（应用化学专业论文）化学修饰电极在食品分析中的应用.pdf

化学修饰电极在食品分析中的应用摘要 摘要 随着人们生活水平的提高，食品的功能性和安全性越来越受到重视，食品分 析的地位日益突显。本文研究了化学修饰电极在食品分析中的应用。 考查了曲酸在玻碳电极上的电化学行为，示差脉冲伏安法( d p v ) 可应用于 测定曲酸，然而测定样品时裸电极的稳定性差；s 0 1 g e l 修饰电极稳定性增强，在 o 3m o l l 、p h = 5 0 的n a a c h a c 缓冲溶液中，用溶胶一凝胶( s 0 1 g e l ) 修饰电极以 半微分线性扫描伏安法测定曲酸，线性范围为2 1 0 一一7 1 0 4m o l l ，测定食品 中曲酸时相对标准偏差( r s d ) 不超过5 1 ( n _ ；在相同的条件下，考查了曲酸 在多壁碳纳米管( w c n t s ) 修饰电极上的电化学行为，发现w c n t s 修饰电极测 定曲酸d p v 峰电流明显增加，峰电位不变。检测的线性范围为1 1 0 一l 1 0 3 m o l l ，检测限为8 1 0 。6m o l l 。测定食品中曲酸r s d 不超过4 5 ( n = 5 ) 。结果表 明：w c n t s 修饰电极提高了电化学分析灵敏度和稳定性，可直接测定食品中曲 酸。 研究了用m w n t s 修饰电极d p v 直接测定食品中麦芽酚的方法。在0 3 m o l l 、 p h = 8 5 的n h 3 - n h 4 c 1 缓冲溶液中，相对裸电极，修饰电极的d p v 峰电流显著提 高，峰电位不变。检测的线性范围为8 x1 0 一1x1 0 1m 0 1 l ，检测限为6 1 0 4 m o l l ，测定饮料等样品时r s d 不超过4 6 ( n _ 5 ) 。结果表明：测定食品中麦芽酚 时，修饰电极提高了电化学分析灵敏度和稳定性，可直接测定食品中麦芽酚。 关键词：曲酸：麦芽酚：化学修饰电极；伏安法；溶胶凝胶；多壁碳纳米管 作者：周君 指导教师：狄俊伟 化学修饰电极在食品分析中的应用 a b s t r a c t c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e ( c m e ) i sa p p l i e di n f o o d a n a l y s ef i e l d a b s t r a c t w h e nl i f el e v e lo fp e o p l eh a sb e e ni m p r o v e d ，p e o p l ew i l lp a ym o r ea t t e n t i o nt o f u n c t i o na n ds a f e t yo ff o o d f o o da n a l y s e sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h et e x t t h ea p p l i c a t i o no fc h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e s ( c m e ) i nf o o da n a l y s e sh a sb e e n s t u d i e d t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fk o j i ca c i dw i t hag l a s s yc a r b o n ( g c ) e l e c t r o d e w a si n v e s t i g a t e d t h ec o n t e n t so fk o j i ca c i dw e r em e a s u r e db yd i f f e r e n t i a lp u l s e v o l t a m m e t r y ( d p v ) h o w e v e r , i tw a sn o ts a t i s f i e di nr e a ls a m p l ea n a l y s e s i nt h e s o l u t i o no f0 3m o l l p h = 5 0n a a c - h a c ，k o j i c a c i dw a sd e t e r m i n e d b y s e m i - d i f f e r e n t i a ll i n e a rs w e e pv o l t a m m e t r ya tas i l i c as o l g e lm o d i f i e dg ce l e c t r o d ei n t h ec o n c e n t r a t i o n 。r a n g eo f2 1 0 。