CN113866231B

CN113866231B - CuO@CNFs复合材料在检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的应用及方法

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Publication number: CN113866231B
Application number: CN202111040914.7A
Authority: CN
Inventors: 詹萍; 王鹏; 张玉环; 田洪磊; 许素娟
Original assignee: Shaanxi Normal University
Current assignee: Shaanxi Normal University
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2041-09-07
Also published as: CN113866231A

Abstract

本发明属于化学检测技术领域，涉及一种CuO@CNFs复合材料在检测猕猴桃汁香气成分反式‑2‑己烯醛的应用及方法，1)制备CuO@CNFs复合材料，2)将CuO@CNFs滴加在玻碳电极上；3)向猕猴桃汁标准样品体系中加入不同已知浓度的反式‑2‑己烯醛得到多份混合液，采用电化学方法得到不同已知浓度的反式‑2‑己烯醛与CuO@CNFs发生氧化反应时的峰值电流，绘制曲线图，拟合得到标准曲线y＝ax+b；4)将待检测的猴桃汁样品加入电解液中，采用电化学方法得到峰值电流，代入y＝ax+b中，计算出反式‑2‑己烯醛的浓度。本发明操作简单、成本低廉、灵敏度高、分析速度快，结果准确。

Description

CuO@CNFs复合材料在检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的应用及方法

技术领域

本发明属于化学检测技术领域，涉及一种碳纳米纤维负载氧化铜CuO@CNFs复合材料在检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的应用及方法。

背景技术

反式-2-己烯醛是一种新鲜果汁中常见的挥发性香气物质，感官属性通常表征为“青草香”、“清香”、“花香味”，为果汁整体香气品质提供了正向增益作用。现有研究表明，反式-2-己烯醛是猕猴桃汁中关键呈香物质之一，为猕猴桃提供了“青草香”等表征新鲜气味的感官属性，然而猕猴桃汁在生产加工过程中由于经历热漂、灭酶、杀菌等热处理工序，致使猕猴桃汁中大量的热敏性挥发性成分存在不同程度的损失，同时部分挥发性物质在热处理过程也存在合成与分解等转化过程，而产生令人不悦的异味；诸如反式-2-己烯醛等特征香气丧失问题导致加工后猕猴桃汁香气品质明显降低，与自然风味果汁产品开发的理念产生偏离。因此对特征呈香物质含量变化定量科学监控并基于此对猕猴桃汁香气品质预测，可为高品质猕猴桃汁品质快速检测奠定基础。

目前应用最为广泛的反式-2-己烯醛分析检测方法主要有气相色谱法(GC)与气－质联用法(GC-MS)。但是，相比于GC或GC-MS检测方法，电化学传感器分析法不需要大型仪器，且电极制备过程简单、成本低廉、灵敏度高、分析速度快、易于实现功能化和小型化，因此反式-2-己烯醛电化学传感器的研发具有巨大的应用前景。然而，迄今为止反式-2-己烯醛的电化学检测技术尚未见报道；这或许是因为反式-2-己烯醛的碳碳双键以及碳氧双键等分子键较为稳定，不易发生氧化还原反应，难以得到较明显的电流信号。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种碳纳米纤维负载氧化铜CuO@CNFs复合材料在检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的应用及方法，具有操作简单、成本低廉、灵敏度高、分析速度快、检测结果度高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种CuO@CNFs复合材料在检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛中的应用。

进一步的，所述CuO@CNFs复合材料是将细菌纤维素膜浸泡在Cu²⁺溶液中，Cu²⁺与细菌纤维素膜的摩尔质量比为1μmol：50～100g；搅拌均匀，Cu²⁺均匀负载在细菌纤维素膜内，用水浸泡后，依次经过洗涤、温度-50～-20℃下冷冻、温度20～50℃下干燥、预氧化、碳化得到的。

