本發(fā)明屬于食品安全快速檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于氧化鈷/介孔碳的納米復合材料的電化學傳感器的制備及應(yīng)用，特別是利用本專利發(fā)明的電化學傳感器快速檢測食品中的亞硝酸鹽含量。

背景技術(shù)：

亞硝酸鹽是氮循環(huán)的活性中間產(chǎn)物之一，普遍存在于土壤、水、食物和各種生理系統(tǒng)中，也是食品工業(yè)中常用的添加劑和防腐劑。尤其在肉制品加工工業(yè)中，亞硝酸鹽常作為添加劑，使肉品發(fā)色，增強風味，并具有抗菌防腐的作用。亞硝酸鹽作為一種允許使用的食品添加劑，在控制的安全范圍內(nèi)使用不會對人體造成傷害。但高劑量的亞硝酸鹽具有很大的毒性，人體攝入0.3～0.5g的亞硝酸鹽即可引起中毒，3g即導致死亡。人體內(nèi)如果攝入過量的亞硝酸鹽，會使正常攜氧的血紅蛋白變成三價鐵離子的高鐵血紅蛋白，造成組織缺氧，使人體出現(xiàn)高鐵血紅蛋白癥狀。生物體或食品中的亞硝酸鹽可與胺類、酰胺類結(jié)合產(chǎn)生強致癌物亞硝胺。另外，亞硝酸鹽對人體的心血管系統(tǒng)有害，還會干擾機體對維生素a的利用。亞硝酸鹽能夠透過胎盤進入胎兒體內(nèi)，對胎兒有致畸作用。隨著人們環(huán)境意識和食品安全意識的增強，亞硝酸鹽已成為環(huán)境檢測和食品分析的重要項目。檢測亞硝酸鹽含量的方法是多種多樣的，如分光光度法、色譜法、熒光光度法、化學發(fā)光法和毛細管電泳法等，但是這些方法存在一些缺點，如使用儀器價格昂貴、操作專業(yè)性強、樣品準備復雜、靈敏度和選擇性低、成本高等問題，因此尋找出一種操作簡單、高效快速檢測食品中亞硝酸鹽的方法對保障食品安全具有極其重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對當前技術(shù)存在缺點和不足，電化學方法是一種高靈敏度、高選擇性的傳感器技術(shù)，其具有成本低、操作簡便、響應(yīng)迅速、靈敏度高、進樣量小且在反應(yīng)過程中不需要加入其它化學試劑從而有利于環(huán)境保護因而受到廣泛應(yīng)用。因此將電化學傳感器應(yīng)用在食品領(lǐng)域，為食品安全檢測提供一種新穎、快速、準確的檢測手段，也為電化學傳感器開辟了一條新的應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明用一種基于氧化鈷/介孔碳復合材料的電化學傳感器快速檢測食品中的亞硝酸鹽。電化學傳感器檢測系統(tǒng)所采用的是三電極系統(tǒng)：以飽和甘汞電極作為參比電極、鉑絲電極為對電極、玻碳電極及其修飾電極作為工作電極。本發(fā)明提供的電化學傳感器所使用的電極修飾材料為氧化鈷/介孔碳納米復合材料，氧化鈷良好的電子傳輸特性和有序介孔碳良好的有序孔結(jié)構(gòu)、大的孔體積、高比表面積和可調(diào)節(jié)的孔徑大小等特性可以催化亞硝酸鹽的氧化還原反應(yīng)，從而實現(xiàn)對食品中亞硝酸鹽的快速檢測。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供的基于氧化鈷/介孔碳復合材料電化學傳感器的制備方法，包括以下步驟：

s1.氧化鈷顆粒和石墨化介孔碳納米復合材料的合成：把六水硝酸鈷的酚醛樹脂溶液滴加到ps-b-peo的四氫呋喃溶液中，反應(yīng)至暗紫色溶液，室溫下?lián)]發(fā)1～2h，加熱至50℃保持18～24小時，加熱至100～120℃保持18～24小時，在氮氣氣氛下600℃焙燒2～3小時得到氧化鈷顆粒/石墨化介孔碳的納米復合材料；