5 - - 7 1 0 4m o l l t h er s df o rf o o da n a l y s e sw a s 5 1 ( n = 4 ) a n dt h es o l - g e lm o d i f i e dg ce l e c t r o d ei ss t a b i l i t y i nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h e v o l t a m m e t r i cb e h a v i o ro f k o j i ca c i da tm w n t s m o d i f i e dg ce l e c t r o d ew a si n v e s t i g a t e d t h eo x i d a t i o np e a kc u r r e n to fk o j i ca c i do nt h em o d i f i e de l e c t r o d ei n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dw i t l lt h a t o nab a r eg ce l e c t r o d e t h ep e a kp o t e n t i a ld i dn o t c h a n g ea n dt h ep e a kc u r r e n tw a sl i n ew i t hi t sc o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f1 1 0 一一1 1 0 m o l li nd p vm o d e t h er s df o rs a m p l ea n a l y s e sw a s4 5 ( n = 5 ) t h er e s u l t s s h o w e dt h em w n t s m o d i f i e dg ce l e c t r o d ec o u l di m p r o v ei t se l e c t r o c h e m i c a l s e n s k i v i t ya n ds t a b i l i t y i th a db e e na p p l i e dt ot h ed i r e c td e t e r m i n a t i o no fk o j i ca c i di n f o o d an e wm e t h o dw a sp r o p o s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fm a l t o li nf o o du s i n g m w n t s m o d i f i e dg ce l e c t r o d eb yd p v i nt h es o l u t i o no f0 3m o l lp h = 8 5 n h 3 一n i - 1 4 c i ，t h eo x i d a t i o np e a kc u r r e n to fm a l t o lo nt h em w n t s m o d i f i e dg c e l e c t r o d ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dw i t ht h a to nab a r eg c ea n dt h ep e a k p o t e n t i a ld i dn o tm o v e t h ep e a kc u r r e n tw a sl i n ew i t hi t sc o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f i 【 化学修饰电极在食品分析中的应用 a b s ”a c t 8 1 0 _ 6 一l 1 0 。m o l l t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s6 1 0 _ 6m o l l r s df o rs a m p l e a n a l y s e sw a s4 6 ( n = 5 ) t h er e s u l t ss h o w e dt h em w n t s m o d i f i e dg ce l e c t r o d eh a d g o o da n a l y s i sc h a r a c t e r i tc o u l di m p r o v ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s i t i v i t ya n ds t a b i l i t y i th a d b e e na p p l i e dt ot h ed i r e c td e t e r m i n a t i o no fm a l t o li nf o o d k e yw o r d s ：k o j i ca c i d ；m a l t o l ；c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e s ；v o l t a m m e t r y ；s o l g e l ； m u l t i c a r b o nn a n o t u b e s ； 1 1 1 w r i t t e nb y ：j u nz h o u s u p e r v i s e db y ：j u n w e id i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明本人承担本声明的法律责任。 