尹林華,史朝霞,胡玉斐，李攻科

(中山大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

丁基羥基茴香醚(BHA)是一種常用的抗氧化劑，可用于阻斷油脂的氧化[1]，廣泛用于油脂食品和富脂食品中。適量使用BHA能減少食品變質(zhì)問(wèn)題，但若過(guò)量或超標(biāo)，會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用，輕者內(nèi)分泌失調(diào)導(dǎo)致肥胖[2]，嚴(yán)重者引起大腦和神經(jīng)發(fā)育的中斷[3]，在一定程度上致癌、致畸[4]。中國(guó)《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2760-2014)中規(guī)定：丁基羥基茴香醚可用于食用油脂、油炸食品、腌制肉類、早餐谷類食品，其最大使用量為0.2 g/kg。聯(lián)合國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)和聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織(WHO)(1984)規(guī)定：丁基羥基茴香醚用于一般食用油脂，最大使用量為0.2 g/kg。盡管各組織對(duì)BHA的用量有嚴(yán)格規(guī)定，但仍然可能有部分食品生產(chǎn)商為了節(jié)約成本，牟取利益而添加過(guò)量BHA的劣質(zhì)油脂。因此，建立一種可快速、準(zhǔn)確檢測(cè)油脂類食品中BHA含量的方法對(duì)于監(jiān)控油脂類食品的質(zhì)量具有重要意義。

常用的BHA分析方法有氣相色譜法[5]、高效液相色譜法[6-7]、凝膠滲透色譜-氣相色譜法[8]、表面增強(qiáng)拉曼光譜法[9]等，這些方法需復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作和昂貴的儀器。電化學(xué)方法具有快速便捷、靈敏度高、成本低等特點(diǎn)，有望設(shè)計(jì)成便攜式快檢儀器用于市場(chǎng)中食品的快速抽樣檢測(cè)。合適的電極修飾材料能顯著提高電化學(xué)方法檢測(cè)BHA的靈敏度和選擇性，現(xiàn)已有多種應(yīng)用于BHA檢測(cè)的電極修飾材料。郭敬軒等[10]利用多孔碳修飾玻碳電極檢測(cè)油脂中的BHA，得到檢測(cè)BHA的線性范圍為0.80～150.00 μg/mL，檢出限為0.17 μg/mL。葉耘峰[11]利用碳納米金復(fù)合材料修飾玻碳電極對(duì)油炸食品中的BHA進(jìn)行定量檢測(cè)，具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。Divya等[12]利用聚L-半胱氨酸修飾的玻碳電極檢測(cè)植物油中的BHA含量，檢出限達(dá)到4.1×10-7mol/L?？梢?jiàn)電極傳感材料對(duì)于電化學(xué)傳感器的靈敏度有著決定作用。實(shí)際食物樣品與植物油等相比，成分更復(fù)雜、干擾更嚴(yán)重，因此，需提高電化學(xué)檢測(cè)方法的抗干擾能力。而發(fā)展新型高效的電極修飾材料是提高電化學(xué)傳感器靈敏度和選擇性的重要途徑。

金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)是一類由無(wú)機(jī)金屬簇與橋連的有機(jī)配體通過(guò)自組裝相互連接構(gòu)成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔晶體材料。MOFs的多孔性結(jié)構(gòu)使活性位點(diǎn)均勻分散到整個(gè)框架中，有利于催化底物與活性位點(diǎn)的結(jié)合以及物質(zhì)的運(yùn)輸，其特定的孔徑大小[13]和孔道分布[14]使之具有選擇性催化作用,高的比表面積有利于底物分子在活性位點(diǎn)周圍的吸附和富集。MOFs作為多相催化劑具有良好的可回收性。為進(jìn)一步提高M(jìn)OFs催化中心的活性，通常采用功能基修飾等方法將所需的活性位點(diǎn)接枝到金屬離子/簇或有機(jī)連接劑上[15]。近年來(lái)，MOFs材料因此特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在電化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,Zhang 等[16]采用基于大孔碳的Co-MOF材料高效催化肼的電氧化和硝基苯的電還原反應(yīng)，Huang等[17]用差分脈沖伏安法研究了在復(fù)雜體系中Ni-MOF修飾電極對(duì)多巴胺的電化學(xué)響應(yīng)，方法顯示了較寬的線性范圍(0.2 ～100 μmol/L)和較低的檢出限(60 nmol/L)，以及良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。在眾多種類的MOFs材料中，鋯基類MOFs由于具有六氮雜環(huán)氧簇為特征的結(jié)構(gòu)，使其具有極高的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。Au NPs雖有較好的電催化性能，但其粒子易團(tuán)聚、分散性較差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[18]。金屬納米粒子復(fù)合MOFs的晶體多孔結(jié)構(gòu)阻止了金屬納米粒子的普遍聚集，有利于催化劑的活性和穩(wěn)定性[19]，且MOFs材料較大比表面積的特點(diǎn)有利于目標(biāo)物在電極表面的吸附。本文成功地合成了Au NPs@NU-901復(fù)合材料，研究了BHA在Au NPs@NU-901修飾電極上的電化學(xué)活性和電化學(xué)氧化還原機(jī)理，并將其用于餅干實(shí)際樣品中BHA含量的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