其中，所述六水硝酸鈷的酚醛樹脂溶液的濃度為0.1～0.5mol/l；

其中，所述ps-b-peo的四氫呋喃溶液的濃度為0.01-0.04g/m；

其中，所述六水硝酸鈷的酚醛樹脂溶液與所述ps-b-peo的四氫呋喃溶液的體積比為1：1.25-5。

s2.電化學傳感器工作電極的修飾：將a中的負載有氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳的納米復合材料溶于水后(優(yōu)選的，溶于少量二次蒸餾水)，均勻的滴凃在傳感器的電化學工作電極表面，用氮氣吹干即可制得電化學傳感器。

步驟s2中所述電化學傳感器是三電極工作體系，以飽和甘汞電極作為參比電極、鉑絲電極為對電極、玻碳電極為工作電極。

其中，步驟s2中所述電化學傳感器工作電極在修飾之前，要進行清洗的預處理。所述清洗的預處理可以是將玻碳電極在0.05mol/l的硫酸溶液中浸泡5min，取出后依次用0.3μmol/l和0.05μmol/l的三氧化二鋁拋光打磨至鏡面，分別用無水乙醇、二次蒸餾水超聲10～15min，最后在氮氣環(huán)境下吹干待用。

其中，步驟s2中所述氧化鈷顆粒/石墨化介孔碳的納米復合材料溶于水后的濃度約為1.5～1.8mg/ml。

其中，步驟s2中所述氧化鈷顆粒/石墨化介孔碳的納米復合材料溶于水后滴涂的量為5～10μl。

其中，步驟s2中所述氮氣的流速為100ml/min。

上述制備方法制成的基于氧化鈷/介孔碳復合材料電化學傳感器。本發(fā)明的電化學傳感器采用的是以介孔碳為基底復合氧化鈷的納米復合材料作為修飾電極，有序介孔碳良好的有序孔結(jié)構(gòu)、大的孔體積、高的比表面積和可調(diào)節(jié)的孔徑大小等特性可以催化亞硝酸鹽的氧化還原反應(yīng)，而介孔碳與金屬氧化物的結(jié)合可以很好的改變介孔碳的物理化學性質(zhì)。以介孔碳為基底復合氧化鈷的納米復合材料起的作用是對亞硝酸鹽的氧化還原起到良好的催化效果，加速電子的傳遞，從而提高靈敏度，達到高效快速的檢測目的。

用本發(fā)明提供的電化學傳感器檢測食品中亞硝酸鹽的方法，所述檢測食品中亞硝酸鹽的方法包括以下步驟：

(1)亞硝酸鹽標準溶液的標定：將亞硝酸鹽標準液進行梯度稀釋，制備成0.5μm～1mm的溶液，用所述電化學傳感器進行測試，并記錄不同濃度的亞硝酸鹽對應(yīng)的信號響應(yīng)值，從而確定亞硝酸鹽濃度與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系；

(2)待測食品的標定：將碎的待測食品用國標gb5009.33-2010食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定中樣品的前處理方法進行處理，用所述電化學傳感器進行測試，與步驟(1)中的亞硝酸鹽各濃度與電流值之間的線性關(guān)系進行比較，即可得到待測食品的亞硝酸鹽含量。

本發(fā)明方法檢測食品中亞硝酸鹽的優(yōu)點和特點如下：

(1)電化學傳感器作為一種高選擇性傳感器，具有裝置體積小、成本低廉、便于攜帶等優(yōu)點，可以快速高效的對食品中的亞硝酸鹽進行檢測。將其運用到食品中亞硝酸鹽的檢測，具有操作簡單、檢測快速、選擇性好、靈敏度和準確性高等優(yōu)點，并能夠?qū)崟r快速檢測到食品中微量的亞硝酸鹽。