研究生签名。盘盖些日期：盘：生! f 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合 作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布 ( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理 研究生签名：盘兰盔监日期：! i ：垒丛 导师签名：l i 妊盔日期：r ! 兰生 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 第一章序言 1 1 食品分析方法 食品分析是食物营养评价与食品加工过程中质量保证体系的一个重要组成部 分【l 2 】，随着人们生活水平的提高，特别是我国加入w t o 后，我国农产品走向世 界的关税壁垒将逐渐被技术壁垒所取代，食品的功能性和安全性越来越受到重视， 如食品的功能成分，有毒有害物质，添加剂等分析的精度和检测限要求越来越高。 此外，很多时候对食品品质的控制要求能实现在现场无损检测，快速获得检测结 果。因此，近年来食品仪器分析的发展十分迅速，再加上一些先进的科学技术不 断渗透到食品分析中，许多高灵敏度、高分辨率的分析仪器越来越多的运用于食 品分析，形成了日益增多的分析仪器和分析方法。其分析方法以气相色谱f g c ) 法、 高效液相( h p l c ) 法及其联用技术、紫外州) 、红外( i r ) 、核磁共振( n m r ) 、流动 注射分析法、荧光光度计及电化学分析法等为主，加上计算机的飞速发展，有力 推动了食品仪器分析的发展，使得食品分析向着微量、快速、自动化的方向发展。 ( 1 ) 气相色谱法( g c ) 目前，g c 无论在理论还是技术上都已成熟，当气相色谱法与计算机联用后， 不仅能迅速准确地给出分析结果，而且一台计算机还能控制几十台色谱仪分别按 各自程序进行自动分析。食品分析涉及营养成分分析、食品添加剂分析和食品中 污染物和有害物质的分析。在这几个方面气相色谱都能发挥其优势。重要的营养 组分如氨基酸、脂肪酸、糖类都可以用g - c 进行分析。食品的添加剂有千余种，其 中有许多可用g c 来检测。食品中的污染物如农药残留量很多都是用g c 进行分析 的【3j 。目前g c 技术已很成熟，而特殊功能固定相( 包括高选择性、高温、长使用 寿命等) 、高效分离性及高灵敏、高选择检测器及检测方法的发展仍是今后值得努 力的方面【4 】。 ( 2 ) 高效液相色谱法 高效液相色谱法是以液体为流动相的色谱分析法【5 1 ，是近2 0 年迅速发展起来的 一项分离分析技术，它具有适用范围广、分离效率高、速度快、灵敏度高及专一 性佳等特点，广泛应用于食品的质量控制及毒物分析等方面。进行食品分析时， 化学修饰电极在食品分析中的应用第一荜序言 首先是正确地采集样品，经过粉碎制成均匀的试样，再经过萃取、精制等前处理， 将被测组分分离出来，最后经测定得出分析结果。 用h p l c 分析食品添加剂是相当成熟的方法，如用梯度洗脱分析食品中的合成 着色剂，用梯度洗脱分析食品中的防腐剂( 苯甲酸、山梨酸、脱氢乙酸、对羟基苯 甲酸酯类) 、甜味剂( 糖精钠、甘草苷等) 、抗氧化剂( b h a 、b h t 、p c 、n d g a 等) 。 上述方法均反相h p l c u v 分析样品，流动相多为水、甲醇、四氢呋喃、乙腈等。 其缺点是专用性太强，流动相的选择受到一定限制，尽管如此，在食品科学 家所面临的问题中，要分离的高极性和不挥发性物质要比挥发性物质多得多，因 此液相色谱在实验室中的用途i ：| ：g c 更有潜力。 ( 3 ) 联用技术 由于食品的复杂性、测量难度、要求信息量及响应速度在不断提高，单一的 分离、分析技术已不能满足要求。色谱法最初仅仅是作为一种分离手段，直至1 j 2 0 世纪五十年代，人们才开始把这种分离手段与检测系统连接起来，而成为一种独 特的分析方法，是几十年来分析化学中最富活力的领域之一将几种方法结合起来， 其中特别是分离技术( o c 法、h p l c 法、c e 法、h p c e 法) 和鉴定方法( 质谱m s 分析、 红外光谱分析，电分析法等) 结合组成的联用分析技术，不仅有可能将它们的优点 汇集起来，取长补短，起到方法间的协同作用，从而提高方法的灵敏度、准确度 以及对复杂混合物的分辨能力，同时还可获得两种手段各自单独使用时所不具备 的某些功能，因而联用分析技术已成为当前食品仪器分析发展的主要方向之一。 例如：如色质联用技术是目前解决食品复杂未知物定性问题的有效工具之一，液 相色谱质谱联用也将会成为一种普通技术。h p l c 和毛细管电泳与m a l d i t o f m s 质谱联机的发展，将使微量蛋白质的鉴定，转译后修饰和二硫键定位等成为一种 快速的日常操作。c e m s 法也可用于食品分析中，如农用化学物质，杀虫剂、无 机化合物的测定。