一种食品中有害物质的快速灵敏检测方法研究

一种食品中有害物质的快速灵敏检测方法研究 一、 本课题设计（研究）的目的： 俗话说：人是铁，饭是钢;一天不吃饿得慌。人们的生活中，每天都离不开 食物。由于一些不法商家为了牟取暴利，导致出现了各种食品安全事件。三鹿 奶粉事件，廋肉精事件，苏丹红超标事件，地沟油事件等等，数不胜数。随着 人们生活水平的提高，人们越来越重视食品安全，希望能吃到安全放心的方法。 苏丹I（1苯基偶氮2萘酚）是一种合成的脂溶性冰染颜料。它已被广泛地 应用于油，油脂，塑料，纺织，地板蜡和化妆品等化学工业。目前，苏丹I已经 被广泛用于给产品染上迷人的红色，如辣椒酱，番茄酱，橄榄油，奥尔良烤鸡 肉和其他许多经常吃的食品。经过证实，苏丹红I是潜力致癌物质。1975年，苏 丹I由国际研究机构分类为第3类致癌物。由于这些原因，添加到食物产品的苏 丹红I超标是严格禁止的。因此，为保证消费者的安全，检测食品中的苏丹I是 非常必要的，这需要更多灵敏，切实可行及适宜的分析方法来对现场的食品进 行快速的检测。 目前，苏丹I的分析技术，通常涉及高效液相色谱法（HPLC） ，包括液相色 谱紫外可见分光光度法联用 ，超高效液相色谱串联质谱法 ，超高效液 相色谱接口与常压化学电离质谱法，液相色谱和气相色谱质谱法和液相色谱 串联质谱法和同位素稀释法 。虽然这些方法经过充分验证且被广泛接受，但 是它们需要相对昂贵的设备，先进的专业技术，成本高，且费时。电化学技术 由于其高灵敏度，简单性和容易小型化的特点，已被认为作为现场检测苏丹红I 的最佳方法。而且，通过本课题的设计与研究，我可以掌握更多的实验技能， 也可以提高查阅文献资料和独立思考的能力，对食品中微量物质含量的检测也 有了更加清晰的认识。 二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）： 1.1 研究现状 1.1.1 苏丹红 I 苏丹红一号(Sudan I)是一种亲脂性偶氮化合物1, 化学名称为 1 -苯基偶氮-2 -萘酚苯基(偶氮-1)-2 -羟基萘,分子结构式为C6H5=NC10H6OH,分子量248.28。 苏丹红一号是一种深红色粉末,可溶于有机溶剂,呈橙黄色溶液;也可溶于硫 酸呈深红色,但不溶于水和碱溶液。熔点138 139 ,最大吸收波长478 nm 。 有致癌可能性,有刺激性。它常作为一种工业染料,应用于诸如油彩、蜡、地板蜡 和香皂等化工产品中的非生物合成着色剂。在2004年6月,欧洲委员会颁布了 有关辣椒及辣椒产品紧急措施的决定,要求禁止进口含掺有苏丹红染料的辣 椒产品。英国食品标准管理局也于2004年6月14日,就此前在超市一批新食品中 发现含有潜在致癌物苏丹红一号色素,向消费者和贸易机构发出了警示,并要求食 品生产厂商必须继续警惕红色污染,严禁使用含有潜在致癌物、禁用产品目录中 的苏丹红一号。 1.1.2 苏丹红I的检测方法 目前，苏丹I的检测方法有许多种，通常涉及高效液相色谱法（HPLC）， 包括液相色谱紫外可见分光光度法联用 ，超高效液相色谱串联质谱法 ，超高效液相色谱接口与常压化学电离质谱法，液相色谱和气相色谱质谱法 和液相色谱串联质谱法和同位素稀释法 。虽然这些方法经过充分验证且被广 泛接受，但是它们需要相对昂贵的设备，先进的专业技术，成本高，且费时。 电化学技术由于其高灵敏度，简单性和容易小型化的特点，已被认为作为现场 检测苏丹红I的最佳方法。 1）气相色谱法。气相色谱法是将苏丹红衍生化后生成可挥发物质，利用气 相色谱仪进行分离、检测的方法。