日落黃在聚結(jié)晶紫膜修飾電極上的 電化學(xué)行為及其測(cè)定

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(菏澤學(xué)院化學(xué)與化工系,山東菏澤 274015)

食品添加劑是為改善食品品質(zhì)和色、香、味,以及為防腐、保鮮和加工工藝的需要而加入食品中的人工合成或者天然物質(zhì)。日落黃是一種人工合成的偶氮類色素(結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1),是我國(guó)允許使用的食品添加劑。由于其能夠保持和改善食品的色、香、味,一般有色澤鮮艷、著色力強(qiáng)、堅(jiān)牢度大、性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[1],受到商家和消費(fèi)者的青睞,常用于糖果、飲料等食品和藥物的著色。由于含有R-N=N-R鍵、苯環(huán)結(jié)構(gòu),且多以苯、萘等化工產(chǎn)品為原料,經(jīng)過(guò)磺化、偶氮化等一系列有機(jī)反應(yīng)合成。因此它對(duì)人體存在一定的不安全性,有慢性毒性和致癌性[2],所以對(duì)其含量的測(cè)定顯得尤為重要。根據(jù)中國(guó)食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定日落黃在各類食品中的最大用量為0.02～0.6g/kg[3]。

圖1 日落黃的化學(xué)結(jié)構(gòu)式 Fig.1 Chemical structure of sunset yellow

目前報(bào)道的對(duì)食品中日落黃的檢測(cè)方法主要有光譜法[4-8]與色譜法[9-11]等。色譜應(yīng)用更為廣泛,但是儀器條件和方法檢測(cè)要求比較高,需要復(fù)雜的預(yù)處理過(guò)程與大量的有機(jī)溶劑,專門的操作人員,為克服色譜方法的不足,本工作探討了測(cè)定日落黃的電化學(xué)新方法。由于日落黃結(jié)構(gòu)中含有電化學(xué)活性的官能團(tuán),因此建立了電化學(xué)修飾電極測(cè)定日落黃。電化學(xué)修飾電極對(duì)日落黃的測(cè)定已有報(bào)道[12-13],但是聚結(jié)晶紫修飾膜電極測(cè)定日落黃還未見(jiàn)報(bào)道。

結(jié)晶紫是一種三苯甲烷類陽(yáng)離子染料,它在弱酸性條件下可以在玻碳電極表面電氧化聚合成膜[14],該聚結(jié)晶紫膜呈現(xiàn)紫色且附著力好,膜結(jié)構(gòu)緊密均勻，該修飾電極已用于尿酸的測(cè)定[15]。本工作建立了測(cè)定日落黃的簡(jiǎn)便、快速、靈敏的新方法。將該方法用于樣品中日落黃的測(cè)定,結(jié)果令人滿意。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

結(jié)晶紫 廣州化學(xué)試劑廠;日落黃 阿拉丁試劑(上海)有限公司;檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液 不同比例的0.1mol/L檸檬酸水溶液和0.2mol/L磷酸氫二鈉水溶液混合配制;果汁,糖果 市售。

CHI-660C電化學(xué)分析系統(tǒng) 上海辰華儀器有限公司;KQ-100超聲波清洗器 昆山超聲波儀器有限公司。

1.2 樣品制備

取20.0g糖果樣品研碎,加入80mL檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液(pH3.0),超聲1h,減壓抽濾,用pH3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液定容至100mL;果汁加熱至微沸趕去二氧化碳,量取20mL用pH3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液定容至100mL,5℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 聚結(jié)晶紫修飾電極的制備