如用c i t p c z e e s i m s 法测定扇贝组织中的麻痹贝类毒素【6 j 。刘 维涓等用氢焰检测器或催燃检测器( c c d ) 气相色谱对烟用香精进行了快速分析【7 】。 电泳、色谱技术电化学检测联用技术等也有大量应用【8 】。 ( 4 ) 荧光光度法 荧光分析是近年来发展较迅速的痕量分析方法，在食品中得到了广泛应用， 尤其在农药残留量、维生素、黄曲霉毒素等的分析中占有相当重要的地位。白尔 2 化学修饰电极在食品分析中的应用第一牵序言 隽用放射性同位素x 射线荧光法测定碘含量，该法快速无损、满足现场定量测定的 需要【9 】黄卓尔用g c 一原子荧光法( a f s ) 测定鱼类中甲基汞( m h g ) 【1 0 】。 ( 5 ) 可见与紫外分光光度法 分光光度法是许多物质常用的分析方法。从2 0 世纪5 0 年代开始，出现了一些 新的分光光度法，例如双波长分光光度法、导数分光光度法及三波长法等；还有 一类方法是通过对测定数据进行处理后，同时得出所有共存组分各自的含量，如 多波长线性回归法、最d , - 乘法、线性规划法、卡尔曼滤波法和因子分析法等。 这些近代定量分析方法的特点是不经化学或物理分离，就能解决一些复杂混合物 中各组分的含量测定，在消除干扰，提高结果准确度方面起了很大作用。 但总体而言，大部分计算技术多限于合成样品或模拟样品，要使计算方法发 挥更大的作用，还需积累更多的化学干扰信息，并使基本数据如摩尔吸光系数测 得更加准确。 ( 6 ) 近红外光谱技术c n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，m r ) 近红外光是一种介于可见光和中红外光之间的电磁波，近红外光谱技术在2 0 世纪5 0 年代中后期首先被应用于农副产品的分析中，但由于技术上的困难，发展 缓慢。直到上世纪8 0 年代中期随着计算机技术的发展和化学计量学研究的深入， 加上近红外光谱仪器制造技术的日益完善，才使近红外光谱分析测量信号达到数 字化。另外由于近红外光谱吸收弱，可对样品进行简单的预处理后直接进行漫反 射分析，避免了预处理时损伤样品，实现无损检测：同时因不需要化学试剂使分 析操作达到绿色化，从而成为9 0 年代最引人注目的光谱分析技术。近红外定量分 析因其快速、准确已被列人世界谷物化学科技标准协会和美国谷物化学协会标准， 成为世界食品分析标准的检测方法之一。用n i r 法可测定大豆、油菜籽、葵花籽等 饼粕中的蛋白质、脂肪( 残油) 、水分、灰分等指标。n i r 也可作为一种非破坏性方 法用来测定花生中的油含量【l ”。 ( 7 ) 核磁共振( n m r ) n m r 技术最初只应用于物理科学领域，随着超导技术、计算机技术和脉冲傅 立叶变换波谱仪的迅速发展，目前，核磁共振已成为鉴定有机化合物结构和研究 化学动力学等的极为重要的方法，其功能及应用领域正在逐步扩大【1 2 , 1 3 。核磁共 振技术在食品科学领域中的应用始于7 0 年代初期，主要用于研究水在食品中的状 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 态。由于n m r 技术具有其他方法难以比拟的独特优点，即定性测定不具有破坏性、 定量测定不需要标样，因此核磁共振技术在食品中的应用和发展也越来越广泛。 例如物质水分的测定、s l n 品的研究、淀粉结构和性质的分析等【l ”。 仪器新功能的开发利用与成本的降低可拓宽本方法的应用领域。 ( 8 ) 高效毛细管电泳( h p c e ) 在最近几年，高效毛细管电泳受到食品分离分析科学家的极大关注，成为食 品分析中最受瞩目，发展最快的一种分离分析技术。毛细管电泳在食品分析中的 应用主要包括蛋白质、糖类、维生素、矿物质、有机酸、食品添加剂、农药残留 量、生物毒素、抗生素残留量和食品中其它一些物质的测定【6 1 。例如采用胶束电动 毛细管色谱分离，激光诱导的荧光检测法可在几十秒内分离出黄曲霉毒素。又如 王文等用毛细管电泳在1 lm i n 内对饮料中五种合成色素和两种防腐剂进行分析l l ”。 对样品珍贵、基体复杂的生物大分子，h p c e 技术更展示出特有的分离能力与极大 的应用前景。 而如何抑制和消除管壁对蛋白质( 特别是碱性蛋白质) 和氨基酸的吸附，往往是 蛋白质和氨基酸毛细管电泳分离的关键 4 1 。 ( 9 ) 现代酶法 酶是一种生物催化剂，生物体内的各种生化反应，几乎都是在酶的催化作用 下进行的，酶的催化具有专性强，催化效率高和反应条件温和等特点。酶分析法 在食品分析中的应用主要有两个方面：第一，以酶为分析对象，根据需要对食品 加工过程中所使用的酶和食品样品所含的酶进行酶含量或酶活力的测定：第二， 利用酶的特点，以酶作为分析工具或分析试剂，用于测定食品样品中用一般化学 方法难于检测的物质。酶法分析常用于结构和物理化学性质比较相近的同类物质 的分别鉴定和分析，而且样品一般不需要进行很复杂的预处理。此外，由于酶的 催化效率很高，酶反应大多比较迅速，酶法分析的分析速度也比较快。 目前，以酶作为分析试剂用于食品分析检测的酶法分析，在方法基础研究、 检验仪器和设备、酶试剂的供应、标准分析方法的制定以及应用范围，与国外相 比还有很大的差距【1 6 】。 ( 1 0 ) 流动注射分析( f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ，f i a ) 流动注射分析是1 9 7 5 年以来迅速发展起来的一种溶液自动分析及处理技术。 4 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 f i a 技术自从其诞生以来，由于其具有自动化程度高、操作灵活等较强的技术特点， 通过运用各种流路和利用不同的检测器和技术，通过与光度法、色谱法、化学发 光法等联用在食品分析等行业得到广泛的应用【1 7 】。可测定食品中维生素、糖、添 加剂等成分。 存在的问题：f i a 方法标准化速度太慢；蠕动泵长期运转的稳定性不理想；注 入阀常出现泄露现象；由于光孔不够光滑，流通池常有小气泡的附着问题；通道 多时，难于控制。诸多不稳定因素加在一起，整体仪器的长期稳定性就很难做到。 一次实验很容易得到良好的重现性，但很难每天都得到灵敏度相近的重现性。 ( 1 1 ) 化学发光分析 化学发光分析具有灵敏度高、线性范围宽，分析速度快、仪器设备简单等优 点，所以应用较广。选择合适的发光体系( 如鲁米诺化学发光体系，光泽精化学 发光体系等) 可对抗坏血酸【1 8 l ，糖【1 9 】，氨基酸【2 0 】等物质进行测定。 虽受试剂的杂质污染以及由于浓度极低而带来其它一些问题的限制，但在将 来可能得到进一步的发展，选择有效的发光体系将是今后的研究方向。 f 1 2 ) 电化学分析 电分析方法具有简便、快速、环保、成本低廉等优势。它是食品生产控制、 质量检测、理论研究的新型重要工具。离子选择性电极，极谱分析技术已大量成 功地运用于食品分析。随着电化学传感器、电化学探针、修饰电极等的出现更加 扩大了电化学分析运用于食品分析的领域。 电化学传感器 ( a ) 离子选择性电极 离子选择性电极是一种电化学传感器，在食品分析中发挥了重要的作用，许 多难测定的微量元素可采用离子选择性电极测定，如食品中铅、铬、钾、钙、氟、 氯、柠檬酸、维生素、蛋白质、糖的测定。因此，离子选择性电极在食品分析中 有着广阔的应用前景【2 ”。然而，离子选择性电极就目前的发展水平，在实际应用 中还受到一些限制，电极品种仍限于一些低价离子，主要是阳离子：另一方面， 电极电位值的重现性受实验条件变化影响较大，其标准曲线不及光度法测定的曲 线稳定。由于这些因素的影响，目前许多已制成的离子电极，其实际应用的潜力 尚未充分发挥，不断发现和研制适用特定食品成分分析的新型电极，成为该领域 5 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序 言 继续发展的方向i 。 ( b ) 生物传感器 生物传感器包括酶传感器，微生物传感器，核糖传感器等。由于生物传感器 具有选择性高、操作简便、响应快等优点，使其在食品工业中大有用武之地，不 仅可用于对食品的各种成分分析，还可监控食品生产过程、发酵工艺过程及微生 物浓度。例如：对食品葡萄糖、甜味素、色素、乳化剂、农药和抗生素残留量等 进行分析【2 2 1 。 但是，大多数生物传感器只能完成某一特定指标的分析【2 3 1 ，也不能象免疫分 析一样进行多样品的同时检测，这就使其应用范围受到极大限制；检测的稳定性 仍有待进一步验证，生物识别元件的再生及可重复利用问题并未得到根本解决； 仪器的自动化程度、便携性和现场实用性尚难以令人满意。 极谱分析 ( a ) 经典极谱分析技术 经典极谱分析技术是经济成熟的电化学分析技术。文献报道极谱分析运用于 食品中发色剂( 硝酸盐、亚硝酸盐) 的测定【2 4 】；运用极谱分析的不同方法测定食 品中蛋白质 2 s l ，其中涉及：裸电极和修饰电极的应用比较；催化氢波；研制电化 学探针。例如用有电活性的有机染料茜素红s 作为蛋白质的电化学探针 2 6 1 ，进行 蛋白质的定量测定；预氧化纤维碳电极伏安法测定曲酸【2 7 1 。 ( b ) 化学修饰电极法 化学修饰由于其表面有某些特定性质的官能团，具有分离、选择性渗透，电 催化和改善电极反应可逆性的作用，从而提高测定的选择性和灵敏度。化学修饰 电极法己成功地运用于食品中蛋白质测定【2 5 】。食品添加剂麦芽酚含量的测定【2 8 1 ， 修饰膜使用的是具有渗透性的硅溶胶凝胶膜作为选择性过滤膜，硅溶胶凝胶膜 提高了电极的灵敏度和稳定性。 在上述极谱分析食品中蛋白质的文献中提到：由于蛋白质的空间结构庞大， 电活性中心深埋于多肽键的内部难以直接与电极表面交换电子，且蛋白质易在电 极表面强烈吸附造成电极钝化和蛋白质的变性，因此难以得到有效的电极响应， 对蛋白质在裸电极上的电化学行为研究造成一定的阻力。且其本身或反应产物易 在电极表面吸附，导致电极表面钝化。利用具有特定功能的化学修饰电极可避免 6 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 电极表面的污染，提供三维空间反应场，从而进行电催化测定。 1 2化学修饰电极 1 2 1 化学修饰电极的特性 在电分析化学中，一般所用电极如汞、贵金属和碳等，只有电子授受的单一 作用，溶液中大多数离子在电极上电子转移的速度较慢，而电化学反应一般在电 极表面附近进行，因此要使所要研究的电化学反应都能以充分的效率发生，电极 表面性能如何是很重要的因素。