一种CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，包括以下步骤：

1)制备CuO@CNFs复合材料

2)采用步骤1)制备的CuO@CNFs复合材料修饰玻碳电极GCE，得到CuO@CNFs/GCE电极，备用；

3)向猕猴桃汁标准样品体系中加入不同已知浓度的反式-2-己烯醛得到多份混合液，并利用步骤2)得到的CuO@CNFs/GCE电极，采用电化学方法分别检测多份混合液，对应得到不同已知浓度的反式-2-己烯醛与CuO@CNFs发生氧化反应时的峰值电流，以反式-2-己烯醛的浓度为横坐标y，以峰值电流为纵坐标x，绘制x与y的关系曲线图，拟合后得到反式-2-己烯醛的标准曲线y＝ax+b；其中，a、b为常数；

4)取待检测的猴桃汁样品并加入电解液，利用步骤2)得到的CuO@CNFs/GCE电极，采用电化学方法进行检测，得到待检测的猴桃汁样品中反式-2-己烯醛与CuO@CNFs发生氧化反应时的峰值电流，将峰值电流代入步骤3)的标准曲线y＝ax+b中，计算得出检测样品中的反式-2-己烯醛浓度。

进一步的，所述步骤1)中，CuO@CNFs复合材料的制备步骤是，将细菌纤维素膜浸泡在Cu²⁺溶液中，磁力搅拌，Cu²⁺均匀负载在细菌纤维素膜内，取出并用水浸泡后，依次经过洗涤、在温度为-50～-20℃下冷冻、在温度为20～50℃下干燥、预氧化和碳化，得到CuO@CNFs复合材料。

进一步的，所述Cu²⁺与细菌纤维素膜的摩尔质量比为1μmol：50～100g；所述碳化过程是在氮气氛围下，温度500℃以上完成的。

进一步的，所述步骤2)的具体过程是，

2.1)将步骤1)得到的CuO@CNFs复合材料的粉末分散在溶剂中，超声均匀后得到分散液；

2.2)将得到的分散液滴加至玻碳电极GCE表面，干燥得到CuO@CNFs/GCE电极传感器。

进一步的，所述步骤2.1)中，所述分散液浓度为1±0.5mg/mL；所述溶剂为水和乙醇按照体积比1～2：1～2混合而成。

进一步的，所述步骤2.2)中，滴加的体积为5±3μL；干燥温度为50±20℃；干燥时间为30±10min。

进一步的，所述步骤3)中，猕猴桃汁标准样品体系是由体积比为1:10000的标准猕猴桃汁和电解液组成的；所述标准猕猴桃汁是由3.64g果糖、1.36g蔗糖、3.56g葡萄糖、1.266g苹果酸、1.144g奎宁酸、0.837g柠檬酸、0.093g抗坏血酸和88.10g水混合而成的。

进一步的，所述步骤3)和步骤4)中，电化学方法均为差示脉冲伏安法DPV。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的检测方法，采用CuO@CNFs复合材料，通过建立反式-2-己烯醛电化学传感器体系，实现对猕猴桃汁中香气成分反式-2-己烯醛的定量分析；反式-2-己烯醛的最低检出限为1.4nM，检测结果准确可靠，操作简单、快速、灵敏度高。

2、本发明在检测猕猴桃汁中香气成分反式-2-己烯醛时，无需对猕猴桃汁进行任何处理，可以直接检测；检测方法简单，成本低廉，对环境无污染。

3、本发明中，由于纳米碳纤维CNFs具有高比表面积和优越的有机质吸附性能，氧化铜CuO被证明具有良好的催化还原活性，用作催化剂和催化剂载体以及电极活性材料，因此，采用细菌纤维素膜和Cu²⁺制备的CuO@CNFs复合材料，性质稳定，可长期储存，具有高催化还原性能，且对检测结果几乎无影响，稳定性和重现性较好。

