CeO?-ZnO纳米球修饰碳浆电化学传感器的简易制备方法，用于测定作为重要抗氧化剂的没食子酸

《Materials Science and Engineering: B》：Facile construction of CeO 2-ZnO nanospheres modified carbon paste electrochemical sensor for the determination of gallic acid as a crucial antioxidant

本研究开发CeO?-ZnO纳米球修饰碳糊电极用于检测茶样中gallic acid，通过方波伏安法实现高灵敏度（检测限5.3 nmol/L）和宽线性范围（0.01-100.0 μmol/L），重复性良好（RSD 1.6%），有效应用于不同茶类分析。

　　

Mohammad Shahsavani|Javad Tashkhourian

伊朗设拉子大学化学系，设拉子市71454

摘要

由于没食子酸具有强大的抗氧化作用，在食品工业中检测其含量至关重要。然而，高浓度没食子酸的过量摄入与不良健康影响相关，尤其是肝毒性和肾毒性。本研究开发了一种基于CeO₂-ZnO纳米球改性的碳糊电化学传感器（CeO₂-ZnO/CPE），作为一种经济、可重复使用且高效的检测平台，用于测定不同茶样品中的没食子酸含量。电化学分析表明，与纯碳糊电化学传感器相比，CeO₂-ZnO/CPE在没食子酸氧化方面表现出显著增强的电催化活性。通过优化操作参数后，采用方波伏安法成功检测到没食子酸。该传感器的氧化峰电流在两个线性范围内（0.01–1.0 μmol/L和1.0–100.0 μmol/L）呈比例增加，检测限为5.3 nmol/L。所制备的传感器具有优异的重复性（RSD = 1.6%）和稳健的重现性（RSD = 1.5%），即使面对潜在的干扰离子和生物物质也能表现出对没食子酸的优异选择性。通过使用方波伏安法对绿茶、红茶和乌龙茶等多种茶样进行验证研究，进一步证实了其稳健的性能。回收率测试结果也非常出色（99.1–102.3%），进一步验证了该方法在复杂样品分析中的可靠性。

