CN111060566B - N掺杂纳米碳球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学分析测试或食品安全技术领域，提供了一种利用N掺杂纳米碳球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法。以形貌均匀200纳米的聚吡咯纳米球PPy为前驱体，在氩气气氛中进行碳化制备100纳米的氮掺杂纳米碳球，将N掺杂碳纳米球的分散液滴涂在玻碳电极表面制备了N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极，修饰的玻碳电极同时检测酪氨酸和色氨酸。由于N掺杂碳纳米球具有大的比表面积，高的导电性、强的吸附能力及好的传质效应，利用该N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极对食品中的酪氨酸和色氨酸进行了同时检测。本发明的检测方法具有回收率高，灵敏度较高，方法简便和结果准确的优点。
Description
技术领域
本发明属于电化学分析测试或食品安全技术领域，提供了一种利用N掺杂纳米碳球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法，具体的说，是以形貌均匀200纳米左右的聚吡咯纳米球为前驱体制备尺寸均一、100纳米左右高度分散的氮掺杂纳米碳球作为电极修饰材料，采用电化学手段同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法。
背景技术
随着利用电化学传感器检测氨基酸研究的深入，裸电极已经不能满足低检出限的要求，通过引入修饰材料可以很好地降低传感器的表面电阻，达到提高检测效果的目的。引入修饰材料修饰裸电极来制备电化学传感是目前电化学研究的主流方向。
聚吡咯（PPy）纳米球是近年来一种新型的功能高分子材料，以PPy为前驱体制备的氮掺杂纳米碳球材料 (NCS)，可以使纳米碳球的非亲水性得到改善。目前关于小尺寸特别是100纳米以下的碳纳米球的报道很多，然而，制备的碳球均存在分散性差及容易团聚等问题，这显然不利于电极的修饰。
发明内容
基于上述现有技术，本发明的目的是提供一种利用N掺杂纳米碳球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法，具体的说是利用直径为100纳米的N掺杂纳米碳球修饰玻碳电极同时检测酪氨酸和色氨酸的方法。利用N掺杂碳纳米球的大的比表面积和极好的导电性及分散性，对食品中的酪氨酸和色氨酸进行了同时快速检测。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种利用N掺杂碳纳米球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法，以形貌均匀200纳米的聚吡咯纳米球PPy为前驱体，在氩气气氛中进行碳化制备100纳米的氮掺杂纳米碳球，将N掺杂碳纳米球的分散液滴涂在玻碳电极表面制备了N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极，修饰玻碳电极同时检测酪氨酸和色氨酸。
具体步骤如下：
（1）N掺杂纳米碳球的制备：将4 mL 吡咯单体Py溶解于100 mL去离子水，在室温、磁力搅拌器上1400转速搅拌20 min，获得均匀的球形胶束；然后加入0.4 g FeCl2，将所得溶液剧搅拌5 min确保完全混合；同时匀速滴加5 mL H2O2，溶液的颜色逐渐由淡黄色变为黑色；Py持续聚合6 h，然后抽滤过滤沉淀物，用去离子水和乙醇洗涤除去未反应的氧化剂和单体，最后在60℃下干燥12 h得到导电聚合物PPy纳米球粉末；
称取制得的导电聚合物PPy纳米球粉末在真空管式炉中碳化；在氩气气氛下以10℃/min的升温速率升至700℃并保温两小时制得N掺杂碳纳米球NPC；
