張金磊,凌紹明,段 艷,符永芹,韋仁礦

(1.廣西高校桂西生態(tài)環(huán)境分析和污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，百色學(xué)院，廣西百色533000）（2.百色市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣西百色533000)

石墨烯量子點(diǎn)修飾玻碳電極對(duì)日落黃的電化學(xué)檢測(cè)

張金磊1*,凌紹明1,段 艷1,符永芹1,韋仁礦2

(1.廣西高校桂西生態(tài)環(huán)境分析和污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，百色學(xué)院，廣西百色533000）（2.百色市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣西百色533000)

利用Hummer方法制備了石墨烯量子點(diǎn)(GQDs，graphene quantum dots)，并在室溫下將其修飾于玻碳電極表面，制得了測(cè)定日落黃的電化學(xué)傳感器(GQDs/GCE)。研究了日落黃(SY)在該修飾電極(GQDs/GCE)上的電化學(xué)行為。在0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5)的溶液中，日落黃(SY)在(GQDs/GCE)上有一對(duì)可逆的氧化還原峰。在最優(yōu)化條件下用循環(huán)伏安法測(cè)得日落黃的氧化峰電流與其濃度在4.0×10-7～1.0×10-4mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為1.0×10-7mol/L。實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯量子點(diǎn)對(duì)日落黃的氧化還原有明顯的催化和增敏作用。利用優(yōu)化后的條件對(duì)芬達(dá)飲料進(jìn)行測(cè)定，回收率在99.5%～103.8%。

石墨烯量子點(diǎn);日落黃;測(cè)定;電化學(xué)行為

Abstract:A new method for the determination of sunset yellow (SY)was established based on the graphene quantum dots(GQDs)modified glassy carbon electrode(GQDs/GCE).In 0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5)buffer solution,the electrode process of SY was reversible at GQDs/GCE.The GQDs/GCE showed a remarkable catalytic and enhancement effect on redox of SY.A linear dynamic range of 4.0×10-7mol/L to 1.0×10-4mol/L(r2=0.992)with a detection limit of 1.0×10-7mol/L was obtained.The electrochemical behaviors of SY were studied and electron transfer coefficient(α=0.45),proton number(X=1)and electron transfer number(n=2)have been determined.This method has been used to determine the content of SY in drinks.The recovery was determined to be 99.5%to 103.8%by means of standard addition method.

Key words:graphene quantum dots;sunset yellow;determination;electrochemical behavior

0 引言

日落黃(Sunset yellow，簡(jiǎn)稱SY)的分子式為C16H10N2Na2O7S2，相對(duì)分子質(zhì)量為 452.38，是一種偶氮類色素。是一種無(wú)臭的橙紅色粉末，微溶于乙醇，易溶于水、甘油、丙二醇，不溶于油脂。日落黃屬于合成偶氮染料，因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、顏色鮮亮、有增加外觀顏色好看的作用且價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用于飲料、藥物、飼料、食品、化妝品、煙草、玩具和食品包裝材料等的著色[1]，但用量受到嚴(yán)格限制，同時(shí)生鮮肉中未被允許添加日落黃(SY)。

日落黃是用人工化學(xué)合成方法所制得的有機(jī)色素，這種人工合成色素對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，危害包括一般毒性、致瀉性、致突性(基因突變)與致癌作用，尤其是在致癌作用中更明顯[2]。若消費(fèi)者長(zhǎng)期或一次性的大量食用日落黃含量超標(biāo)的食品，可能會(huì)引起過(guò)敏、焦躁、偏頭痛、支氣管哮喘、腹瀉濕疹等癥狀甚至可能導(dǎo)致癌癥[3]。當(dāng)攝入量過(guò)大，超過(guò)肝臟的負(fù)荷時(shí)，就會(huì)在體內(nèi)蓄積，進(jìn)而會(huì)對(duì)肝臟和腎臟將會(huì)產(chǎn)生一定的傷害[4]。有研究表明，兒童智力的影響，多動(dòng)癥等行為障礙都與長(zhǎng)期攝入人工添加劑有關(guān)。雖然食品、飲料中可以限量添加日落黃，但在生鮮肉類，牛肉、醬鹵肉、魚(yú)干等熟肉制品中是不能添加的。

