徐利斌， 尹爭(zhēng)志， 曾延波， 李 蕾*,

(1.常州大學(xué)石油化工學(xué)院食品學(xué)院，江蘇常州 213016；2.嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江嘉興 314001)

人工合成色素被廣泛用作食品添加劑，但其對(duì)生命體存在潛在威脅。世界衛(wèi)生組織和國(guó)際糧農(nóng)組織對(duì)每一種色素的使用量做了明確的規(guī)定[1]，我國(guó)也制定了相應(yīng)的嚴(yán)格規(guī)定[2]。日落黃(SY)和酒食黃(TZ)是兩種典型色素，被用于飲料、酒水、糖果等食物[3,4]，但過(guò)量食用會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重危害[5]，TZ更會(huì)影響到神經(jīng)系統(tǒng)[6]。但SY和TZ具有價(jià)格低廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，依然被過(guò)量添加使用。因此，準(zhǔn)確、快捷、靈敏檢測(cè)SY和TZ對(duì)保障人們的生命安全至關(guān)重要。SY和TZ長(zhǎng)期共存且含量低，給檢測(cè)帶來(lái)一定的難度。在已有的檢測(cè)方法[7,8]中，電化學(xué)方法由于其簡(jiǎn)便、靈敏、成本低等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注[9 - 13]，而發(fā)展制備可以同時(shí)檢測(cè)SY和TZ的電化學(xué)傳感器，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

碳納米管(CNTs)具備獨(dú)特的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，用作電極材料時(shí)可以加快電子傳遞速率、提高檢測(cè)靈敏度[14]。杜學(xué)萍等[15]利用電聚合方法制備了聚次甲基藍(lán)/多壁碳納米管修飾玻碳電極,該電極測(cè)定葉酸時(shí)檢測(cè)限達(dá)1.6×10-6mol·L-1。石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)的熒光性能得到廣泛地研究，但其電化學(xué)性能的研究較少，因此，研究GQDs與CNTs的復(fù)合物及其電化學(xué)性能，具有十分重要的意義。本實(shí)驗(yàn)以陽(yáng)離子型高分子聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)為中介，將GQDs吸附到多壁碳納米管(MWNTs)表面，制得GQDs功能化的MWNTs(GQDs-MWNTs)。該復(fù)合物修飾玻碳電極(GCE)后，表現(xiàn)了良好的導(dǎo)電性能，以及對(duì)SY和TZ的顯著電催化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；CARY 5000紫外光譜儀(美國(guó)，瓦里安公司)；S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)(日本，日立公司)。

HNO3、KMnO4、HCl、H2O2、NaNO3、H2SO4、氨水、乙醇、石墨粉、日落黃(SY)和酒食黃(TZ)，均購(gòu)自上?；瘜W(xué)試劑廠；聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)購(gòu)自Sigma公司；MWNTs購(gòu)自中科院成都化學(xué)所，使用前經(jīng)混酸純化處理。其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。

實(shí)際樣品購(gòu)自大型超市。

1.2 石墨烯量子點(diǎn)的合成

采用Hummer方法[16]合成氧化石墨烯(GO)：將石墨粉(1.5 g)、NaNO3(1.5 g)和H2SO4(69 mL)混合，在冰浴條件下攪拌，緩慢加入9 g KMnO4，然后緩慢升溫至室溫并攪拌1 h，緩慢加入100 mL水，溫度升至90 ℃，攪拌30 min，加入300 mL水和100 mL 30%的H2O2，然后再用水洗滌、離心直至中性。最后把過(guò)濾物置于烘箱中干燥過(guò)夜得到GO，將其配制成4 mg·mL-1的溶液，待用。

將40 mL 30%的H2O2和10 mL 25%～28%的氨水加入5 mL GO溶液中，在80 ℃、強(qiáng)烈攪拌下反應(yīng)24 h，在65 ℃時(shí)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去過(guò)量的氨水和H2O2，乙醇洗滌后，制得GQDs。

1.3 GQDs-MWNTs復(fù)合物修飾玻碳電極的制備

10 mL(0.5 mg·mL-1)酸處理的MWNTs分散到0.25%的PDDA(含0.5 mol·L-1NaCl)中，超聲2 h，離心除去多余的PDDA，得到的復(fù)合物分散于水中形成溶液。加入25 mg GQDs后，混合超聲8 h，離心洗滌除去多余的GQDs。取10 μL 1 mg·mL-1的GQDs-MWNTs復(fù)合物滴涂于潔凈的GCE表面，靜置干燥后，得到GQDs-MWNTs/GCE。該修飾電極可在0.2 mol·L-1NaAc緩沖溶液中用于檢測(cè)SY和TZ。

