徐藝偉,朱 丹,石吉勇,張 文,王 鑫,劉 超,李文亭,鄒小波
(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
亞硝酸鹽作為食品添加劑,被廣泛應(yīng)用于培根、火腿和香腸等肉制品中,具有發(fā)色、防腐和增強(qiáng)風(fēng)味的作用[1]。亞硝酸鹽被人體攝入,在胃酸環(huán)境中,能夠與體內(nèi)的胺類物質(zhì)作用,生成亞硝基化合物[2],該化合物是強(qiáng)致癌物質(zhì)[3]。當(dāng)亞硝酸鹽經(jīng)消化道吸收進(jìn)入血液,能夠?qū)⒌丸F血紅蛋白氧化為高鐵血紅蛋白,降低血紅蛋白運(yùn)輸和釋放氧的功能,導(dǎo)致組織缺氧,形成高鐵血紅蛋白血癥[4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于肉制品中亞硝酸鹽的含量都有嚴(yán)格限制,亞硝酸鹽含量是肉制品衛(wèi)生檢疫中必檢項(xiàng)目。因此,開(kāi)發(fā)肉制品中亞硝酸鹽的快速檢測(cè)方法,對(duì)于保障消費(fèi)者食用安全具有重要意義。
食品中亞硝酸鹽檢測(cè)方法主要有分光光度法[5]、色譜法[6]、毛細(xì)管電泳法[7]、電化學(xué)法等[8]。其中,電化學(xué)方法具有設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)[9],在亞硝酸鹽檢測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景[10]。NO-2中的氮原子化合價(jià)為正3價(jià)的中間價(jià)態(tài),既有還原性又具備強(qiáng)氧化性,能夠在電位作用的同時(shí),在電極表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移[11]。在低電位作用時(shí),NO-2可以獲得電子,發(fā)生還原反應(yīng)生成NO;在高電位作用時(shí),NO-2將失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng)生成NO2[12]。依據(jù)電子轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的電流信號(hào),可實(shí)現(xiàn)NO-2濃度的測(cè)定[13]?;贜O-2的反應(yīng)原理,在電極表面修飾具有催化NO-2氧化或還原的功能性材料,可有效增強(qiáng)電流信號(hào),提高傳感器的靈敏度[14]。辣根過(guò)氧化物酶可催化NO-2氧化,常被用于開(kāi)發(fā)電化學(xué)傳感器[15]。然而,由于酶的生物屬性,這些傳感器的性能往往受到酶活性和穩(wěn)定性的限制[16]。
金屬-有機(jī)骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是金屬離子與有機(jī)配體通過(guò)自組裝形成的具有三維結(jié)構(gòu)的晶體材料[17]。近年來(lái),MOFs材料被發(fā)現(xiàn)具有模擬酶活性[18],與天然酶相比具備許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì),如催化性能穩(wěn)定、不易失活、成本低廉、易保存等[19]。MOFs材料的合成方法主要包括水熱法、機(jī)械法、擴(kuò)散法、微波輔助法以及電化學(xué)法等[20]。其中電化學(xué)合成法能夠在電極表面原位生成目標(biāo)產(chǎn)物[21],無(wú)需使用黏合劑固定,方便用于電化學(xué)傳感器的構(gòu)建[22]。
本實(shí)驗(yàn)通過(guò)電化學(xué)法原位合成銅基金屬有機(jī)框架(Cu-based metal organic frameworks,Cu-MOFs),制備用于肉制品中亞硝酸鹽檢測(cè)的電化學(xué)傳感器。首先,采用電沉積方法在玻碳電極(glassy carbon electrode,GCE)表面修飾1 層致密且均勻的銅膜;然后,利用堿性氧化作用,將電極表面的銅轉(zhuǎn)化為Cu(OH)2;最后,使用交聯(lián)劑將Cu(OH)2轉(zhuǎn)化為Cu-MOFs。電化學(xué)原位合成方法制備Cu-MOFs具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)條件溫和、化學(xué)試劑消耗少等優(yōu)勢(shì)。Cu-MOFs能夠催化NO-2氧化,可有效增強(qiáng)NO-2的電流信號(hào)。
硫酸銅、硫酸銨、過(guò)硫酸銨、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、1,3,5-苯三甲酸(1,3,5-benzenetricarboxylic acid,H3BTC)、磷酸鈉、磷酸氫二鈉、鐵氰化鉀、三水亞鐵氰化鉀等試劑(均為分析純) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液(質(zhì)量濃度100 mg/L) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
