復(fù)合修飾電極上香蘭素的電催化氧化伏安行為及其預(yù)電解伏安分析法研究*

朱永璽,馬永鈞

(西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

香蘭素(Vanillin，Va)是天然香草植物含有的一種天然芳香物質(zhì)，香蘭素因其特殊的芳香特性被廣泛使用，它主要以芳香添加劑方式應(yīng)用于香水、飲料、煙草等[1]。目前大部分香蘭素純品來源于通過化學(xué)合成的方式，當(dāng)食品及飲品中香蘭素添加量超標(biāo)時(shí)，也會(huì)對(duì)人體造成危害。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的標(biāo)準(zhǔn)，香蘭素每日攝入量應(yīng)低于10 mg/kg。因此，基于食品安全考慮就有必要檢測(cè)各種食品中的香蘭素含量，而開發(fā)一種高靈敏、低成本香蘭素電分析檢測(cè)方法亦有必要。

目前，可用于準(zhǔn)確測(cè)定各種食品樣品中香蘭素的分析方法主要有分光光度法[4]、氣相色譜法、毛細(xì)管電泳法[7]、化學(xué)發(fā)光法[8]，和高效液相色譜法等[9]。然而，上述檢測(cè)方法的成本較高，尤其對(duì)樣品的預(yù)處理過程非常復(fù)雜。近年來，由于香蘭素分子中具有電活性基團(tuán)，故可利用電化學(xué)傳感器對(duì)香蘭素進(jìn)行電分析檢測(cè)[10]，而電分析方法具有靈敏度高、選擇性好、廉價(jià)且快速等優(yōu)勢(shì)，也已被應(yīng)用于實(shí)際樣品中香蘭素的定量檢測(cè)[3]。但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)香蘭素在裸玻璃碳電極上的過電位較高，還易在電催化氧化過程中發(fā)生自聚合現(xiàn)象導(dǎo)致電極被污染。人們嘗試通過對(duì)電極表面改性修飾，能部分降低工作電極的毒化。如Huang等[12]制備了銀納米顆粒/石墨烯/玻碳電極(Ag/NPs/GN/GC)，由于Ag/NPs/GN具有大的比表面積和良好的導(dǎo)電性，對(duì)香蘭素表現(xiàn)出良好的電催化氧化能力和電極耐用性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電化學(xué)工作站(CHI 760B)，上海辰華儀器公司；電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極測(cè)試體系，以直徑為3 mm玻碳電極為工作電極，鉑絲為對(duì)電極，Ag/AgCl (0.1 mol/L KCl)為參比電極。

谷氨酰胺(含量≥99%)，阿拉丁試劑；高胱氨酸(含量≥98%)，阿拉丁試劑；納米氧化鉺(含量≥99.9%)，北京德克島金；鐵氰化鉀(A.R，經(jīng)重結(jié)晶純化)；2,4,6-三氨基嘧啶(含量≥98%)，阿拉丁試劑；香蘭素 (含量≥ 99%)，百靈威試劑有限公司；其余試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1 mmol/L 香蘭素標(biāo)準(zhǔn)溶液配制：稱取香蘭素固體粉末，用二次蒸餾水加熱溶解。

