王 艇， 朱振中，閔 欣， 趙 敏

(江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

油脂是維持人類生命的重要能源之一,是構(gòu)成人體組織的一種重要組成成分。油脂的自氧化過(guò)程非常復(fù)雜，其變化歷程主要分為誘導(dǎo)期、發(fā)展期、終止期三個(gè)部分[1]。誘導(dǎo)期是一個(gè)緩慢的過(guò)程，其中油脂發(fā)生氧化產(chǎn)生過(guò)氧化物，接下來(lái)的發(fā)展期過(guò)氧化物分解產(chǎn)生醛、酮等游離小分子物質(zhì)。油脂自動(dòng)氧化由誘導(dǎo)期到發(fā)展期之間的時(shí)間(氧化誘導(dǎo)時(shí)間)與油脂的抗氧化能力，即油脂的氧化穩(wěn)定性密切相關(guān)[2]。因此，可以通過(guò)測(cè)量油脂的氧化誘導(dǎo)時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)油脂的氧化穩(wěn)定性。

目前，評(píng)價(jià)油脂氧化穩(wěn)定性的方法主要有OSI法[3]、電位滴定法[4]、AOM法[5]和電導(dǎo)率法[6]等。這些方法各有其特點(diǎn)，但由于油脂氧化反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜性，如油脂氧化過(guò)程中產(chǎn)生的小分子或易揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)隨熱空氣揮發(fā)，使得測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和靈敏度受到影響。交流阻抗(EIS)法能較準(zhǔn)確地測(cè)量油脂氧化過(guò)程中的過(guò)氧化值(POV)[7]，但油脂的導(dǎo)電性較差，而油脂氧化過(guò)程所引起的阻抗變化相對(duì)較小，用裸玻碳電極(GCE)進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)，靈敏度較低，實(shí)驗(yàn)誤差較大。所以有必要對(duì)GCE進(jìn)行修飾以使能較準(zhǔn)確、靈敏地測(cè)量油脂的阻抗。

石墨烯(GR)是一種由單層碳原子緊密堆積成的六方蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的晶體[8]，它具有許多優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，如比表面積大、導(dǎo)電性能好、優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能、易于修飾及可大規(guī)模生產(chǎn)等[9,10]。石墨烯還具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，如電荷傳遞電阻小、電催化活性高和電化學(xué)窗口寬等。所以，石墨烯是一種優(yōu)異的電極修飾材料，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、食品、生物等領(lǐng)域的電活性分子的快速檢測(cè)[11 - 13]。本文制備了電沉積-還原氧化石墨烯修飾玻碳電極(rGO/GCE)，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。由于rGO/GCE可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量油脂樣品(杏仁油)在氧化過(guò)程中阻抗值及其變化，據(jù)此建立了一種簡(jiǎn)便、靈敏和準(zhǔn)確地測(cè)量油脂氧化誘導(dǎo)時(shí)間的電化學(xué)分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI660D型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)；KQ218型超聲波清洗器(昆山超聲儀器廠)；AR1530型電子天平(上海奧豪斯儀器公司)。

氧化石墨烯(GO)采用Hummers法，由天然鱗片石墨合成[14]。0.5%殼聚糖(CS)溶液：準(zhǔn)確稱取0.500 g殼聚糖，溶解在100 mL的pH=4.0的HAc緩沖溶液中，在室溫下超聲1 h后待用。K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、FeCl2、KSCN、無(wú)水乙醇、甲醇、三氯甲烷、LiCl，均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

杏仁油(上海家化聯(lián)合股份有限公司)。

1.2 修飾電極的制備

將裸GCE依次用0.3、0.05 μm Al2O3粉末在鹿皮上打磨、拋光后，依次用無(wú)水乙醇和超純水各超聲5 min，每次超聲后用超純水沖洗，室溫下晾干，備用。

1.2.1石墨烯-殼聚糖修飾電極(GR-CS/GCE) 取1 mg石墨烯(GR)分散于1 mL DMF中，再加入0.25 mL的0.5%殼聚糖溶液，超聲分散30 min，得穩(wěn)定的黑色懸浮液。取10 μL懸浮液滴涂于拋光過(guò)的GCE表面，室溫晾干，即得GR-CS/GCE。

1.2.2電沉積法制備rGO/GCE將處理好的GCE置于1.0 g/L GO+0.05 mol/L的NaCl溶液中，通N2除氧。以飽和甘汞電極為參比電極，鉑片電極為對(duì)電極，采用循環(huán)伏安法，以20 mV/s的掃速在-1.5～0.5 V電位范圍內(nèi)掃描30圈，沖洗、室溫晾干后，即得rGO/GCE。

