Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs修飾電極伏安法測定食品中的亞硝酸根

郝玉翠

（唐山學院環境與化學工程系，河北 唐山 063000）

亞硝酸鹽（NO2－）會使人體正常的血紅蛋白氧化而失去攜氧能力，還可與各種胺類反應形成強致癌物亞硝胺，導致消化系統癌癥的發生［1，2］。近年來，亞硝酸鹽作為食品添加劑在食品工業中被廣泛應用，因此，檢測食品中亞硝酸鹽的含量具有重要意義。目前，NO2－檢測方法有分光光度法［3］、色譜法［4，5］、流動注射分析［6］等，這些分析方法大多操作復雜，分析速度慢，而化學修飾電極測定NO2－具有成本低、程序簡單、響應快速等優點，近年來，成為該領域的研究熱點［7－11］。

碳納米管具有表面積大、導電性強和機械強度高等優點，常被用于負載金屬材料。碳納米管與金屬具有協同作用，可提高復合材料的電催化性能［12］。貴金屬Pt具有良好的電催化性能，金屬Pt與Fe（Ⅲ）的協同作用可以表現出更好的電催化性能［13］。用上述相關材料制備對亞硝酸根具有良好電催化氧化作用的化學修飾電極，利用亞硝酸根氧化峰電流和亞硝酸根濃度在一定范圍內呈線性關系的原理，可建立修飾電極測定亞硝酸根的新方法。本研究擬采用物理滴涂法和直接電化學沉積法制備Pt—Fe（III）/多壁碳納米管修飾玻碳電極（Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE），并研究該修飾電極對NO2－的電催化作用。在此基礎上，優化其試驗條件，建立用Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE測定 NO2－的新方法，旨在將其用于食品中NO2－含量的測定。

1 材料與方法

1.1 儀器

電化學分析儀：CHI660C型，上海辰華儀器公司；

超聲波清洗器：KQ-250DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

三電極系統（裸玻碳電極為基體工作電極（GCE）、飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑電極為對電極）：上海辰華儀器公司；

X射線衍射儀：UltimaⅣ型，日本理學公司；

場發射掃描電鏡：S-4800型，日本日立公司。

1.2 試劑

NaNO2：分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；

FeCl3：分析純，天津市津東天正精細化學試劑廠；

氯鉑酸：分析純，博歐特（天津）化工貿易有限公司；

不同pH的0.1mol/L磷酸鹽緩沖溶液（PBS）：由濃度均為0.1mol/L的 H3PO4、NaH2PO4和 Na2HPO43種溶液配制而成，并采用0.1mol/L的HCl調節pH。

1.3 Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE的制備

1.3.1 MWCNTs的純化 將0.1g MWCNTs放入10mL濃HNO3中，加熱回流8h，然后將所得MWCNTs懸濁液過濾，并用蒸餾水沖洗所得MWCNTs至濾液為中性。將所得MWCNTs烘干、研磨，備用。

1.3.2 GCE的拋光與清洗 用粒徑為0.5μm的Al2O3粉懸濁液將GCE表面拋光成鏡面，沖洗干凈，再分別用無水乙醇、蒸餾水超聲清洗5min，備用。

1.3.3 MWCNTs/GCE 的 制 備 稱 取5mg 研 磨 過 的MWCNTs，溶于10mL無水乙醇溶液中，用超聲清洗器將MWCNTs乙醇懸濁液超聲1h，以使MWCNTs在無水乙醇中分散均勻，然后取20μL分散均勻的MWCNTs乙醇懸濁液，將其滴涂在GCE表面，待乙醇揮發后，即制得 MWCNTs/GCE。

1.3.4 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 的 制 備 將 MWCNTs/GCE浸入0.5mol/L的 H2SO4溶液中，在－0.3～0.8V范圍內以100mV/s的掃描速率循環伏安（CV）掃描10圈，使其活化。再將 MWCNTs/GCE 浸入0.5mol/L H2SO4＋1.8mmol/L H2PtCl6＋1.2mmol/L FeCl3的溶液中在－0.3～0.8V范圍內以50mV/s的掃描速率CV掃描20圈，使 Pt—Fe（III）電沉積在 MWCNTs/GCE表面，即制得Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE。

1.4 方法

將三電極浸入含NO2－的PBS溶液中，以Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE為工作電極，在0.4～0.9V電位范圍內記錄NO2－在工作電極上的差分脈沖伏安（DPV）曲線，根據DPV曲線上0.7V處的氧化峰電流進行NO2－的定量分析。