1.4 電化學(xué)測(cè)定方法

以0.2 mol·L-1的HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.3)作為電解質(zhì)溶液，攪拌條件下，在0.2 V富集待測(cè)物240 s后，于0.3～1.2 V范圍內(nèi)進(jìn)行示差脈沖伏安(DPV)掃描，記錄電化學(xué)信號(hào)。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾材料的掃描電鏡及紫外-可見(jiàn)吸收光譜表征

從材料的掃描電鏡(SEM)圖可以看出，MWNTs表面光滑，呈現(xiàn)彼此錯(cuò)綜交織、多孔的分布狀態(tài)，可以提高電極的比表面積(圖1a)。GQDs的尺寸約為2 nm，當(dāng)將GQDs復(fù)合固定到MWNTs表面后，復(fù)合物呈現(xiàn)膠狀表面，但同樣呈現(xiàn)多孔的三維分布狀態(tài)(圖1b)。

圖2為各種材料的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖，GQDs在230 nm處的特征吸收峰，對(duì)應(yīng)于石墨烯結(jié)構(gòu)中的C=C的π→π*電子躍遷吸收(曲線a)；MWNTs在278 nm處的特征吸收峰，對(duì)應(yīng)其π→π*電子躍遷(曲線b)。將GQDs和MWNTs復(fù)合后，在230 nm和278 nm處出現(xiàn)了兩個(gè)吸收峰，分別對(duì)應(yīng)GQDs和MWNTs的特征吸收(曲線c)。說(shuō)明GQDs已成功復(fù)合到MWNTs表面。

圖1 MWNTs(a)和GQDs-MWNTs(b)的掃描電鏡(SEM)圖

圖2 GQDs(a)、MWNTs(b)和GQDs-MWNTs(c)的紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)吸收光譜圖

圖3 1 μg·mL-1酒食黃和0.1 μg·mL-1日落黃在不同電極上的循環(huán)伏安圖

2.2 修飾電極對(duì)日落黃和酒食黃的電化學(xué)響應(yīng)

MWNTs/GCE對(duì)SY和TZ的響應(yīng)如圖3a所示，在1.035 V處出現(xiàn)一個(gè)不明顯的氧化峰。用GQDs-MWNTs/GCE對(duì)相同體系進(jìn)行電化學(xué)掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在0.825 V和0.752 V處出現(xiàn)一對(duì)氧化還原峰，在1.055 V處出現(xiàn)明顯的氧化峰(圖3b)，兩個(gè)氧化峰的峰電位差為230 mV。說(shuō)明該修飾電極可以用于SY和TZ的同時(shí)檢測(cè)。

2.3 電沉積富集前處理?xiàng)l件的選擇

以0.1 μg·mL-1SY和1 μg·mL-1TZ為檢測(cè)對(duì)象，研究了待測(cè)物在不同沉積電位(-0.1～0.5 V，富集時(shí)間為240 s)時(shí)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：沉積電位對(duì)兩者的峰電流影響較小，因此為方便起見(jiàn)，沉積電位選擇為0.2 V。沉積時(shí)間對(duì)SY和TZ的響應(yīng)信號(hào)影響較大，對(duì)于SY和TZ，在30～240 s的沉積時(shí)間內(nèi)，其峰電流隨沉積時(shí)間呈現(xiàn)上升的線性關(guān)系，但隨著沉積時(shí)間的繼續(xù)增加，峰電流趨于穩(wěn)定，表明達(dá)到了飽和吸附?？紤]到靈敏度，選用240 s作為沉積時(shí)間。

2.4 SY和TZ的電化學(xué)行為及其機(jī)理

圖4分別為MWNTs/GCE、GQDs-MWNTs/GCE對(duì)TZ和SY的電化學(xué)響應(yīng)圖。檢測(cè)SY時(shí)，MWNTs/GCE在0.78 V出現(xiàn)了微弱的氧化峰，且隨著掃描次數(shù)的增多，峰電流逐漸減小，可能是由于SY的氧化產(chǎn)物覆蓋在了電極表面，使其表面鈍化。在GQDs-MWNTs/GCE上，于0.825 V和0.752 V處出現(xiàn)了明顯的氧化還原峰。檢測(cè)TZ時(shí)，GQDs-MWNTs/GCE表現(xiàn)出了比MWNTs/GCE明顯得多的催化性能。這可能是由于MWNTs和GQDs提供了豐富的富集表面、結(jié)合位點(diǎn)、電催化界面，起到了富集待測(cè)物和加快電子傳遞的作用。在0.2 mol·L-1的HAc-NaAc緩沖溶液中，實(shí)驗(yàn)了不同pH值時(shí)SY和TZ的峰電流響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在pH=3.8～6.9范圍內(nèi)，隨著pH的增大，SY和TZ的氧化峰電位逐漸減小，表明在SY和TZ的氧化過(guò)程中有質(zhì)子的參與，并且氧化峰電位與pH呈現(xiàn)良好線性關(guān)系：Epa(SY)=-0.03018pH+0.98681(R2=0.9941)；Epa(TZ)=-0.04149pH+1.26136(R2=0.9942)。其中，當(dāng)pH=4.3時(shí)，SY的峰電流最為明顯，因此選用pH=4.3的 0.2 mol·L-1的緩沖溶液為電解質(zhì)溶液。