CHI600D電化學(xué)工作站、GCE(直徑3 mm)、Ag/AgCl電極、鉑絲電極 上海辰華儀器有限公司;JSM-7001F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本Jeol公司;BSA224S-CW分析天平 德國(guó)Sartorius公司;微量移液器 德國(guó)Eppendorf公司;KQ-100KDE型超聲清洗器昆山市超聲儀器有限公司。
1.3.1 電化學(xué)傳感器制備
電極預(yù)處理:將GCE依次用粒徑為1.00、0.30、0.05 μm的氧化鋁粉末,在拋光絨布上拋光呈鏡面,然后在無(wú)水乙醇和去離子水中分別超聲處理5 min清除殘留的氧化鋁,并用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>
電沉積制備Cu/GCE[23]:分別稱取0.000 1 mol的硫酸銅和0.005 mol的硫酸銨放入同一燒杯中,加入10 mL的水溶解,配制電解質(zhì)溶液。將預(yù)處理的GCE作為工作電極,浸入10 mL已經(jīng)配制好的電解質(zhì)溶液中,在-0.3 V(vsAg/AgCl)的恒電位中保持400 s。在該過(guò)程中,溶液中的銅離子在電位作用時(shí)被還原為銅單質(zhì)而沉積在電極表面,形成1 層均勻、致密且附著性好的銅膜,由此獲得Cu/GCE。
Cu/GCE轉(zhuǎn)變?yōu)镃u(OH)2/GCE[24]:將Cu/GCE浸入濃度3 mol/L的氫氧化鈉溶液,并施加0.2 mA的恒定電流保持180 s。在該過(guò)程中,電極表面的銅在堿性氧化作用中轉(zhuǎn)變?yōu)镃u(OH)2,獲得Cu(OH)2/GCE。
Cu(OH)2/GCE轉(zhuǎn)變?yōu)镃u-MOFs/GCE[25]:稱取0.1 g的H3BTC與4.7 mL無(wú)水乙醇和1.8 mL的去離子水混合,超聲處理5 min,配制交聯(lián)劑溶液。將Cu(OH)2/GCE浸入到交聯(lián)劑溶液中保持240 s,電極表面的Cu(OH)2在交聯(lián)劑H3BTC的作用中轉(zhuǎn)變?yōu)镃u-MOFs,獲得Cu-MOFs/GCE。
1.3.2 電化學(xué)檢測(cè)NO-2
通過(guò)差分脈沖伏安法(differential pulse voltammetry,DPV),以0.1 mol/L的磷酸緩沖溶液(pH 7)為電解質(zhì),獲得NO2-的電流信號(hào)[26]。DPV參數(shù):初始電位0.3 V,終止電位1.2 V,步進(jìn)電位5 mV,振幅0.05 V,脈沖寬度0.05 s,采樣寬度0.016 7 s,脈沖周期0.05 s。
采用循環(huán)伏安(cyclic voltammetry,CV)法分別設(shè)置不同的掃描速率(20、40、60、80、100 mV/s),觀察NO-2在Cu-MOFs/GCE表面的電化學(xué)行為。CV電位范圍為0.3~1.2 V,NO2-的濃度為100 μmol/L,電解質(zhì)為0.1 mol/L的磷酸緩沖溶液(pH 7)。
1.3.3 電極的選擇性和穩(wěn)定性
選擇食品中常見(jiàn)的離子(包括Na+、K+、Ca2+、作為干擾物質(zhì)代表。分別取上述離子1 mmol/L加入到100 μmol/L的NO-2溶液中,使用Cu-MOFs/GCE,通過(guò)DPV法獲得伏安曲線,以NO-2的氧化峰電流強(qiáng)度為指標(biāo),評(píng)估Cu-MOFs/GCE的選擇性及抗干擾能力。
為了考察Cu-MOFs/GCE的穩(wěn)定性,將制備的Cu-MOFs/GCE置于密閉環(huán)境中,在25 ℃左右的室溫保存,并使用該電極對(duì)100 μmol/L的NO-2進(jìn)行檢測(cè),連續(xù)7 d記錄每天獲得的伏安曲線。
1.3.4 肉制品檢測(cè)
購(gòu)買(mǎi)培根、火腿腸、醬牛肉和豬肉脯共4 種常見(jiàn)肉制品作為待測(cè)樣品。首先,使用料理機(jī)分別將每種樣品攪碎混勻;其次,準(zhǔn)確稱量5 g樣品放入錐形瓶中,加入80 mL水并超聲30 min,超聲過(guò)程中每隔3 min搖晃錐形瓶,使固態(tài)樣品完全分散;然后,將錐形瓶置于75 ℃的水浴鍋中,水浴加熱5 min,冷卻至室溫后,將樣品轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,并加入純水定容至刻度;接著,將樣品溶液用濾紙過(guò)濾,濾液10 000 r/min離心15 min,取上清液備用;最后,將上清液用水系一次性針頭微孔濾膜過(guò)濾,使用C18柱純化,獲得樣品提取液。通過(guò)建立的電化學(xué)方法,使用Cu-MOF為工作電極,測(cè)定樣品提取液中亞硝酸鹽含量。
通過(guò)Microsoft Excel統(tǒng)計(jì)并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)信息輸入Origin軟件繪制圖片。