2 結果與討論

2.1 Pt—Fe（III）的電沉積

Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的電沉積 CV 曲線見圖1。由圖1可知，在0.3～0.5V時存在一對氧化還原峰a和a＇，這是由Fe3＋/Fe2＋氧化還原電對產生的。在－0.2～0 V時的氧化還原峰b和b＇是Pt的特征峰，這些峰是由吸附氫的電化學氧化與還原反應產生的。吸附氫氧化還原峰的形狀、數目和大小是由暴露Pt的晶面、電極的預處理方法、溶液中所含雜質以及支持電解質性質等因素決定的［14］。隨著CV掃描圈數的增加，CV曲線上氧化還原峰電流不斷增大，表明不斷有Pt微粒和Fe（III）的氧化物沉積在工作電極上。

圖1 Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的電沉積CV曲線Figure 1 Cyclic voltammogram for electrodeposition of Pt—Fe（III）on MWCNTs/GCE

2.2 Pt－Fe（III）/MWCNTs的表征

為研究電極修飾材料的成分和表面形貌，采用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對電極修飾材料進行了表征，見圖2、3。

圖2 MWCNTs和Pt—Fe（III）/MWCNTs的XRD圖Figure 2 The XRD patterns of MWCNTs and Pt—Fe（III）/MWCNTs

圖3 Pt—Fe（III）/MWCNTs的SEM 圖Figure 3 The SEM imagine of Pt—Fe（III）/MWCNTs

由圖2可知：MWCNTs和Pt—Fe（III）/MWCNTs在2θ為26°和43°時，均出現了明顯的衍射峰，對應的分別是石墨（002）和石墨（100）產生的晶面衍射峰，Pt—Fe（III）/MWC-NTs的XRD圖譜上產生的另外4個衍射峰和Pt（JCPDS 04-0802）的譜圖一致，在40，46，67，81°的衍射峰與Pt（111）、Pt（200）、Pt（220）和Pt（311）晶面的特征衍射峰一一對應，說明Pt具有面心立方晶體結構，利用Sherrer公式和Pt（220）的衍射峰半峰寬，計算出Pt的平均粒徑為3nm。在XRD圖譜中，沒有發現Fe（III）的衍射峰，表明Fe（III）是以非晶態存在，其中 Fe（III）是以Fe2O3和FeOOH 形式存在［13］。

由圖3可知：MWNTs的管徑大約為40～50nm，MWNTs上分散的大部分納米粒子粒徑約為40～60nm；這些納米粒子都具有網狀結構，可能是由于Fe（III）氧化物的Fe—O—Fe鍵產生的網狀結構將Pt納米粒子分割成粒徑為3nm的納米粒子。

2.3 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對 NO2－的電催化作用

將Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE分別在空白 PBS和含0.8mmol/L NO2－的PBS溶液中進行DPV掃描，所得DPV曲線見圖4。由圖4可知：0.8mmol/L NO2－＋0.1mol/L PBS曲線在0.7V處產生了明顯的氧化峰，說明NO2－在Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE上發生了明顯的氧化反應，該氧化峰對應的是NO2－氧化為NO3－的氧化反應，其可能的反應機理：

NO2－＋ H2O→ NO3－＋2H＋＋2e－

圖4 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE在0.1mol/L PBS（pH＝3）中的DPV曲線Figure 4 Differential pulse voltammograms of Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE in PBS at pH＝3

將 GCE、MWCNTs/GCE 和 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 3種工作電極分別在空白PBS和含0.8mmol/L NO2－的PBS中進行DPV掃描，所得DPV曲線見圖5。由圖5可知：GCE曲線沒有明顯的氧化峰，MWCNTs/GCE和Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE曲線在0.7V附近都出現了明顯的氧化峰，但Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE曲線的氧化峰電流最大，說明GCE對NO2－電催化作用不明顯，MWCNTs/GCE和Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE均對NO2－產生了明顯的電催化作用，但Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對 NO2－的電催化作用最強。這是由于MWCNTs使電沉積在電極上的Pt粒子更加分散［15］，且Pt粒子和Fe（III）的協同作用，使得修飾電極表面積變大，活性位點增多，從而提高了修飾電極對NO2－的電催化性能。

圖5 不同工作電極在0.8mmol/L NO2－＋0.1mol/L PBS（pH＝3）中的DPV曲線Figure 5 Differential pulse voltammograms of different electrodes in 0.1mol/L PBS containing 0.8mmol/L nitrite at pH＝3

2.4 MWCNTs修飾量對測定的影響

試驗研究了 MWCNTs修飾量在0～30μL變化時，NO2－在Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE上氧化峰電流的變化見圖6。結果表明：當MWCNTs用量在0～20μL變化時，氧化峰電流隨著MWCNTs用量的增加而增加，這是因為隨MWCNTs修飾量的逐漸增加，電極表面催化活性位點增多，導致氧化電流增加，但是當MWCNTs修飾量超過20μL后，氧化峰電流隨MWCNTs修飾量的逐漸增加而降低，這是由于電極表面MWCNTs修飾層厚度過大，阻礙了NO2－與電極的電子交換。因此，以20μL作為MWCNTs的最佳用量來制備Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE。