將玻碳電極(Φ=3mm)在濕潤(rùn)的金相砂紙上磨光,然后用中性氧化鋁(0.05μm)懸乳液在鹿皮上拋光成鏡面,依次用硝酸(1∶1,V/V)、乙醇、二次水超聲清洗(3min/次),每次均用蒸餾水沖洗,放入含12mL pH5.0的0.2mol/L的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液,6mL 0.1mol/L的硝酸鉀溶液,2mL 2×10-4mol/L結(jié)晶紫水溶液的修飾液中,以玻碳電極為工作電極,Ag/AgCl電極為參比電極,鉑絲電極為對(duì)電極,在-1.2～2.4V電位范圍內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下,以80mV/s循環(huán)掃描10周后取出,用二次水淋洗,將修飾電極置于20mL的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(pH3.0)中循環(huán)掃描至穩(wěn)定,即制得聚結(jié)晶紫修飾電極。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)方法 利用上述方法制備的同一支聚結(jié)晶紫修飾電極為工作電極,Ag/AgCl電極為參比電極,鉑絲電極為對(duì)電極,攪拌富集60s后,在0.4～1.2V電位范圍內(nèi),掃描速率為100mV/s,用循環(huán)伏安法對(duì)電解池中8.0×10-6mol/L的日落黃重復(fù)測(cè)定10次,記錄循環(huán)伏安曲線。對(duì)于測(cè)定結(jié)束后,將修飾電極置于20mL的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(pH3.0)中循環(huán)掃描至無(wú)峰,置于空白混合液中10d,同樣條件下,對(duì)于日落黃進(jìn)行再次測(cè)定,記錄循環(huán)伏安曲線。

1.4.2 干擾實(shí)驗(yàn)的測(cè)定方法 利用上述方法制備的聚結(jié)晶紫修飾電極為工作電極,Ag/AgCl電極為參比電極,鉑絲電極為對(duì)電極,攪拌富集60s后,在0.4～1.2V電位范圍內(nèi),掃描速率為100mV/s,用循環(huán)伏安法對(duì)電解池中8.0×10-6mol/L的日落黃測(cè)定,記錄循環(huán)伏安曲線。然后分別加入可能存在的干擾物質(zhì)分別測(cè)定,記錄循環(huán)伏安曲線。

1.4.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢測(cè)限的測(cè)定方法 在電解池中加入20mL pH3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液,依次加入所需濃度的日落黃標(biāo)準(zhǔn)溶液,以聚結(jié)晶紫烯修飾電極為工作電極,Ag/AgCl電極為參比電極,鉑絲電極為對(duì)電極,攪拌富集60s后,在0.6～0.9V電位范圍內(nèi),用差分脈沖伏安法,分別進(jìn)行掃描測(cè)定,記錄差分脈沖曲線。根據(jù)3N/S計(jì)算檢測(cè)限。

1.4.4 回收率的實(shí)驗(yàn)方法 利用測(cè)定工作曲線的方法,測(cè)定結(jié)束后,將修飾電極置于20mL的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(pH3.0)中循環(huán)掃描至無(wú)峰,進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。

每個(gè)樣品取三個(gè)不同體積分別置于電解池中,分別按照標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定,記錄曲線,每個(gè)樣品測(cè)定六次,然后加入已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)日落黃溶液,進(jìn)行測(cè)定,記錄曲線。由氧化峰電流根據(jù)工作曲線線性方程,計(jì)算出測(cè)定樣品中以及加入的標(biāo)準(zhǔn)日落黃溶液后的濃度總值,進(jìn)而計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)日落黃溶液的測(cè)定值,再與已知加入濃度進(jìn)行比較,計(jì)算出回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 日落黃在聚結(jié)晶紫膜修飾電極上的電化學(xué)特性

圖2是結(jié)晶紫在玻碳電極上聚合過(guò)程的循環(huán)伏安圖。從圖上可以看出,結(jié)晶紫在玻碳電極上進(jìn)行了明顯的氧化還原反應(yīng),在1.8V和-0.3V左右分別出現(xiàn)了氧化還原峰電流,隨掃描次數(shù)的增加,峰電位不變,峰電流增加,但增加的幅度減小,證明隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行,電極表面的聚合物膜趨于完整,聚合與沉積速率減緩。圖3是聚結(jié)晶紫修飾電極的掃描電鏡圖。由圖可見(jiàn)結(jié)晶紫通過(guò)電化學(xué)聚合到了玻碳電極上,成功制備了結(jié)晶紫膜修飾電極。

