番红花红O修饰铅笔芯电极测定水果酸度

罗济文，陈宪明，韦庆敏，庞 起，姚燕春

(玉林师范学院化学与生物系，广西 玉林 537000)

番红花红O修饰铅笔芯电极测定水果酸度

罗济文，陈宪明，韦庆敏，庞 起，姚燕春

(玉林师范学院化学与生物系，广西 玉林 537000)

在含番红花红O的磷酸盐缓冲溶液(phosphate buffered salines，PBS)中，采用循环伏安法在预处理过的铅笔芯电极表面生成聚番红花红O薄膜，考察溶液的pH值、扫描电位范围对修饰过程的影响。在-1.0～0.0V (vs SCE)的扫描电位范围和酸性介质中形成的薄膜，在空白PBS中具有较高电活性和稳定性，并且在pH1.5～7.5之间，阳极伏安峰电位与pH值有良好的线性关系。利用这种关系测定橙子和西红柿活体及果汁的酸度取得满意结果。

番红花红O；铅笔芯；水果；酸度测定

溶液酸度的测定在生活、生产和科研上都非常重要，对酸度测定方法的研究较多[1]。目前，已经发展了各种pH传感器，其中主要有光学传感器[2-5]和电传感器[6-8]。水果酸度的测定方法通常用滴定法[9-11]、电位法及比色法等。滴定法是经典方法，准确度高，但操作繁琐，而且受诸多条件限制[11]。电位法通常以玻璃电极为指示电极用pH计测定，由于玻璃电极的尺寸大且易破碎，特别是当溶液成分较复杂时往往误差大，以对样品进行直接活体分析。比色法最简单的是用pH试纸直接测定，但测量不够精确、误差大。导电聚合物具有良好的导电性能，可作为分子导线在生物活性物质与电极间直接传递电子，是构建生物传感器的一种新材料。其中染料导电聚合膜修饰电极稳定性好、催化性能高、选择性强等优点而显示出良好的应用前景[12]。本实验利用普通铅笔芯为基体电极(pencil grap hite electrode，PGE)，选用电活性很强的聚番红花红O[13-14]为修饰材料，制得聚合物薄膜修饰电极(polysukfone/ pencil graphite electrode，PSO/PGE)。该修饰电极有很好的稳定性和电化学活性，伏安扫描时，在pH1.5～7.5的磷酸盐和氯化钾混合溶液中，峰电位与pH值间有很好的线性关系。用于测定水果活体和果汁的酸度取得满意结果。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

橙子和西红柿试样为玉林本地产品；番红花红O上海化学试剂公司；其他试剂均为分析纯；所有溶液都用二次蒸馏水配制。

LK98C电化学分析系统 天津市兰力科化学电子高技术有限公司；三电极系统：工作电极为HB铅笔芯电极(ASL 36101、φ＝0.5mm) 上海中韩晨光文具制造有限公司，对电极为铂丝电极，饱和甘汞电极(saturated calomel electrode，SCE)为参比电极，所有电位数据均以SCE为基准；pHS-3C精密pH计 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 聚番红花红O修饰铅笔芯电极(PSO/PGE)电极的制备

将铅笔芯电极用蒸馏水冲洗并依次用8mol/L HNO3、丙酮、二次蒸馏水，各超声清洗5min后置于pH2.20、0.10mol/L磷酸盐缓冲溶液中于-1.5～＋2.0V(vs. SCE)范围内以100mV/s扫描20圈，使电极活化。然后将电极置于含1.33×10-3mol/L番红花红O的PBS(0.1mol/L，pH6.01)，于-1.0～0.0V(vs. SCE)的电位范围内，以100mV/s的扫描速度进行循环伏安扫描30圈后，将电极取出用蒸馏水经反复冲洗并浸泡即得聚番红花红O修饰铅笔芯电极。

2 结果与分析

2.1 番红花红O在电极表面聚合的过程

已经活化处理的铅笔芯电极在含番红花红O的PBS (pH6.01)中扫描结果如图1。循环伏安图有一对氧化还原峰ⅠA和ⅠB，氧化峰电位为：Epa＝-0.376V，还原峰电位Epc＝-0.512V。另外在稍高电位处，还有一对较小的峰ⅡA和ⅡB。随扫描次数增加，峰不断长高，说明在电极表面具有电活性的物质的量随扫描次数增加而增多，即番红花红O聚集在电极表面的量不断增加。

图1 在含番红花红O的PBS溶液中电聚合的循环伏安图Fig.1 Cyclic voltammograms of PGE in PBS (0.1 mol/L, pH 6.01) containing 0.13×10-3mol/L SO

图2 SO/PGE在pH7.01的PBS空白溶液中的循环伏安图Fig.2 Cyclic voltammograms of SO/ PGE in PBS (pH 7.01)