圖4 (A) MWNTs/GCE(a)、GQDs-MWNTs/GCE(b)對(duì)日落黃的CVs響應(yīng)；(B)MWNTs/GCE(a)、GQDs-MWNTs/GCE(b)對(duì)酒食黃的CVs響應(yīng)

對(duì)于SY，當(dāng)掃速?gòu)?0 mV·s-1增至300 mV·s-1時(shí)，峰電位幾乎沒(méi)有變化，表明該過(guò)程為吸附控制過(guò)程。對(duì)于TZ，當(dāng)掃速?gòu)?0 mV·s-1增至300 mV·s-1，陽(yáng)極峰電流(Ipa)與掃速(v)的平方根呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。線性回歸方程為：Ipa(μA)=-1.735v1/2(v:mV·s-1)+6.415(R2=0.9991)，表明該過(guò)程屬于擴(kuò)散控制過(guò)程，與此同時(shí)，氧化峰電位(Ep)隨著掃描速率(v：mV·s-1)的增大而增大。SY與TZ的電化學(xué)過(guò)程機(jī)理與文獻(xiàn)報(bào)道[17]一致。

2.5 傳感器的線性范圍和檢測(cè)限

SY和TZ兩種色素共存時(shí)的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。當(dāng)TZ的濃度低于3 500 ng·mL-1時(shí)，不會(huì)干擾SY的檢測(cè)，SY的線性響應(yīng)范圍為30～230 ng·mL-1，線性方程為:I(μA)=-0.0017c(ng·mL-1)-0.000838616(R2=0.9980)，檢測(cè)限為4.05 ng·mL-1(圖5A)。當(dāng)SY濃度低于800 ng·mL-1時(shí)，不會(huì)干擾TZ的檢測(cè)，TZ的線性響應(yīng)范圍為40～600 ng·mL-1，線性方程為:I(μA)=-0.00394c-0.06318(R2=0.9953)，檢測(cè)限為8.06 ng·mL-1(圖5B)。

圖5 (A)1 μg·mL-1酒食黃與不同濃度日落黃共存時(shí)的示差脈沖伏安(DPV)圖；(B)0.02 μg·mL-1日落黃與不同濃度酒食黃共存時(shí)的DPV圖

2.6 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和干擾實(shí)驗(yàn)

研究了傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。以0.1 μg·mL-1的SY和TZ為檢測(cè)對(duì)象，其結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為2.4%(SY)和2.8%(TZ)。把該傳感器置于空氣中放置1個(gè)月后，對(duì)0.1 μg·mL-1的SY和TZ進(jìn)行檢測(cè)，RSD分別為3.6%(SY)和4.1%(TZ)。由此可見(jiàn)，所制備的GQDs-MWNTs/GCE具有較好的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。當(dāng)體系中100倍的Fe3+、Ca2+、Fe2+，1 000倍的葡萄糖存在時(shí)，對(duì)SY和TZ的檢測(cè)均無(wú)影響。

2.7 實(shí)際樣品分析

將該傳感器用于市售飲料佳得樂(lè)中的SY及醒目中TZ的檢測(cè)，在5 mL pH=4.3的HAc-NaAc緩沖溶液中，分別加入10 μL佳得樂(lè)、50 μL醒目以及三個(gè)不同量的標(biāo)準(zhǔn)品，在最佳條件下進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，TZ和SY的平均回收率分別為98.4%、96.1%，以及小于4%的RSD，說(shuō)明該傳感器可以用于實(shí)際樣品中TZ和SY的測(cè)定。

表1 檢測(cè)飲料中的日落黃和酒食黃

3 結(jié)論

制備了GQDs-MWNTs功能化的新型復(fù)合物,并用于修飾GCE。該修飾電極可用于日落黃和酒食黃的同時(shí)檢測(cè),GQDs和MWNTs的協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)了修飾電極的導(dǎo)電性、檢測(cè)靈敏度、穩(wěn)定性和抗干擾能力,可用于飲料中日落黃和酒食黃的檢測(cè)。