圖2 結(jié)晶紫在玻碳電極上的聚合循環(huán)伏安曲線 Fig.2 Cyclic voltammograms of methyl violet on the glass carbon electrode

圖3 結(jié)晶紫修飾電極的掃描電鏡圖 Fig.3 SEM of poly(methyl violet)electrode

2.2 聚合條件的選擇

為了使制備的結(jié)晶紫修飾電極更好的催化日落黃的電化學(xué)氧化還原,實(shí)驗(yàn)對(duì)其聚合條件進(jìn)行了討論。固定低電位為-2.0V,改變高終止電位進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:高電位等于2.4V時(shí),日落黃的電化學(xué)信號(hào)最強(qiáng),所以選用聚合高電位為2.4V。固定高電位為2.4V,改變低電位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:低電位在-1.2V時(shí),日落黃的電化學(xué)信號(hào)最強(qiáng),故實(shí)驗(yàn)選用聚合電位范圍為-1.2～2.4V。當(dāng)掃描速率為80mV/s時(shí),所制備的修飾電極對(duì)日落黃的響應(yīng)峰電流最大。隨著掃描周數(shù)增加,峰電流增大,當(dāng)聚合10周后,基本不變,故選擇聚合掃描次數(shù)為10周。同時(shí)聚合底液的pH也會(huì)影響到對(duì)于日落黃的電化學(xué)測(cè)定,實(shí)驗(yàn)證明pH5.0檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液作為聚合底液得到的聚結(jié)晶紫修飾電極對(duì)日落黃的響應(yīng)最大。此外結(jié)晶紫的用量對(duì)聚合過(guò)程有較大的影響,實(shí)驗(yàn)中改變結(jié)晶紫的用量,發(fā)現(xiàn)當(dāng)2mL的2×10-4mol/L的結(jié)晶紫時(shí),制備的修飾電極對(duì)日落黃的響應(yīng)最好,所以結(jié)晶紫取2mL的2×10-4mol/L的水溶液時(shí)最佳。

2.3 日落黃在聚結(jié)晶紫修飾電極上的電化學(xué)行為

圖4為8.0×10-6mol/L日落黃,在檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液中(pH3.0),在裸電極(1)與聚結(jié)晶紫修飾電極(2)上的循環(huán)伏安曲線。由圖4可見(jiàn):在聚結(jié)晶紫修飾電極上氧化峰電流明顯增大,說(shuō)明結(jié)晶紫能很好地催化日落黃的氧化反應(yīng)。

圖4 日落黃在裸電極和聚結(jié)晶紫修飾電極上的 循環(huán)伏安曲線 Fig.4 Cyclic voltammograms of sunset yellow at the bare electrode and the methyl violet modified electrode

2.4 介質(zhì)的影響

考察了介質(zhì)對(duì)日落黃在聚結(jié)晶紫膜修飾電極上電化學(xué)響應(yīng)的影響。首先改變不同類型的介質(zhì),如檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液(2.2～8.0),如圖5,氧化峰電流在pH3.0時(shí)達(dá)到最大;BR緩沖溶液(2.56～7.54),如圖6,氧化峰電流在pH3.29時(shí)達(dá)到最大;乙酸-乙酸鈉緩沖溶液(pH3.6～5.6),如圖7氧化峰電流在pH4.4時(shí)達(dá)到最大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)pH3.0檸檬酸-磷酸二氫鈉緩沖溶液對(duì)日落黃在聚結(jié)晶紫修飾電極上電化學(xué)響應(yīng)最大,如圖8,因此選定pH3.0檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液作為測(cè)定日落黃的介質(zhì)。改變pH分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著pH增大,氧化峰電位負(fù)移說(shuō)明有質(zhì)子參與日落黃的氧化反應(yīng),并且氧化峰峰電位與pH(2.2～8.0)呈線性關(guān)系,線性方程為:Epa=0.97-0.039pH,R=0.9963(圖5插圖)。