2007 年，申素芳等采用乙酰丙酮衍生，电子 捕获检测器测定水中的溴酸根离子，该方法的检测范围是 3.892g/L，检出限 可.75g/L，基本可以满足食品中苏丹红的检测要求。比较于食品检测中的化学 滴定法和分光光度法，气相色谱法虽可满足饮用水中的痕量检测，但衍生化反 应的操作较难控制，衍生试剂的毒性较大，限制了液相色谱法在测定苏丹红中 的应用。 2）离子色谱分析法。离子色谱分析法是分析食品中苏丹红最主要的检测方 法，也是国标 GB8537-2008 中使用的方法。利用离子交换原理，可以同时对多 种共存阴离子或阳离子进行分离，从而定量测定的分析方法。离子色谱仪一般 由输液泵、进样阀、分离柱、抑制柱和检测器几部分组成。 2006 年，岳银玲采用碳酸盐淋洗液，抑制型电导检测器，在 5100g/L 的浓度范围内呈良好的线性关系，检测限为 0.5g/L。2005 年，史亚利等通过 采用容量高、亲水性强的阴离子交换柱，在线产生氢氧化钾淋洗液，大体积进 样，建立的检测苏丹红的方法，检出限为 0.2g/L。离子色谱与质谱联用技术也 被广泛地应用在食品中苏丹红的分析中。质谱（MS）、串联质谱（MS-MS ） 和电感耦合等离子体质谱( ICP-MS)作为检测器比电导率检测器具有更高的选择 性和灵敏度，能够提供低至 ng/L 的检出限。2005 年，沈金灿等建立了离子色 谱电感耦合等离子体质谱联用技术（IC-ICP-MS）测定食品中苏丹红的方法。 离子色谱作为高效液相色谱的一个新的发展，选择新的洗脱液、合成新的 低交换容量离子交换树脂和高灵敏度的检测器方面有广阔的发展前景。但对于 饮用水溴酸根的检测，此法使用仪器昂贵，分析成本过高，预处理费时复杂。 1.2 发展趋势（文献综述） 苏丹红的检测目前仍然以高效液相色谱法，气相色谱质谱联用法，光度分 析法等为主，同时电化学方法检测苏丹红也已经得到的巨大的发展，主要有极 谱法，伏安法，分子印迹法等。但是，针对检测苏丹红的电化学传感器在低检 测下限、高灵敏度、快速的响应电流和较宽的线性范围等方面都有再创新和提 高的空间。 研究创新修饰电极需做好以下工作：基底电极的选择、实验药品（催化剂） 的选择、修饰电极的制备和电化学行为检测条件的探索。 1.2.1 基底电极的选择 基底电极有多种，如碳糊电极、石墨糊电极和玻碳电极。玻碳电极是用途 最广泛的工作电极之一。它是一种较好的惰性电极，具有导电性好、硬度高、 光洁度高、氢过电位高、极化范围宽、化学性稳定等优点，可作为惰性电极直 接用于阳极溶出，阴极和变价离子的伏安测定，还可以作化学修饰电极。玻碳 电极表面会受到一些有机物金属化合物的污染，影响测量（不出峰，出杂峰， 不重现），所以测量前都须作清洁处理，主要方法有：1）硝酸浸泡和擦洗； 2）以氨水无水乙醇或乙酸乙脂 1：1 浸泡擦洗；3）用酒精擦洗后再以 NH3CL 或 NH3OH 浸泡；4）电化学处理：在-1.80.8V（除氧）电压范围内反复极化； 若严重污染和有麻坑，划痕可作机械处理，MgO 粉（200 目以上）放在湿绒布 上，加少量水抛光。可根据电极情况几种方法联合使用。 瞿万云等（2009）利用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠增敏效应研究苏丹红 1 号在碳糊电极上的电化学行为，电流响应非常灵敏，线性范围为 0.2 M15 M，检出限为 0.06 M。虽然检测效果非常明显，但是检出限还是不够低。 张晶（2012）用膨胀石墨糊电极检测苏丹红 1 号，检测范围从 0.005 M 到 7.0 M，检出限为 0.0009 M。虽然检测限非常低，但线性范围不广。因此，目 前用于测定苏丹红的电极大多选择玻碳电极。