申森，劉抒影，陳欣

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，河南開封475000；2.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南開封475000）

兒茶酚（catechol，CC）又名鄰二苯酚，廣泛存在于水果、蔬菜、茶葉等農(nóng)作物中，是酶促褐變反應(yīng)的重要底物之一，在制藥和化工生產(chǎn)中具有廣泛的作用。在茶葉生產(chǎn)過程中兒茶酚作為茶多酚的一種具有抗氧化、降血脂、促進(jìn)胃腸功能、降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)、抗癌等生理作用[1-2]，在茶葉品質(zhì)評(píng)判過程中也起著重要作用，成為近幾年眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。因此，研究一種方便快捷的檢測(cè)方法對(duì)茶葉中的兒茶酚進(jìn)行定量分析對(duì)茶葉綜合品質(zhì)的評(píng)定以及人們的飲食健康具有重要意義。

目前，關(guān)于兒茶酚的檢測(cè)方法有氣相色譜法、液相色譜法、毛細(xì)管電泳法等，這些方法雖然有檢出限低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有操作復(fù)雜、成本較高、儀器價(jià)格昂貴、需要專業(yè)人士操作等弊端。因此不適合現(xiàn)場(chǎng)快速有效的定量分析[3-5]。電化學(xué)分析法由于具有操作簡(jiǎn)單、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)，在兒茶酚快速、有效的進(jìn)行定量分析方面存在較大的應(yīng)用潛力[6-8]，成為對(duì)茶葉中兒茶酚進(jìn)行快速有效定量分析的理想方法之一。

Fe3O4磁性納米材料由于具有導(dǎo)電性好、吸附性強(qiáng)、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)能有效地為反應(yīng)物提供較好的吸附位點(diǎn)，有利于電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)離子液體作為固定基質(zhì)，它們結(jié)合在一起能夠更好的發(fā)揮協(xié)同作用，降低Fe3O4的聚集，提高反應(yīng)的靈敏度[9-13]。目前，雖然關(guān)于Fe3O4磁性納米材料的相關(guān)研究已有報(bào)道，但關(guān)于Fe3O4-離子液體納米復(fù)合材料的報(bào)道還未見出現(xiàn)。因此，本文以（Fe3O4）—1-甲基-3-丁磺酸基咪唑硫酸氫鹽（1-methyl-3-butanesulphonic acid imidazole bisulfate，[BSMIM]HSO4）復(fù)合材料為基質(zhì)，制備電化學(xué)傳感器對(duì)茶葉中的兒茶酚進(jìn)行快速、有效的定量分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

兒茶酚、甲醇：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；十二水合磷酸氫二鈉、氯化鉀：洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司；磷酸二氫鈉、鐵氰化鉀：洛陽市化學(xué)試劑廠；亞鐵氰化鉀：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；無水乙醇：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；茶葉：西湖龍井，市購。

1.2 儀器與設(shè)備

CHI-660E型電化學(xué)工作站：上海辰華儀器有限公司；三電極系統(tǒng)：以玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE，φ=3 mm）為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極（Pt）為對(duì)電極；KQ-100E型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；85-2型恒溫磁力攪拌器：上海司樂儀器有限公司；10 μL移液槍：賽默飛世爾（上海）儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 Fe3O4-[BSMIM]HSO4制備

Fe3O4球合成：分別取FeCl3粉末5 g，檸檬酸三鈉1.8 g于300 mL錐形瓶中，加入150 mL乙醇溶液，超聲分散0.5 h然后強(qiáng)烈攪拌1 h使其分散均勻，在攪拌過程中加入醋酸鈉7.5 g攪拌0.5 h，然后將混合物移入水熱釜中加熱至200℃，保持8 h，然后冷卻至25℃，用蒸餾水、乙醇洗滌數(shù)次，最后于60℃烘干備用既得Fe3O4納米材料。

1-甲基-3-丁磺酸基咪唑硫酸氫鹽（[BSMIM]HSO4）根據(jù)文獻(xiàn)[14]合成。取 50 μL[BSMIM]HSO4加入到5 mL 1.0 mg/mL的Fe3O4中，在磁力攪拌器上攪拌使其分散均勻，得到Fe3O4-[BSMIM]HSO4。

1.3.2 Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的制備

將GCE電極用1000目砂紙打磨后，分別用0.3 μm和0.05 μm的氧化鋁粉拋光至鏡面，然后依次用無水乙醇、二次蒸餾水進(jìn)行超聲清洗3次，每次3 min～5 min，在常溫條件下讓其自然干燥，備用[15-17]。用 10 μL 移液槍吸取 3.0 μL 的 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾液滴于GCE電極表面，然后用燒杯罩在上面（防止其被污染），常溫下自然干燥，即得Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE。

