石墨烯量子點功能化多壁碳納米管構建日落黃和酒食黃同時檢測的電化學傳感器

徐利斌， 尹爭志， 曾延波， 李 蕾*,

(1.常州大學石油化工學院食品學院，江蘇常州 213016；2.嘉興學院生物與化學工程學院，浙江嘉興 314001)

人工合成色素被廣泛用作食品添加劑，但其對生命體存在潛在威脅。世界衛生組織和國際糧農組織對每一種色素的使用量做了明確的規定[1]，我國也制定了相應的嚴格規定[2]。日落黃(SY)和酒食黃(TZ)是兩種典型色素，被用于飲料、酒水、糖果等食物[3,4]，但過量食用會對人體造成嚴重危害[5]，TZ更會影響到神經系統[6]。但SY和TZ具有價格低廉的絕對優勢，依然被過量添加使用。因此，準確、快捷、靈敏檢測SY和TZ對保障人們的生命安全至關重要。SY和TZ長期共存且含量低，給檢測帶來一定的難度。在已有的檢測方法[7,8]中，電化學方法由于其簡便、靈敏、成本低等優勢而備受關注[9 - 13]，而發展制備可以同時檢測SY和TZ的電化學傳感器，具有潛在的應用價值。

碳納米管(CNTs)具備獨特的物理、化學、機械性能，用作電極材料時可以加快電子傳遞速率、提高檢測靈敏度[14]。杜學萍等[15]利用電聚合方法制備了聚次甲基藍/多壁碳納米管修飾玻碳電極,該電極測定葉酸時檢測限達1.6×10-6mol·L-1。石墨烯量子點(GQDs)的熒光性能得到廣泛地研究，但其電化學性能的研究較少，因此，研究GQDs與CNTs的復合物及其電化學性能，具有十分重要的意義。本實驗以陽離子型高分子聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)為中介，將GQDs吸附到多壁碳納米管(MWNTs)表面，制得GQDs功能化的MWNTs(GQDs-MWNTs)。該復合物修飾玻碳電極(GCE)后，表現了良好的導電性能，以及對SY和TZ的顯著電催化性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660D電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；CARY 5000紫外光譜儀(美國，瓦里安公司)；S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)(日本，日立公司)。

HNO3、KMnO4、HCl、H2O2、NaNO3、H2SO4、氨水、乙醇、石墨粉、日落黃(SY)和酒食黃(TZ)，均購自上?；瘜W試劑廠；聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)購自Sigma公司；MWNTs購自中科院成都化學所，使用前經混酸純化處理。其它試劑均為分析純，實驗用水為二次去離子水。

實際樣品購自大型超市。

1.2 石墨烯量子點的合成

采用Hummer方法[16]合成氧化石墨烯(GO)：將石墨粉(1.5 g)、NaNO3(1.5 g)和H2SO4(69 mL)混合，在冰浴條件下攪拌，緩慢加入9 g KMnO4，然后緩慢升溫至室溫并攪拌1 h，緩慢加入100 mL水，溫度升至90 ℃，攪拌30 min，加入300 mL水和100 mL 30%的H2O2，然后再用水洗滌、離心直至中性。最后把過濾物置于烘箱中干燥過夜得到GO，將其配制成4 mg·mL-1的溶液，待用。

將40 mL 30%的H2O2和10 mL 25%～28%的氨水加入5 mL GO溶液中，在80 ℃、強烈攪拌下反應24 h，在65 ℃時旋轉蒸發，除去過量的氨水和H2O2，乙醇洗滌后，制得GQDs。

1.3 GQDs-MWNTs復合物修飾玻碳電極的制備

10 mL(0.5 mg·mL-1)酸處理的MWNTs分散到0.25%的PDDA(含0.5 mol·L-1NaCl)中，超聲2 h，離心除去多余的PDDA，得到的復合物分散于水中形成溶液。加入25 mg GQDs后，混合超聲8 h，離心洗滌除去多余的GQDs。取10 μL 1 mg·mL-1的GQDs-MWNTs復合物滴涂于潔凈的GCE表面，靜置干燥后，得到GQDs-MWNTs/GCE。該修飾電極可在0.2 mol·L-1NaAc緩沖溶液中用于檢測SY和TZ。