4、本发明在进行检测时，CuO@CNFs复合材料对反式-2-己烯醛的选择性好，不受其他猕猴桃汁香气物质的干扰，保证检测结果的准确性。

附图说明

图1为实施例1所得CuO@CNFs复合材料的扫描电镜图(a)、透射电镜图(b)；

图2为实施例1所得CuO@CNFs在含有反式-2-己烯醛的磷酸缓冲溶液和不含反式-2-己烯醛的磷酸缓冲溶液中的循环伏安图；

图3为施例4中反式-2-己烯醛的稳态电流与浓度之间的关系曲线图；

图4为实施例1所得CuO@CNFs对不同干扰成分选择性测试结果。

具体实施方式

现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。

实施例1

1)碳纳米纤维负载氧化铜CuO@CNFs的制备

将1g细菌纤维素膜浸泡在0.01μmol的Cu²⁺溶液中，磁力搅拌2小时，使Cu²⁺均匀负载在细菌纤维素膜内，取出，用水浸泡负载有Cu²⁺的细菌纤维素膜，之后依次经过洗涤，在温度为-50℃下冷冻，在温度为30℃下干燥，预氧化，碳化，得到碳纳米纤维CNFs负载氧化铜CuO@CNFs复合材料，这是因为细菌纤维素膜处理后，再经高温碳化得到碳纳米纤维CNFs。

2)玻碳电极的修饰

2.1)将1mg CuO@CNFs粉末分散在1mL溶剂中，溶剂由1:1(v/v)水和乙醇组成。使用超声处理溶剂以形成均匀分散的液体；

2.2)取2μL液体转移到GCE表面并干燥，在溶剂蒸发后，GCE表面将形成一层催化剂薄膜，将电极储存在于室温干燥器中待测。

实施例2

1)CuO@CNFs的制备：

将5g细菌纤维素膜浸泡在0.06μmol的Cu²⁺溶液中，磁力搅拌4小时，使Cu²⁺均匀负载在细菌纤维素膜内，取出，用水浸泡负载有Cu²⁺的细菌纤维素膜，之后依次经过洗涤，在温度为-20℃下冷冻，在温度为50℃下干燥，预氧化，碳化，得到CuO@CNFs复合材料；

2)玻碳电极的修饰

2.1)将2mg CuO@CNFs粉末分散在1mL溶剂中，溶剂由1:2(v/v)水和乙醇组成。使用超声处理溶剂以形成均匀分散的液体；

2.2)取6μL液体转移到GCE表面并干燥，在溶剂蒸发后，GCE表面将形成一层催化剂薄膜，将电极储存在于室温干燥器中待测。

实施例3

1)CuO@CNFs的制备

将3g细菌纤维素膜浸泡在0.02μmol的Cu²⁺溶液中，磁力搅拌3小时，使Cu²⁺均匀负载在细菌纤维素膜内，取出，用水浸泡负载有Cu²⁺的细菌纤维素膜，之后依次经过洗涤，在温度为-10℃下冷冻，在温度为20℃下干燥，预氧化，碳化，得到CuO@CNFs复合材料。

2)玻碳电极的修饰

2.1)将3mg CuO@CNFs粉末分散在1mL溶剂中，溶剂由2:1(v/v)水和乙醇组成。使用超声处理溶剂以形成均匀分散的液体；

2.2)取8μL液体转移到GCE表面并干燥，在溶剂蒸发后，GCE表面将形成一层催化剂薄膜，将电极储存在于室温干燥器中待测。

上述实施例列出了几组CuO@CNFs复合材料以及CuO@CNFs/GCE电极的制备参数，但是制备时，各个步骤的制备参数不仅限于此，还可以在以下范围内选择替换。

实施时，步骤1)中，Cu²⁺与细菌纤维素膜的摩尔质量比为1μmol：50～100g；碳化温度500℃以上；冷冻温度为-50～-20℃，干燥温度为20～50℃。

实施时，步骤2.1)中，分散液浓度为1±0.5mg/mL，溶剂为水和乙醇按照体积比1～2：1～2混合而成。

实施时，步骤2.2)中，滴加的体积为5±3μL；干燥温度为50±20℃；干燥时间为30±10min。

实施时，当选择不同参数制备的CuO@CNFs复合材料时，只影响CuO@CNFs复合材料的产率，不影响材料的结构和性能。

实施例4反式-2-己烯醛的检测方法

采用实施例1得到的CuO@CNFs/GCE电极，通过电化学方法检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的浓度。