罗宿星等（2012）利用壳聚糖 氧化石墨烯自组装膜修饰玻碳电极测试苏丹红 1 号，线性范围为 0.06M5.0 M，检出限为 0.045M。很明显，这种电极的检测范围很窄。 此外，修饰电极组装也很麻烦。Huanshun Yin（2011 ）将 Fe3O4 纳米粒子修饰 到玻碳电极上，检测苏丹红 1 号有良好的电流响应，线性范围为 0.01M20 M，检出限为 0.001。比较发现，Fe3O4 纳米粒子修饰的玻碳电极 测试苏丹红比其他修饰电极有非常明显的优势。 玻碳电极抛光：先在 1.0m的磨料上打磨，然后在 0.05m的磨料上抛光， 然后转移到乙醇和去离子水中超声。超声时间一般不超过半小时。 1.2.2 催化剂 碳纳米管/杂多酸为广泛研究的催化剂组合。碳纳米管 /聚苯胺、碳纳米管/ 聚中性红、碳纳米管/普鲁士蓝、杂多酸/聚吡咯等组合催化剂修饰于玻碳电极上， 用于检测苏丹红，都有不错的催化作用，但检测下限和响应电流的变化都不够 理想。 2012 年，罗宿星等将锰卟啉/氧化石墨烯-多壁碳纳米管直接修饰在玻碳电 极上，得到的修饰电极进行苏丹红 1 号检测，有良好的电流响应，检测下限达 到 0.02M，检测范围为 0.05M15M，此法测定苏丹红 1 号效果明显，但修 饰电极制作较困难，且费时。目前，对于苏丹红系列的测定，研究苏丹红 1 号 的比较多，但也有苏丹红、测定的报道。罗宿星等（2012）利用多壁 碳纳米/磷钨酸复合膜修饰电极差分脉冲伏安法测定苏丹红 4 号，得到较宽的线 性范围（1M40M ） ，但检出限仅为 0.8M，实际应用并不突出。陈美凤等 （2013）用银-氨基乙酸复合膜直接修饰玻碳电极，循环伏安法测定苏丹红 ，在装有 pH=3 的磷酸盐缓冲溶液中，苏丹红 在修饰电极上有较强的电流响 应。检测线性范围为 0.3M40M，检出限为 0.09M。检测效果比较理想。 综合考虑比较，本课题设计采用 Au-氨基乙酸/氧化石墨烯-多壁碳纳米管修饰 玻碳电极测定苏丹红。修饰电极特性： 1）多壁碳纳米管（MWNTs)具有优良的物化性能，为电分析领域广泛关注， 但其表面的疏水性及管间的相互作用使其在溶液中的分散性受到影响，限制了 其应用范围。为增加其水溶性，一般要对其进行长时间的酸处理。 2）氧化石墨烯表面含有大量的含氧基团，如环氧基、羟基、羧基等，利用 GO 的特殊性质与碳纳米管形成杂化材料，使得纳米层之间的范德华力被破坏， 可提高分散性能。 3）石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料，其中碳原子在其中以六圆环的 形式存在，石墨烯上长程有序的 键电子结构使其具有独特的热性能、力学性 能和电学性能。 4）具有电子转移和储藏能力，固体化合物具有较高的热稳定性。 5）金纳米粒子具有良好的催化活性。 1.2.3 修饰电极的制备 通常来说，苏丹红修饰电极有五种方法，即为吸附法，电化学沉积法，聚 合物掺杂法，自组装法，LB(Langmuir-Blodgett)膜法。 1）吸附法：将待修饰的电极置于含杂多酸的修饰液中，浸渍一定的时间后 取出电极，用蒸馏水冲洗电极表面片即可。1998年，万其进等用吸附的方法制 备了硅钨钴杂多酸修饰玻碳(GC)电极，此电极具有很好的稳定性，对亚硝酸根 具有较好的催化作用。吸附法制备修饰电极具有简单、直接的优点，但它的缺 点也很明显：吸附层几乎不重现，而且吸附的修饰剂会逐渐失掉。 2）电化学沉积法：将电极在含有杂多酸修饰液中在一定电位下电解一定时 间，就可得到杂多酸修饰电极；或者将需要修饰的电极在修饰液中在一定的电 位范围内进行循环伏安扫描，当扫到一定次数后电极表面会修饰上有催化作用 的膜。