1.4 電化學測定方法

以0.2 mol·L-1的HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.3)作為電解質溶液，攪拌條件下，在0.2 V富集待測物240 s后，于0.3～1.2 V范圍內進行示差脈沖伏安(DPV)掃描，記錄電化學信號。

2 結果與討論

2.1 修飾材料的掃描電鏡及紫外-可見吸收光譜表征

從材料的掃描電鏡(SEM)圖可以看出，MWNTs表面光滑，呈現彼此錯綜交織、多孔的分布狀態，可以提高電極的比表面積(圖1a)。GQDs的尺寸約為2 nm，當將GQDs復合固定到MWNTs表面后，復合物呈現膠狀表面，但同樣呈現多孔的三維分布狀態(圖1b)。

圖2為各種材料的紫外-可見吸收光譜圖，GQDs在230 nm處的特征吸收峰，對應于石墨烯結構中的C=C的π→π*電子躍遷吸收(曲線a)；MWNTs在278 nm處的特征吸收峰，對應其π→π*電子躍遷(曲線b)。將GQDs和MWNTs復合后，在230 nm和278 nm處出現了兩個吸收峰，分別對應GQDs和MWNTs的特征吸收(曲線c)。說明GQDs已成功復合到MWNTs表面。

圖1 MWNTs(a)和GQDs-MWNTs(b)的掃描電鏡(SEM)圖

圖2 GQDs(a)、MWNTs(b)和GQDs-MWNTs(c)的紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜圖

圖3 1 μg·mL-1酒食黃和0.1 μg·mL-1日落黃在不同電極上的循環伏安圖

2.2 修飾電極對日落黃和酒食黃的電化學響應

MWNTs/GCE對SY和TZ的響應如圖3a所示，在1.035 V處出現一個不明顯的氧化峰。用GQDs-MWNTs/GCE對相同體系進行電化學掃描，結果發現在0.825 V和0.752 V處出現一對氧化還原峰，在1.055 V處出現明顯的氧化峰(圖3b)，兩個氧化峰的峰電位差為230 mV。說明該修飾電極可以用于SY和TZ的同時檢測。

2.3 電沉積富集前處理條件的選擇

以0.1 μg·mL-1SY和1 μg·mL-1TZ為檢測對象，研究了待測物在不同沉積電位(-0.1～0.5 V，富集時間為240 s)時對檢測信號的影響。實驗結果表明：沉積電位對兩者的峰電流影響較小，因此為方便起見，沉積電位選擇為0.2 V。沉積時間對SY和TZ的響應信號影響較大，對于SY和TZ，在30～240 s的沉積時間內，其峰電流隨沉積時間呈現上升的線性關系，但隨著沉積時間的繼續增加，峰電流趨于穩定，表明達到了飽和吸附?？紤]到靈敏度，選用240 s作為沉積時間。

2.4 SY和TZ的電化學行為及其機理

圖4分別為MWNTs/GCE、GQDs-MWNTs/GCE對TZ和SY的電化學響應圖。檢測SY時，MWNTs/GCE在0.78 V出現了微弱的氧化峰，且隨著掃描次數的增多，峰電流逐漸減小，可能是由于SY的氧化產物覆蓋在了電極表面，使其表面鈍化。在GQDs-MWNTs/GCE上，于0.825 V和0.752 V處出現了明顯的氧化還原峰。檢測TZ時，GQDs-MWNTs/GCE表現出了比MWNTs/GCE明顯得多的催化性能。這可能是由于MWNTs和GQDs提供了豐富的富集表面、結合位點、電催化界面，起到了富集待測物和加快電子傳遞的作用。在0.2 mol·L-1的HAc-NaAc緩沖溶液中，實驗了不同pH值時SY和TZ的峰電流響應。實驗結果顯示：在pH=3.8～6.9范圍內，隨著pH的增大，SY和TZ的氧化峰電位逐漸減小，表明在SY和TZ的氧化過程中有質子的參與，并且氧化峰電位與pH呈現良好線性關系：Epa(SY)=-0.03018pH+0.98681(R2=0.9941)；Epa(TZ)=-0.04149pH+1.26136(R2=0.9942)。其中，當pH=4.3時，SY的峰電流最為明顯，因此選用pH=4.3的 0.2 mol·L-1的緩沖溶液為電解質溶液。

