羅濟(jì)文，陳憲明，韋慶敏，龐 起，姚燕春

(玉林師范學(xué)院化學(xué)與生物系，廣西 玉林 537000)

番紅花紅O修飾鉛筆芯電極測(cè)定水果酸度

羅濟(jì)文，陳憲明，韋慶敏，龐 起，姚燕春

(玉林師范學(xué)院化學(xué)與生物系，廣西 玉林 537000)

在含番紅花紅O的磷酸鹽緩沖溶液(phosphate buffered salines，PBS)中，采用循環(huán)伏安法在預(yù)處理過(guò)的鉛筆芯電極表面生成聚番紅花紅O薄膜，考察溶液的pH值、掃描電位范圍對(duì)修飾過(guò)程的影響。在-1.0～0.0V (vs SCE)的掃描電位范圍和酸性介質(zhì)中形成的薄膜，在空白PBS中具有較高電活性和穩(wěn)定性，并且在pH1.5～7.5之間，陽(yáng)極伏安峰電位與pH值有良好的線(xiàn)性關(guān)系。利用這種關(guān)系測(cè)定橙子和西紅柿活體及果汁的酸度取得滿(mǎn)意結(jié)果。

番紅花紅O；鉛筆芯；水果；酸度測(cè)定

溶液酸度的測(cè)定在生活、生產(chǎn)和科研上都非常重要，對(duì)酸度測(cè)定方法的研究較多[1]。目前，已經(jīng)發(fā)展了各種pH傳感器，其中主要有光學(xué)傳感器[2-5]和電傳感器[6-8]。水果酸度的測(cè)定方法通常用滴定法[9-11]、電位法及比色法等。滴定法是經(jīng)典方法，準(zhǔn)確度高，但操作繁瑣，而且受諸多條件限制[11]。電位法通常以玻璃電極為指示電極用pH計(jì)測(cè)定，由于玻璃電極的尺寸大且易破碎，特別是當(dāng)溶液成分較復(fù)雜時(shí)往往誤差大，以對(duì)樣品進(jìn)行直接活體分析。比色法最簡(jiǎn)單的是用pH試紙直接測(cè)定，但測(cè)量不夠精確、誤差大。導(dǎo)電聚合物具有良好的導(dǎo)電性能，可作為分子導(dǎo)線(xiàn)在生物活性物質(zhì)與電極間直接傳遞電子，是構(gòu)建生物傳感器的一種新材料。其中染料導(dǎo)電聚合膜修飾電極穩(wěn)定性好、催化性能高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而顯示出良好的應(yīng)用前景[12]。本實(shí)驗(yàn)利用普通鉛筆芯為基體電極(pencil grap hite electrode，PGE)，選用電活性很強(qiáng)的聚番紅花紅O[13-14]為修飾材料，制得聚合物薄膜修飾電極(polysukfone/ pencil graphite electrode，PSO/PGE)。該修飾電極有很好的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性，伏安掃描時(shí)，在pH1.5～7.5的磷酸鹽和氯化鉀混合溶液中，峰電位與pH值間有很好的線(xiàn)性關(guān)系。用于測(cè)定水果活體和果汁的酸度取得滿(mǎn)意結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

橙子和西紅柿試樣為玉林本地產(chǎn)品；番紅花紅O上?；瘜W(xué)試劑公司；其他試劑均為分析純；所有溶液都用二次蒸餾水配制。

LK98C電化學(xué)分析系統(tǒng) 天津市蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司；三電極系統(tǒng)：工作電極為HB鉛筆芯電極(ASL 36101、φ＝0.5mm) 上海中韓晨光文具制造有限公司，對(duì)電極為鉑絲電極，飽和甘汞電極(saturated calomel electrode，SCE)為參比電極，所有電位數(shù)據(jù)均以SCE為基準(zhǔn)；pHS-3C精密pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 聚番紅花紅O修飾鉛筆芯電極(PSO/PGE)電極的制備

將鉛筆芯電極用蒸餾水沖洗并依次用8mol/L HNO3、丙酮、二次蒸餾水，各超聲清洗5min后置于pH2.20、0.10mol/L磷酸鹽緩沖溶液中于-1.5～＋2.0V(vs. SCE)范圍內(nèi)以100mV/s掃描20圈，使電極活化。然后將電極置于含1.33×10-3mol/L番紅花紅O的PBS(0.1mol/L，pH6.01)，于-1.0～0.0V(vs. SCE)的電位范圍內(nèi)，以100mV/s的掃描速度進(jìn)行循環(huán)伏安掃描30圈后，將電極取出用蒸餾水經(jīng)反復(fù)沖洗并浸泡即得聚番紅花紅O修飾鉛筆芯電極。