電極修飾流程如圖1所示。首先,通過(guò)電化學(xué)還原電解液中的銅離子生成銅單質(zhì),沉積在電極表面,電極表面會(huì)形成1 層黃色的銅膜;然后,利用堿性氧化作用,將電極表面的銅轉(zhuǎn)化為Cu(OH)2,可以看到電極表面由黃色變?yōu)樗{(lán)色;最后,使用交聯(lián)劑H3BTC將Cu(OH)2轉(zhuǎn)化為Cu-MOFs,可以觀察到電極表面由藍(lán)色變?yōu)樗{(lán)綠色。電極表面各修飾階段發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)依次為:
圖1 修飾電極的制備過(guò)程及其電極表面圖像Fig. 1 Flow chart for the preparation of the modified electrode and image of the electrode surface at each step
① Cu2++2e→Cu
② Cu+2OH--2e→Cu(OH)2
③ 3Cu(OH)2+2H3BTC→Cu3(BTC)2+6H2O
通過(guò)掃描電鏡觀察電極表面修飾的Cu、Cu(OH)2和Cu-MOFs的微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖2所示。采用電沉積在電極表面修飾的銅呈顆粒狀;經(jīng)堿性氧化處理,在銅粒子基底上生成的Cu(OH)2呈納米帶狀,納米帶相互交錯(cuò)隨機(jī)排列;利用交聯(lián)劑H3BTC將Cu(OH)2轉(zhuǎn)化為Cu-MOFs,生成的Cu-MOFs呈八面體結(jié)構(gòu)。上述結(jié)果直觀證明了Cu-MOFs在電極表面被成功制備。
圖2 電極表面修飾的Cu(a)、Cu(OH)2(b)、Cu-MOFs(c、d)掃描電鏡圖Fig. 2 SEM images of modified Cu (a), Cu(OH)2 (b), Cu-MOFs (c, d)on the electrode surface
采用DPV法收集NO-2在電極表面電化學(xué)行為的相關(guān)數(shù)據(jù),結(jié)果如圖3a所示。在空白的電解液中,GCE和Cu-MOFs/GCE獲得的伏安曲線均無(wú)明顯的氧化峰。當(dāng)電解液有NO-2存在,GCE和Cu-MOFs/GCE獲得的伏安曲線均在0.8 V左右處出現(xiàn)一個(gè)明顯的氧化峰,其原因?yàn)镹O-2在工作電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)。NO-2在電位作用時(shí),失去電子生成NO2,NO2又發(fā)生均相的歧化反應(yīng)生成NO-3和NO-2。在含有100 μmol/L的NO-2的電解液中,GCE獲得的峰電流為2.02 μA,Cu-MOFs/GCE獲得的峰電流為4.76 μA,Cu-MOFs/GCE獲得的NO-2氧化峰電流是傳統(tǒng)GCE的2.36 倍。以上結(jié)果表明,電極表面修飾的Cu-MOFs能夠催化NO-2氧化反應(yīng),增強(qiáng)電極的響應(yīng)信號(hào),有利于提高NO-2檢測(cè)的靈敏度。
為了進(jìn)一步考察NO-2在Cu-MOFs/GCE電極表面的電化學(xué)行為,采用CV技術(shù)分別設(shè)置不同的掃描速率(20、40、60、80、100 mV/s),觀察NO-2氧化峰電流隨掃描速率的變化。從圖4可知,Cu-MOFs/GCE在NO-2的電解質(zhì)中獲得的峰電流強(qiáng)度隨掃描速率逐漸增加,峰電流強(qiáng)度與CV掃描速率呈良好的線性關(guān)系(R2=0.98),說(shuō)明NO-2在電極表面的電化學(xué)氧化反應(yīng)是表面控制過(guò)程[27]。
圖4 不同掃描速率時(shí)Cu-MOFs/GCE在含有100 μmol/L NO-2的電解質(zhì)中的循環(huán)伏安曲線(a)及對(duì)應(yīng)的線性擬合曲線(b)Fig. 4 Cyclic voltammograms (a) of Cu-MOFs/GCE in the electrolyte containing 100 μmol/L NO-2 at different scan rates and resulting calibration curve (b)
為了得到Cu-MOFs/GCE的線性工作范圍數(shù)據(jù),通過(guò)DPV法獲得不同濃度NO-2的響應(yīng)信號(hào)。圖5a為Cu-MOFs/GCE檢測(cè)10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、240、280、320、360、400、500、600、800、1 000、1 200 μmol/L NO-2獲得的伏安曲線,0.8 V處的氧化峰電流強(qiáng)度隨NO-2濃度增大而逐漸增加。以峰電流強(qiáng)度為縱坐標(biāo),NO-2濃度為橫坐標(biāo),建立如圖5b所示的標(biāo)準(zhǔn)曲線,在濃度10~1 200 μmol/L范圍內(nèi),Cu-MOFs/GCE的峰電流強(qiáng)度與NO-2濃度呈良好的線性關(guān)系,線性回歸方程為:y=0.033x+1.182,R2=0.99。依據(jù)3 倍信噪比計(jì)算,Cu-MOFs/GCE對(duì)NO-2的檢測(cè)限為1.57 μmol/L。與已報(bào)道的NO-2電化學(xué)傳感器相比[28-30],Cu-MOFs/GCE具有檢測(cè)限低、靈敏度高、線性范圍寬、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。