（2）N掺杂碳纳米球玻碳电极NPC/GCE：将玻碳电极GCE用a-Al2O3粉浊液抛光处理，清洗干净玻碳电极；将NPC分散在高纯水中并超声，制得NPC分散液，将NPC的分散液滴涂在清洗干净的GCE表面并在红外灯下烘干获得电极NPC/GCE；（3）利用N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极检测食品中酪氨酸和色氨酸：将NPC/GCE作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，组成三电极体系；
将该三电极体系首先置于浓度均为500×10-6mol·L-1酪氨酸和色氨酸的pH为7.0的PBS缓冲溶液中，静置10s后，在0 V到1.2V的电位范围内利用循环伏安法进行扫描，记录循环伏安曲线，检测酪氨酸和色氨酸在NPC/GCE表面的电化学行为；
进一步利用差分脉冲伏安法在0.0V到1.2V的电位范围内扫描不同浓度的酪氨酸和色氨酸，差分脉冲伏安法法的参数设定如下：电位增量为4mV；振幅为25mV；记录差分脉冲伏安曲线，并读出酪氨酸和色氨酸的氧化峰电流值；
所得数据经统计后，以酪氨酸的浓度为横坐标，峰电流值为纵坐标，在20×10- 6mol/L~500×10-6mol/L范围内绘制标准曲线，检测限为2.1×10-6mol/L，得到酪氨酸对应的线性回归方程为I(μA)=0.027×C(μM)+1.608 (R2=0.99)；利用所得线性回归方程测定实际样品中酪氨酸的浓度；
所得数据经统计后，以色氨酸的浓度为横坐标，峰电流值为纵坐标，在20×10- 6mol/L~500×10-6mol/L范围内绘制标准曲线，检测限为1.89×10-6mol/L，推算出色氨酸对应的线性回归方程为I(μA)=0.029×C(μM)+2.14 (R2=0.99)，利用所得线性回归方程测定实际样品中色氨酸的浓度；
（4）实际样品检测：取样品置于容量瓶中，用pH为7.0的PBS缓冲溶液定容；按照与步骤（3）相同的电化学测试方法即差分脉冲伏安法对待测样品溶液进行测试，获得待测溶液中酪氨酸和色氨酸的氧化峰电流值，将所得到的电流值代入用步骤（3）得到的对应的线性回归方程中进行计算，得出待检测样品中酪氨酸和色氨酸的浓度。
本发明在前期探究的基础上制得了高分散的200纳米左右的聚吡咯纳米球，并将其作为前驱体制得了分散性较好且直径为100纳米的N掺杂碳纳米球。利用该碳纳米球构建了用于色氨酸和酪氨酸检测的电化学传感器。
本发明中合成的N掺杂碳纳米球具有均匀的纳米尺寸，且大小均匀，均在100 nm左右，分散均匀，这种结构使得该N掺杂碳纳米球作为电极材料时，不仅具有大的比表面积，同时还有很好的导电性及分散性，制备的电极材料明显提高了对酪氨酸和色氨酸的电化学响应。与现有电化学技术相比，该方法检测效果更好，且操作简单，省时，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明聚吡咯前驱体(A, C)及N掺杂碳纳米球(B, D)的SEM图；
图2为GCE电极(c)、PPy/GCE电极(b)和NPC/GCE电极(a)分别在包含500×10-6mol·L-1酪氨酸(A)和色氨酸(B)的0.1 mol·L-1的pH为7.0的PBS缓冲溶液中的循环伏安图；
图3为本发明中不同浓度的酪氨酸在NPC/GCE电极上的差分脉冲伏安图以及以酪氨酸浓度为横坐标、峰电流值为纵坐标的线性关系图；
图4为本发明中不同浓度的色氨酸在NPC/GCE电极上的差分脉冲伏安图以及以色氨酸浓度为横坐标、峰电流值为纵坐标的线性关系图。
具体实施方式
下面用具体实施方式对本发明做出进一步的说明。
一种利用N掺杂碳纳米球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法，以形貌均匀200纳米的聚吡咯纳米球PPy为前驱体，在氩气气氛中进行碳化制备100纳米的氮掺杂纳米碳球，将N掺杂碳纳米球的分散液滴涂在玻碳电极表面制备了N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极，修饰玻碳电极同时检测酪氨酸和色氨酸。
具体包括如下步骤：
（1）N掺杂纳米球的制备制备：将4 mL 吡咯单体溶解于100 mL去离子水，在磁力搅拌器上剧烈搅拌20 min，以获得均匀的球形胶束。然后加入0.4 g FeCl2，将所得溶液剧烈搅拌5 min以确保完全混合。同时，匀速滴加5 mL H2O2。可以观察到，随着H2O2的浓度增加，溶液的颜色逐渐由淡黄色变为黑色。Py持续聚合6 h，然后抽滤从而过滤沉淀物，用去离子水和乙醇洗涤以除去未反应的氧化剂和单体，最后在60℃下干燥12 h得到PPy粉末。