(1)将不同已知浓度的反式-2-己烯醛分别加入猕猴桃汁标准样品体系中得到的混合液为检测对象，使用CHI660E电化学工作站，利用CuO@CNFs/GCE电极进行电化学测试；记录混合液中的反式-2-己烯醛与CuO@CNFs发生氧化反应时的峰值电流，以反式-2-己烯醛的浓度为横坐标(x轴)，以峰值电流为纵坐标(y轴)，根据检测数据绘图；对得到的曲线图拟合后，得到反式-2-己烯醛浓度与峰值电流之间的标准曲线y＝ax+b；其中，a、b为常数；

本实施例中，为保证对猕猴桃汁中反式-2-己烯醛检测时电流信号强度准确与科学性，根据猕猴桃中主要糖类及有机酸物质含量构建猕猴桃汁的标准样品体系。

本实施例中，构建猕猴桃汁标准样品体系方法是：

首先，将3.64g果糖、1.36g蔗糖、3.56g葡萄糖、1.266g苹果酸、1.144g奎宁酸、0.837g柠檬酸、0.093g抗坏血酸加入88.10g水中，混合得到标准猕猴桃汁，标准猕猴桃汁中可溶性固形物为16％～17％和可滴定酸1％～1.5％；接着将标准猕猴桃汁与电解液按照体积比1:10000进行混合得到猕猴桃汁标准样品体系。电解液为含有溴化聚苯乙烯的BPS电解液。

其次，针对猕猴桃汁特有感官属性，确定由8名评析人员(3名男性，5名女性，年龄22-38岁)组成的感官小组，并根据描述性感官分析要求进行了标准培训。在感官测试之前进行了三次特定的训练。所用的感官评价方法为模糊性感官评价法，对构建的猕猴桃汁标准样品体系的香气品质感官评分，配制的猕猴桃汁标准样品体系与猕猴桃本身的香气相同。

本实施例中，在测试峰值电流时，采用差示脉冲伏安法DPV进行电化学测试；

(2)取实际的待检测猕猴桃汁样品，将待检测样品加入溴化聚苯乙烯BPS电解液中(参照标准液：电解液为1:10000)，将实施例1得到的CuO@CNFs/GCE电极置于电解液中，通过CHI660E电化学工作站进行电化学测试，检测实际猕猴桃汁中的反式-2-己烯醛与CuO@CNFs发生氧化反应时的峰值电流，将峰值电流代入标准曲线y＝ax+b的函数关系式中，计算出对应的x值，即为实际猕猴桃汁中反式-2-己烯醛的浓度。

本实施例中，在测试峰值电流时，采用差示脉冲伏安法DPV进行电化学测试。

为了说明本发明制备的CuO@CNFs复合材料在电化学检测中的优越性，现进行以下验证试验。

试验1

以实施例1中制备的CuO@CNFs复合材料为例，对其进行扫描电镜和透射电镜，结果如图1所示。其中，(a)为CuO@CNFs复合材料的扫描电镜图；(b)为CuO@CNFs复合材料的透射电镜图(b)。

参见图1，制备CuO@CNFs复合材料尺寸是微纳米级别，且具有良好的晶格结构。

试验2

空白组：为消除电解液对体系干扰，设置空白组实验，即配制浓度0.01mol/L，pH＝4.0的磷酸缓冲溶液PBS；

试验组：向配制浓度0.01mol/L，pH＝4.0的磷酸缓冲溶液PBS中，加入反式-2-己烯醛；

试验过程：采用实施例1得到的CuO@CNFs/GCE电极，采用CHI660E电化学工作站进行分别对空白组和试验组的溶液进行电化学测试，采用差示脉冲伏安法DPV进行电化学测试，得到对应的得到循环伏安图，结果如图2所示。