2 結(jié)果與分析

2.1 番紅花紅O在電極表面聚合的過(guò)程

已經(jīng)活化處理的鉛筆芯電極在含番紅花紅O的PBS (pH6.01)中掃描結(jié)果如圖1。循環(huán)伏安圖有一對(duì)氧化還原峰ⅠA和ⅠB，氧化峰電位為：Epa＝-0.376V，還原峰電位Epc＝-0.512V。另外在稍高電位處，還有一對(duì)較小的峰ⅡA和ⅡB。隨掃描次數(shù)增加，峰不斷長(zhǎng)高，說(shuō)明在電極表面具有電活性的物質(zhì)的量隨掃描次數(shù)增加而增多，即番紅花紅O聚集在電極表面的量不斷增加。

圖1 在含番紅花紅O的PBS溶液中電聚合的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of PGE in PBS (0.1 mol/L, pH 6.01) containing 0.13×10-3mol/L SO

圖2 SO/PGE在pH7.01的PBS空白溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of SO/ PGE in PBS (pH 7.01)

將此電極用蒸餾水經(jīng)反復(fù)沖洗并浸泡30min后于pH7.01的PBS中作循環(huán)伏安掃描時(shí)，氧化還原峰型基本不變, 只峰電位負(fù)移，Epc約為-0.84V，如圖2所示。由圖2還可以看出掃描時(shí)峰稍有減小，但經(jīng)30圈后曲線(xiàn)基本不變，說(shuō)明此電聚合物膜修飾電極有很好的穩(wěn)定性。與本實(shí)驗(yàn)制作的聚亞甲藍(lán)修飾鉛筆芯電極[15]相比，在同樣條件下，番紅花紅O修飾電極的峰電位更負(fù)，峰更加尖銳，顯示了更高的電化學(xué)活性。

2.2 聚番紅花紅O膜修飾鉛筆芯電極對(duì)溶液pH值的響應(yīng)

配制pH1.53～8.49的12種含有0.1mol/L 氯化鉀的磷酸鹽緩沖溶液，對(duì)新制備的PSO/PLE電極進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)定，結(jié)果如圖3A，隨溶液的pH值升高氧化還原峰電位負(fù)移。將伏安曲線(xiàn)中氧化峰電位Epa與相應(yīng)溶液pH值作圖，所得曲線(xiàn)如圖5B，線(xiàn)性回歸方程Y＝-0.03078-0.06703X ，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R＝0.99792。直線(xiàn)的斜率為-67mV/pH。

圖3 SO/PGE電極在不同pH值的PBS(0.1mol/L)+KCl(0.1mol/L)混合溶液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)Fig.3 Cyclic voltammograms of SO/ PGE in PBS (0.1 mol/L) and KCl (0.1 mol/L) with different acidity

2.3 氧化峰電位與pH值的關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 Epa-pH曲線(xiàn)Fig.4 Linear dependence of Epaon pH

由圖4可知，氧化峰電位Epa-pH曲線(xiàn)在pH1.5～7.5之間呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性方程為：Y＝-0.03078-0.06703X，R＝0.99792。直線(xiàn)斜率為67mV/pH，接近于Nearnstain響應(yīng)理論值59mV/pH。測(cè)定試樣酸度時(shí)以此曲線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

2.4 試樣酸度測(cè)定

2.4.1 水果酸度的直接測(cè)定

分別在橙子和西紅柿上適當(dāng)?shù)南噜徫恢糜眯〔ＡО舸涕_(kāi)3個(gè)小口，使3個(gè)小孔的汁液可以相通，然后將3個(gè)電極直接置于孔中，固定后進(jìn)行掃描測(cè)定。掃描的前3圈結(jié)果如圖5所示。

圖5 PSO/PGE在橙子活體(A)和西紅柿活體(B)中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)的前3圈(vs. SCE)Fig.5 First 3 cycles of cyclic voltammetry of PSO/PGE in orange (A) and tomato (B)