圖5 日落黃在不同pH的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液 (pH2.2～8.0)的循環(huán)伏安曲線 Fig.5 Cyclic voltammograms of sunset yellow in the citric acid-phosphate buffer(pH2.2～8.0)

圖6 日落黃在不同pH的B-R緩沖溶液 (pH2.56～7.54)的循環(huán)伏安曲線 Fig.6 Cyclic voltammograms of sunset yellow in the B-R buffer(pH2.56～7.54)

圖7 日落黃在不同pH的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液 (pH3.6～5.6)的循環(huán)伏安曲線 Fig.7 Cyclic voltammograms of sunset yellow in the HAc-NaAc buffer(pH3.6～5.6)

圖8 日落黃在不同介質(zhì)響應(yīng)最大的循環(huán)伏安對(duì)比圖 Fig.8 Cyclic voltammograms of sunset yellow in the citric acid-phosphate buffer

2.5 掃描速率與攪拌時(shí)間的影響

圖9為日落黃在不同掃描速率的循環(huán)伏安曲線。可以看出,隨著掃描速率的增加,還原峰電位略微向負(fù)方向移動(dòng)而氧化峰電位略微向正方向移動(dòng);掃描速率在20～340mV/s之間,氧化峰峰電流隨著掃描速率的增加線性增大(圖9插圖),線性方程分別為:ipa(A)=-1.43×10-7+1.26×10-8v(mV/s),R=0.9992,表明日落黃在聚結(jié)晶紫修飾電極上的電極過(guò)程為吸附過(guò)程。隨著掃描速率的增大,峰形變差,且檢測(cè)的靈敏度會(huì)降低,因此選擇測(cè)定日落黃掃描速率為100mV/s。

圖9 日落黃在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線 Fig.9 Cyclic voltammograms of sunset yellow at different scanning rates

改變攪拌富集時(shí)間,即從30s逐漸增大至80s時(shí),每10s記錄掃描循環(huán)伏安圖,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)富集時(shí)間從30s逐漸增加,峰電流逐漸增加,當(dāng)富集時(shí)間繼續(xù)增加到60s趨于穩(wěn)定,因此選擇攪拌富集時(shí)間為60s。

2.6 干擾實(shí)驗(yàn)

2.7 重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

對(duì)聚結(jié)晶紫修飾電極測(cè)定日落黃的重復(fù)性與穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。利用同一支電極,對(duì)8.0×10-6mol/L日落黃重復(fù)測(cè)定10次,測(cè)定值間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.12%,表明修飾電極重現(xiàn)性較好。測(cè)定結(jié)束后,將修飾電極置于20mL的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(pH3.0)中循環(huán)掃描至無(wú)峰,置于空白混合液中10d,對(duì)于日落黃進(jìn)行再次測(cè)定,測(cè)定值為第一次測(cè)定值的97.9%,表明修飾電極穩(wěn)定性較好。

2.8 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢測(cè)限與回收率

在pH3.0的檸檬酸-磷酸二氫鈉緩沖溶液的介質(zhì)中,對(duì)日落黃標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明:日落黃在聚結(jié)晶紫修飾電極上的氧化峰電流與其濃度在8.0×10-8～2.0×10-5mol/L范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系,其回歸方程分別為:ipa(A)=0.46c+8.68×10-6,相關(guān)系數(shù)為0.9951,檢出限為2.0×10-8mol/L(3N/S)。

按照“1.4.4”所述的回收率的實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行回收率實(shí)驗(yàn),測(cè)定值及回收率見(jiàn)表1。

表1 樣品分析結(jié)果Table 1 Determination of sunset yellow in food

3 結(jié)論

制備了聚結(jié)晶紫修飾電極,該修飾電極對(duì)日落黃的電化學(xué)氧化具有明顯的催化作用,在聚結(jié)晶紫修飾電極上的氧化峰電流與其濃度在8.0×10-8～2.0×10-5mol/L范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系,檢出限為2.0×10-8mol/L。可用于實(shí)際樣品分析,并建立了測(cè)定日落黃的新方法。

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