由于受电极材料种类的限制，如何改善现有电极 的表面性能，为电极赋予所期望的性能，便成为电化学工作者研究的新课题。于 是，人们纷纷把眼光投向了如何用化学方法来修饰电极表面，从而使电极达到具 有某种特定性质的目的。 通过沉积、涂层、共价键合、强吸附或聚合物膜方法等手段有目的地将具有 功能性( 如催化、光电等) 的物质引入电极表面，使电极赋于新的、特定功能性 的过程称为电极的化学修饰。所得到的电极称为化学修饰电极( c m e ) 。 化学修饰电极自1 9 7 5 年问世【2 9 ，3 0 】以来，发展极为迅速，它已成为近代电化 学和电分析化学领域中的一个重要研究方向。目前它在分析化学中的应用虽然刚 刚开始，但由于它有如下几个方面的广阔前景引起人们的兴趣：( 1 ) 被修饰的电极 材料可以是导体，也可以是半导体，电极的尺寸可大可小，这将为开拓新的电分 析化学方法或其它分析方法提供基础。( 2 ) 因为在电极表面可按人们的意愿和需要 接上不同的官能团，所以可制得一系列不同类型的修饰电极，每一修饰电极对溶 液中存在的各种物质的响应也不同，因而它具有良好的选择性。( 3 ) 化学修饰电极 的灵敏度比一般电极高，这为痕量或超痕量分析的进一步发展提供有力的手段。 化学修饰由于其表面有某些特定性质的官能团，具有分离、富集和改善电极反应 可逆性的作用，从而提高测定的选择性和灵敏度。 1 2 2 化学修饰电极在分析化学中的应用 自从化学修饰电极( c m e ) 问世以来，其在电分析化学中的应用一直是一个重 要的研究领域，这是因为电分析化学中所用的电极存在着一定的问题，如沉淀的 沾污、吸附现象的存在，一些物质在电极上有较大的超电位而使电极反应速度变 化学修饰电极在食品分析中的麻用第一章序占 慢，电极只有电子授受作用，而没有选择性等。这些缺陷限制了电分析化学方法 在很多方面的应用，化学修饰电极为这些问题的解决提供了途径。 化学修饰电极是通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计，将具有优良 化学性质的离子、分子、聚合物固定在电极表面，形成某种微结构，赋予电极某 种特定的化学或电化学性质，以使其高选择地进行所期望的反应。c m e 用于分析 化学，在提高选择性和灵敏度方面具有独特的优越性。利用c m e 表面微结构所 提供的多种势场，使待测物进行有效的分离富集，并借控制电极电位，进一步提 高选择性，而且还能把测定方法的灵敏度和化学反应的选择性相结合。成为分离、 富集和测定三者合而为一的理想体系。同时，c m e 可以实现无试剂，少污染，可 活体测定等优点，因此c m e 用于分析化学的前途是广阔的。其中常用的c e m 修 饰碳糊电极( c m c p e ) 和修饰玻碳电极( c m g c ) 等等。 由于c m e 表面修饰层的存在，使修饰电极的分析原理与裸电极有所不同， 其在分析化学的应用主要包括：电催化、选择渗透、选择富集分离、电化学传感 器等 3 1 , 3 2 ，其中最常见的和应用最为成功的选择富集和电催化法。 ( 1 ) 选择富集 修饰电极表面能对被测物进行富集、分离是其用于分析测定的主要原因之 一，待测物通过与电极表面修饰的化学功能团发生配合、离子交换、共价键合等 反应而被富集、分离。这方面的分析应用的离子较多：如金属f e 3 3 】、a g 3 4 】和胺口5 】 的测定。 ( 2 ) 电催化 电催化反应是化学修饰电极的研究重点。化学修饰电极的电催化作用用于分 析目的有：增大电流响应，降低检测限；防止被测物及产物在电极表面的吸附；降 低底物过电位，使可能的干扰及背景降至最小。抗坏血酸( v c ) 广泛存在于食物、 药物、人体中是维持人体生命的重要成分之一。利用化学修饰电极的测量方法， 其突出的特点是电极的稳定性好，灵敏度高，对v c 有良好的电催化氧化作用，可 选择性地测定药物中的v c ，同时，电极制作简单，价格地；低廉，使用方便【3 6 】。 孙元喜等【”】将中性红r ) 在弱酸性溶液中于玻碳电极表面电氧化聚合成膜，对v c 和亚硝酸盐等有电催化作用，可用于定量测定v c 和亚硝酸盐。 ( 3 ) 选择性渗透 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 修饰在电极表面的膜具有渗透性，有选择地使某种分子或离子透过孔，起到 分子筛的作用。它是基于溶液中分子或离子的大小及荷电、空间结构等的差异而 在修饰膜上分离。合适的膜即要对干扰物质有交排阻，又能使被测物在膜中快速 扩散。实际工作中可以采用的渗透性修饰膜为数不多。n a t i o n 、聚乙烯毗啶、p v c 、 水解的醋酸纤维丝、溶胶凝胶等。张峰等【2 8 1 用溶胶凝胶做选择性渗透膜用于食品 添加剂麦芽酚含量的测定。 ( 4 ) 电化学传感器 电化学传感器依修饰物的性质可分为两大类，生物传感器如酶电极等，以及 聚合物薄膜传感器。聚合物薄膜作为电位传感器的特点可归结为：响应时间快、 无记忆效应、洗涤平衡时间短，检测下限低。另一方面，聚合物薄膜是牢固地接 着在电极表面上的，不易发生活性体的流失，故其重现性好，电极的寿命长，而 且还有抗干扰、制备和使用方便等优点，很适于生物体液中物质的测定吲。