目前測(cè)定日落黃的方法有很多種，主要有HPLC法（高效液相色譜法）[5-6]、熒光光譜法[7]、分光光度法[8]、電化學(xué)法[9-10]等。色譜法相比光譜法和電化學(xué)方法來(lái)說(shuō)，擁有更為廣泛的應(yīng)用，但是需要專門(mén)的操作人員來(lái)操作，儀器的使用條件和檢測(cè)的方法要求相對(duì)較高，而且需要有機(jī)溶劑的量是比較大的，而復(fù)雜繁瑣的預(yù)處理更是使色譜法不能得到普遍的運(yùn)用。為克服色譜方法的不足，電化學(xué)方法由于具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低、環(huán)境污染小、修飾程序簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，引起了研究者的廣泛關(guān)注。電化學(xué)修飾電極對(duì)日落黃的測(cè)定已有報(bào)道，如石震等[11]將新型碳材料乙炔黑分散制備成乙炔黑-殼聚糖復(fù)合膜修飾玻碳電極，研究了日落黃在該修飾電極上的電化學(xué)行為。結(jié)果表明：電極修飾峰電流明顯增大，氧化還原峰電位差減小。徐利斌等[12]采用石墨烯量子點(diǎn)功能化多壁碳納米管構(gòu)建日落黃和酒食黃同時(shí)檢測(cè)的電化學(xué)傳感器（GQDs-MWNTs/GCE）。在0.825 V和0.752 V處出現(xiàn)一對(duì)氧化還原峰，說(shuō)明GQDs-MWNTs功能化的新型復(fù)合物增強(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。

該實(shí)驗(yàn)擬將石墨烯量子點(diǎn) (GQDs,graphene quantum dots)修飾于玻碳電極表面制得測(cè)定日落黃的電化學(xué)傳感器(GQDs/GCE)，為日落黃的選擇性檢測(cè)提供一種新的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI760e型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）、三電極系統(tǒng)：工作電極為石墨烯量子點(diǎn)修飾玻碳電極，輔助電極為鉑絲電極、參比電極為銀-氯化銀電極，KQ218超聲波清洗器 （昆山市超聲儀器有限公司），TDZ5-WS湘儀離心機(jī) （湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司），RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）。

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。所有實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行。

1.2 石墨烯量子點(diǎn)的制備

該實(shí)驗(yàn)首先采用Hummer方法合成氧化石墨烯(GO)：將石墨粉 1.5 g、NaNO31.5 g 和 H2SO469 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)夜得到石墨烯(GO)，將其配置成4 mg/mL的溶液，待用。

將40 mL 30%的H2O2和 10 mL 25%～28%的氨水加入5 mL石墨烯(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，制得石墨烯量子點(diǎn)(GQDs,graphene quantum dots)。

1.3GQDs/GCE的制備

1.3.1 修飾劑的制備

稱取1 μL石墨烯量子點(diǎn)溶液置于1 mL試管中，加入1.0 mL蒸餾水，超聲分散15 min，得到分散良好的石墨烯量子點(diǎn)分散液。

1.3.2 修飾電極的制備

將玻碳電極 (直徑3 mm)用粒徑為0.05 μm的Al2O3粉末打磨至鏡面，用水沖洗干凈后，依次用10 mL無(wú)水乙醇、10 mL蒸餾水各超聲清洗1 min，室溫條件下晾干備用。用微量進(jìn)樣器量取6 μL修飾劑滴于電極表面，于紅外燈下蒸發(fā)溶劑，得到GQDs/GCE，室溫冷卻備用。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以 100 mV/s的掃描速率(ν)在 0.6～1.2 V電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描10圈，得到穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖(CV)。實(shí)驗(yàn)采用微分脈沖伏安法和循環(huán)伏安法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.1.1 支持電解質(zhì)選擇