圖4 (A) MWNTs/GCE(a)、GQDs-MWNTs/GCE(b)對日落黃的CVs響應；(B)MWNTs/GCE(a)、GQDs-MWNTs/GCE(b)對酒食黃的CVs響應

對于SY，當掃速從50 mV·s-1增至300 mV·s-1時，峰電位幾乎沒有變化，表明該過程為吸附控制過程。對于TZ，當掃速從50 mV·s-1增至300 mV·s-1，陽極峰電流(Ipa)與掃速(v)的平方根呈現很好的線性關系。線性回歸方程為：Ipa(μA)=-1.735v1/2(v:mV·s-1)+6.415(R2=0.9991)，表明該過程屬于擴散控制過程，與此同時，氧化峰電位(Ep)隨著掃描速率(v：mV·s-1)的增大而增大。SY與TZ的電化學過程機理與文獻報道[17]一致。

2.5 傳感器的線性范圍和檢測限

SY和TZ兩種色素共存時的檢測結果如圖5所示。當TZ的濃度低于3 500 ng·mL-1時，不會干擾SY的檢測，SY的線性響應范圍為30～230 ng·mL-1，線性方程為:I(μA)=-0.0017c(ng·mL-1)-0.000838616(R2=0.9980)，檢測限為4.05 ng·mL-1(圖5A)。當SY濃度低于800 ng·mL-1時，不會干擾TZ的檢測，TZ的線性響應范圍為40～600 ng·mL-1，線性方程為:I(μA)=-0.00394c-0.06318(R2=0.9953)，檢測限為8.06 ng·mL-1(圖5B)。

圖5 (A)1 μg·mL-1酒食黃與不同濃度日落黃共存時的示差脈沖伏安(DPV)圖；(B)0.02 μg·mL-1日落黃與不同濃度酒食黃共存時的DPV圖

2.6 重現性、穩定性和干擾實驗

研究了傳感器的重現性和穩定性。以0.1 μg·mL-1的SY和TZ為檢測對象，其結果的相對標準偏差(RSD)分別為2.4%(SY)和2.8%(TZ)。把該傳感器置于空氣中放置1個月后，對0.1 μg·mL-1的SY和TZ進行檢測，RSD分別為3.6%(SY)和4.1%(TZ)。由此可見，所制備的GQDs-MWNTs/GCE具有較好的穩定性與重現性。當體系中100倍的Fe3+、Ca2+、Fe2+，1 000倍的葡萄糖存在時，對SY和TZ的檢測均無影響。

2.7 實際樣品分析

將該傳感器用于市售飲料佳得樂中的SY及醒目中TZ的檢測，在5 mL pH=4.3的HAc-NaAc緩沖溶液中，分別加入10 μL佳得樂、50 μL醒目以及三個不同量的標準品，在最佳條件下進行檢測。實驗結果如表1所示，TZ和SY的平均回收率分別為98.4%、96.1%，以及小于4%的RSD，說明該傳感器可以用于實際樣品中TZ和SY的測定。

表1 檢測飲料中的日落黃和酒食黃

3 結論

制備了GQDs-MWNTs功能化的新型復合物,并用于修飾GCE。該修飾電極可用于日落黃和酒食黃的同時檢測,GQDs和MWNTs的協同效應增強了修飾電極的導電性、檢測靈敏度、穩定性和抗干擾能力,可用于飲料中日落黃和酒食黃的檢測。