基于四氧化三鐵-離子液體復合材料檢測茶葉中兒茶酚的研究

申森，劉抒影，陳欣

（1.黃河水利職業技術學院環境工程學院，河南開封475000；2.河南大學化學化工學院，河南開封475000）

兒茶酚（catechol，CC）又名鄰二苯酚，廣泛存在于水果、蔬菜、茶葉等農作物中，是酶促褐變反應的重要底物之一，在制藥和化工生產中具有廣泛的作用。在茶葉生產過程中兒茶酚作為茶多酚的一種具有抗氧化、降血脂、促進胃腸功能、降低心血管疾病風險、抗癌等生理作用[1-2]，在茶葉品質評判過程中也起著重要作用，成為近幾年眾多學者研究的焦點。因此，研究一種方便快捷的檢測方法對茶葉中的兒茶酚進行定量分析對茶葉綜合品質的評定以及人們的飲食健康具有重要意義。

目前，關于兒茶酚的檢測方法有氣相色譜法、液相色譜法、毛細管電泳法等，這些方法雖然有檢出限低、靈敏度高等優點，但同時具有操作復雜、成本較高、儀器價格昂貴、需要專業人士操作等弊端。因此不適合現場快速有效的定量分析[3-5]。電化學分析法由于具有操作簡單、方便、快捷等優點，在兒茶酚快速、有效的進行定量分析方面存在較大的應用潛力[6-8]，成為對茶葉中兒茶酚進行快速有效定量分析的理想方法之一。

Fe3O4磁性納米材料由于具有導電性好、吸附性強、比表面積大等優點能有效地為反應物提供較好的吸附位點，有利于電化學反應的進行。同時離子液體作為固定基質，它們結合在一起能夠更好的發揮協同作用，降低Fe3O4的聚集，提高反應的靈敏度[9-13]。目前，雖然關于Fe3O4磁性納米材料的相關研究已有報道，但關于Fe3O4-離子液體納米復合材料的報道還未見出現。因此，本文以（Fe3O4）—1-甲基-3-丁磺酸基咪唑硫酸氫鹽（1-methyl-3-butanesulphonic acid imidazole bisulfate，[BSMIM]HSO4）復合材料為基質，制備電化學傳感器對茶葉中的兒茶酚進行快速、有效的定量分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

兒茶酚、甲醇：天津市科密歐化學試劑有限公司；十二水合磷酸氫二鈉、氯化鉀：洛陽昊華化學試劑有限公司；磷酸二氫鈉、鐵氰化鉀：洛陽市化學試劑廠；亞鐵氰化鉀：天津市光復精細化工研究所；無水乙醇：天津市天力化學試劑有限公司；茶葉：西湖龍井，市購。

1.2 儀器與設備

CHI-660E型電化學工作站：上海辰華儀器有限公司；三電極系統：以玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE，φ=3 mm）為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極（Pt）為對電極；KQ-100E型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；85-2型恒溫磁力攪拌器：上海司樂儀器有限公司；10 μL移液槍：賽默飛世爾（上海）儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 Fe3O4-[BSMIM]HSO4制備

Fe3O4球合成：分別取FeCl3粉末5 g，檸檬酸三鈉1.8 g于300 mL錐形瓶中，加入150 mL乙醇溶液，超聲分散0.5 h然后強烈攪拌1 h使其分散均勻，在攪拌過程中加入醋酸鈉7.5 g攪拌0.5 h，然后將混合物移入水熱釜中加熱至200℃，保持8 h，然后冷卻至25℃，用蒸餾水、乙醇洗滌數次，最后于60℃烘干備用既得Fe3O4納米材料。

1-甲基-3-丁磺酸基咪唑硫酸氫鹽（[BSMIM]HSO4）根據文獻[14]合成。取 50 μL[BSMIM]HSO4加入到5 mL 1.0 mg/mL的Fe3O4中，在磁力攪拌器上攪拌使其分散均勻，得到Fe3O4-[BSMIM]HSO4。