(2)有序介孔碳作為一種新型碳材料，具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，且在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，孔壁結(jié)構(gòu)和介孔形狀可以改變，具有良好的熱穩(wěn)定性和導電特性，具有高的比表面積，在電分析化學方面有著非常好的應(yīng)用。此外，有序介孔碳具有較大的比表面積、孔徑分布規(guī)則等特點有利于實現(xiàn)主客體的組裝。在相同的主體碳材料中添加相同或不同的客體物質(zhì)，介孔碳的復合材料能夠顯示出與介孔碳不同的物理化學性質(zhì)。其中最有前景的是金屬與介孔碳材料結(jié)合成的復合物，本發(fā)明采用氧化鈷與有序介孔碳結(jié)合構(gòu)成的復合物修飾電極，與純的有序介孔碳修飾電極相比，極大提高了電極的性能?；诖藦秃喜牧系碾娀瘜W傳感器可以快速高效的實現(xiàn)對食品中亞硝酸鹽的檢測，其操作簡單，檢測速度快，靈敏度高，為高效快速檢測食品中亞硝酸鹽的含量提供了一種新的檢測方法，也為食品安全檢測提供一種新穎、快速、準確的檢測手段。

附圖說明

圖1為實施例1-3制得的氧化鈷/介孔碳復合材料的光散射結(jié)果圖，其中1為實施例1，2為實施例2，3為實施例3。

圖2為實施例1-3制得的氧化鈷/介孔碳復合材料的透射電鏡圖，其中a為實施例1，b為實施例2，c為實施例3。

圖3為實施例1-3制得的氧化鈷/介孔碳復合材料運用廣角x-射線衍射得到的表征圖。

圖4為實施例4制得的的電化學傳感器和未修飾的電化學傳感器的工作電極的循環(huán)伏安圖。

圖5為實施例4制得的的電化學傳感器對溶液中no2^-響應(yīng)的電流-時間曲線。

圖6為實施例5中應(yīng)用實施例4制得的電化學傳感器對榨菜中no2^-進行測定得到的電流-時間曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步說明：

本發(fā)明的具體實施如下。

實施例1氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳納米復合材料的合成

取0.06g六水硝酸鈷溶于2ml預配置好的酚醛樹脂溶液中攪拌0.5h，標記為a液。0.1gps-b-peo溶解在5mlthf中配成b液。把b逐滴加入到a中，室溫下攪拌2h。將得到的暗紫色溶液轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，室溫下?lián)]發(fā)2h。然后轉(zhuǎn)移到50℃烘箱中，保持24小時，接著將烘箱溫度繼續(xù)升高到100℃保持24小時。最后在表面皿上得到淺黃色透明復合膜。用單片刀將該膜從培養(yǎng)皿中刮下來，置于管式爐中，在氮氣氣氛下，600℃焙燒3小時，升溫速率為1.0℃/min。得到黑色樣品，命名為co/c-0.1-600,其中0.1代表六水硝酸鈷的酚醛樹脂溶液的濃度，600代表焙燒溫度。

實施例2氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳納米復合材料的合成

取0.12g六水硝酸鈷溶于2ml預配置好的酚醛樹脂溶液中攪拌0.5h，標記為a液。0.1gps-b-peo溶解在5mlthf中配成b液。把b逐滴加入到a中，室溫下攪拌2h。將得到的暗紫色溶液轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，室溫下?lián)]發(fā)2h。然后轉(zhuǎn)移到50℃烘箱中，保持24小時，接著將烘箱溫度繼續(xù)升高到100℃保持24小時。最后在表面皿上得到淺黃色透明復合膜。用單片刀將該膜從培養(yǎng)皿中刮下來，置于管式爐中，在氮氣氣氛下，600℃焙燒3小時，升溫速率為1.0℃/min。得到黑色樣品，命名為co/c-0.2-600,其中0.2代表六水硝酸鈷的酚醛樹脂溶液的濃度，600代表焙燒溫度。