将此电极用蒸馏水经反复冲洗并浸泡30min后于pH7.01的PBS中作循环伏安扫描时，氧化还原峰型基本不变, 只峰电位负移，Epc约为-0.84V，如图2所示。由图2还可以看出扫描时峰稍有减小，但经30圈后曲线基本不变，说明此电聚合物膜修饰电极有很好的稳定性。与本实验制作的聚亚甲蓝修饰铅笔芯电极[15]相比，在同样条件下，番红花红O修饰电极的峰电位更负，峰更加尖锐，显示了更高的电化学活性。

2.2 聚番红花红O膜修饰铅笔芯电极对溶液pH值的响应

配制pH1.53～8.49的12种含有0.1mol/L 氯化钾的磷酸盐缓冲溶液，对新制备的PSO/PLE电极进行循环伏安测定，结果如图3A，随溶液的pH值升高氧化还原峰电位负移。将伏安曲线中氧化峰电位Epa与相应溶液pH值作图，所得曲线如图5B，线性回归方程Y＝-0.03078-0.06703X ，线性相关系数R＝0.99792。直线的斜率为-67mV/pH。

图3 SO/PGE电极在不同pH值的PBS(0.1mol/L)+KCl(0.1mol/L)混合溶液中的循环伏安曲线Fig.3 Cyclic voltammograms of SO/ PGE in PBS (0.1 mol/L) and KCl (0.1 mol/L) with different acidity

2.3 氧化峰电位与pH值的关系曲线

图4 Epa-pH曲线Fig.4 Linear dependence of Epaon pH

由图4可知，氧化峰电位Epa-pH曲线在pH1.5～7.5之间呈良好的线性关系，线性方程为：Y＝-0.03078-0.06703X，R＝0.99792。直线斜率为67mV/pH，接近于Nearnstain响应理论值59mV/pH。测定试样酸度时以此曲线为标准曲线。

2.4 试样酸度测定

2.4.1 水果酸度的直接测定

分别在橙子和西红柿上适当的相邻位置用小玻璃棒刺开3个小口，使3个小孔的汁液可以相通，然后将3个电极直接置于孔中，固定后进行扫描测定。扫描的前3圈结果如图5所示。

图5 PSO/PGE在橙子活体(A)和西红柿活体(B)中的循环伏安曲线的前3圈(vs. SCE)Fig.5 First 3 cycles of cyclic voltammetry of PSO/PGE in orange (A) and tomato (B)

图5 显示，从第2圈起，峰的形状基本稳定，第2圈和第3圈几乎重合。橙子和西红柿的Epa分别为-0.282V和-0.243V，由图4查出对应的pH值分别为3.35和2.92。

2.4.2 果汁酸度测定和重现性

橙子用小刀在果上部开口，尽量把果汁挤到50mL烧杯中。西红柿去皮后在50mL烧杯中用玻棒充分搅拌成糊状。分别将新制备的PSO/PGE和其他两个电极插入以上溶液进行循环伏安扫描，并重新制备电极测定，再测定两次，3次测定的第3圈的循环伏安曲线如图6所示。

图6 PSO/PGE在橙子汁(A)和西红柿汁(B)中平行测定3次的循环伏安曲线的第3圈Fig.6 The 3rdcyclic voltammograms of SO/PGE in orange (A) and tomato (B) in 3 replicate determinations

结果表明，虽然平行3次测定峰电流大小有较大差别，但其氧化峰电位变化很小。这也说明橙汁H+对修饰电极有良好的响应和重现性。尽管在果汁中存在很多具有氧化还原性的物质如某些金属离子和VC等有机物，但它们的量在电极表面与番红花红的量相比是很小的，不足以对其氧化还原电位产生明显的影响。

图6A中3次扫描的氧化峰电位Epa分别为-0.298、-0.302V和-0.303V；平均值为-0.301V，对应的pH值为3.91。图6B中3次扫描的氧化峰电位Epa分别为-0.247、-0.248V和-0.240V；平均值为-0.0245V、在图3B曲线查得相应的pH值为3.02。

随后用pH计测定同一橙汁，测得值为4.03；用精密pH试纸测定，测得pH值为3.7～4.0。用pH计测定同一西红柿汁，测定值为3.15，用精密pH试纸测得2.8～3.1。所得结果相当接近。

2.4.3 电极的再生

由于果蔬中成分复杂，每次扫描测定后电极会受到反应物和产物的污染，对修饰电极的pH值响应有所影响。试验中发现，将测定后的电极置于pH5左右的磷酸盐中经扫描5圈后峰电位稳定，再用于测定所得数值与首次测定的电位很接近，试验采用此方法对电极进行再生处理。

3 结 论

以普通HB铅笔芯为基体电极，经清洗处理和活化后，用循环伏安法制得聚番红花红O聚合物薄膜修饰电极。该修饰电极有很好的稳定性和电化学活性。循环伏安曲线有一对可逆性较好的氧化还原峰，在pH1.5～7.5的磷酸盐和氯化钾混合溶液中，阳极峰电位与pH值间有很好的线性关系，线性相关系数R为0.99792，直线的斜率为67mV/pH。利用峰电位法与pH值间的线性关系，测定了橙子和西红柿果实及果汁的酸度，结果和pH酸度计法及精密pH试纸法比较，结果很接近。番红花红O修饰铅笔芯电极材料便宜，制作简便，且电极尺寸小，方便进行活体分析，是一种很有应用价值的pH电化学传感器。

[1]MIAO Yuqing, CHEN Jianrong, FANG Keming. New technology for the detection of pH[J]. J Biochem Biophys Methods, 2005, 63(1)∶ 1-9.