采用此种方法制备的修饰电极具有很好的稳定性，但该方法制备的修饰 膜结构比较复杂，并不完全等同于原始沉积试剂。 3）聚合物掺杂法：采用导电聚合物(如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩)和非导电 聚合物( 如聚乙烯基吡啶) 的键合、包埋和掺杂，把苏丹红固定在电极表面。 4）自组装法：基于分子的自组作用，在固体表面上自然地形成高度有序的 单分子层。自组装膜可以形成双层膜或者是由单层膜组成的多层膜，但它必须 是组织重现的而且要使无序状态达到最小。 5）LB(Langmuir-Blodgett)膜法：用于制备无机有机复合膜。 显然，吸附法是最简单的制备修饰电极方法，而碳纳米管具有强烈的化学 吸附作用，将按比例混合的杂多酸超声分散在碳纳米管中则能均匀的吸附在玻 碳电极上。 1.2.4 电化学行为检测条件的探索：1）碳纳米管和苏丹红的混合比例；2）电解 质pH值的影响；3）扫速；4）电位范围；5）干扰离子； 6）检测下限和线性范 围。 三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）： （一）重点与难点 1.重点 (1)掌握修饰电极表面电催化机理; (2)电化学传感载体的性质，选择适当的电极及修饰物质； (3)电化学传感载体性质及如何制备传感膜并修饰电极； (4)WMNTs-GO/金纳米/氨基乙酸电极制备及最佳条件探索。 2.难点 (1)与苏丹红作用的物质的选择，不能确定在测定时反应是否发生； (2)修饰电极测苏丹红最佳条件的选择； (3)测定各种性能参数有可能得不到结果； (4)选择不同物质、不同方法自组装电极以放大响应电信号； (5)制备的电极的可用性及电极使用效果； (6)由于仪器或者方案的原因，实验过程中可能经历多次失败。 （二）研究手段 1、仪器与试剂 1）仪器:电化学检测均在 CHI 电化学工作站上进行，采用三电极系统，玻碳电 极（直径 2mm）作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为对电极， KQ-3200B 超声波清洗机，85-2 型恒温磁力搅拌器 pH 计，电子分析天平，微量 注射器，扫描探针显微镜，50mL 容量瓶多个。 2）试剂: 多壁碳纳米管MWNTs（纯度为98% ，长度为 12m，直径范围是 1020nm，比表面积为 30400m2/g，无定形碳小于3%），氧化石墨烯，氯金酸， 浓硫酸，硝酸钾，铁氰化钾，磷酸溶液（AR）， NaH2PO42H2O固体，氯化钠 固体，氯化钾固体，氯化铵固体，硫酸钠固体，草酸钠固体，无水乙醇，浓硝 酸，N，N-二甲基甲酰胺，Nafion。 2、实验 2.1 实验流程 电极预处理修饰膜制备电极表征电化学活性实验条件优化样品测试 2.2 实验步骤 1）玻碳电极预处理 将玻碳电极先用 1.0，0.3，0.05m 的 Al2O3 打磨至镜面，用蒸馏水清洗干净， 用乙醇、水分别超声清洗 5min，再在 0.1mol/L 的硫酸溶液中，于 0.2-0.75V 电位范围内循环伏安扫描，直到得到稳定的循环伏安扫描图，取出电极用去离 子水冲洗干净，自然晾干后备用。 2）修饰玻碳电极 取 WMNTs 酸化处理，得到羟基化的碳纳米管提高其分散性，干燥保存。将 WMNTs 与 GO 按照 1:1 的比例混合在 0.01的 Nafion 乙醇溶液中（各为 1mg/mL）超声分散得到 WMNTs/GO-Nafion 分散液。