由图2可见，CuO@CNFs复合材料对溶液中的反式-2-己烯醛呈现出良好的电催化检测性能，CuO@CNFs复合材料可作为电化学检测反式-2-己烯醛的电极材料。

试验3

配制不同浓度的反式-2-己烯醛溶液，其浓度依次为2.5、7.5、12.5、75.5、125.0、500.0、625.0、1300.0、1700.0、2100.0nmol/L，采用实施例1得到的CuO@CNFs/GCE电极，采用CHI660E电化学工作站分别对不同浓度的反式-2-己烯醛溶液进行电化学测试，分别记录溶液中的反式-2-己烯醛与CuO@CNFs发生氧化反应时的峰值电流，以反式-2-己烯醛的浓度为横坐标(x轴)，以电流为纵坐标(y轴)，电流与浓度之间的关系曲线图，结果如图3所示y＝-0.0375x-1.185。采用差示脉冲伏安法DPV进行电化学测试。电解时，反式-2-己烯醛溶液中还加入溴化聚苯乙烯BPS电解液，反式-2-己烯醛与电解液的体积比为1：10000。

参见图3，在反式-2-己烯醛浓度为5×10^-8～2×10^-6mol/L范围内，CuO@CNFs/GCE电极传感器的电流响应呈现良好的线性关系；同时根据三倍噪音下的信号值可计算得出CuO@CNFs复合材料形成的电极传感器对反式-2-己烯醛的检测限为1.4nmol/L。

试验4

分别配制浓度均为1850nmol/L的反式-2-己烯醛、3-己烯醛、己醛、3-己烯醇、乙酸乙酯、顺-3-己烯醛溶液，采用实施例1得到的CuO@CNFs/GCE电极，采用CHI660E电化学工作站进行电化学检测，得出不同溶液的峰值电流；采用差示脉冲伏安法DPV进行电化学测试，结果如图4所示。电解时，各溶液中还加入溴化聚苯乙烯BPS电解液，各溶液与电解液的体积比均为1：10000。

从图4可知，分别对筛选出猕猴桃中6种特征香气成分进行检测，结果发现采用CuO@CNFs对反式-2-己烯醛的电流远大于其他物质的电流，具有明显的特异性识别能力，说明CuO@CNFs对反式-2-己烯醛具有良好的电化学选择性，同时也说明在检测时，抗干扰性强，证明可以作为评价猕猴桃香气品质的靶向物质并完全能被CuO@CNFs定量识别。

试验5

对比组：采用气相色谱-质谱联用仪GC-MS检测

试验组：实施例4提供的电化学检测方法DPV

试验过程：(1)随机选取三个猕猴桃，将其制作成3份猕猴桃汁，依次编号1、2、3。

(2)取1号猕猴桃汁两份，分别用试验组和对比组的检测方法进行检测，最后得到猕猴桃汁中的反式-2-己烯醛的浓度值；检测时，平行取样三次，测试三个浓度值，取平均值到平均测定含量，结果如表1所示。采用DPV法时，猕猴桃汁中还加入溴化聚苯乙烯BPS电解液，猕猴桃汁与电解液的体积比为1：10000；

2号猕猴桃汁和3号猕猴桃汁重复本试验过程，分别得到2号猕猴桃汁和3号猕猴桃汁的平均测定含量；结果如表1所示。

(3)再取1号猕猴桃汁两份，然后分别向其中加入浓度为2.75μg/kg的反式-2-己烯醛标准溶液，然后用试验组和对比组的检测方法进行检测，最后得到反式-2-己烯醛的加标浓度值；检测时，平行取样三次，测试三个加标浓度值，取平均值得到平均加标测定值，结果如表1所示。采用DPV法时，猕猴桃汁中还加入溴化聚苯乙烯BPS电解液，猕猴桃汁与电解液的体积比为1：10000。

