熱溶液中Nafion膜電極電化學分析法測定偶氮二甲酰胺

趙常志　張莉　辛晨

摘要基于偶氮二甲酰胺在熱溶液中的高溶解度及其與Nafion膜電極的靜電作用，建立了偶氮二甲酰胺的電化學分析法。考察了偶氮二甲酰胺溶解度的溫度效應，研究了偶氮二甲酰胺在Nafion膜電極上還原反應的機理。利用熱溶液中偶氮二甲酰胺在Nafion膜電極上的伏安響應，用差分脈沖伏安法測定了面粉中的偶氮二甲酰胺含量。在水浴恒溫80℃、pH 6.0的實驗條件和優化的測試參數下，Nafion膜電極的電流響應與偶氮二甲酰胺的濃度在0.93～10.5 μg/L范圍內呈線性關系，檢出限為0.58 μg/L（S/N=3），對實際樣品測定的相對標準偏差小于5.9%，回收率為95.8%～104.0%，氨基脲和呋喃西林不干擾偶氮二甲酰胺的測定。

關鍵詞電化學分析法； 偶氮二甲酰胺； Nafion膜電極； 熱溶液； 面粉

1引 言

偶氮二甲酰胺（ADC）是一種白色或者淡黃色粉末，在工業中常用其作發泡劑，用于生產運動墊、橡膠鞋底等商品，增加產品的彈性。由于ADC能增強面團的柔韌性和強度，兼有漂白的作用，使面食有更好的外觀和口感，可能作為添加劑用于食品工業[1～3]。美國允許使用ADC作為食品添加劑，規定面粉中的最大使用量是0.045 g/kg[2]。然而，有研究表明ADC破壞面粉中的維生素，影響人體對鈣質的吸收，其代謝物可能損害人體的重要臟器，從而誘發癌癥[4，5]。歐盟、新西蘭、澳洲、英國、新加坡和日本等國家和地區都已禁止在食品中使用ADC。鑒于ADC可能帶來的危害，我國制定的《GB27602011食品添加劑使用標準》規定ADC作為添加劑在面粉中的使用限量是0.045 g/kg[3]，因此檢測面粉中的ADC是否超標使用具有重要的意義。由于偶氮甲酰胺極性很強，微溶于水、醇和丙酮等試劑，致其檢測方法種類偏少且研究進展緩慢。現有的高效液相色譜法操作繁雜，而且在反復洗脫的過程中，ADC 可能復溶不完全或發生降解，導致回收率偏低[6]。雖然也有一些其它測定ADC的方法，但基本都是與HPLC聯用的技術[1，7]，以及毛細管電泳等方法[8，9]，這些方法并沒有很好地解決原有的問題。另外，大型儀器的使用會增加測試成本，不利于實時和現場分析。發展測定ADC的電化學分析法，不僅能以低成本、快速、簡便的技術檢測ADC，也會給發展其它檢測ADC的方法帶來新思路。基于此，本研究采用加熱試液的溫度來增加ADC的溶解度，用Nafion膜電極（Nafion/GCE）富集ADC，建立了ADC的電化學分析法。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

TU1901雙光束紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司）； CS501型超級恒溫水浴（重慶實驗設備廠）； CHI 760E和CHI832B型電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）。由玻碳電極（GCE，直徑3.0 mm）為基底電極制備的Nafion膜電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲為對電極，組成三電極工作系統。

Nafion（5%乙醇溶液，Sigma公司），用無水乙醇稀釋10倍，作為電極的修飾液； ADC（純度98%）、氨基脲（純度 98%）和呋喃西林（純度98%），購于百靈威化學技術有限公司，用磷酸鹽緩沖溶液分別配成濃度為1.0×10

2.4實驗方法

將適量ADC標準品或樣品溶液與PBS （pH 6.0）混合后置于水浴電解池中，控制水溫（80±0.2）℃。連接Nafion膜電極、參比電極和對電極至電化學工作站。經開路攪拌富集3 min后，靜置30 s。設定電位掃描范圍0～0.50 V，記錄ADC在Nafion膜電極上的差分脈沖伏安（DPV）曲線，以電流強度定量ADC的濃度。再次測量前，需用PBS清洗電極至空白值。

3結果和討論

3.1Nafion膜電極的電化學表征

Nafion膜是一種聚四氟乙烯的陽離子交換膜，具有耐熱、耐腐蝕、強度大等優點，廣泛應用在化學修飾電極和電化學分析的研究中[10，11]。Nafion膜本身不具有電活性，但是它含有大量SO