H1850 TG16-WS高速離心機(jī)(湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司)；VORTEX 3混勻儀(德國(guó)IKA)；CHI-832b電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；超聲波清洗器(天津奧特賽恩斯儀器有限公司)；BSA-124-S型電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；ESCALab250 X射線光電子能譜儀(XPS，美國(guó)賽默飛世爾公司)；FEI Tecnai G2 Spirit透射電鏡(TEM，荷蘭FEI公司)；Shimadzu LC-20AB系統(tǒng)高效液相色譜儀(HPLC，日本Shimadzu)；X射線衍射儀(XRD，日本Rigaku)；Avatar 330傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，美國(guó)Nicolet公司)。

無(wú)水硫酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉、磷酸氫二鈉、鹽酸、冰乙酸(廣州化學(xué)試劑廠)；丁基羥基茴香醚、十六烷基三甲基溴化銨、油酸鈉、硫代聚乙二醇、二氯甲烷、甲醇、苯甲酸、1-丙醇、二甲基甲酰胺(阿拉丁工業(yè)公司)；硼氫化鈉(西隴科學(xué)股份有限公司)；四氯金酸(北京華威銳科化工有限公司)；抗壞血酸(上海生工生物工程股份有限公司)；正丁醇鋯、1，3，6，8-四(苯甲酸)芘(百靈威科技有限公司)；以上所用試劑均為分析純，未經(jīng)純化直接使用。正己烷、乙腈(色譜級(jí)，北京迪馬科技有限公司)。實(shí)驗(yàn)用餅干均購(gòu)于廣州市超市。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1AuNPs@NU-901的制備

(1)金納米粒子(Au NPs)的合成[20]

在劇烈攪拌下將12.5 mL 38.8 mmol/L的檸檬酸鈉溶液快速加入125 mL 1 mmol/L沸騰的氯金酸溶液中回流30 min，隨后混合溶液繼續(xù)反應(yīng)攪拌30 min，將得到的深紅色溶液冷卻至室溫，得到金納米顆粒。制備好的金納米顆粒溶液置于4 ℃冰箱中保存。

(2)Au NPs@NU-901的合成[21]

①Au NPs的聚乙二醇化：硫代聚乙二醇(PEG-SH)溶于二氯甲烷(DCM,3 mL，0.3 mg/mL)中，加入3 mL步驟(1)得到的金納米顆粒。將4 mL甲醇緩慢地添加到頂部水層，并大力搖晃試管。深紅色二氯甲烷層中的金納米顆粒被提取，然后用二甲基甲酰胺(DMF)重復(fù)提取兩次去除多余的PEG-SH，得到的聚乙二醇化Au NPs(Au NPs@PEG-SH)分散在DMF中保存。

②Zr-cluster的合成：在300 mL正丙醇溶液中，加入15 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的正丁醇鋯和100 g 苯甲酸，溶液超聲處理10～20 min，將該溶液回流加熱，攪拌過(guò)夜，得到澄清的溶液。經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去丙醇，得到白色結(jié)晶固體產(chǎn)品，用大量1-丙醇清洗固體，并在室溫下真空干燥。