[2]DONG Saying, LUO Ming, PENG Gangding, et al, Broad range pH sensor based on sol-gel entrapped indicators on fibre optic[J]. Sensors and Actuators B∶ Chemical, 2008, 129(1)∶ 94-98.

[3]STANEVA D, BETCHEVA R. Synthesis and functional properties of new optical pH sensor based on benzo[de]anthracen-7-one immobilized on the viscose[J]. Dyes and Pigments, 2007, 74(1)∶ 148-153.

[4]WENCEL D, MACCRAITH B D, MCDONAGH C. High performance optical ratiometric sol-gel-based pH sensor[J]. Sensors and Actuators B, 2009, 139(1)∶ 208-213.

[5]CAPEL-CUEVAS S, CULLAR M P, De ORBE-PAY I, et al. Fullrange optical pH sensor based on imaging techniques[J]. Analytica Chimica Acta, 2010, 681(1)∶71-81.

[6]VIJAYAKUMAR M, NGHI PHAM Q, BOHNKE C. Lithium lanthanum titanate ceramic as sensitive material for pH sensor∶ influence of synthesis methods and powder grains size[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2005, 25 (12)∶ 2973-2976.

[7]CARQUIGNY S, SEGUT O, LAKARD B, et al. Effect of electrolyte solvent on the morphology of polypyrrole films∶ Application to the use of polypyrrole in pH sensors[J]. Synthetic Metals, 2008, 158(3)∶ 453-456.

[8]JANGM A, ZOUM Z, LEE K K, et al. Potentiometric and voltammetric polymer lab chip sensors for determination of nitrate, pH and Cd(Ⅱ) in water[J]. Talanta, 2010, 83 (1)∶1-8.

[9]罗盛旭, 吴良, 梁振益, 等. 自动电位滴定法测定果汁的总酸及果汁酸度的变化规律[J]. 化学分析计量, 2007, 16(5)∶ 52-56.

[10]李艳霞, 谢东坡, 任凯. 自动电位滴定法在果蔬汁饮料总酸度测定中的应用[J]. 安徽农业科学, 2009, 37(36)∶ 18155-18156.

[11]高向阳, 张平安, 刘恬, 等. 超声波-中性甲醛浸提-固定pH法快速测定水果中的总酸度[J]. 食品科学, 2008, 29(4)∶ 341-343.

[12]董绍俊, 车广礼, 谢远武. 化学修饰电极[M]. 北京∶ 科学出版社, 2003∶149-203.

[13]GOMEZ M L, PREVITALI C M, MONTEJANO H A. Phenylonium salts as third component of the photoinitiator system safranine O triethanolamine∶ a comparative study in aqueous media[J]. Polymer, 2007, 48(7)∶ 2355-2361.

[14]ABDESSAMAD N, ADHOUM N. Spontaneous adsorption and electrochemical behaviour of safranineO at electrochemically activated glassycarbon electrode[J]. Materials Chemistry and Physics, 2009, 116 (3)∶ 557-562.

[15]陈宪明, 罗济文, 陈渊, 等. 亚甲蓝修饰铅笔芯电极扫描峰电位法测定果蔬酸度[J]. 理化检验∶ 化学分册, 2010, 46(7)∶ 720-723.

Safranine O Modified Pencil Graphite Electrode and Its Application for Determination of Fruit Acidity

LUO Ji-wen，CHEN Xian-ming，WEI Qing-min，PANG Qi，YAO Yan-chun
(Department of Chemistry and Biology, Yulin Normal University, Yulin 537000, China)

A safranine O (SO) polymer film was formed by cyclic voltammetry on the surface of a pretreated pencil electrode (PGE) in SO-containing phosphate buffered saline (PBS). The effects of buffer pH and potential scan range on the modification process were investigated. The polymer film formed in an acidic solution (pH 6.01) and a potential scan range between-1.0 V and 0.0 V (vs SCE) showed high electrochemical activity and good stability in blank PBS solutions, and a good linearity between the voltammetric peak potential and the buffer pH was obtained in the pH range of 1.5-7.5. This modified electrode could be used for determining the acidity of oranges, tomatoes and juice with satisfying results.

safranine O；pencil graphite；fruit；acidity determination

O657.1；TS207.3

A

1002-6630(2011)16-0209-04

2010-11-16

国家自然科学基金地区项目(20863008)；广西教育厅科研基金资助项目(200708LX164)

罗济文(1949—)，男，教授，学士，研究方向为生物电分析。E-mail：jwluo37@sohu.com