生物 传感器在食品分析中的应用有：生物传感器检测水产品生化质量指标和检测水产 品中环境危害因子：病原微生物中的毒素、重金属和药物残留【2 3 】：生物传感器对 食品中糖、色素、乳化剂、农药和抗生素残留量等进行分析【2 2 】等等。 1 3碳纳米管及其修饰电极在电分析中的应用 1 3 1 碳纳米管的性质 碳纳米管( c n t s ) 自2 0 世纪9 0 年代初被发现以来 3 9 , 4 0 ，因其具有许多奇特的 物理和化学性能，被誉为“纳米之王”。( c n t s ) 可以分为单层碳纳米管( s w n t s ) 和多层碳纳米管( m w c n t s ) 。由于其结构的不同，它既可呈金属导电性，亦可呈 半导体特性【4 i 】；它具有接近自然界材料理论上的最高强度，比一般的钢要强上百 倍，但比重只有钢的六分之一；碳纳米管还具有极好的场致电子发射性能、高频 宽带电磁波吸收特性以及导热、储氢、吸附和催化性能等：另外还具有比表面积 大、量子效应明显、稳定性高以及大的长径比等特性。由于碳纳米管的这些独特 性质，使其具有非常巨大的潜在应用，例如：储存材料 4 2 , 4 3 1 ，量子导线【州，电子 装置【45 1 、催化剂f 4 6 。4 9 】及化学传感器f 5 0 】等。 碳纳米管拥有纳米材料的大比表面积、粒子表面带有较多的功能基团的特性。 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 它能在电化学反应中促进电子传递，对某些物质的电化学行为产生特有的催化响 应【5 “。碳纳米管修饰电极能降低底物的过电位，增大电流响应，降低检出限，在 电催化研究方面具有独特的优越性。目前有很多研究者将碳纳米管制成电极或制 成修饰电极，应用于电分析化学领域。例如已有碳纳米管的电化学传感器【5 2 】和碳 纳米管的电催化特性及其在传感器中的应用等综述发表。 1 3 2 碳纳米管的预处理 市售的碳纳米管是经过纯化处理的，纯化后的碳纳米管经氧化处理后可使碳 纳米管的端部打开，并且可使表面带有较多的含氧基团如羧基等。通常用的氧化 剂【5 4 - 5 7 1 有浓硝酸、硝酸与高氯酸的混合酸、浓硝酸和浓硫酸的混合酸。由红外光 谱证实，经氧化处理的碳纳米管表面带有羧基和羟基【5 6 ，5 7 1 。氧化酸的酸性越强产 生的羧基和羟基就越多【55 1 。但是碳纳米管在浓硝酸中煮的时间不宣过长，否则会 破坏碳纳米管的结构【5 5 ，5 引。 1 3 3 碳纳米管修饰电极的活化 通常，在碳纳米管表面引入一些电活性基团，经过活化才能有较好的电化学 响应。活化的方法一般分为两类：( 1 ) 在制成电极前对碳纳米管进行活化，如用酸 ( 主要是浓h n 0 3 ) 氧化：( 2 ) 制成电极后，用电化学方法进行活化，即将碳纳米 管电极在一定的缓冲溶液中和在一定电位范围内循环伏安扫描【5 9 ，6 0 】经过活化以 后，根据所用介质的不同，可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基团【6 ”，这些 电活性基团可以催化或促进其他物质的电子传递反应。 1 3 4 碳纳米管修饰电极的制备 碳纳米管性质十分稳定，不溶于一般的溶剂，为了制备碳纳米管化学修饰电 极，关键是将碳纳米管分散在适当的溶剂中。目前，碳纳米管已经成功的分散在 n a t i o n 、d m f 、丙酮以及硫酸中，然后通过滴涂法得到了各种碳纳米管修饰电极【6 2 j ， 具体操作是将处理好的碳纳米管在超声搅拌的情况下分散于丙酮、d m f 及其它的 分散剂【5 4 _ 5 7 ，6 0 , 6 3 , 6 5 柳1 中形成碳纳米管的悬浮液，取少量悬浮液滴在裸电极上，待 溶剂挥发后便形成了碳纳米管修饰电极。 1 3 5 碳纳米管修饰电极在电分析中的应用 碳纳米管独特的原子结构使其表现出金属或半导体特性，利用这一电子特 性，可以将碳纳米管用作电极的修饰膜。l i u 等【6 8 】将单壁碳纳米管在金和铂电极上 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 涂膜，在较大的电位范围内没有得到良好的循环伏安行为，这可能是由于所用碳 纳米管的尺寸分布较大，因为碳纳米管的电子特性与其结构有密切的关系。后来 在l u o 5 7 ，6 0 , 6 6 , 6 9 】等的努力下完善了这一方法并得到良好的伏安行为，对碳纳米管电 极表现出的氧化还原峰进行了研究。他们先用浓h n 0 3 处理s w n t s ，在碳管表面 引入电活性基团如c o o h 等，然后将其与作分散剂的n , n 二甲基甲酰胺( d m f ) 混 合均匀，滴在玻碳电极表面，待d m f 挥发掉后成为碳纳米管电极。该电极在空白 缓冲溶液中具有十分稳定的电化学响应。红外光谱和光电子能谱的测量表明，其 电化学响应是由碳纳米管表面的羧基引起的。这种电极对肾上腺素、抗坏血酸、 多巴胺及细胞色素c 等【6 0 6 6 , 7 0 , 7 1 】生物分子的电化学反应均具有良好的电催化或促 进作用。 在相同的测定条件下，与裸玻碳电极相比，多巴胺在碳纳米管修饰电极上的 峰电位差显著变小，峰电流显著增加。此外，此修饰电极还具有较好的稳定性和 重现性【5 4 5 7 】。 赵广超等【5 6 】将多壁碳纳米管修饰在玻碳电极表面，修饰电极在0 1m o l l 的亚 铁氰化钾溶液中的a e p 为6 4m v ，而处理好的玻碳电极的e 口为8 7m v ，这表明碳 纳米管修饰电极的表面结构更接近理想状态。