③Au NPs@NU-901的合成：于20 mL玻璃樣品瓶中，取36.4 mg Zr-cluster粉末分散于6.21 mL DMF中，然后加入3.63 mL冰乙酸，在劇烈攪拌下加入0.53 mL Au NPs@PEG-SH后，將10 mL 2 mg/mL溶于DMF的1，3，6，8-四(苯甲酸)芘(H4TBAPy)溶液以0.05 mL/min的速率緩慢注入，反應(yīng)攪拌過(guò)夜。將產(chǎn)品用DMF洗滌3次去除多余的雜質(zhì)，在丙酮中進(jìn)行過(guò)夜的溶劑交換。最終60 ℃真空干燥得到Au NPs@NU-901復(fù)合材料。

1.2.2電化學(xué)傳感器的制備在濕潤(rùn)的絨布上依次用直徑0.3 μm和0.05 μm氧化鋁粉漿將直徑3 mm的玻碳電極(GCE)打磨拋光平滑，分別在體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇水溶液和超純水中超聲清洗1 min，用超純水沖洗電極。將5 μL 2 mg/mL的Au NPs@NU-901分散液滴涂在電極表面，空氣中置于紅外燈下烤干，得到Au NPs@NU-901復(fù)合材料修飾的玻碳電極(Au NPs@NU-901/GCE)。

1.2.3分析測(cè)定電化學(xué)測(cè)試均在CHI-823b型電化學(xué)工作站上進(jìn)行，采用三電極體系:工作電極為Au NPs@NU-901/GCE，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極。若無(wú)特殊說(shuō)明，使用pH 7.0的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液作為測(cè)定BHA的支持電解質(zhì)。在最優(yōu)條件下記錄0.1～0.7 V的差分脈沖伏安曲線(DPV)，以0.345 V處的氧化峰電流作為BHA的定量依據(jù)。

1.2.4餅干樣品預(yù)處理將待測(cè)餅干樣品置于密封袋中碾碎并用天平稱取4.0 g粉末，溶解在10 mL無(wú)水乙醇中。將混合物震蕩5 min，隨后超聲提取30 min，提取結(jié)束后將樣品在500 r/min下離心10 min。收集上清液，將上清液在40 ℃烘箱中烘干后，加入2 mL乙醇復(fù)溶，作為樣品待測(cè)液。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au NPs@NU-901材料的表征

分別用TEM和XRD研究Au NPs@NU-901復(fù)合材料的形貌和結(jié)構(gòu)(圖1)，從圖1A可以看出，NU-901具有均勻的橢圓形結(jié)構(gòu)，從圖1B可見(jiàn)Au NPs成功地被包覆在橢圓結(jié)構(gòu)中，Au NPs的粒徑在10 nm左右。采用XRD研究材料的晶體結(jié)構(gòu)(圖1C)發(fā)現(xiàn)，在2θ=5.0°、7.3°、10.2°的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于晶體中(020)、(021)、(040)三種晶面的衍射[22]。

2.2 Au NPs@NU-901的增強(qiáng)效應(yīng)

為探究Au NPs@NU-901的電催化活性增強(qiáng)效應(yīng)，在pH 7.0磷酸緩沖鹽溶液中，考察了BHA在裸電極(GCE)、NU-901修飾玻碳電極(NU-901/GCE)、Au NPs修飾玻碳電極(Au NPs/GCE)和Au NPs@NU-901/GCE上的DPV和線性掃描伏安(LSV)行為。圖3給出了10 μmol/L BHA在GCE(a)、NU-901/GCE(b)、Au NPs/GCE(c)和Au NPs@NU-901/GCE(d)上的DPV曲線。從圖中可以看出，在0.2 V富集240 s后，在GCE上出現(xiàn)1個(gè)弱的氧化峰，峰電位為0.332 V，峰電流為0.148 1 μA。在NU-901/GCE上的BHA峰電流略有增加，Au NPs/GCE 上的BHA峰電流增加且峰電位負(fù)移，說(shuō)明Au NPs具有一定的催化能力。而Au NPs@NU-901/GCE上BHA的峰電位為0.248 V，峰電流為0.284 6 μA?？梢钥闯?，用Au NPs@NU-901/GCE后，不僅BHA的氧化峰電流增加了1倍，且氧化峰電位負(fù)移了0.084 V，表明Au NPs@NU-901/GCE對(duì)BHA的電化學(xué)氧化過(guò)程具有較強(qiáng)的催化能力。

