鄧克勤， 令玉林， 邱喜陽， 周建紅

(理論有機化學(xué)與功能分子教育部重點實驗室，湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南湘潭 411201)

酒石黃是廣泛使用的人工合成色素之一。它主要用于食物、飲料、酸奶、冰淇淋、糖果等的著色，但由于其分子中含有偶氮官能團和芳環(huán)結(jié)構(gòu)[1]，對人體可產(chǎn)生毒性，過量食用可能會引發(fā)哮喘、過敏以及兒童多動癥[2]，因此，高靈敏的檢測、監(jiān)控檸檬黃在食品中的添加量是非常重要的。目前，酒石黃主要的檢測方法有色譜法[3]，毛細管電泳法[4]、光度法[5]和電化學(xué)方法[6 - 7]。

本方法利用電化學(xué)還原的氧化石墨烯-金納米棒復(fù)合物(ERGO-GNRs)，通過帶負電的氧化石墨烯(GO)與帶正電的金納米棒(GNRs)之間的靜電作用，獲得GNRs均勻、穩(wěn)定分散于GO的納米復(fù)合材料，再通過電化學(xué)法還原GO，制得具有高度電催化活性的納米復(fù)合物。此外，研究了該材料對酒石黃的電催化行為，并建立了對酒石黃的高靈敏的電化學(xué)檢測方法。該檢測方法性能優(yōu)良，與大多數(shù)已報道的文獻方法[8 - 9]有可比的檢測性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI 760C型電化學(xué)工作站(上海辰華公司)；JSM-5610L型掃描電子顯微鏡(SEM)(日本，JEOL公司)；KQ50E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。三電極系統(tǒng)：修飾的玻碳電極(GCE)為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極。

HAuCl4、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、AgNO3、抗壞血酸，均購于Sigma-Aldrich公司；氧化石墨烯(GO,南京先豐納米材料科技有限公司)；NaBH4、酒石黃均購自上海化學(xué)試劑公司。0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)和0.2 mol/L KCl支持電解質(zhì)溶液。其他試劑均為分析純，水為二次蒸餾水。

1.2 金納米棒(GNRs)與氧化石墨烯-金納米棒(GO-GNRs)納米復(fù)合物的制備

金納米棒按文獻方法[10]制備，步驟如下：1 mL 0.2 mol/L CTAB與1.0 mL 0.50 mmol/L HAuCl4充分混合，然后加入新制的120 μL 10 mmol/L冰浴的NaBH4溶液，攪拌2 min后，把得到的金種溶液于溫度27 ℃下靜置2 h；將0.2 mL 4 mmol/L AgNO3加入5.0 mL 1.0 mmol/L HAuCl4與5.0 mL 0.2 mol/L CTAB 的混合溶液中，室溫下緩慢攪拌，逐滴加入 1.0 mL 0.1 mol/L抗壞血酸后，加入 0.1 mL 金種溶液，緩慢攪拌2 min，于30 ℃水浴中靜置12 h，將溶液分裝于離心管中，以12 000 r/min離心分離過量的CTAB，最后將GNRs沉淀物分散于水中，待用。

將200 μL 0.5 mg/mL GO 溶液逐滴緩慢加入到1.0 mL GNRs 分散液中，室溫下緩慢攪拌10 min，即制得氧化石墨烯-金納米棒(GO-GNRs)復(fù)合物。