称取制得的导电聚合物PPy纳米球在真空管式炉中进行碳化。在氩气气氛下以10℃/min的升温速率升至700℃并保温两小时制得N掺杂碳纳米球。
附图1为聚吡咯纳米球前驱体(A)及N掺杂碳纳米球(B)的SEM图，本制备方法中可以通过调整前驱体聚吡咯纳米球的大小以调整N掺杂碳纳米球的尺寸。
（2）N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极获得NPC/GCE电极：将玻碳电极（GCE）在麂皮上依次用1.0，0.3和0.05mM的a-Al2O3粉浊液作抛光处理，接着依次用去离子水、质量比为1:1的HNO3和丙酮分别超声3min清洗获得干净的玻碳电极。将4.0mg NPC分散在2.0mL高纯水中并超声30min，制得浓度为2.0mg/mL的NPC分散液。接下来，用量程为5.0mL的注射器将5.0mLNPC分散液滴涂在清洗干净的GCE表面并在红外灯下烘干获得NPC/GCE电极。
（3）利用N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极检测食品中酪氨酸和色氨酸：将PG/GCE作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，组成三电极体系；
将该三电极体系首先置于含有500×10-6mol·L-1酪氨酸或色氨酸的pH为7.0的PBS缓冲溶液中，静置10s后，在0.0V到1.2V的电位范围内利用循环伏安法进行扫描，记录循环伏安曲线，研究酪氨酸和色氨酸在NPC/GCE表面的电化学行为。
从附图2可以看出，与裸GCE和聚吡咯前驱体修饰玻碳电极（PPy/GCE）相比，酪氨酸和色氨酸在NPC/GCE电极上的氧化峰电流获得了明显的增强。
进一步利用差分脉冲伏安法法在0.0V到1.2V的电位范围内扫描不同浓度的酪氨酸及色氨酸，差分脉冲伏安法法的参数设定如下：电位增量为4mV；振幅为25mV；电化学工作站为上海辰华CHI 760E工作站。记录差分脉冲伏安曲线（见附图3及附图4），并读出酪氨酸及色氨酸的氧化峰电流值；所得数据经统计后，以酪氨酸及色氨酸的浓度为横坐标，峰电流值为纵坐标，在20.0×10-6mol/L~500×10-6mol/L范围内绘制各自的标准曲线（见附图3B及4B），该传感器对酪氨酸及色氨酸的检测限分别为2.1 μM和1.89 μM，推算出酪氨酸及色氨酸对应的线性回归方程分别为I(μA)=0.027×C(μM)+1.608 (R2=0.99)及 I(μA)=0.029×C(μM)+2.14 (R2=0.99)，这两个方程可用来测定实际样品中酪氨酸和色氨酸的浓度。
（4）实际样品检测：将所建立的酪氨酸和色氨酸检测的方法运用于实际样品的测定，以市售西红柿汁和牛奶为实际样品分别检测酪氨酸和色氨酸，本方法的分析技术无需特别处理，用移液枪分别吸取一定量的西红柿汁、牛奶加入一定量配制好的PBS缓冲溶液中即可。取一定量西红柿汁或牛奶样品置于100mL容量瓶中，用pH为7.0的PBS缓冲溶液定容至100mL；按照与步骤（3）相同的电化学测试方法对待测样品溶液进行测试，实验经过扫描检测均未检出，推测实际样品中酪氨酸及色氨酸浓度低于本传感器检测限。对实际样品进行加标，之后进行扫描检测，并进行重复实验，每个试样的分析重复三次，取平均值，记录峰电流值，将所得到的电流值代入用步骤（3）得到的线性回归方程中进行计算，得出待检测样品中酪氨酸和色氨酸的浓度，取1mL实际样品进行加标检测的结果如表1及表2所示，看出该传感器显示了较高的回收率。
表1：西红柿汁中酪氨酸的加标测定
表2 为牛奶中色氨酸的加标测定
基于上述测验结果，可以看到，本发明的方法对酪氨酸和色氨酸进行了快速检测，显示了高的回收率。该方法对酪氨酸检测检线性范围宽，灵敏度高，操作简单。
总之，本发明利用以聚吡咯纳米球作为前驱体，碳化制得了尺寸均一，直径为100纳米左右的的N掺杂碳纳米球，将N掺杂碳纳米球的分散液滴涂在玻碳电极表面制备了修饰玻碳电极，由于N掺杂碳纳米球具有大的比表面积，高的导电性、强的吸附能力及好的分散性，实验利用该多碳纳米球修饰玻碳电极对食品中的酪氨酸及色氨酸进行了加标检测。本发明的检测方法具有回收率高，灵敏度较高，方法简便和结果准确的优点。