圖3 10 μmol/L BHA在不同電極上DPV響應(yīng)曲線Fig.3 DPV curves of 10 μmol/L BHA on different electrodes a：GCE,b:NU-901/GCE，c:Au NPs/GCE,d:Au NPs@NU-901/GCE

2.3 BHA的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

為了研究BHA在Au NPs@NU-901/GCE的電化學(xué)氧化機(jī)理，用LSV研究了在不同pH值和掃描速度下BHA峰電位和峰電流的變化規(guī)律。首先，考察了50 μmol/L BHA在pH=2.2～8.0的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液中的LSV曲線。如圖4所示，當(dāng)pH值從2.2升至7.0，峰電流隨之增大，但當(dāng)pH值繼續(xù)增大時(shí)，峰電流開(kāi)始減小。同時(shí)，峰電位隨pH值的增大發(fā)生負(fù)移并呈明顯的線性關(guān)系，線性方程為Ep=0.707-0.042 1×pH，r2=0.995 9，說(shuō)明參與BHA氧化的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等。

圖4 50 μmol/L BHA在不同pH值下的LSV曲線Fig.4 LSV curves of 50 μmol/L BHA on Au NPs@NU-901/GCE at different pH valuespH value:2.2,3.8,5.0,6.0,7.0,8.0;insert：linear curve of Ep and pH value

隨后采用LSV方法研究了當(dāng)掃速在50～250 mV/s區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，50 μmol/L BHA的峰電流和峰電位的變化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃速逐漸增加時(shí)，BHA的峰電流(Ip,μA)與掃速(v,mV/s)呈現(xiàn)線性相關(guān)，線性方程為Ip=0.555+0.005v，r2=0.992 0，表明BHA在Au NPs@NU-901/GCE的氧化是受吸附控制的過(guò)程。同時(shí)，峰電位(Ep,V)隨掃速的變化符合方程Ep=0.333+0.024×lnv，r2=0.991 0。

對(duì)于受吸附控制的不可逆氧化還原過(guò)程，掃速(v，mV/s)與峰電位(Ep，V)符合如下方程[33-34]：

(1)

式中，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，k0為非均相電子轉(zhuǎn)移標(biāo)準(zhǔn)速率常數(shù)，E0′為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，α為BHA氧化的轉(zhuǎn)移系數(shù)，通常取α=0.5。由該方程計(jì)算可得n值約為2，說(shuō)明有兩個(gè)電子參與了BHA在電極上的氧化還原過(guò)程。

綜合pH值對(duì)峰電流的影響，以及掃描速度對(duì)峰電流、峰電位的影響可知：BHA在Au NPs@NU-901/GCE上發(fā)生的氧化還原過(guò)程有兩個(gè)電子和兩個(gè)質(zhì)子參與，該結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道一致[35]。

2.4 分析方法

采取DPV方法作為BHA的定量檢測(cè)方法時(shí)，支持電解質(zhì)種類和pH值對(duì)電化學(xué)檢測(cè)的靈敏度具有重要影響。因此，考察了不同pH值緩沖體系，如磷酸鹽緩沖溶液(PBS)、Na2HPO4-檸檬酸、Britton-Robinson緩沖溶液(BR)、NaAc-HAc、Na2HPO4-NaH2PO4對(duì)BHA峰電流和峰電位的影響，發(fā)現(xiàn)在Na2HPO4-NaH2PO4介質(zhì)的檢測(cè)效果最好。進(jìn)一步對(duì)Na2HPO4-NaH2PO4介質(zhì)的pH值(2.2、3.8、5.0、5.8、6.5、7.0、8.0)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示,隨著pH值的增大，峰電位負(fù)移，當(dāng)pH 7.0時(shí)峰電流最大，因此選擇pH 7.0的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液作為檢測(cè)BHA的支持電解質(zhì)。