復(fù)合修飾電極制備過程：按參考文獻(xiàn)先以氨基重氮化反應(yīng)液對(duì)玻碳電極基底進(jìn)行接枝修飾[13]，具體操作是將裸GCE置于含谷氨酰胺(2.50 μmol/L)、NH4Cl(0.12 mol/L)、HCl(0.10 mol/L)、NaNO2(0.50 μmol/L)、0.056%曲通的電解液中，采用循環(huán)伏安法(CV)在 -1.2～2.15 V區(qū)間內(nèi)掃描2段，成功通過C-C鍵將谷氨酰胺鍵合在GCE表面。再參考文獻(xiàn)[14]將稀土離子置換為鉺離子，有機(jī)配體置換為2,4,6-三氨基嘧啶配制電鍍液，將上述電極置于此電鍍液中，在電位區(qū)間 -0.25～0.6 V，掃速17 mV/s的條件下，CV掃描10圈。然后將電極置于0.2 mol/L氯乙酸緩沖溶液中，CV掃描6段，清洗電極。最后將上述修飾電極置于含高胱氨酸(1.25 μmol/L)、PBS(0.15 mol/L，pH=6.0)和Na2SO4(0.10 mol/L)的電解液中，再采用CV在 -1.15～2.40 V區(qū)間內(nèi)掃描4段，最后將該電極置于0.20 mol/L 氯乙酸緩沖溶液中，在電位區(qū)間0.00～1.20 V、掃速100 mV/s的條件下，掃描6段，以清除電極表面殘留氨基酸，用蒸餾水淋洗干凈備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在10 mL比色管中，加入優(yōu)化組成的支撐電解質(zhì)溶液及一定量的香蘭素標(biāo)準(zhǔn)溶液，用二次蒸餾水定容，充分搖勻后轉(zhuǎn)移至電解池。采用三電極體系，在攪拌條件下，用示差脈沖伏安法(DPV)，在0.35 V預(yù)電解10 s，停止攪拌后靜置5 s，進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)并在0.35～0.75 V電位區(qū)間記錄伏安圖。電化學(xué)儀器參數(shù)設(shè)置：脈沖寬度(60 ms)，脈沖高度(100 mV)，脈沖間隔時(shí)間(200 ms)。

2 結(jié)果與討論

2.1 香蘭素在不同修飾電極上的電催化氧化伏安響應(yīng)曲線

利用示差脈沖伏安法(DPV)，對(duì)20 μmol/L香蘭素標(biāo)準(zhǔn)溶液在裸玻碳電極和修飾電極上的電催化行為進(jìn)行研究。香蘭素在裸電極(圖1a)上的氧化峰峰形較寬，電流響應(yīng)信號(hào)較弱，而在復(fù)合修飾電極(圖1b)上的氧化峰峰形對(duì)稱，且峰電流明顯增加。修飾電極相比裸玻璃碳電極，香蘭素的電催化氧化反應(yīng)的伏安峰明顯增大，也說明該復(fù)合修飾層有協(xié)同電催化活性。

圖1 香蘭素在不同工作電極上的示差脈沖伏安圖Fig.1 Differential pulse voltammograms of vanillin at the different working electrodes

2.2 支持電解質(zhì)的優(yōu)化及電極上香蘭素的傳質(zhì)行為

以復(fù)合修飾電極為工作電極，用20 μmol/L香蘭素標(biāo)準(zhǔn)溶液為測(cè)試樣，對(duì)電解質(zhì)的組成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。證明選擇PBS緩沖溶液為支持電解質(zhì)比較好，并對(duì)PBS濃度和pH值進(jìn)行分別進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)PBS濃度為0.15 mol/L，pH值為5.5時(shí)，香蘭素在復(fù)合修飾電極上的電催化峰電流最大，此優(yōu)化值與文獻(xiàn)相符[15]。我們又用CV法對(duì)香蘭素主氧化峰的電流值(Ip)與掃速(v)之間的關(guān)系進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)掃速在0.01～0.10 V/s的范圍內(nèi)時(shí)，香蘭素的氧化峰電流值與掃速呈現(xiàn)正比關(guān)系，線性方程為：Ip(μA)=0.4078+33.23v(V/s) (R2=0.9986)，說明香蘭素在該復(fù)合化學(xué)修飾電極上的電催化氧化過程為表面吸附傳質(zhì)控制。