1.3.2 Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的制備

將GCE電極用1000目砂紙打磨后，分別用0.3 μm和0.05 μm的氧化鋁粉拋光至鏡面，然后依次用無水乙醇、二次蒸餾水進行超聲清洗3次，每次3 min～5 min，在常溫條件下讓其自然干燥，備用[15-17]。用 10 μL 移液槍吸取 3.0 μL 的 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾液滴于GCE電極表面，然后用燒杯罩在上面（防止其被污染），常溫下自然干燥，即得Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE。

1.4 樣品處理

準確稱取茶葉5.000 0 g用研缽進行粉碎，稱取固體粉末1.000 0 g于100 mL燒杯中，然后加入60.00 mL 20%的甲醇溶液，于80℃條件下水浴振蕩20 min，然后進行過濾，將所得濾液轉移至100 mL容量瓶中用80%甲醇定容，備用。

1.5 數據處理

運用origin 8.5對試驗結果進行數據分析及處理。

2 結果與分析

2.1 不同電極的電化學表征

在 10mmol/L 的[Fe（CN）6]3-溶液（含 0.1mol/LKCl）中分別對 GCE、Fe3O4/GCE和 Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE電極進行交流阻抗分析，結果如圖1所示。

圖1 GCE、Fe3O4/GCE、Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE在10 mmol/L的[Fe（CN）6]3-（含 0.1 mol/L KCl）溶液中的交流阻抗圖譜Fig.1 Electrochemical impedance spectroscopy of GCE，Fe3O4/GCE，Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE in 10 mmol/L[Fe（CN）6]3-containing 0.1 mol/L KCl

由圖1可知，GCE電阻為375 Ω，Fe3O4/GCE電阻為261.4 Ω與GCE相比阻抗降低了30.29%，這說明Fe3O4具有良好的導電性，加速電極表面電子轉移速率，增強電流響應提高電極靈敏度。同時加入[BSMIM]HSO4后Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE電阻降低至195.5 Ω與Fe3O4/GCE相比阻抗降低了25.21%，這說明Fe3O4與[BSMIM]HSO4間具有良好的協同作用，能進一步加速電極表面電子轉移速率提高電極靈敏度。

2.2 兒茶酚在不同電極的電化學行為

以濃度0.1 mol/L pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液（phosphate buffer saline，PBS）緩沖液為支持電解質，分別以GCE、Fe3O4/GCE和Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE為工作電極對50 μmol/L的兒茶酚進行差分脈沖（differential pulse voltammetry，DPV）掃描，其結果如圖2所示。

圖 2GCE、Fe3O4/GCE、Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE 在 50 μmol/L的兒茶酚溶液中的差分脈沖曲線圖Fig.2 DPV response of GCE，Fe3O4/GCE，Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE in 50μmol/L CC

由圖 2可知，GCE氧化峰電流為 0.848 9 μA，Fe3O4/GCE 氧化峰電流為 1.086 μA，Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰電流為 1.323 μA，與 GCE相比Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰電流增加了55.85%；與Fe3O4/GCE相比Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰電流增加了21.82%。這說明Fe3O4具有良好的導電性和吸附作用，能夠為兒茶酚在電極表面的電化學反應提供較好的結合位點，催化電化學反應的進行，擴大反應信號，同時與[BSMIM]HSO4具有良好的協同作用。

2.3 緩沖溶液pH值的選擇

分別以濃度 0.1 mol/L pH 6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 的PBS緩沖液為支持電解質，對50 μmol/L的兒茶酚進行DPV掃描，其結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著PBS緩沖液pH值的增加，氧化峰電流先增大后減小，當pH值為7.0時氧化峰電流達到最大為1.31 μA，這是因為過酸過堿可能會影響到電極表面電子的轉移速率進而對氧化峰電流產生影響，因此本試驗選取pH值為7.0的PBS緩沖液為電解質溶液。

圖3 pH值對Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影響Fig.3 The effect of pH on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE

2.4 離子強度對兒茶酚電化學行為的影響

分別以濃度 0.05、0.1、0.15、0.20、0.25、0.30 mol/L pH 7.0的PBS緩沖液為支持電解質，對50 μmol/L的兒茶酚進行DPV掃描，其結果如圖4所示。