1.3 傳感器的制備

把玻碳電極(GCE)在金相砂紙上打磨，拋光，并依次用8 mol/L HNO3、0.2 mol/L NaOH溶液、丙酮、水各超聲洗滌5 min。在潔凈的電極表面滴加5 μL GO-GNRs溶液，于紅外燈下烘干。利用循環(huán)伏安法，在-0.1～-1.6 V電位范圍，于0.2 mol/L KCl溶液中，在掃速為10 mV/s條件下，掃描該修飾電極3圈。將還原后的電極放入0.1 mol/L PBS中，利用循環(huán)伏安法，在-0.6～+1.0 V，掃速為100 mV/s下循環(huán)掃描10圈以穩(wěn)定電極，即制得電還原的氧化石墨烯-金納米棒修飾電極(ERGO-GNRs/GCE)。此外，為了比較電極的性能，氧化石墨烯修飾電極(GO/GCE)、氧化石墨烯-金納米棒修飾電極(GO-GNRs/GCE)、電還原氧化石墨烯修飾電極(ERGO/GCE)以相似的方法制得。

2 結(jié)果與討論

2.1 GO-GNRs納米復(fù)合物的表征

圖1為GO-GNRs納米復(fù)合物的掃描電子顯微(SEM)圖。由圖可見，制備的GNRs呈現(xiàn)均一的大小與形狀，能均勻且穩(wěn)定的分散在GO中，未發(fā)生團聚現(xiàn)象。這是由于負電的GO 與正電的GNRs之間有靜電作用，阻止了GNRs之間的自聚集。

2.2 GO-GNRs復(fù)合物的電化學(xué)還原

利用循環(huán)伏安法，在0.2 mol/L KCl溶液中，于掃速10 mV/s的條件下，可實現(xiàn)GO 的電化學(xué)還原[11]。圖2為GO(a)和GO-GNRs(b)修飾電極在循環(huán)掃描第一圈的伏安圖。由圖可見，在GO還原過程中，有一個大的還原峰出現(xiàn)在-1.37 V，在-1.44 V處出現(xiàn)一肩峰，這是由于GO表面不同的含氧基團還原所致[12]，在循環(huán)掃描第二圈時，該還原峰消失，這與文獻報道[11 - 13]的現(xiàn)象一致。對于GO-GNRs，在相同的實驗條件下，其第一圈掃描圖中也出現(xiàn)一大的還原峰，峰電位為-1.25 V，與GO相比，GO-GNRs還原峰電位正向移動了120 mV。此外，GO-GNRs的峰電流比GO的高，這表明與GNRs復(fù)合后對GO 的電化學(xué)還原是有利的。這是由于GO的電導(dǎo)率低，而GNRs能在GO中充當(dāng)導(dǎo)線，可提高GO的導(dǎo)電性并能加速電子傳遞，因此，雜化了 GNRs的GO比純的GO能更易電化學(xué)還原，這也證明GO-GNRs復(fù)合物被成功制備。

圖1 GO-GNRs的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM image of GO-GNRs

圖2 GO(a)與GO-GNRs(b)電化學(xué)還原的循環(huán)伏安(CV)圖Fig.2 CVs for electrochemical reduction of GO(a) and GO-GNRs(b)

2.3 酒石黃在修飾電極上的電化學(xué)行為

圖3為酒石黃在不同電極上的循環(huán)伏安圖。在GCE上(曲線a)，于+0.92 V處出現(xiàn)一不可逆的氧化峰。在GO/GCE上(曲線b)，酒石黃氧化峰電流有所提高，表明GO對提高酒石黃的電化學(xué)行為是有效的。對于GO-GNRs/GCE，有一更強的氧化峰出現(xiàn)(曲線c)，這表明GO-GNRs對酒石黃具有更有利的電催化作用。GO-GNRs被電化學(xué)還原后，該氧化峰峰電流極大提高(曲線e)，其峰電流分別為GCE、GO/GCE和GO-GNRs/GCE的21.4、17.3和9.6倍，這充分表明ERGO-GNRs能很好的加快電子傳遞。此外，酒石黃雖然在ERGO/GCE上也表現(xiàn)出一定的電催化(曲線d)，但與ERGO-GNRs/GCE相比，其效果要差得多。而且ERGO/GCE具有較高的電容電流，雜化GNRs能降低電容電流，這對提高酒石黃的檢測限是有利的。