圖5 顯示，從第2圈起，峰的形狀基本穩(wěn)定，第2圈和第3圈幾乎重合。橙子和西紅柿的Epa分別為-0.282V和-0.243V，由圖4查出對(duì)應(yīng)的pH值分別為3.35和2.92。

2.4.2 果汁酸度測(cè)定和重現(xiàn)性

橙子用小刀在果上部開(kāi)口，盡量把果汁擠到50mL燒杯中。西紅柿去皮后在50mL燒杯中用玻棒充分?jǐn)嚢璩珊隣?。分別將新制備的PSO/PGE和其他兩個(gè)電極插入以上溶液進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，并重新制備電極測(cè)定，再測(cè)定兩次，3次測(cè)定的第3圈的循環(huán)伏安曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 PSO/PGE在橙子汁(A)和西紅柿汁(B)中平行測(cè)定3次的循環(huán)伏安曲線(xiàn)的第3圈Fig.6 The 3rdcyclic voltammograms of SO/PGE in orange (A) and tomato (B) in 3 replicate determinations

結(jié)果表明，雖然平行3次測(cè)定峰電流大小有較大差別，但其氧化峰電位變化很小。這也說(shuō)明橙汁H+對(duì)修飾電極有良好的響應(yīng)和重現(xiàn)性。盡管在果汁中存在很多具有氧化還原性的物質(zhì)如某些金屬離子和VC等有機(jī)物，但它們的量在電極表面與番紅花紅的量相比是很小的，不足以對(duì)其氧化還原電位產(chǎn)生明顯的影響。

圖6A中3次掃描的氧化峰電位Epa分別為-0.298、-0.302V和-0.303V；平均值為-0.301V，對(duì)應(yīng)的pH值為3.91。圖6B中3次掃描的氧化峰電位Epa分別為-0.247、-0.248V和-0.240V；平均值為-0.0245V、在圖3B曲線(xiàn)查得相應(yīng)的pH值為3.02。

隨后用pH計(jì)測(cè)定同一橙汁，測(cè)得值為4.03；用精密pH試紙測(cè)定，測(cè)得pH值為3.7～4.0。用pH計(jì)測(cè)定同一西紅柿汁，測(cè)定值為3.15，用精密pH試紙測(cè)得2.8～3.1。所得結(jié)果相當(dāng)接近。

2.4.3 電極的再生

由于果蔬中成分復(fù)雜，每次掃描測(cè)定后電極會(huì)受到反應(yīng)物和產(chǎn)物的污染，對(duì)修飾電極的pH值響應(yīng)有所影響。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將測(cè)定后的電極置于pH5左右的磷酸鹽中經(jīng)掃描5圈后峰電位穩(wěn)定，再用于測(cè)定所得數(shù)值與首次測(cè)定的電位很接近，試驗(yàn)采用此方法對(duì)電極進(jìn)行再生處理。

3 結(jié) 論

以普通HB鉛筆芯為基體電極，經(jīng)清洗處理和活化后，用循環(huán)伏安法制得聚番紅花紅O聚合物薄膜修飾電極。該修飾電極有很好的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性。循環(huán)伏安曲線(xiàn)有一對(duì)可逆性較好的氧化還原峰，在pH1.5～7.5的磷酸鹽和氯化鉀混合溶液中，陽(yáng)極峰電位與pH值間有很好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R為0.99792，直線(xiàn)的斜率為67mV/pH。利用峰電位法與pH值間的線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)定了橙子和西紅柿果實(shí)及果汁的酸度，結(jié)果和pH酸度計(jì)法及精密pH試紙法比較，結(jié)果很接近。番紅花紅O修飾鉛筆芯電極材料便宜，制作簡(jiǎn)便，且電極尺寸小，方便進(jìn)行活體分析，是一種很有應(yīng)用價(jià)值的pH電化學(xué)傳感器。

[1]MIAO Yuqing, CHEN Jianrong, FANG Keming. New technology for the detection of pH[J]. J Biochem Biophys Methods, 2005, 63(1)∶ 1-9.

[2]DONG Saying, LUO Ming, PENG Gangding, et al, Broad range pH sensor based on sol-gel entrapped indicators on fibre optic[J]. Sensors and Actuators B∶ Chemical, 2008, 129(1)∶ 94-98.

[3]STANEVA D, BETCHEVA R. Synthesis and functional properties of new optical pH sensor based on benzo[de]anthracen-7-one immobilized on the viscose[J]. Dyes and Pigments, 2007, 74(1)∶ 148-153.