3.2溫度對偶氮二甲酰胺溶解度的影響

ADC是一種極性很強的偶氮化合物，由于在常溫水中溶解度很低，很難觀察到在裸電極上的還原反應。但是，加熱溶劑會提高ADC的溶解度[12]。不同溫度下ADC溶液的紫外吸收曲線（圖3）表明[2]，隨著溫度由25℃， 50℃， 80℃和90℃順次升高，其在245 nm處的特征峰隨之增強，表明ADC溶解度的溫度效應非常明顯。圖4顯示了在不同溫度下，ADC分別在GCE 和Nafion膜電極上的循環伏安曲線。低溫時，在GCE上觀察不到ADC的伏安響應； 當溫度達到80℃時，才出現微小的電流響應。而在Nafion膜電極上，隨著溫度升高，電流響應明顯增大； 80℃時，電流響應不再增強； 超過90℃時，電流響應微降。這是由于Nafion膜在較高的溫度下能保持化學結構及性能的穩定[13]，但超過80℃時，Nafion膜內部水分蒸發，質子傳遞受到較大影響，導致膜的阻抗增大[14]。實驗結果表明，ADC在熱溶液中的溶解度明顯提高，合適的溫度既能使ADC充分溶解，又能保持Nafion膜電極對ADC有較好的響應性能。因此，本實驗利用恒溫水浴保持80℃的溫度。

3.3偶氮二甲酰胺在Nafion膜電極上的還原反應

單偶氮化合物能在電極表面獲得2個電子和2個質子而發生還原反應[15]。在以不同掃描速度測得ADC的循環伏安曲線（圖5）中，ADC在Nafion膜電極上只出現了陰極峰，沒有陽極峰，顯然為不可逆的還原反應。從圖5可見，隨著掃描速度的增加，峰電位Ep逐漸負移，掃速在為10～ 200 mV/s 范圍內， Ep為0.36～ 0.42 V； 同時，峰電流ip隨著掃速v 的增加而增大。由ip與v的線性相關性（圖5中的插圖）可知，ADC在Nafion膜電極上的還原為表面吸附控制的電極反應。按照Laviron方程計算[16]，此反應的電子轉移系數α及速率常數ks分別為0.52和0.817/s。

修飾電極表面的Nafion膜呈負電性，因而ADC在Nafion膜電極上的電化學行為與ADC的荷電狀態密切相關。由于ADC是堿性化合物，其荷電狀態取決于溶液的pH值。分別以pH=5.0， 5.5， 6.0， 6.5和7.0的磷酸鹽緩沖溶液為底液，考察了5.0×10 mol/L ADC在不同pH值緩沖溶液中的伏安響應（圖6），發現ADC在Nafion膜電極上的ip隨底液pH值變化，在pH= 6.0的溶液中， ip強度最大，這是由于ADC的氨基在加質子荷正電后，更容易與負電性的Nafion膜發生靜電效應，膜電極富集了ADC。同時，pH 6.0的PBS可作為緩沖溶液的優化pH值。另一方面， Ep隨底液pH值的增加而負移，在pH 5.0～7.0范圍內， Ep與pH值的線性關系為Ep=0.056pH +0.032（圖6插圖），進一步表明ADC在Nafion膜電極上的還原反應為式（1）所示的2質子2電子的電極反應。

3.5方法的重現性與穩定性

盡管Nafion膜電極有很好的電化學穩定性[17]，但考慮到在測試過程中，Nafion膜電極表面可能鈍化，影響樣品測定的重現性和穩定性，所以每次測定后，需將Nafion膜電極在攪拌下置于PBS中清洗，再放入空白底液中進行掃描，確認洗脫完全，然后再進行下一次測定。同一支Nafion膜電極連續重復測定3.45 μg/L ADC 7次，相對標準偏差（RSD）小于3.9%。按同樣方法制備的5支工作電極測定相同濃度ADC的RSD<5.8%。在濕潤保存下，10天后Nafion膜電極對同濃度基質的電流強度僅比初次測量減少了5%，保存30天后電流響應為初始電流響應的91%。雖然干燥保存Nafion膜電極的效果稍差，但保存30天后經過在PBS中活化，電流響應仍然不低于初次測量值的90%。

3.6抗干擾性能測試和方法的應用

除了強還原試劑，一般無機化合物不干擾ADC的測定。在最佳實驗條件下，以測量誤差在5%以內為限，考察了面粉中可能存在的物質對ADC伏安響應的影響。分別將5.0×10

AbstractBased on the high solubility of azodicarbonamide （ADC） in hot solution and its electrostatic interaction with Nafion film， a new electroanalytical method was developed for the determination of ADC by using Nafion film electrode. The effect of temperature on the solubility of ADC and the mechanism of the reduction reaction of ADC on Nafion film electrode were investigated. Under the experimental conditions such as water bath at a constant temperature of 80 ℃， pH 6.0 and optimal test parameters， the differential pulse voltammetric response was proportional to the concentration of ADC in the range of 0.93 -10.5 μg/L， and the detection limit was estimated to 0.58 μg/L. The relative standard deviation was less than 5.86 % and the recovery was 95.8%-104.0% for the determination of the ADC in flour samples. The semicarbazide and nitrofurazone did not interfere with the determination of ADC.

KeywordsElectrochemical analysis； Azodicarbonamide； Nafion film electrode； Hot solution； Flour