众所周知, 普鲁士蓝(Prussian blue, PB)可以在低的过电位下, 以较快的催化速率催化 H2O2还原[14]。本文设计了简单的电化学反应池, 并且制备了PB修饰的石墨粉电极, 该电极可以即磨即用, 能用于快速电化学检测牛乳中的 H2O2, 该检测方法简单、快速、灵敏、价格低廉。 2 材料与方法 2.1 仪器与试剂 电化学实验是在 DyneChem 电化学工作站上完成的, 使用三电极体系, 工作电极为自制的电极, 参比电极为 Ag/AgCl(3 mol/L KCl)电极, 对电极为铂丝。 石墨粉(上海国药试剂厂); 铁氰化钾(K3Fe(CN)6, 分析纯)、 氯化铁(FeCl3, 分析纯)、 过氧化氢(H2O2, ≥30%)和盐酸(HCl, 分析纯)(北京化工厂); 超纯水(Milli-Q 系统, 电阻率>18 MΩ·cm)。 2.2 PB 修饰石墨复合物的制备 将 2.0 g 石墨粉在搅拌下加入到 40 mL 含有 10 mmol/L HCl, 0.1 mol/L 等浓度的 FeCl3和 K3Fe(CN)6混合溶液中, 然后将石墨粉过滤, 在 100 ℃下放置1.5 h 来活化吸附在石墨粉上的 PB 粒子。 2.3 PB 修饰石墨粉电极的制备 将 PB 修饰的石墨粉与纯石墨粉以 30:70(m:m)进行混合, 将混合物与矿物油和环己酮混合, 并搅拌24 h 得到均匀的石墨粉复合物液体, 将液体小心地灌入事先处理好的微量注射器内, 然后在室温下放置 24 h 得到电极, 如图 1 所示。 电极是使用一支微量注射器, 一端截开并打磨光滑, 另一端手工制作一个带螺纹的帽套上, 可以通过拧螺纹帽来调节微量注射器内的电极材料, 达到即磨即用的目的。使用之前在细砂纸和抛光布上打磨, 并用二次水超声清洗。 图 1 自制的 PB 修饰石墨粉电极图 Fig. 1 The figure of the homemade PB modified graphite powder electrode 2.4 简单三电极电化学池的设计 设计的简单三电极电化学池示意图如图 2 所示, 下面是一个简单的玻璃容器, 用于存放电化学反应液; 上面是一个用聚四氟乙烯自制的盖子, 用于固定三电极, 盖子上有三个孔, 可以分别放入工作电极、参比电极和对电极。 图 2 设计的简单三电极电化学池图 Fig. 2 The figure of the designed simple three-electrode electrochemical cell 4148 食品安全质量检测学报 第 5 卷 3 结果与讨论 3.1 PB 修饰石墨粉电极的电化学行为 考察 PB 修饰石墨粉电极在 0.5 mol/L KCl 溶液中的电化学行为, 如图 3 所示, 在 0.17 V 附近的一对氧化还原峰是归属于普鲁士蓝还原成普鲁士白, 峰峰电位差仅 35 mV, 与理论值非常接近, 说明 PB 修饰石墨粉电极具有很快的电子转移, 这可能是由于石墨粉具有好的热导率和电导率[15]。同时也说明 PB成功地修饰到了石墨粉上。 图 3 PB 修饰石墨粉电极在 0.5 mol/L KCl 溶液中, 以 50 mV/s 的扫速进行扫描的循环伏安图 Fig. 3 The cyclic voltammogram of PB modified graphite power electrode in 0.5 mol/L KCl solution with scan rate 50 mV/s 由于 PB 特殊的晶格结构, 以及“普鲁士蓝—普鲁士白”氧化还原对, 使得 PB 对 H2O2具有特异的电化学活性, 可以在较低的过电位(-50 mV vs. Ag/AgCl)下催化 H2O2的还原。图 4 考察了 PB 修饰石墨粉电极对 H2O2的电催化活性, 当向电解池中加入 0.2 mmol/L的H2O2, 在0 V以下的阴极电流显著增加, 说明 PB 修饰石墨粉电极催化了 H2O2的电还原。 3.2 PB 修饰石墨粉电极对 H2O2的传感 图 5 为在-0.1 V 处, PB 修饰石墨粉电极在 50 mmol/L PBS 溶液中对 H2O2的连续响应 i-t 图, 采用i-t曲线来研究PB修饰石墨粉电极对H2O2的响应, 当添加不同浓度 H2O2时, 电极的电流响应在 0.2~1.4 mmol/L H2O2浓度范围内呈现较好的线性关系, 而且响应时间较短(大约150 s), H2O2浓度对应的电流响应标准曲线是Y = 0.0018X + 0.7861(R=0.994), 如图6所示, Y 和 X 分别表示响应电流和 H2O2的浓度(mmol/L)。 