在GO-AuNRs/GCE上，研究了掃速對酒石黃氧化電流的影響(圖4)。在濃度為2 μmol/L的溶液中，于0.3～1.1 V的電位范圍，以不同的掃速進行實驗，結(jié)果顯示，酒石黃的氧化峰電流隨著掃速的增加而升高，在10～200 mV/s范圍，峰電流與掃速成正比，其回歸方程為:i(μA)=0.9824+0.1077v(mV/s)，相關(guān)系數(shù)為0.9980(插圖)，這說明酒石黃在該電極表面的作用為吸附控制。

圖3 GCE(a)、GO/GCE(b)、GO-GNRs/GCE(c)、ERGO/GCE(d)和ERGO-GNRs/GCE(e)在5 μmol/L 酒石黃溶液中的循環(huán)伏安(CV)圖Fig.3 CVs of GCE(a),GO/GCE(b),GO-GNRs/GCE(c),ERGO/GCE(d) and ERGO-GNRs/GCE(e) in 5 μmol/L tartrazine solution

圖4 ERGO-GNRs/GCE在2 μmol/L酒石黃溶液中于不同掃速下的循環(huán)伏安(CV)圖和氧化峰電流與掃速的關(guān)系(插圖)Fig.4 CVs of ERGO-GNRs/GCE in 2 μmol/L tartrazine solution under different scan rates(a-g:10,20,40,60,100,150,200 mV/s) and the relationship between anodic peak current and scan rate(the inset)

2.4 實驗條件的優(yōu)化

圖5 ERGO-GNRs/GCE在不同濃度的酒石黃溶液中的差分脈沖伏安(DPV)圖和校正曲線(插圖)Fig.5 DPVs of the ERGO-GNRs/GCE in the presence of different concentration of tartrazine solution(a-k:0.05,0.3,0.5,0.8,1.0,1.3,1.8,2.4,3.0,4.2,6.0 μmol/L) and the calibrated curve(the inset)

pH值對酒石黃的氧化有影響。在pH=9.0～3.0范圍，酒石黃的氧化峰電流先隨pH的降低而增加，最大峰電流在pH=5.0，繼續(xù)降低pH對氧化峰電流影響不明顯，為了獲得較低的檢測電位與較高的電流響應(yīng)，本實驗所選pH為6.0。富集時間影響酒石黃的檢測。實驗發(fā)現(xiàn)，在前200 s內(nèi)，峰電流隨富集時間的增加而迅速升高，在240 s后達到最大的電流響應(yīng)。因此，本實驗選擇的富集時間為240 s。

2.5 ERGO-GNRs/GCE的性能

利用ERGO-GNRs/GCE，采用差分脈沖(DPV)法對酒石黃進行測定。實驗發(fā)現(xiàn)，酒石黃的氧化峰電流隨其濃度的增加而升高(圖5)，在0.05～6.0 μmol/L濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.9980(插圖)，其回歸方程為：i(μA)=0.0106+0.4955c(μmol/L)，檢出限是15 nmol/L。

同批次6個修飾電極測定4 μmol/L的酒石黃，或同一修飾電極對酒石黃進行6次平行測定，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8.2%和4.5%。表明該電極有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

實驗還測定了兩種橙汁樣品的酒石黃含量(表1)，并分別向上述樣品中加入0.5、2.0、4.0 μmol/L的酒石黃標(biāo)準(zhǔn)溶液，進行加標(biāo)回收實驗，其回收率在91.2%～108.7%之間，平均回收率為98.6%，說明本方法能滿足常規(guī)分析要求。

表1 酒石黃在ERGO-GNRs/GCE上的回收率測定

3 結(jié)論

本文采用電化學(xué)法制得電化學(xué)還原的氧化石墨烯-金納米棒復(fù)合物修飾電極，該電極對酒石黃有很好的電催化氧化，利用差分脈沖伏安法，可實現(xiàn)對酒石黃的高靈敏測定。