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶中并用超純水定容，搖勻后，置于離心管中，以12000 r/min高速離心10 min，上清液直接測(cè)。在最佳條件下檢測(cè)，所得結(jié)果的SRSD為4.13%，之后進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，所得結(jié)果如表1所示，回收率在97.38%～104.45%之間，表明提供的方法可用于螺螄粉中腐竹的檢測(cè)。

表1 腐竹樣品中檸檬黃的測(cè)定（n=6）

2.7 干擾試驗(yàn)

如圖8所示，在最佳條件下，利用循環(huán)伏安法探究常見干擾物對(duì)檢測(cè)0.534 mg/L檸檬黃的影響，相對(duì)測(cè)量誤差控制在±5%以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明5倍的NH4+，10倍的Mg2+、SO42-、K+、Cl-，20倍的CO32-、葡萄糖，50倍的蔗糖對(duì)測(cè)定不產(chǎn)生干擾。故所制備的CMK-3/GCE的抗干擾能力和選擇性較好。

圖8 各干擾物質(zhì)對(duì)測(cè)定檸檬黃的影響

3 結(jié)論

以阿拉伯糖作為碳源，通過硬模板法合成有序介孔碳材料，采用滴涂法將有序介孔碳材料固定在玻碳電極表面，制備了能檢測(cè)檸檬黃的電化學(xué)傳感器。結(jié)果表明，經(jīng)過化學(xué)修飾后電極對(duì)檸檬黃具有良好的吸附富集作用。將該電化學(xué)傳感器成功用于螺螄粉中豆制品的檸檬黃的測(cè)定，檢出限為1.42×10-4mg/L。該方法制備的傳感器操作簡單，具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性和抗干擾能力，為檸檬黃的檢測(cè)提供新方法。