1.3 油脂交流阻抗的測(cè)量

采用三電極體系：以rGO/GCE(或GCE、GR-CS/GCE)為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑片電極為輔助電極。稱取0.20 g的油樣于電解池中，加入25 mL 1.0×10-3mol/L LiCl-(乙醇∶三氯甲烷=20∶3)支持電解質(zhì)，攪拌溶解后插入三電極體系，調(diào)節(jié)擾動(dòng)電壓為5 mV，在5 Hz～600 kHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)量體系的交流阻抗(EIS)譜。

1.4 油脂過(guò)氧化值的測(cè)定

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5009.37-2003)[15]進(jìn)行測(cè)定。

圖1 不同電極在5.0×10-3 mol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液(含0.1 mol/L KCl)中的交流阻抗圖(A)和循環(huán)伏安圖(B)

1.5 誘導(dǎo)時(shí)間的計(jì)算

誘導(dǎo)時(shí)間用雙切線法確定，即分別對(duì)POV-時(shí)間曲線和阻抗-時(shí)間曲線作雙切線，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為油脂的氧化誘導(dǎo)時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的電化學(xué)表征

電化學(xué)中常采用EIS譜來(lái)表征電極表面的電子轉(zhuǎn)移阻力。圖1為GCE、GR-CS/GCE和rGO/GCE在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的EIS譜和循環(huán)伏安(CV)圖。從圖1A可知三個(gè)電極的導(dǎo)電性為GCE

2.2 rGO/GCE修飾條件的選擇

2.2.1GO懸浮液濃度的影響采用不同濃度的GO懸浮液，用循環(huán)伏安還原法電沉積還原的rGO/GCE對(duì)杏仁油阻抗進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，懸浮液濃度從0.25 g/L增加至1.0 g/L的過(guò)程中，體系的阻抗值明顯降低；當(dāng)懸浮液的濃度繼續(xù)增加到1.5 g/L和2.0 g/L時(shí)，由于電極修飾膜厚度的增加，不利于電子轉(zhuǎn)移，阻抗值反而增大。本實(shí)驗(yàn)選用濃度為1.0 g/L的修飾液進(jìn)行阻抗的測(cè)量。

2.2.2電沉積圈數(shù)的選擇固定沉積液的氧化石墨烯濃度、電位掃描范圍和掃描速率，考察了電沉積圈數(shù)對(duì)油脂阻抗值得影響。結(jié)果表明，當(dāng)沉積30圈時(shí)修飾電極測(cè)量油脂得阻抗值最小。故本實(shí)驗(yàn)選擇電沉積圈數(shù)為30圈。

2.2.3掃描速度的影響在其他條件相同的情況下，隨著掃描速度的增加，氧化峰電流和還原峰電流明顯增加，且峰電流與掃描速度呈正比。但當(dāng)掃描速度過(guò)大時(shí)，充電電流過(guò)大，使得峰形不穩(wěn)定。所以選擇最佳掃描掃描速度為20 mV/s。

2.3 油脂阻抗測(cè)量條件的優(yōu)化

圖2 不同電極測(cè)量杏仁油的交流阻抗圖

2.3.1不同修飾電極的影響電化學(xué)中常采用EIS譜來(lái)表征電極表面的阻力變化，并通過(guò)適當(dāng)?shù)牡刃щ娐非蟪龈鲄?shù)。本文采用圖2插圖中的等效電路RS(Q(RctZw))，其中，RS為溶液阻抗；Rct為電子轉(zhuǎn)移阻抗；半圓容抗弧Q為常相位角原件；Zw為Warburg阻抗。

圖2為GCE、GR-CS/GCE和rGO/GCE測(cè)量杏仁油的阻抗圖譜。從圖中可見(jiàn)，半圓容抗弧的直徑GCE>GR-CS/GCE>rGO/GCE,即rGO/GCE的電子轉(zhuǎn)移阻抗最小，這進(jìn)一步說(shuō)明了rGO膜具有較好的導(dǎo)電性。所以選擇rGO/GCE進(jìn)行油脂阻抗的測(cè)量。