2.3 預(yù)電解電位和預(yù)電解時(shí)間的優(yōu)化

如圖2A所示，在修飾電極上，香蘭素的電催化氧化反應(yīng)的伏安行為受測(cè)試儀器預(yù)設(shè)條件的影響比較大。對(duì)比曲線a，b發(fā)現(xiàn)，不加預(yù)電解條件時(shí)，香蘭素的主氧化峰位于0.55 V處，但在0.47 V處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的吸附氧化前波；但在設(shè)置了預(yù)電解條件后測(cè)定時(shí)，其主氧化峰的電位值沒有移動(dòng)而峰電流卻有增加，并且0.47 V處的吸附氧化前波能完全消失，這說明若采用預(yù)電解伏安法進(jìn)行測(cè)量香蘭素最為適宜。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)可得到兩個(gè)預(yù)電解參數(shù)的優(yōu)化曲線，如圖2B所示，預(yù)電解電位為0.35 V(a)，預(yù)電解時(shí)間25 s時(shí)(b)，香蘭素氧化前波消失，電流響應(yīng)信號(hào)最佳。

圖2 施加預(yù)電解措施前后香蘭素的DPV伏安曲線對(duì)比圖(A)及預(yù)電解電位和預(yù)電解時(shí)間的優(yōu)化曲線(B)Fig.2 Comparison DPV curves of vanillin with or without the preconditions of pre-galvanolysis parameters (A) and optimization curve of both pre-galvanolysis potential and time (B)

已知香蘭素分子中同時(shí)具有苯甲醛基和酚羥基兩個(gè)電活性位點(diǎn)，再參考文獻(xiàn)可知，香蘭素的主氧化峰主要來源于分子中酚羥基電氧化為鄰醌基團(tuán)的過程。考慮到優(yōu)化的預(yù)電解電位正好位于0.47 V左右的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。由此我們推測(cè)，香蘭素的氧化前波可能主要來源于香蘭素分子中苯甲醛基氧化為羧基基團(tuán)的過程。因此，按照?qǐng)D3的推測(cè)機(jī)理，復(fù)合化學(xué)修飾電極表面的電催化氧化機(jī)理為：在預(yù)電解條件下醛基先被氧化為羧基，然后含羧基的中間體的酚羥基和相鄰的甲氧基再被氧化為含鄰醌基團(tuán)的最終產(chǎn)物。

圖3 設(shè)置預(yù)電解條件下香蘭素可能的電催化氧化反應(yīng)機(jī)理Fig.3 Possible electrocatalytic oxidation mechanism of vanillin pre-galvanolysis under the preconditions of pre-galvanolysis parameters

在設(shè)置的預(yù)電解實(shí)驗(yàn)條件下，研究了支持電解質(zhì)的pH對(duì)香蘭素主氧化峰峰電位的影響，發(fā)現(xiàn)香蘭素氧化峰電位隨pH值增大而向負(fù)電位移動(dòng)，線性方程為：Ep(V)=0.7987-0.04577pH，R2=0.9948，該曲線斜率與標(biāo)準(zhǔn)溫度下的-2e-/1H+體系的能斯特方程斜率(0.0296)比較接近，故判斷香蘭素的主氧化峰涉及2電子和1質(zhì)子參與反應(yīng)，這個(gè)判斷也與圖3的推測(cè)機(jī)理完全相符。

2.4 定量測(cè)定香蘭素的工作曲線

圖4 不同濃度香蘭素標(biāo)準(zhǔn)溶液的示差脈沖 伏安曲線和其測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 DPV curves of vanillin standard solutions at the different concentration level and the calibration cure for quantitative analysis of vanillin

2.5 復(fù)合化學(xué)修飾電極的選擇性和穩(wěn)定性

以含20 μmol/L的香蘭素標(biāo)準(zhǔn)溶液為試樣，添加一定量干擾物質(zhì)，觀察其對(duì)香蘭素氧化峰電流值的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：以香蘭素氧化峰電流值變化的相對(duì)誤差在±5%內(nèi)為限度，加入100倍NaCl、KCl、檸檬酸鈉，80倍維生素C，50倍葡萄糖、甜蜜素等對(duì)香蘭素的氧化峰電流值的影響甚小。故該復(fù)合修飾電極對(duì)香蘭素的電催化氧化具有良好的選擇性。對(duì)同一支復(fù)合修飾電極重復(fù)掃描10次，香蘭素氧化峰電流值大小變化的相對(duì)誤差不超過±5%，說明此復(fù)合修飾電極具有良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論