隨后對(duì)材料滴涂量、富集時(shí)間、富集電位進(jìn)行優(yōu)化。首先考察了2 mg/mL Au NPs@NU-901水溶液在玻碳電極上滴涂量的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)瓮苛繌?增至5 μL時(shí)，5.0 μmol/L BHA的峰電流逐漸增大，而當(dāng)?shù)瓮苛窟M(jìn)一步增加(5～10 μL)時(shí)，電流反而有所下降，原因可能是滴涂量過(guò)大時(shí)造成修飾膜太厚，從而影響了電極表面的反應(yīng)效率和離子擴(kuò)散速率。繼續(xù)增加滴涂量則使得部分材料溢出電極修飾區(qū)域，導(dǎo)致12 μL滴涂量的電極修飾厚度不如10 μL，但電流強(qiáng)度有所增大(見(jiàn)圖5)。因此從電流強(qiáng)度和重現(xiàn)性角度來(lái)看，最佳滴涂量為5 μL。實(shí)驗(yàn)繼續(xù)對(duì)富集電位和富集時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示富集電位從-0.3 V增至-0.2 V時(shí)，峰電流隨之增大，繼續(xù)增大至0.1 V的過(guò)程中峰電流逐漸減小，可知最佳富集電位為-0.2 V，此時(shí)測(cè)得最大峰電流為0.261 5 μA。富集時(shí)間從60 s增至240 s時(shí)，峰電流隨之增大，繼續(xù)增至300 s，部分BHA可能從電極表面返回到溶液中，使峰電流逐漸減小，因此選擇最佳富集時(shí)間為240 s，此條件下最大峰電流為0.310 5 μA。為檢驗(yàn)該方法的重現(xiàn)性，制備9個(gè)不同的傳感器在同一條件下對(duì)同一BHA溶液進(jìn)行測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.6%，表明方法具有良好的重現(xiàn)性。

圖5 電極滴涂量對(duì)5.0 μmol/L BHA峰電流的影響Fig.5 Effect of drop-coating volume on peak current of 5.0 μmol/L BHA

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)BHA的定量檢測(cè)，在最優(yōu)條件下考察了不同濃度(0.10、1.0、5.0、10、15、20、25、30、40、45、50 μmol/L)BHA的DPV曲線，結(jié)果顯示，BHA的氧化峰電流(Ip)與其濃度(c，μmol/L)在0.10～50 μmol/L范圍內(nèi)呈線性相關(guān)，線性方程為Ip=0.042 8+0.020 1c(BHA)，相關(guān)系數(shù)r2=0.994 8，檢出限(S/N=3)為0.049 μmol/L，表明該電化學(xué)傳感器具有較好的靈敏度。不同濃度BHA電流響應(yīng)值的RSD均在4.8%以內(nèi)，結(jié)合重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性，在BHA檢測(cè)方面具有較好的應(yīng)用前景。

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

2.6 樣品分析

將DPV方法用于3種市售餅干(酥性、威化、壓縮餅干)中BHA含量的測(cè)定，每個(gè)樣品進(jìn)行5次平行檢測(cè)。隨后向3種餅干中加入1.00、3.00、5.00 μmol/L的BHA標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果列于表1中，其加標(biāo)回收率為95.6%～104%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于5%，且樣品的檢測(cè)結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 17814-2011)[36]的結(jié)果高度一致，表明該方法具有較好準(zhǔn)確性與精密度，能滿足實(shí)際樣品中BHA的檢測(cè)要求。

表1 餅干樣品中BHA的檢測(cè)結(jié)果Table 1 Determination of BHA in biscuit samples

3 結(jié) 論

基于有機(jī)金屬框架NU-901的較大比表面積及金納米粒子Au NPs具有高催化活性，本文成功地合成了Au NPs@NU-901復(fù)合材料，并制備電化學(xué)傳感器用于檢測(cè)抗氧化劑BHA。方法的線性范圍為0.10～50 μmol/L，檢出限(S/N=3)為0.049 μmol/L，用于市售餅干中BHA的檢測(cè)，加標(biāo)回收率為95.6%～104%，樣品檢測(cè)結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法——高效液相色譜法(HPLC)的檢測(cè)結(jié)果吻合。該方法靈敏準(zhǔn)確、選擇性好，能滿足實(shí)際樣品中抗氧化劑BHA的檢測(cè)，顯示了良好的應(yīng)用前景。