取 5 微升的分散液滴在电 极上等其干燥，在滴金纳米粒子修饰电极，最后将电极插入氨基乙酸溶液中进 行电沉积，得到修饰好的 GC/WMNTs/GO/氨基乙酸聚合膜电极。 3）修饰电极表征 将裸电极和修饰电极分别在 pH=2.0 的 PBS 缓冲溶液中于电位 0.2-0.8V 间扫速 为 150mV/s 下测定循环伏安曲线，做 SEM 图。 4）修饰电极的电化学活性 将修饰电极分别在含有 5mmol/L 苏丹红溶液和无苏丹红的溶液中 于电位 0.2- 0.8V 间扫速为 150mV/s 下测定循环伏安曲线。 5）实验条件优化 探索氨基乙酸，碳纳米管， 氧化石墨烯和金纳米最佳比例及电沉积最佳条件； 最佳 pH；最佳扫速 6）样品测试 在优化条件下测修饰电极的稳定性、重现性、苏丹红线性范围及最低检出限、 选择性、回收率等等。 3、创新点及取得的预期成果 3.1 创新点 利用玻碳电极对苏丹红有响应的报道尚有，但多为单层修饰电极，复合形式修 饰的复合膜报道的不多。 3.2 预期成果 1）大幅度增大苏丹红电流响应信号，提高灵敏度和检出限。 2）有效检测出一些食品中的的苏丹红。 四、设计（研究）进度计划： 时间 工作任务 3 月4 月 8 日 1. 查看任务书，了解课题要求； 2. 查找关于检测苏丹红电极的制备与分析的文献； 3. 翻译英文文献； 4. 写文献综述，完成开题报告。 4 月 9 日5 月中旬 1. 搜集实验所需的药品，以及分析所需的仪器； 2. 熟悉仪器的操作方法，并对其进行调试； 3. 根据实际条件，完善实验方案，并开始实验； 4. 做好实验数据的记录； 5. 分析和解决实验中存在的问题； 6. 对整个实验中期进行总结。 5 月中旬6 月 1. 收检仪器和药品，归还原位； 2. 按要求完成毕业论文，并装订成册（12000 字） ； 3. 准备毕业论文答辩。 五、参考文献： 1谌创业.基于杂多酸修饰电极的电化学行为研究. 硕士学位论文 2杜金艳，黄玉成，吕桂琴，吴华强. 在玻碳电极上的多层62139()SiMnHOW 组装膜修饰电极及电化学行为.分析测试学报.2008 ,27(3）:293-295. 3 Sylwia Zoladek, Iwona A. Rutkowska, Pawel J. Kulesza.Enhancement of activity of platinum towards oxidation of ethanol by supportingon titanium dioxide containing phosphomolybdate-modied gold nanoparticles.Applied Surface Science 2011 (257) :8205 8210. 4Chuangye Chen,Yonghai Song,Li Wang.Electrochemical behavior and its electrocatalytic properties of chemically modified electrode with Keggin-type .Electrochemical Acta. 2009(54)1607-1611.62139()SiNHOW 5Yu-Tsern Chang, Kuo-Chiang Lin, Shen-Ming Chen .Preparation, characterization and electro catalytic properties of poly(luminal) and polyoxometalate hybrid film modified