利用循環(huán)安法考察日落黃在不同底液(NH3-NH4Cl;HAc-NaAc;NaH2PO4-Na2HPO4)中的電化學(xué)行為。結(jié)果表明日落黃在HAc-NaAc溶液中的峰形最好且峰電流最大，所以體系選擇HAc-NaAc作為支持電解質(zhì)。

2.1.2 pH對(duì)ip和Ep的影響

物質(zhì)的電化學(xué)行為與支持電解質(zhì)的pH值有一定的關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)伏安法研究了不同pH(4.0～5.5)的 HAc-NaAc 緩沖溶液(0.15 mol/L)對(duì)日落黃峰電流和峰電位的影響。當(dāng)pH值從4.0逐漸增加到4.5時(shí)，日落黃在修飾電極上的氧化峰ip逐漸增加；隨著pH繼續(xù)增加，氧化峰ip反而下降。因此，該實(shí)驗(yàn)選擇pH值為4.5的HAc-NaAc緩沖溶液(0.15 mol/L)作為支持電解質(zhì)。由圖1可知，隨著pH的增加，氧化、還原峰電位均負(fù)移，說(shuō)明SY的氧化還原過(guò)程中有質(zhì)子參與，且二者之間呈良好的線性關(guān)系，二者之間的關(guān)系為：Epa(V)=1.0702-0.0330pH，相關(guān)系數(shù)為r2=0.9960；Epc(V)=0.9798-0.0247pH。相關(guān)系數(shù)為r2=0.9975。對(duì)于可逆電極過(guò)程，依據(jù)關(guān)系式有Ep=E0-0.059(m/n)pH，(其中m為質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù))，得到 m/n=0.5。

圖1 不同pH的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of GQDs/GCE in 0.15 mol/L HAc-NaAc buffer solution containing 5×10-5mol/L SY.(from a to f:5.5，5.2，4.0，4.8，4.5，4.0)

2.2 掃描速率對(duì)峰電流的影響

掃描速率對(duì)日落黃(SY)峰電流和峰電位的影響如圖2所示。由圖2可知，在100～400 mV/s，峰電流與掃描速率的平方根成正比，線性方程為：Ipc(μA)=-24.0367+3.33091/2(ν:mV/s)， r2=0.9950；Ipa(μA)=-31.2900+4.39901/2(ν:mV/s)， r2=0.9930。說(shuō)明電極反應(yīng)過(guò)程是受吸附控制的。增加掃描速率，Epa逐漸正移，而Epc逐漸負(fù)移，說(shuō)明掃描速率v對(duì)Ep是有影響的。對(duì)掃描速率取自然對(duì)數(shù)，得到 Ep與 lnv 關(guān)系:Epc=0.8341-0.0240lnv(ν:V/s)，r2=0.9913；Epa=0.9647+0.0197lnv(v:V/s)，r2=0.9902。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下 (0.15 mol/L pH4.5 HAc-NaAc)采用循環(huán)伏安法研究了日落黃(SY)濃度與其峰電流間的關(guān)系，繪制了日落黃的CV曲線(如圖3所示)。從圖3中可以看出，ip隨日落黃(SY)濃度增高而逐步增大，工作曲線方程為：Ip(μA)=1.2210+0.2277c(μmol/L)，相關(guān)系數(shù) r2=0.9920，線性范圍：4.0×10-7~1.0×10-4mol/L，檢測(cè)限為 1×10-7mol/L。該實(shí)驗(yàn)所研制的化學(xué)傳感器的線性范圍比文獻(xiàn)報(bào)道的要寬[13-15]，表明石墨烯量子點(diǎn)具有良好的電催化性能。