圖4 離子濃度對Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影響Fig.4 The effect of ion concentration on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE

由圖4可知，隨著離子濃度的增加氧化峰電流先增大后減小，且當PBS緩沖液濃度為0.1 mol/L時氧化峰電流達到最大為1.32 μA，這是因為隨著離子濃度的增加有助于電極表面電子的轉移，形成氧化峰電流，但當離子濃度過高時會對Fe3O4表面的結合位點產生占位影響進而降低氧化過程中電子的轉移速率減弱電流響應，因此本試驗選取濃度為0.1 mol/L的PBS緩沖液為電解質溶液。

2.5 修飾量的選擇

以pH 7.0的PBS（0.1mol/L）緩沖液為支持電解質，分別以 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 μL 的 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾GCE制備Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE傳感器對50 μmol/L的兒茶酚進行DPV掃描，其結果如圖5所示。

圖5 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾量對Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影響Fig.5 The effect of Fe3O4-[BSMIM]HSO4loading on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE

由圖5可知，隨著Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾量的增加Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE在50 μmol/L的兒茶酚測得的氧化峰電流先增大后減小，當修飾量為3 μL時氧化峰電流達到最大為1.34 μA。這是因為Fe3O4-[BSMIM]HSO4具有良好的導電性，能夠有效的促進電子的轉移，增加電流響應，但當修飾量過多時會導致電極表面涂層較厚，Fe3O4-[BSMIM]HSO4聚集，阻礙電子的轉移，增加阻抗，進而降低電流響應，因此Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾量選取 3 μL。

2.6 標準曲線的繪制

在最佳試驗條件下對 1.0×10-6～1.8×10-2mol/L 的CC進行定量分析其結果如圖6所示。

圖6 兒茶酚濃度與氧化峰電流間的關系曲線與標準曲線Fig.6 Relationship curve between oxidation peak current and concentration of CC

由圖6可知，兒茶酚濃度與其氧化峰電流在1.0×10-6mol/L～1.2×10-2mol/L范圍內呈良好的線性關系，線性方程為：Y=0.025 5X+0.079，R2=0.999 5，相關性較好，檢出限（3σ）為 1.17×10-7mol/L，檢出限較低符合試驗要求。

2.7 重復性研究

在最佳試驗條件下對50 μmol/L的CC進行重復DPV掃描10次其結果如表1所示。

表1 10次重復性試驗Table 1 Repetitive experiments for 10 times

由表1可知，在最佳條件下用Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE對50 μmol/L的兒茶酚連續掃描10次其相對標準偏差為2.281%，重復性較好。

2.8 加標回收試驗

在最佳試驗條件下以Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE為工作電極對不同濃度的CC進行加標回收試驗其結果如表2所示。

表2 兒茶酚在PBS中的回收率Table 2 Recovery of catechol in PBS

由表2可知，其加標回收率在98%～102%之間，回收效果較好，準確度較高。

2.9 實際樣品檢測

在最佳試驗條件下結合標準曲線對西湖龍井茶葉中兒茶酚含量進行定量分析，同時利用氣相色譜進行定量分析作為參照比對，其結果如表3所示。

表3 茶葉樣品中兒茶酚的測定Table 3 Determination of catechol in tea sample

由表3可知，茶葉中兒茶酚含量為53.36 mg/g且與氣相色譜法結果一致其準確度較高，符合試驗需求。

3 結論

在Fe3O4磁性納米材料的基礎上復合[BSMIM]HSO4制備了Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE傳感器，對茶葉中的兒茶酚進行定量分析。結果表明：Fe3O4-[BSMIM]HSO4具有良好的導電性和吸附作用，同時Fe3O4與[BSMIM]HSO4間具有良好的協同作用，能夠有效地促進電子的轉移、增加相應電流、提高電極靈敏度。利用Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE對茶葉中的兒茶酚進行定量分析，其加標回收率在98%～102%之間，回收效果較好，精密度較高，符合試驗要求，且與氣相色譜檢測結果一致，其準確度良好，具有較強的使用價值。