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還原氧化石墨烯綠色合成Pd/Fe3O4復合材料及其在腌制食品中的亞硝酸鹽檢測應用

介紹

亞硝酸鹽（NO2-）被非法用于腌制食品保鮮的添加劑，然而被證明具有致癌風險。因此，開發(fā)一種簡單的方法來精確且有針對性地監(jiān)測在飲用水和腌制食品中的亞硝酸鹽含量是十分必要的。迄今為止，已開發(fā)出許多用于測定亞硝酸鹽的技術(shù)，包括色譜法 , 化學發(fā)光法, 分光光度法和電化學測試技術(shù)。在這些方法中，電化學技術(shù)因其操作簡便、成本低、響應速度快、靈敏度高和選擇性好等特點而受到廣泛歡迎。近十年來，基于新型納米材料構(gòu)建用于檢測亞硝酸鹽的超靈敏電化學傳感器取得了重大進展，但仍需要高精度且可靠的分析結(jié)果來促進化學修飾電極的開發(fā)，這仍然是一個充滿挑戰(zhàn)的課題。

目前，Pd納米顆粒被認為是檢測亞硝酸鹽最有效的催化劑之一，并因其價格低廉、高電導率、高化學惰性和出色的電催化性能而受到青睞。此外，為了擴大Pd納米顆粒的催化活性，需選擇合適的載體如石墨烯和Fe3O4，改善Pd納米顆粒的分散性。石墨烯作為一種二維材料，其單層sp2碳原子網(wǎng)絡密集地堆積在蜂窩結(jié)構(gòu)中，具有獨特的特性，如大比表面積、高吸附能力、出色的導電性和易修飾等。Fe3O4納米顆粒作為載體材料為固定高活性金屬催化劑開辟了新的窗口：由于Fe3O4的順磁特性，它可以使催化劑在外部磁場的作用下容易分離，還可以防止催化劑顆粒在Fe3O4載體上的團聚，從而提高催化活性和長期穩(wěn)定性。因此，F(xiàn)e3O4和石墨烯的組合可以有效地優(yōu)化金屬納米顆粒的分散性和催化活性。

如今，化學還原法是制備石墨烯基納米復合材料的常見方法。但是，用于化學還原氧化石墨烯（GO）和金屬離子的還原劑如肼與NaBH4為有毒害物質(zhì)，也存在一定的安全隱患。多功能生物聚合物聚多巴胺（PDA）可以通過多巴胺（DA）的自聚合形成表面粘附涂層來修飾各種基材。 PDA涂層可以用作通用平臺，不僅可以改善RGO的親水性并防止RGO團聚，還可以在RGO表面上原位成核和生長金屬、金屬氧化物和半導體等。蘭州大學葉為春課題組基于polyDOPA（3,4-Dihydroxy-l-phenylalanine，DOPA）平臺原位成核和生長Fe3O4和Pd納米粒子。該方法沒有引入還原劑或者結(jié)構(gòu)導向劑，合成的Pd / Fe3O4 / polyDOPA / RGO復合材料作為亞硝酸鹽電化學傳感器，表現(xiàn)出良好的電催化活性。結(jié)果表明，這種電化學傳感器檢出限低、選擇性好、線性范圍寬，可以成功應用在河水、香腸制品及白菜腐爛過程中亞硝鹽濃度檢測，在日常檢測中具有廣闊的應用前景。

實驗分析

本文在利用粘附機理在polyDOPA/RGO基板上合成Pd/Fe3O4復合材料（方案1）。圖1是材料的拉曼光譜和紫外可見光譜，從圖中可以看出，在弱堿性溶液中，氧化石墨烯成功還原為還原氧化石墨烯。拉曼峰ID/IG的比值從氧化石墨烯的0.81提升至polyDOPA/RGO的0.99。在紫外可見光譜中，氧化石墨烯對應的峰位從231nm移至268nm，同時，GO的n→π*躍遷峰消失。

方案1： Pd/Fe3O4/polyDOPA/RGO電化學傳感器氧化硝酸鹽方案

圖1： GO和polyDOPA/RGO的拉曼和紫外光譜

圖2：Pd/Fe3O4/polyDOPA/RGO: TEM, HRTEM及XRD圖

硝酸鹽是植物材料的天然成分，但對于腐爛食品，硝酸鹽很容易還原為亞硝酸鹽，這可能導致亞硝酸鹽中毒。因此，有必要監(jiān)測蔬菜腐爛各個階段的亞硝酸鹽濃度。本文中，課題組使用Pd / Fe3O4 / polyDOPA / RGO修飾的GCE作為電化學傳感器分別檢測黃河水、香腸及大白菜腐爛過程中的亞硝酸鹽含量。

如表1所示，樣品中亞硝酸鹽的檢出回收率為90.1% ~ 107.2%。相對標準偏差(RSD)在4.7% ~ 8.4%之間，回收率和RSD表明，該電化學傳感器適用于實際樣品中亞硝酸鹽的檢測。

表1：電化學方法分析黃河水及實際樣品中亞硝酸鹽含量的實驗結(jié)果

將大白菜在30℃下密封以迅速腐爛，在圖3中可以清楚地看到，亞硝酸鹽含量在開始階段迅速增加，并在24小時內(nèi)達到最大值（5.08 mg / kg），這是由于硝酸鹽還原為亞硝酸鹽所致。然后，它在2天后積累到很高的水平。 隨后，隨著時間的流逝，亞硝酸鹽的含量逐漸降低。 亞硝酸鹽含量變化的趨勢與常規(guī)離子色譜法測定的結(jié)果相符（圖3）。重要的是，該傳感器和離子色譜法測試結(jié)果相對偏差值在10％以內(nèi)，是可以接受的。這些結(jié)果表明，該電化學傳感器對于真實樣品中的亞硝酸鹽檢測是可靠且高效的。

圖3：大白菜腐爛過程中亞硝酸鹽濃度隨時間的變化曲線

結(jié)論

蘭州大學葉為春課題組基于polyDOPA（3,4-Dihydroxy-l-phenylalanine，DOPA）平臺原位成核和生長Fe3O4和Pd納米粒子。該方法沒有引入還原劑或者結(jié)構(gòu)導向劑，合成的Pd / Fe3O4 / polyDOPA / RGO復合材料作為亞硝酸鹽電化學傳感器，表現(xiàn)出良好的電催化活性，樣品中亞硝酸鹽檢測的回收率在90.1％至107.2％的范圍內(nèi)。 相對標準偏差（RSD）值限制在4.7％至8.4％之間。結(jié)果表明，這種電化學傳感器檢出限低、選擇性好、線性范圍寬，可以成功應用在河水及香腸制品亞硝鹽濃度檢測，在日常檢測中具有廣闊的應用前景?？梢灶A期，電化學傳感器的綠色制備策略和高可靠性可以擴展到食品安全性領(lǐng)域其他化學/生物傳感器的開發(fā)中。

附錄

這一成果以Green synthesis of Pd/Fe3O4 composite based on polyDOPA functionalized reduced graphene oxide for electrochemical detection of nitrite in cured food為題發(fā)表在Electrochimica Acta上，該文章是由蘭州大學葉為春課題組完成，文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.09.185

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司“Finder Vista”顯微共焦拉激光曼光譜測量系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

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