實施例3氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳納米復合材料的合成取0.35g六水硝酸鈷溶于4ml預配置好的酚醛樹脂溶液中攪拌0.5h，標記為a液。0.1gps-b-peo溶解在5mlthf中配成b液。把b逐滴加入到a中，室溫下攪拌2h。將得到的暗紫色溶液轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，室溫下?lián)]發(fā)2h。然后轉(zhuǎn)移到50℃烘箱中，保持24小時，接著將烘箱溫度繼續(xù)升高到100℃保持24小時。最后在表面皿上得到淺黃色透明復合膜。用單片刀將該膜從培養(yǎng)皿中刮下來，置于管式爐中，在氮氣氣氛下，600℃焙燒3小時，升溫速率為1.0℃/min。得到黑色樣品，命名為co/c-0.3-600,其中0.3代表六水硝酸鈷的酚醛樹脂溶液的濃度，600代表焙燒溫度。

實施例1-3制得的氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳納米復合材料的光散射結(jié)果圖見圖1。由圖1可以看出鈷前驅(qū)體對酚醛樹脂的比例由0.1到0.3，衍射峰逐漸變?nèi)酰砻麾捲吹募尤胗绊懥私Y(jié)構(gòu)的有序性，鈷源加入量越大，結(jié)構(gòu)的有序性越差。

實施例1-3制得的氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳納米復合材料的透射電鏡圖見圖2。為制得的鈷前驅(qū)物和酚醛樹脂不同比例的復合納米材料的透射電鏡圖。由圖2可以看到在600℃氮氣焙燒的氧化鈷顆粒均均勻的分散到介孔碳骨架上。但是隨著鈷源量的增加，介孔碳孔道的有序性變差。綜合鈷的負載量以及介孔碳材料孔道的有序性，鈷源和酚醛樹脂的比例為0.2時介孔碳的有序性最好。

實施例1-3制得的氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳納米復合材料運用廣角x-射線衍射得到的表征圖見圖3。從三條曲線可以看，不同位置明顯衍射峰出現(xiàn)在31.3°,36.9°,44.9°,59.6°,和65.4°，分別對應(yīng)四氧化三鈷的(220),(311),(400),(511),和(440)峰。證明得到的金屬顆粒主要是四氧化三鈷。

實施例4基于氧化鈷/介孔碳復合納米材料電化學傳感器的制備及對no2^-檢測范圍的測定

稱取1.7mg實施例2中制得的氧化鈷顆粒和石墨化有序介孔碳的納米復合材料溶解于1ml二次蒸餾水中后，用微量注射器吸取7μl均勻的滴凃在經(jīng)過預處理的電化學工作電極表面，用氮氣吹干即可制得電化學傳感器。

將亞硝酸鹽標準液進行梯度稀釋，制備成0.5μm～1mm的溶液，用所述電化學傳感器采用電流-時間法在施加電位為0v，0.2moll^-1的pbs溶液中進行測試，并記錄不同濃度的亞硝酸鹽對應(yīng)的電流響應(yīng)值。通過電流-時間曲線，得到no2^-濃度的線性范圍為5μm～0.7mm，線性方程為y＝-0.004x+0.0367，相關(guān)系數(shù)r²＝0.9967，檢測限為0.5μm。

實施例4制得的的電化學傳感器和未修飾的電化學傳感器的工作電極的循環(huán)伏安圖見圖4所示。曲線1是裸電極在緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖，曲線2是裸電極在0.5mmmno2^-條件下的循環(huán)伏安圖，曲線3是修飾了氧化鈷/介孔碳材料的工作電極在緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖，曲線4是修飾了氧化鈷/介孔碳材料的工作電極在0.5mmno2^-條件下的循環(huán)伏安圖。從圖中可以明顯看出曲線4存在明顯的氧化峰，說明氧化鈷/介孔碳復合材料對亞硝酸鹽的氧化還原反應(yīng)起到催化作用，加速了反應(yīng)的進行。