2号猕猴桃汁与上述步骤相同，但是反式-2-己烯醛标准溶液的加入量为21.68μg/kg。3号猕猴桃汁与上述步骤相同，但是反式-2-己烯醛标准溶液的加入量为43.36μg/kg。分别得到2号猕猴桃汁和3号猕猴桃汁的平均加标测定值；结果如表1所示。

(4)根据上述的测试数据计算回收率和相对标准偏差。回收率指外添加标准物质后再进行检测，检测结果增加的值占实际添加值的百分比，可用于反映分析方法的误差和操作过程的损失，以评价方法的可靠性。回收率＝(加标试样测定值-试样测定值)/加标量×100％。如表1具体计算相对标准偏差(RSD)＝标准偏差(SD)/计算结果的算术平均值(X)*100％，通常用来表示分析测试结果的精密度。结果参见表1。

表1猕猴桃汁中的反式-2-己烯醛浓度不同检测方法的对比

从表1可以看出，采用本发明提供的CuO@CNFs复合材料修饰玻碳电极，然后采用电化学方法进行猕猴桃汁中反式-2-己烯醛的检测时，其相对标准偏差要低于气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)检测结果，表明采用本发明提供的检测方法，结果更加准确，同时，采用本发明提供的方法能够达到目前国内外公认的以GC-MS为检测手段的检测限(ppm级)，且CuO@CNFs复合材料对反式-2-己烯醛具有良好的检测性和选择性。

Claims

1.一种CuO@CNFs复合材料在检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛中的应用，其特征在于：利用CuO@CNFs复合材料修饰玻碳电极GCE得到CuO@CNFs/GCE电极，并通过电化学方法检测反式-2-己烯醛；

所述CuO@CNFs复合材料是将细菌纤维素膜浸泡在Cu²⁺溶液中，Cu²⁺与细菌纤维素膜的摩尔质量比为1μmol：50～100g；搅拌均匀，Cu²⁺均匀负载在细菌纤维素膜内，用水浸泡后，依次经过洗涤、温度-50～-20℃下冷冻、温度20～50℃下干燥、预氧化、碳化得到的。

2.一种CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)制备CuO@CNFs复合材料，备用；

所述步骤1)中，CuO@CNFs复合材料的制备步骤是，将细菌纤维素膜浸泡在Cu²⁺溶液中，磁力搅拌，Cu²⁺均匀负载在细菌纤维素膜内，取出并用水浸泡后，依次经过洗涤、在温度为-50～-20℃下冷冻、在温度为20～50℃下干燥、预氧化和碳化，得到CuO@CNFs复合材料；

3.根据权利要求2所述的CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，其特征在于：所述Cu²⁺与细菌纤维素膜的摩尔质量比为1μmol：50～100g；所述碳化过程是在氮气氛围下，温度500℃以上完成的。

4.根据权利要求2所述的CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体过程是，

5.根据权利要求4所述的CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，其特征在于：步骤2.1)中，所述分散液浓度为1±0.5mg/mL；所述溶剂为水和乙醇按照体积比1～2：1～2混合而成。

6.根据权利要求5所述的CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，其特征在于：步骤2.2)中，滴加的体积为5±3μL；干燥温度为50±20℃；干燥时间为30±10min。

7.根据权利要求6所述的CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，其特征在于：所述步骤3)中，猕猴桃汁标准样品体系是由体积比为1:10000的标准猕猴桃汁和电解液组成的；所述标准猕猴桃汁是由3.64g果糖、1.36g蔗糖、3.56g葡萄糖、1.266g苹果酸、1.144g奎宁酸、0.837g柠檬酸、0.093g抗坏血酸和88.10g水混合而成的。

8.根据权利要求7所述的CuO@CNFs复合材料检测猕猴桃汁香气成分反式-2-己烯醛的方法，其特征在于：所述步骤3)和步骤4)中，电化学方法均为差示脉冲伏安法DPV。