引言

没食子酸（GA），又称3,4,5-三羟基苯甲酸，是植物中主要的酚类化合物，由瑞典-德国化学家Carl Wilhelm Scheele于1786年首次分离出来[1]。它存在于多种食物来源中，包括坚果、茶叶、葡萄、漆树、核桃、草莓、蓝莓、蜂蜜、浆果、石榴和各种蔬菜及饮料[[2], [3], [4]]。没食子酸能有效抵御生物系统中常见的活性物质（如羟基自由基（HO•）、超氧阴离子（O₂•^?）和过氧自由基（ROO•）以及非自由基物质过氧化氢（H₂O₂）和次氯酸（HOCl）[5]）引起的氧化损伤。作为一种有效的抗氧化剂，没食子酸具有多种特性，包括清除自由基、抗菌、抗炎和抗癌作用，同时还具有保护心脏、神经和胃肠道的作用，因此在食品和制药行业中具有重要价值[6]。除了能够减轻氧化应激外，它还能降低患阿尔茨海默病、帕金森病、癌症、心血管疾病和糖尿病的风险[7,8]。此外，没食子酸对HPV阳性细胞具有很强的选择性，并能抑制HPV细胞的生长[9]。然而，在TP53基因发生改变的小鼠中，没食子酸可能会促进癌症的发展[10]。值得注意的是，没食子酸与传统抗生素（如红霉素、庆大霉素和青霉素）具有协同作用，可显著增强其抗菌效果[11]。过去十年中，开发了许多用于测定没食子酸的分析技术。目前最广泛认可的技术包括液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）[12]、共振光散射[13]、比色法[14]、荧光光谱[15]、流动注射分析（FIA）[16]和高性能液相色谱（HPLC）[17]。尽管这些技术灵敏度和准确度较高，但存在成本高、分析时间长和使用有害化学物质等缺点。因此，人们对电化学方法的最新进展越来越感兴趣。与传统仪器方法相比，电化学方法操作简单、检测速度快、选择性和灵敏度更高、可靠性更强[18]。这些方法使用了多种类型的电极，包括碳糊电极、丝网印刷电极、玻璃碳电极和声凝胶碳电极[19]。21世纪以来，碳糊电化学传感器（CPE）因其诸多优势而在电化学系统中受到广泛应用。这类传感器用户友好、价格实惠、表面材料可再生且环保。引入多种材料可提高其灵敏度、选择性和使用寿命[19,20]。在没有电活性物质的情况下，系统的化学惰性会导致电容电流较低，几乎无电化学响应。此外，它们具有宽的响应窗口、低背景噪声、低欧姆电阻，无需内部溶液，适用于环境、生物、制药和食品分析[21]。然而，没食子酸的氧化需要较低的反应动力学和高过电位，因此需要具有更高选择性和更低检测限的传感器[22]。在这方面，电极表面的改性成为一种特别有前景的策略，适用于食品以外的领域，如医学、生物医学和制药领域[23]。Jia等人[24]提出了一种电化学沉积技术，用于制备用于检测没食子酸的聚（3-氨基苯硼酸）-聚（β-环糊精）/羧基化多壁碳纳米管-壳聚糖（PAPBA-Poly(β-CD)/cMWCNT-CS）纳米复合材料电极。Gao等人[25]开发了一种含有介孔二氧化硅-单壁碳纳米管（SWCNT@MSNs）纳米复合材料的玻璃碳电极，用于实时茶样品中没食子酸的高灵敏度和可重复性检测。Wei及其同事[26]制备了一种基于卟啉（Cu）的共价有机框架，用于改进玻璃碳电极（COF(Cu)/GCE），实现对红茶和绿茶样品中没食子酸的可重复、稳定和选择性检测。Alipour团队[27]使用活化铅笔铅电极（APLE）开发了一种用于实时芒果汁和茶样品中没食子酸及其酯类检测的电化学传感器。在当前研究中，基于金属氧化物的纳米材料在电化学传感应用中发挥了关键作用。多种纳米材料，包括金属纳米颗粒和金属磷化物[28,29]、碳基材料[30]和氨基酸[31]，已被证明可以提升电化学性能。这些材料的优势在于能够提高灵敏度和选择性，这归因于它们优异的物理化学性质，如加速的质量传递速率、高表面积和改善的电子转移动力学[32]。此外，半导体掺杂的过渡金属氧化物催化剂的发展也受到了广泛关注，因其出色的电化学性能。氧化铈纳米颗粒（CeO₂）在多个领域具有广泛应用，如药物递送[33]、催化[34]、生物传感器[35]和电化学传感[37]。这些广泛的用途源于其优异的物理化学性质，包括生物相容性、热稳定性和化学稳定性、高氧存储能力以及优异的表面电导率[38]。这种稀土氧化物纳米结构在多种应用中表现出出色的催化性能，这归因于混合价态（Ce³⁺和Ce⁴⁺）和氧空位的共存。提高纳米铈的催化性能需要增加表面的活性氧含量[39]。实现这一目标的关键策略是提高Ce³⁺/ (Ce³⁺ + Ce⁴⁺)比例，这有助于形成表面氧缺陷，从而改善催化性能[40]。氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）是一种n型半导体，因其良好的性质（如生物相容性、高电化学稳定性、大表面积、宽带隙和非毒性以及可调电导率）而在传感应用中得到广泛应用[41]。掺杂的ZnO NPs已成为一类重要的电催化剂，展现出在多种电化学应用中的巨大潜力。CeO₂-ZnO纳米复合材料显示出协同效应，提升了其电化学性能。因此，这种材料引起了广泛关注，因为它具有较大的活性表面积和优异的稳定性[42]。本研究开发了一种简单且经济可行的方法来合成CeO₂-ZnO纳米球，并将其用于制备电化学传感器。所开发的传感器具有快速响应时间、优异的选择性和高灵敏度，同时具有较大的动态范围和较低的检测限。通过电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）和方波伏安法（SWV）对所提出的传感器进行了电化学表征，用于实时样品（包括绿茶、红茶和乌龙茶）中没食子酸的检测。CeO₂-ZnO/CPE在分析真实茶样品时表现出优异的性能，实现了高回收率。

化学物质和试剂

分析级化学物质和试剂按原样使用，未进行额外纯化处理。所用试剂包括：氰化铁钾（K₃Fe(CN)₆，99.5%；氰化亚铁钾（K₄Fe(CN)₆，99.5%；氯化钾（KCl），99.5%；六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O，99.0%；六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O，99.0%；三钠柠檬酸酯二水合物（Na₃C₆H₅O₇·2H₂O，99.0%；矿物油（0.86 g/cm³；甲醇（CH₃OH，HPLC级，99.9%；乙醇（C₂H₅OH，99.9%；磷酸

CeO₂-ZnO纳米球的表征

使用SEM图像对CeO₂-ZnO的组成进行了表征。图1A和B显示，合成的CeO₂-ZnO呈球形、类似花朵的形态。这种独特的结构由均匀分散的棒状纳米颗粒组成，这些颗粒以有序的方式聚集排列。此外，还使用SEM分析了裸碳糊电极（CPE）和CeO₂-ZnO/CPE的表面形态。如图S1A所示，裸碳糊电极表面显示出均匀的纳米颗粒分布

结论

总结来说，我们开发了一种基于低成本CeO₂-ZnO的碳糊电化学传感器，该方法简便易行，可作为三种类型茶样品中没食子酸检测的高效电极支撑材料。在优化实验条件下，CeO₂-ZnO/CPE在电极界面表现出快速的电子转移和高效的没食子酸传输能力，显示出优异的电化学性能

CRediT作者贡献声明

Mohammad Shahsavani：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法学设计、实验研究、数据整理、概念构建。Javad Tashkhourian：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、项目监督、资源协调、方法学设计、实验研究、资金获取、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢设拉子大学研究委员会和设拉子大学中央实验室提供的财务支持。