2.3.2GCE直徑的影響分別用rGO/GCE測(cè)量杏仁油的阻抗值，發(fā)現(xiàn)GCE的直徑越大，測(cè)出的阻抗值越小。rGO修飾膜對(duì)杏仁油中的氫過(guò)氧化物有明顯的催化作用，使氫過(guò)氧化物中的醛、酮等小分子在修飾電極上的電子傳遞速率更快。而膜的有效表面積越大，修飾電極的活性越大，電化學(xué)信號(hào)越靈敏。所以選擇直徑為5 mm的GCE進(jìn)行油脂阻抗的測(cè)量。

2.3.3溶劑的選擇對(duì)不同的有機(jī)溶劑進(jìn)行油脂溶解和阻抗測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，選擇乙醇∶三氯甲烷=20∶3(V/V)作為溶劑時(shí)能完全溶解油脂。本實(shí)驗(yàn)選擇乙醇和三氯甲烷的混合溶液為溶解油脂的溶劑。

2.3.4油脂取樣量的影響分別稱取油脂樣品0.10、0.20、0.50和1.00 g，溶解于支持電解質(zhì)中并測(cè)量其阻抗譜，發(fā)現(xiàn)隨著油脂含量的增大，體系的阻抗值也越來(lái)越大。由于油脂本身的導(dǎo)電性較差，且油脂氧化過(guò)程所引起阻抗變化的絕對(duì)值較小，若體系的阻抗值太大，則測(cè)量結(jié)果的靈敏度就會(huì)降低；若體系的阻抗值太小，阻抗圖譜的穩(wěn)定性或重現(xiàn)性受到影響，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度難以得到保證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油脂取樣量為0.20 g時(shí)，能較好地滿足測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度的要求。

2.3.5測(cè)量頻率的選擇交流阻抗譜是一種頻率域的測(cè)量方法，測(cè)量頻率范圍很寬，所以選擇合適的測(cè)量頻率對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量很重要。在頻率分別為5 Hz～100 kHz、5 Hz～300 kHz、5 Hz～600 kHz和5 Hz～900 kHz范圍內(nèi)測(cè)量油脂阻抗時(shí)，根據(jù)阻抗圖譜的穩(wěn)定性、靈敏性以及規(guī)則性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率范圍為5 Hz～600 kHz時(shí)，所記錄阻抗譜清晰、穩(wěn)定。

2.4 油脂阻抗和過(guò)氧化值隨時(shí)間的關(guān)系

取適量的杏仁油于70 ℃水浴條件下加熱，每隔一定時(shí)間，準(zhǔn)確稱取0.20 g油樣測(cè)量其阻抗值(圖3A),并同步測(cè)量其過(guò)氧化值(圖3B)。如圖3A中所示，油脂加速氧化過(guò)程中阻抗隨時(shí)間的增加而減小，這是由于油脂氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極性的醛、酮等小分子，這些小分子物質(zhì)會(huì)使油的介電常數(shù)增加，進(jìn)而引起傳感器電容的增加，電容值的增加導(dǎo)致體系阻抗值的減小[17]。加速氧化過(guò)程剛開(kāi)始時(shí)，隨著油脂中過(guò)氧化物的增多，油脂的POV緩慢增加，而阻抗緩慢減小，此段時(shí)間為油脂在該溫度條件下的誘導(dǎo)期。隨后POV快速增大，同時(shí)，阻抗下降速率也加快。

通過(guò)圖3B中的阻抗(Z′)-t曲線和POV-t曲線，可分別求得杏仁油在70 ℃水浴下的誘導(dǎo)時(shí)間為2.54 h和2.58 h。由POV-t曲線求得的誘導(dǎo)時(shí)間與由阻抗-t曲線求得的誘導(dǎo)時(shí)間幾乎相同，說(shuō)明交流阻抗法可以較快捷、靈敏和準(zhǔn)確地得到油脂的氧化誘導(dǎo)時(shí)間。

圖3 杏仁油的阻抗值(A)和過(guò)氧化值(B)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文采用循環(huán)伏安法電沉積還原制備rGO/GCE修飾電極，并研究了隨著油脂樣品的氧化在該修飾電極上交流阻抗的變化。結(jié)果表明，rGO/GCE修飾電極能夠準(zhǔn)確靈敏地通過(guò)EIS法測(cè)量杏仁油氧化過(guò)程中所引起的阻抗值的變化，由阻抗-時(shí)間曲線求得的誘導(dǎo)時(shí)間與POV-時(shí)間曲線所求得的誘導(dǎo)時(shí)間幾乎相同。該方法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法相比，電化學(xué)阻抗法是一種更為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)的方法。