實施例4制得的電化學傳感器對溶液中no2^-響應(yīng)的電流-時間曲線見圖5所示。從圖中可以看出，向介質(zhì)中分段連續(xù)加入不同濃度的亞硝酸鹽溶液時，產(chǎn)生很明顯的電流階躍。通過電流-時間曲線，得到no2^-濃度的線性范圍為5μm～0.7mm，線性方程為y＝-0.004x+0.0367，相關(guān)系數(shù)r²＝0.9967，檢測限為0.5μm。

實施例5應(yīng)用實施例4制得的氧化鈷/介孔碳電化學傳感器檢測榨菜中的亞硝酸鹽含量

依照國標gb5009.33-2010中樣品的前處理方法進行處理，即稱取5.000g(精確至0.001g)制成勻漿的試樣，至于50ml燒杯中，加12.5ml飽和硼砂溶液，攪拌均勻，以70℃左右的水約300ml將試樣洗入500ml容量瓶中，于沸水浴中加熱15min，取出置冷水浴中冷卻，并放置至室溫。在振蕩上述提取液時加入5ml亞鐵氰化鉀溶液，搖勻，再加入5ml乙酸鋅溶液以沉淀蛋白質(zhì)。加水至刻度，搖勻放置30min。除去上層脂肪，上清液用濾紙過濾，棄去初濾液30ml，濾液備用。然后使用本發(fā)明制得的基于氧化鈷/介孔碳的電化學傳感器在施加電位為0v，0.2moll^-1的pbs溶液中對榨菜中的亞硝酸鹽含量進行測定。采用標準加入法，將處理好的榨菜汁液中加入不同濃度的no2^-，隨著no2^-的加入，i-t曲線出現(xiàn)明顯的電流階躍，no2^-濃度的線性范圍為30μm～1.7mm，相應(yīng)的線性方程為y＝-0.0017x-0.1418，相關(guān)系數(shù)r²＝0.9965。通過計算榨菜樣品中亞硝酸根離子含量為10.55mg/kg。

應(yīng)用國標gb5009.33-2010中的分光光度法測得榨菜中亞硝酸鹽的含量為10.12mg/kg，說明本發(fā)明制得的電化學傳感器可以較好的檢測食品中亞硝酸鹽的含量。

圖6為實施例5里榨菜樣品中加入不同濃度的no2^-的用實施例2的電化學傳感器進行測定得到的電流-時間曲線。將處理好的榨菜汁液中加入不同濃度的no2^-，隨著的加入no2^-，i-t曲線出現(xiàn)明顯的電流階躍，no2^-濃度的線性范圍為30μm～1.7mm，相應(yīng)的線性方程為y＝-0.0017x-0.1418，相關(guān)系數(shù)r²＝0.9965。

實施例6應(yīng)用實施例4制得的氧化鈷/介孔碳電化學傳感器檢測火腿中的亞硝酸鹽含量

金華火腿樣品的前處理同實施例5中榨菜的前處理方法。然后使用本發(fā)明制得的基于氧化鈷/介孔碳的電化學傳感器對金華火腿中的亞硝酸鹽含量進行測定。采用循環(huán)伏安法在施加電位為0v，0.2moll^-1的pbs溶液中對金華火腿中的亞硝酸鹽含量進行測定。所得氧化峰電流與實施例4測得的亞硝酸鹽的標準曲線做比對，計算得到金華火腿中亞硝酸鹽的含量為12.75mg/kg。

應(yīng)用國標法國標gb5009.33-2010分光光度法測得火腿中亞硝酸鹽的含量為12.16mg/kg，說明本發(fā)明制得的電化學傳感器可以較好的檢測食品中亞硝酸鹽的含量。

以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。