2.4 日落黃(SY)在裸電極和修飾電極上的電化學(xué)行為

分別掃描裸電極(a)和石墨烯量子點(diǎn)(GQDs/GCE)(b)在底液和待測(cè)液中的循環(huán)伏安曲線(圖4)。如圖4所示，日落黃在裸電極上于0.905 V處出現(xiàn)一個(gè)明顯的氧化峰，在0.898 V處出現(xiàn)一個(gè)不明顯的還原峰；而修飾電極于0.921 V處出現(xiàn)一個(gè)氧化峰，且氧化峰電流增大了約9倍；在0.887 V處出現(xiàn)一個(gè)還原峰，峰形變好且還原峰電流增大了約183倍。這說(shuō)明石墨烯量子點(diǎn)在修飾電極上能很好地催化日落黃的氧化還原反應(yīng)；且日落黃(SY)在石墨烯量子點(diǎn)修飾電極上表現(xiàn)出良好的可逆性。對(duì)于可逆反應(yīng)，有ΔEp=(59/n)mV，圖4b中的ΔEp=34 mV，算得n=1.74≈2，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)。由2.1.2可知，m/n=1/2，故求得質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)m=1。 因此參與電極反應(yīng)的電子數(shù)為2，質(zhì)子數(shù)為1。

圖3 不同濃度日落黃的循環(huán)伏安曲線Fig.3 The cyclic voltammograms of SY on the GQDs/GCE in 0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5).The inset shows relationship between Ipaand the concentration of SY.from a to k:4.0×10-7,1.0×10-6,4.0×10-6,1.0×10-5,3.0×10-5,4.0×10-5,5.0×10-5,6.0×10-5,7.0×10-5,8.0×10-5,1.0×10-4mol/L)

圖4 不同電極上日落黃的循環(huán)伏安曲線Fig.4 The cyclic voltammograms of(a)bare GCE and(b)GQDs/GCE in 0.15 mol/L HAc-NaAc(pH4.5)containing 5×10-5mol/L SY

2.5 飲料中日落黃的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對(duì)日落黃含量進(jìn)行了測(cè)定。取200 μL的芬達(dá)飲料加入到10 mL的緩沖溶液中，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，樣品的回收率在99.5%～103.8%。結(jié)果表明本方法準(zhǔn)確可靠，可以采用實(shí)驗(yàn)建立的這種新方法來(lái)測(cè)定樣品中日落黃。中國(guó) 《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB2760-1996)規(guī)定：日落黃用于碳酸飲料最大使用量為0.10 g/kg，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該飲料中日落黃含量為0.0061 g/kg，說(shuō)明該飲料日落黃含量符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

表1 樣品中日落黃的測(cè)定結(jié)果(n=5)Tab.1 Determination results of SY using the present sensor

3 結(jié)論

石墨烯量子點(diǎn)修飾玻碳電極對(duì)日落黃(SY)的氧化還原具有較好的催化作用。在pH=4.5 0.15 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液中，修飾劑用量為6 μL的條件下，日落黃氧化峰峰電流與日落黃(SY)濃度在 4.0×10-7～1.0×10-4mol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為1.0×10-7mol/L。該傳感器可以為日落黃(SY)選擇性檢測(cè)提供了新的方法。

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Study of sunset yellow and its determination using graphene quantum dots modified glassy carbon electrodes

Zhang Jin-lei1*,Ling Shao-ming1,Duan Yan1,Fu Yong-qin1,Wei Ren-kuang2
(1.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Regional Ecological Environment Analysis and Pollution Control of West Guangxi,Baise University,Baise 533000,China)(2.Baise Products Quality Supervision and Inspection Institute,Baise 533000,China)

廣西教育廳科研項(xiàng)目(KY2016YB420)資助

*通信聯(lián)系人，E-mail:279849344@qq.com