1.4 樣品處理

準(zhǔn)確稱取茶葉5.000 0 g用研缽進(jìn)行粉碎，稱取固體粉末1.000 0 g于100 mL燒杯中，然后加入60.00 mL 20%的甲醇溶液，于80℃條件下水浴振蕩20 min，然后進(jìn)行過濾，將所得濾液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中用80%甲醇定容，備用。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用origin 8.5對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同電極的電化學(xué)表征

在 10mmol/L 的[Fe（CN）6]3-溶液（含 0.1mol/LKCl）中分別對(duì) GCE、Fe3O4/GCE和 Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE電極進(jìn)行交流阻抗分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 GCE、Fe3O4/GCE、Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE在10 mmol/L的[Fe（CN）6]3-（含 0.1 mol/L KCl）溶液中的交流阻抗圖譜Fig.1 Electrochemical impedance spectroscopy of GCE，F(xiàn)e3O4/GCE，F(xiàn)e3O4-[BSMIM]HSO4/GCE in 10 mmol/L[Fe（CN）6]3-containing 0.1 mol/L KCl

由圖1可知，GCE電阻為375 Ω，F(xiàn)e3O4/GCE電阻為261.4 Ω與GCE相比阻抗降低了30.29%，這說明Fe3O4具有良好的導(dǎo)電性，加速電極表面電子轉(zhuǎn)移速率，增強(qiáng)電流響應(yīng)提高電極靈敏度。同時(shí)加入[BSMIM]HSO4后Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE電阻降低至195.5 Ω與Fe3O4/GCE相比阻抗降低了25.21%，這說明Fe3O4與[BSMIM]HSO4間具有良好的協(xié)同作用，能進(jìn)一步加速電極表面電子轉(zhuǎn)移速率提高電極靈敏度。

2.2 兒茶酚在不同電極的電化學(xué)行為

以濃度0.1 mol/L pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液（phosphate buffer saline，PBS）緩沖液為支持電解質(zhì)，分別以GCE、Fe3O4/GCE和Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE為工作電極對(duì)50 μmol/L的兒茶酚進(jìn)行差分脈沖（differential pulse voltammetry，DPV）掃描，其結(jié)果如圖2所示。

圖 2GCE、Fe3O4/GCE、Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE 在 50 μmol/L的兒茶酚溶液中的差分脈沖曲線圖Fig.2 DPV response of GCE，F(xiàn)e3O4/GCE，F(xiàn)e3O4-[BSMIM]HSO4/GCE in 50μmol/L CC

由圖 2可知，GCE氧化峰電流為 0.848 9 μA，F(xiàn)e3O4/GCE 氧化峰電流為 1.086 μA，F(xiàn)e3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰電流為 1.323 μA，與 GCE相比Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰電流增加了55.85%；與Fe3O4/GCE相比Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰電流增加了21.82%。這說明Fe3O4具有良好的導(dǎo)電性和吸附作用，能夠?yàn)閮翰璺釉陔姌O表面的電化學(xué)反應(yīng)提供較好的結(jié)合位點(diǎn)，催化電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，擴(kuò)大反應(yīng)信號(hào)，同時(shí)與[BSMIM]HSO4具有良好的協(xié)同作用。

2.3 緩沖溶液pH值的選擇

分別以濃度 0.1 mol/L pH 6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 的PBS緩沖液為支持電解質(zhì)，對(duì)50 μmol/L的兒茶酚進(jìn)行DPV掃描，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著PBS緩沖液pH值的增加，氧化峰電流先增大后減小，當(dāng)pH值為7.0時(shí)氧化峰電流達(dá)到最大為1.31 μA，這是因?yàn)檫^酸過堿可能會(huì)影響到電極表面電子的轉(zhuǎn)移速率進(jìn)而對(duì)氧化峰電流產(chǎn)生影響，因此本試驗(yàn)選取pH值為7.0的PBS緩沖液為電解質(zhì)溶液。

圖3 pH值對(duì)Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影響Fig.3 The effect of pH on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE

2.4 離子強(qiáng)度對(duì)兒茶酚電化學(xué)行為的影響

分別以濃度 0.05、0.1、0.15、0.20、0.25、0.30 mol/L pH 7.0的PBS緩沖液為支持電解質(zhì)，對(duì)50 μmol/L的兒茶酚進(jìn)行DPV掃描，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 離子濃度對(duì)Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影響Fig.4 The effect of ion concentration on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE

由圖4可知，隨著離子濃度的增加氧化峰電流先增大后減小，且當(dāng)PBS緩沖液濃度為0.1 mol/L時(shí)氧化峰電流達(dá)到最大為1.32 μA，這是因?yàn)殡S著離子濃度的增加有助于電極表面電子的轉(zhuǎn)移，形成氧化峰電流，但當(dāng)離子濃度過高時(shí)會(huì)對(duì)Fe3O4表面的結(jié)合位點(diǎn)產(chǎn)生占位影響進(jìn)而降低氧化過程中電子的轉(zhuǎn)移速率減弱電流響應(yīng)，因此本試驗(yàn)選取濃度為0.1 mol/L的PBS緩沖液為電解質(zhì)溶液。

2.5 修飾量的選擇

以pH 7.0的PBS（0.1mol/L）緩沖液為支持電解質(zhì)，分別以 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 μL 的 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾GCE制備Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE傳感器對(duì)50 μmol/L的兒茶酚進(jìn)行DPV掃描，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾量對(duì)Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影響Fig.5 The effect of Fe3O4-[BSMIM]HSO4loading on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE

由圖5可知，隨著Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾量的增加Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE在50 μmol/L的兒茶酚測(cè)得的氧化峰電流先增大后減小，當(dāng)修飾量為3 μL時(shí)氧化峰電流達(dá)到最大為1.34 μA。這是因?yàn)镕e3O4-[BSMIM]HSO4具有良好的導(dǎo)電性，能夠有效的促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移，增加電流響應(yīng)，但當(dāng)修飾量過多時(shí)會(huì)導(dǎo)致電極表面涂層較厚，F(xiàn)e3O4-[BSMIM]HSO4聚集，阻礙電子的轉(zhuǎn)移，增加阻抗，進(jìn)而降低電流響應(yīng)，因此Fe3O4-[BSMIM]HSO4修飾量選取 3 μL。

2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在最佳試驗(yàn)條件下對(duì) 1.0×10-6～1.8×10-2mol/L 的CC進(jìn)行定量分析其結(jié)果如圖6所示。

圖6 兒茶酚濃度與氧化峰電流間的關(guān)系曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.6 Relationship curve between oxidation peak current and concentration of CC

由圖6可知，兒茶酚濃度與其氧化峰電流在1.0×10-6mol/L～1.2×10-2mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為：Y=0.025 5X+0.079，R2=0.999 5，相關(guān)性較好，檢出限（3σ）為 1.17×10-7mol/L，檢出限較低符合試驗(yàn)要求。

2.7 重復(fù)性研究

在最佳試驗(yàn)條件下對(duì)50 μmol/L的CC進(jìn)行重復(fù)DPV掃描10次其結(jié)果如表1所示。

表1 10次重復(fù)性試驗(yàn)Table 1 Repetitive experiments for 10 times

由表1可知，在最佳條件下用Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE對(duì)50 μmol/L的兒茶酚連續(xù)掃描10次其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.281%，重復(fù)性較好。

2.8 加標(biāo)回收試驗(yàn)

在最佳試驗(yàn)條件下以Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE為工作電極對(duì)不同濃度的CC進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)其結(jié)果如表2所示。

表2 兒茶酚在PBS中的回收率Table 2 Recovery of catechol in PBS

由表2可知，其加標(biāo)回收率在98%～102%之間，回收效果較好，準(zhǔn)確度較高。

2.9 實(shí)際樣品檢測(cè)

在最佳試驗(yàn)條件下結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)西湖龍井茶葉中兒茶酚含量進(jìn)行定量分析，同時(shí)利用氣相色譜進(jìn)行定量分析作為參照比對(duì)，其結(jié)果如表3所示。

表3 茶葉樣品中兒茶酚的測(cè)定Table 3 Determination of catechol in tea sample

由表3可知，茶葉中兒茶酚含量為53.36 mg/g且與氣相色譜法結(jié)果一致其準(zhǔn)確度較高，符合試驗(yàn)需求。

3 結(jié)論

在Fe3O4磁性納米材料的基礎(chǔ)上復(fù)合[BSMIM]HSO4制備了Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE傳感器，對(duì)茶葉中的兒茶酚進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明：Fe3O4-[BSMIM]HSO4具有良好的導(dǎo)電性和吸附作用，同時(shí)Fe3O4與[BSMIM]HSO4間具有良好的協(xié)同作用，能夠有效地促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移、增加相應(yīng)電流、提高電極靈敏度。利用Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE對(duì)茶葉中的兒茶酚進(jìn)行定量分析，其加標(biāo)回收率在98%～102%之間，回收效果較好，精密度較高，符合試驗(yàn)要求，且與氣相色譜檢測(cè)結(jié)果一致，其準(zhǔn)確度良好，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值。