在食品亞硝酸鹽檢測(cè)中,NO2-常與其他離子共存,因此需要對(duì)Cu-MOFs/GCE的選擇性進(jìn)行研究。選擇食品中常見(jiàn)的離子包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、作為干擾物質(zhì)代表。圖6a結(jié)果顯示,在NO-2溶液中添加這些離子,NO-2的氧化峰電流沒(méi)有明顯變化(小于5%),說(shuō)明Cu-MOFs/GCE具有良好的選擇性。
為了考察Cu-MOFs/GCE的穩(wěn)定性,采用DPV法連續(xù)記錄Cu-MOFs/GCE對(duì)100 μmol/L NO-2的響應(yīng)電流。圖6b結(jié)果顯示,Cu-MOFs/GCE獲得的電流信號(hào)隨使用時(shí)間延長(zhǎng)有下降趨勢(shì),這可能是因?yàn)镃u-MOFs/GCE在貯存過(guò)程的電極表面發(fā)生鈍化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,在連續(xù)測(cè)量7 d后,Cu-MOFs/GCE的電流信號(hào)比初始電流響應(yīng)值僅降低了10%左右,說(shuō)明制備的Cu-MOFs/GCE具有較好的穩(wěn)定性。
采用電化學(xué)DPV法,以Cu-MOFs/GCE作為工作電極,采集肉制品樣品提取液中亞硝酸鹽的響應(yīng)信號(hào),并結(jié)合多次標(biāo)準(zhǔn)加入法,獲得亞硝酸鹽濃度信息。結(jié)合樣品前處理方法,Cu-MOFs/GCE對(duì)肉制品中亞硝酸鹽的檢測(cè)限為2.17 mg/kg,遠(yuǎn)低于GB 2760—2014《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的最大殘留量30 mg/kg,因此該傳感器能夠滿足國(guó)標(biāo)限量標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)要求。基于樣品提取液中亞硝酸鹽濃度,計(jì)算得到肉制品中亞硝酸鹽含量如表1所示,結(jié)果表明檢測(cè)的肉制品中以NaNO2計(jì)的亞硝酸鹽含量均低于GB 2760—2014規(guī)定的最大殘留量。為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)采用GB 5009.33—2016《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測(cè)定》規(guī)定的第二法(分光光度-鹽酸萘乙二胺法)對(duì)樣品中的亞硝酸鹽進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果顯示這2 種方法獲得的檢測(cè)結(jié)果基本一致,相對(duì)誤差均低于10%。上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,基于Cu-MOFs/GCE的電化學(xué)方法,在肉制品亞硝酸鹽測(cè)定中具有較好的準(zhǔn)確性。
表1 肉制品中亞硝酸鹽檢測(cè)結(jié)果Table 1 Results of nitrite determination in different meat products
通過(guò)電化學(xué)法在電極表面原位合成Cu-MOFs,制備了用于肉制品中亞硝酸鹽檢測(cè)的電化學(xué)傳感器。電極表面修飾的Cu-MOFs對(duì)電化學(xué)氧化NO-2反應(yīng)具有催化作用,能夠增強(qiáng)電極對(duì)NO-2的響應(yīng)信號(hào)。以Cu-MOFs/GCE為工作電極,通過(guò)DPV法對(duì)NO-2進(jìn)行測(cè)定,線性工作范圍為10~1 200 μmol/L,檢測(cè)限為1.57 μmol/L,且該修飾電極具有良好的選擇性和穩(wěn)定性。使用Cu-MOFs/GCE檢測(cè)肉制品中亞硝酸鹽,結(jié)果顯示該電極獲得的檢測(cè)結(jié)果與鹽酸萘乙二胺法的結(jié)果基本一致,相對(duì)誤差低于10%,證明該修飾電極可以用于肉制品中亞硝酸鹽的檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了基于Cu-MOFs的電化學(xué)傳感器,建立了肉制品中亞硝酸鹽的快速檢測(cè)方法,為食品亞硝酸鹽檢測(cè)提供了新思路。