上述实施方式仅用于说明本发明的内容，但这并非是对本发明的限制，本领域的相关技术人员，在不脱离本发明的范围的情况下，还可以做出相应的调整和变型，因此所有等同替换或等效变型的方式形成的技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种利用N掺杂碳纳米球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法，其特征在于：以形貌均匀200纳米的聚吡咯纳米球PPy为前驱体，在氩气气氛中进行碳化制备100纳米的氮掺杂纳米碳球，将N掺杂碳纳米球的分散液滴涂在玻碳电极表面制备了N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极，修饰玻碳电极同时检测酪氨酸和色氨酸；
具体步骤如下：
（1）N掺杂纳米碳球的制备：将4 mL 吡咯单体Py溶解于100 mL去离子水，在室温、磁力搅拌器上1400转速搅拌20 min，获得均匀的球形胶束；然后加入0.4 g FeCl2，将所得溶液剧搅拌5 min确保完全混合；同时匀速滴加5 mL H2O2，溶液的颜色逐渐由淡黄色变为黑色；Py持续聚合6 h，然后抽滤过滤沉淀物，用去离子水和乙醇洗涤除去未反应的氧化剂和单体，最后在60℃下干燥12 h得到导电聚合物PPy纳米球粉末；
称取制得的导电聚合物PPy纳米球粉末在真空管式炉中碳化：在氩气气氛下以10℃/min的升温速率升至700℃并保温两小时制得N掺杂碳纳米球NPC；
（2）N掺杂碳纳米球玻碳电极NPC/GCE：将玻碳电极GCE用α-Al2O3粉浊液抛光处理，清洗干净玻碳电极；将NPC分散在高纯水中并超声，制得NPC分散液，将NPC分散液滴涂在清洗干净的GCE表面并在红外灯下烘干获得电极NPC/GCE；
（3）利用N掺杂碳纳米球修饰玻碳电极检测食品中酪氨酸和色氨酸：将NPC/GCE作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，组成三电极体系；
将该三电极体系首先置于浓度均为500×10-6mol·L-1的酪氨酸和色氨酸的pH为7.0的PBS缓冲溶液中，静置10s后，在0 V到1.2V的电位范围内利用循环伏安法进行扫描，记录循环伏安曲线，检测酪氨酸和色氨酸在NPC/GCE表面的电化学行为；进一步利用差分脉冲伏安法在0.0V到1.2V的电位范围内扫描不同浓度的酪氨酸和色氨酸，差分脉冲伏安法法的参数设定如下：电位增量为4mV；振幅为25mV；记录差分脉冲伏安曲线，并读出酪氨酸和色氨酸的氧化峰电流值；
所得数据经统计后，以酪氨酸的浓度为横坐标，峰电流值为纵坐标，在20×10-6mol/L~500×10-6mol/L范围内绘制标准曲线，检测限为2.1×10-6mol/L，得到酪氨酸对应的线性回归方程为I(μA)=0.027×C(μM)+1.608 (R2=0.99)；利用所得线性回归方程测定实际样品中酪氨酸的浓度；
所得数据经统计后，以色氨酸的浓度为横坐标，峰电流值为纵坐标，在20×10-6mol/L~500×10-6mol/L范围内绘制标准曲线，检测限为1.89×10-6mol/L，推算出色氨酸对应的线性回归方程为I(μA)=0.029×C(μM)+2.14 (R2=0.99)，利用所得线性回归方程测定实际样品中色氨酸的浓度；
（4）实际样品检测：取样品置于容量瓶中，用pH为7.0的PBS缓冲溶液定容；按照与步骤（3）相同的电化学测试方法即差分脉冲伏安法对待测样品溶液进行测试，获得待测溶液中酪氨酸和色氨酸的氧化峰电流值，将所得到的电流值代入用步骤（3）得到的对应的线性回归方程中进行计算，得出待检测样品中酪氨酸和色氨酸的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种利用N掺杂碳纳米球同时检测食品中酪氨酸和色氨酸的方法，其特征在于：步骤（3）和步骤（4）中，差分脉冲伏安法的参数设定如下：电位增量为4mV；振幅为25mV。
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