[4]WENCEL D, MACCRAITH B D, MCDONAGH C. High performance optical ratiometric sol-gel-based pH sensor[J]. Sensors and Actuators B, 2009, 139(1)∶ 208-213.

[5]CAPEL-CUEVAS S, CULLAR M P, De ORBE-PAY I, et al. Fullrange optical pH sensor based on imaging techniques[J]. Analytica Chimica Acta, 2010, 681(1)∶71-81.

[6]VIJAYAKUMAR M, NGHI PHAM Q, BOHNKE C. Lithium lanthanum titanate ceramic as sensitive material for pH sensor∶ influence of synthesis methods and powder grains size[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2005, 25 (12)∶ 2973-2976.

[7]CARQUIGNY S, SEGUT O, LAKARD B, et al. Effect of electrolyte solvent on the morphology of polypyrrole films∶ Application to the use of polypyrrole in pH sensors[J]. Synthetic Metals, 2008, 158(3)∶ 453-456.

[8]JANGM A, ZOUM Z, LEE K K, et al. Potentiometric and voltammetric polymer lab chip sensors for determination of nitrate, pH and Cd(Ⅱ) in water[J]. Talanta, 2010, 83 (1)∶1-8.

[9]羅盛旭, 吳良, 梁振益, 等. 自動(dòng)電位滴定法測(cè)定果汁的總酸及果汁酸度的變化規(guī)律[J]. 化學(xué)分析計(jì)量, 2007, 16(5)∶ 52-56.

[10]李艷霞, 謝東坡, 任凱. 自動(dòng)電位滴定法在果蔬汁飲料總酸度測(cè)定中的應(yīng)用[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(36)∶ 18155-18156.

[11]高向陽(yáng), 張平安, 劉恬, 等. 超聲波-中性甲醛浸提-固定pH法快速測(cè)定水果中的總酸度[J]. 食品科學(xué), 2008, 29(4)∶ 341-343.

[12]董紹俊, 車(chē)廣禮, 謝遠(yuǎn)武. 化學(xué)修飾電極[M]. 北京∶ 科學(xué)出版社, 2003∶149-203.

[13]GOMEZ M L, PREVITALI C M, MONTEJANO H A. Phenylonium salts as third component of the photoinitiator system safranine O triethanolamine∶ a comparative study in aqueous media[J]. Polymer, 2007, 48(7)∶ 2355-2361.

[14]ABDESSAMAD N, ADHOUM N. Spontaneous adsorption and electrochemical behaviour of safranineO at electrochemically activated glassycarbon electrode[J]. Materials Chemistry and Physics, 2009, 116 (3)∶ 557-562.

[15]陳憲明, 羅濟(jì)文, 陳淵, 等. 亞甲藍(lán)修飾鉛筆芯電極掃描峰電位法測(cè)定果蔬酸度[J]. 理化檢驗(yàn)∶ 化學(xué)分冊(cè), 2010, 46(7)∶ 720-723.

Safranine O Modified Pencil Graphite Electrode and Its Application for Determination of Fruit Acidity

LUO Ji-wen，CHEN Xian-ming，WEI Qing-min，PANG Qi，YAO Yan-chun
(Department of Chemistry and Biology, Yulin Normal University, Yulin 537000, China)

A safranine O (SO) polymer film was formed by cyclic voltammetry on the surface of a pretreated pencil electrode (PGE) in SO-containing phosphate buffered saline (PBS). The effects of buffer pH and potential scan range on the modification process were investigated. The polymer film formed in an acidic solution (pH 6.01) and a potential scan range between-1.0 V and 0.0 V (vs SCE) showed high electrochemical activity and good stability in blank PBS solutions, and a good linearity between the voltammetric peak potential and the buffer pH was obtained in the pH range of 1.5-7.5. This modified electrode could be used for determining the acidity of oranges, tomatoes and juice with satisfying results.

safranine O；pencil graphite；fruit；acidity determination

O657.1；TS207.3

A

1002-6630(2011)16-0209-04

2010-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目(20863008)；廣西教育廳科研基金資助項(xiàng)目(200708LX164)

羅濟(jì)文(1949—)，男，教授，學(xué)士，研究方向?yàn)樯镫姺治?。E-mail：jwluo37@sohu.com