在p h = 6 3 的磷酸盐缓冲溶液中，对 多巴胺的电化学氧化具有催化作用。 w a n g 等【5 5 】制备的多壁碳纳米管修饰的石墨电极可以使多巴胺和抗坏血酸的 氧化峰明显地分开，对多巴胺和抗坏血酸的氧化均具有明显的电催化作用，可以 同时测定多巴胺和抗坏血酸。但碳纳米管在用酸处理时，酸的氧化性不宜太强， 这是因为酸的氧化性越强，碳纳米管表面生成的羧基和羟基越多，使碳纳米管的 电负性增强，碳纳米管与抗坏血酸的静电斥力增大，使抗坏血酸的峰电位正移， 与多巴胺的峰电位差减小，影响多巴胺的测定。 王建秀等将单壁碳纳米管修饰在玻碳电极和金电极上，单壁碳纳米管修饰的 玻碳电极对3 ，4 二羟苯基乙酬6 3 1 、细胞色素c 、去甲肾上腺素【7 1 】的电化学氧化均 具有明显的电催化作用。当扫速为0 1 v s 时，3 ，4 二羟苯基乙酸在裸玻碳电极上 的阴阳极峰电位差为1 5 3 m v ，而在碳纳米管修饰电极上为4 9 m v ，并且修饰电极可 以同时测定3 ，4 二羟苯基乙酸和5 羟色胺。在裸玻碳电极上，细胞色素c 没有明显的 电化学响应，而在修饰电极上有一对峰形很好的氧化还原峰。去甲肾上腺素在碳 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 纳米管修饰的玻碳电极上峰电位差明显减小，峰电流显著增加【6 6 】。单壁碳纳米管 修饰的金电极不仅对尿酸的电化学氧化具有电催化作用，而且还可以对混合液中 的尿酸、去甲肾上腺素和抗坏血酸进行同时测定 6 “。 李南强等【5 7 6 5 】将单壁碳纳米管( s w n t s ) 通过超声分散的方法分散在n ，n 二 甲基甲酰胺( d m f ) 中，通过挥发溶剂的方法得到膜修饰电极，考察了s w n t s 修饰 电极电化学特性，得到一对准可逆的氧化还原峰。显微红外光谱表明在s w n t s 膜 中电活性物质为羧基，它在电极上得到4 个电子被还原为醇基。随后，他们研究了 s w n t s 修饰电极对一些生物小分子如d a 、。肾上腺素和抗坏血酸的电催化作用。 陈朝平等人( 7 2 】利用多壁碳纳米管修饰电极将对苯二酚的峰电位差从2 8 5m v 降低到了3 8m v ，同时峰电流显著增大。这些都体现了碳纳米管对生物分子的电催 化作用，显示了其作为生物传感器的应用潜能，如果对碳纳米管进行化学改性， 连接上特殊的官能团或具有分子识别功能的生物物质，提高对某些物质检测的选 择性和灵敏度，有望制成针对不同种物质的传感器。 1 4溶胶凝胶化学修饰电极 溶胶凝胶是一种起源与约1 5 0 年前的生产陶瓷材料的方法，其初始研究可追 溯到1 8 4 6 年，e b e l m a n 和g r a h a m 就发现了硅酸乙酯在酸性条件下水解可以得到 “玻璃状透明”的s i 0 2 材料，并且从此粘性的凝胶中可制备出纤维及光学透镜片 的现象，但由于凝胶易碎性限制了它的技术应用。由于它能提供一种方便的途径 来固定那些对热敏感的化学和生物分子。于是又对它展开大量的研究。 1 4 1 溶胶凝胶的制备 溶胶是指非常细的固体颗粒分散在液体介质中的分散体系，颗粒大小分布在 l n m 1 p m 之间，制备溶胶的方法主要包括：分散法和凝聚法【7 3 1 。凝胶是胶体的一 种特殊形式。溶胶的分散颗粒相互联结成网络结构，分散介质分散在网络之中， 体系失去流动性的胶冻。处于胶冻状态的物质被称为凝胶。凝胶的形成有两条途 径：1 、干凝胶吸收亲和性溶剂形成。2 、溶胶在适当的条件下分散颗粒相互联结 为网络而形成凝胶。具体措施有：加强电解质引起胶凝；使凝胶( 或高分子溶液) 发生交联反应( 如硅酸凝胶) ；根据物质在同一溶液_ 中的不同温度时的溶解度不同 化学修饰电极在食品分析中的应用第一章序言 的原理，改变温度可形成凝胶( 如琼脂的形成) ；改换分散相溶解度较小的溶剂使 体系胶凝，形成凝胶。 整个溶胶凝胶过程包括下列步骤【7 4 1 ：混合( 形成溶液) 、凝聚、老化和干燥。 在混合步骤中，将适当的烷氧化物如四甲氧基硅烷与水，酸性或碱性催化剂和共 溶剂( 如甲醇) 在搅拌或超声下形成溶液，水解导致硅醇官能团的形成。在下面的 凝聚过程中，硅醇基继续反应形成硅烷聚合物。凝胶的老化即将凝胶浸入于液体 中一段时间( 几小时至几天) ，在老化过程中，聚合反应继续，凝胶的强度增加。 最后在干燥步骤中，溶剂从相互交联的多孔网络中蒸发掉。被固定的试剂一般在 形成溶液或凝胶的过程中加入。 在溶胶凝胶玻璃中，试剂被包埋在基质的空隙中，它们可在孔隙中自由地移 动或与孔隙内表面的硅醇基团进行某种程度上的相互作用。被测物一般较敏感试 剂半径小，它们可扩散到孔隙中与试剂反应。另外，溶胶凝胶玻璃的气孔率常高 达3 0 ，且表面积很大，所以，相当部分的被固定试剂暴露于邻近相和内孔腔， 这样便可以直接与那里的被测物进行反应。 1 4 2 溶胶凝胶膜在电分析中的应用 由于溶胶凝胶法制备过程简单，溶胶凝胶的物理化学性质( 如：孔径、粘度、 比表面积、导电性等) 及机械强度易于控制，使其在制膜、色谱、纳米材料的制 备、传感器及电分析中都得到大量的应用。 在电分析中的应用主要体现在膜修饰电极、复合电极及生物传感器开发研究