圖6 MWCNTs用量對亞硝酸根氧化峰電流的影響Figure 6 The effect of the amount of MWCNTs on oxidation peak current of nitrite

2.5 Pt—Fe（III）電沉積圈數對測定的影響

試驗研究了Pt—Fe（III）電沉積圈數對NO2－在Pt—Fe（Ⅲ）/MWCNTs/GCE上的氧化峰電流的影響。將 MWCNTs/GCE在0.5mol/L H2SO4＋1.8mmol/L H2PtCl6＋1.2mmol/L FeCl3溶液中CV掃描0～50圈，制得不同Pt—Fe（Ⅲ）負載量的修飾電極，分別用不同Pt—Fe（III）負載量修飾電極為工作電極測定同濃度NO2－的氧化峰電流，見圖7。結果表明，當Pt—Fe（III）電沉積圈數在0～20變化時，NO2－的氧化峰電流隨著電沉積圈數的增大而增大，當電沉積圈數超過20時，NO2－的氧化峰電流不再隨著電沉積圈數的增加而顯著增大。這可能是由于Pt—Fe（III）在 MWCNTs/GCE上的負載量趨近于飽和，兼顧修飾電極制備方法的簡捷性和測定NO2－的靈敏度，選擇電沉積20圈作為Pt—Fe（III）最佳負載量。

圖7 Pt—Fe（Ⅲ）的電沉積圈數對亞硝酸根氧化峰電流的影響Figure 7 The effect of the electrodepositon circles of Pt—Fe（Ⅲ）on oxidation peak current of nitrite

2.6 pH值對測定的影響

試驗研究了PBS的pH值在1～6變化時，8mmol/L NO2－氧化峰電流的變化，見圖8。結果表明，NO2－的氧化峰電流隨著PBS的pH值增大而減小，當選用pH值為3的PBS作為底液時，NO2－的氧化峰電流較大，背景電流較小，峰形最好，因此，選用pH值為3的PBS作為底液。

圖8 pH對亞硝酸根氧化峰電流的影響Figure 8 The effect of pH on oxidation peak current of nitrite

2.7 線性范圍和檢測限

采用上述優化條件，以 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE為工作電極，建立DPV法測定NO2－的新方法，NO2－在0.7V處產生的氧化峰電流ip（μA）與其濃度c（μmol/L）在3.0×10－7～2.0×10－3mol/L范圍內呈良好的線性關系，見圖9、10，線性回歸方程為：ip＝0.026 3c＋0.512，相關系數r＝0.999 3，檢測限為1.0×10－7mol/L。

圖9 0.1mol/L PBS（pH＝3）中不同濃度 NO2－在Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE上的 DPV曲線Figure 9 Differential pulse voltammograms of Pt/MWCNTs/GCE in 0.1mol/L PBS（pH＝3）

圖10 亞硝酸根氧化峰電流與其濃度的線性關系Figure 10 The linear relationship between oxidation peak current of nitrite and concentration of nitrite

2.8 干擾試驗

試驗研究了Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對NO2－的選擇性，見表1。結果表明，在不超過±5%的誤差范圍內，固定NO2－的 濃 度 為 0.8mmol/L，50 倍 的 K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42－、PO43－、SO32－和 NO3－等常見離子對測定不產生干擾，表明Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對 NO2－具有較好的選擇性。

表1 常見離子對亞硝酸根測定的影響Table 1 Effect of common ions on the nitrite determination

2.9 電極的重現性與穩定性

用同一支Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對0.8mmol/L NO2－溶液平行測定8次，其峰電流值的相對標準偏差（RSD）為2.9%。將使用后的 Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE清洗后，封好保存1周，其對NO2－的響應電流值為最初響應電流值的92%，說明Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE具有較好的重現性和穩定性。

2.10 樣品的檢測及加標回收試驗

采用GB 5009.33—2010《食品安全國家標準 食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》的方法對市售的3種香腸樣品進行預處理，用Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE測定香腸中的亞硝酸根含量，并做加標回收試驗，同時，用GB 5009.33—2010中的分光光度法測定香腸樣品中亞硝酸根含量，結果見表2。由表2可知，Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE測定 NO2－的加標回收率為98.1%～102%，與分光光度法測定的結果基本一致，方法準確度較高。

表2 樣品的加標回收率Table 2 The recovery rate of the samples（n＝5）

3 結論

本試驗采用物理滴涂法和直接電化學沉積法制得的Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE對 NO2－具有良好的電催化氧化性能，Pt—Fe（III）/MWCNTs/GCE 可用于測定 3.0×10－7～2.0×10－3mol/L濃度范圍內的 NO2－，檢測限為1.0×10－7mol/L。該電化學分析方法具有成本低、操作簡便、響應快速、靈敏度高等優點，可用于檢測食品中NO2－的含量。

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