图 4 PB 修饰石墨粉电极在 50 mmol/L PBS 溶液(实线)和添加有 0.2 mmol/L H2O2溶液中(虚线)进行扫描的 循环伏安图 Fig. 4 The cyclic voltammograms of PB modified graphite power electrode in 50 mmol/L PBS solution (full line) and with 0.2 mmol/L H2O2 (dash line), respectively 图 5 PB 修饰石墨粉电极对 H2O2的连续响应 i-t 图 Fig. 5 Typical current response curve at PB modified graphite power electrode with addition of increasing concentration of H2O2 图 6 H2O2浓度对应的电流响应标准曲线 Fig. 6 Calibration curve for H2O2 by i-t curve 第 12 期 毛 燕, 等: 快速电化学法检测牛乳中的过氧化氢 4149 表 1 3 种牛乳产品标准加入 H2O2的检测回收率 Table 1 The detection recovery of standard addition H2O2 to three kinds of milk products 添加 H2O2(mmol/L) 检出 H2O2(mmol/L) 回收率(%)添加 H2O2(mmol/L) 检出 H2O2(mmol/L) 回收率(%)样品 1 0.8 0.76 95 1.0 0.98 98 样品 2 0.8 0.83 104 1.0 0.91 91 样品 3 0.8 0.85 106 1.0 1.03 103 牛乳实际样品在检测分析之前需要进行稀释, 分别稀释 50, 10, 5 和 2 倍。H2O2标准添加实验显示, 当样品稀释 2 倍和 5 倍时, 检测的回收率较低(低于70%)。这种影响可能是由于牛乳样品中含有高浓度的 KCl(约 1 g/L), K+离子可能会影响 PB 的离子交换, 进而影响 H2O2的电化学响应, 因此, 将稀释倍数定为 10 倍, 即牛乳实际样品在检测分析之前需先稀释10 倍。 从超市购买了 3 种牛乳产品(纯牛奶), 先将样品用 PBS 溶液稀释 10 倍, 然后用自制的电化学反应池进行 H2O2的快速检测, 结果表明在现有的检测灵敏度下, 3 个样品均未检出 H2O2。为了评价这种自制的电化学反应池对实际牛乳样品中H2O2响应的准确度, 采用标准加入法, 分别往 3 个样品中添加 8 mmol/L和 10 mmol/L 的 H2O2, 样品在稀释 10 倍之后用0.2~1.4 mmol/L 的标准曲线来分析 H2O2的含量, 如表 1 所示, 检测的回收率在 91%~106%之间。 4 结 论 本文设计了简单电化学反应池, 并制备了可以即磨即用的检测电极, 能用于快速电化学检测牛乳中的H2O2。该检测方法简化了检测过程、提高了检测灵敏度、缩短了反应响应时间, 对于牛乳市场中添加 H2O2的监管具有重要的参考价值。另外, 还为其他饮品中H2O2的测定提供了一定的技术参考, 对于加强企业自身产品质量控制, 加强国家对生产企业流通领域的监管, 保护消费者合法权益具有重要意义。 参考文献 [1] Yao S, Xu J, Wang Y, et al. A highly sensitive hydrogen peroxide amperometric sensor based on MnO2 nanoparticles and dihexadecyl hydrogen phosphate composite film [J]. Anal Chim Acta, 2006, 557: 78\uf02d84. [2] 所起凤, 杜文婷, 杨铭铭, 等. 过氧化氢诱导的人正常和早老细胞中 DNA 损伤及其修复研究[J]. 四川大学学报(医学版), 2011, 41(5): 610\uf02d615. Suo QF, Du WT, Yang MM, et al. The study of hydrogen induced DNA damage and recovery in normal aging and premature aging human cells [J]. J Sichuan Univ (Med Sci Edit), 2011, 41(5): 610\uf02d615. [3] 刘延军. 甲醛和过氧化氢对人静脉内皮细胞的毒性作用[D]. 汕头: 汕头大学, 2002. Liu YJ. The effects of formaldehyde and hydrogen peroxide on the human umbilical vein endothelial cells [D]. Shantou: Shantou University, 2002. [4] 赵颖, 牛膺筠, 周占宇. 过氧化氢诱导人视网膜色素上皮细...