构建多组分CuO/ZIF-8@CNTs修饰电极用于酒样中新橙皮苷二氢查尔酮的灵敏电化学检测

《Journal of Food Composition and Analysis》：Construction of multi-component CuO/ZIF-8@CNTs modified electrode for sensitive electrochemical detection of neohesperidin dihydrochalcone in liquor samples

本文报道了一种基于铜氧化物/沸石咪唑酯骨架-8@碳纳米管（CuO/ZIF-8@CNTs）复合材料修饰玻碳电极的灵敏电化学传感器，用于检测食品添加剂新橙皮苷二氢查尔酮（NHDC）。该研究通过构建具有高比表面积、优异导电性和丰富活性位点的复合电极，解决了NHDC因分子量大、结构复杂导致的电化学反应受限问题，实现了对酒类样品中NHDC的快速、高灵敏和选择性检测，其检测限低至16.0 nM，回收率理想，为食品安全监测提供了新方法。

　　

甜味剂在食品工业中广泛应用，它们能提升食品的风味和口感，给消费者带来愉悦的体验。然而，过量或长期摄入某些甜味剂可能带来健康风险。作为一种新型高甜度、低热量的甜味剂，新橙皮苷二氢查尔酮（neohesperidin dihydrochalcone, NHDC）近年来备受关注。尽管早期研究认为其在特定膳食水平下无害，但近年研究表明其体内代谢产物可能与癌症及卵巢类固醇生成等途径相关，存在潜在的健康影响。因此，欧盟等机构已对其设定了每日可接受摄入量上限。在此背景下，开发一种能够快速、灵敏地检测食品中NHDC含量的方法，对于有效监控其非法添加、保障食品安全具有重要意义。

传统检测NHDC的方法如毛细管电泳、高效液相色谱（HPLC）及液质联用（HPLC-MS）等，虽然有效，但可能存在设备昂贵、操作复杂或耗时较长等问题。电化学分析方法因其高灵敏度、操作简便、响应快速等优点而展现出巨大潜力。但NHDC分子量大、结构复杂，其电活性基团难以接近电极表面进行氧化还原反应，这大大限制了检测的灵敏度。解决这一问题的关键在于设计合适的电极修饰材料，以增强电子转移和催化活性。

为此，研究人员在《Journal of Food Composition and Analysis》上发表论文，提出了一种基于多组分复合材料修饰电极的灵敏电化学检测新策略。他们创新性地将高催化活性的氧化铜（CuO）、具有多孔结构的沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8）以及高导电性的碳纳米管（CNTs）相结合，构建了CuO/ZIF-8@CNTs复合修饰玻碳电极（GCE）。

为开展此项研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先，通过简单的原位生长法室温合成了ZIF-8@CNTs复合材料。其次，采用两步滴涂法将CuO和ZIF-8@CNTs依次修饰到GCE表面，制备成CuO/ZIF-8@CNTs GCE。该电极的表征使用了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）。电化学性能测试则通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和差分脉冲伏安法（DPV）等技术完成。实际样品分析选取了两种市售白酒（江小白和RIO预调酒）作为复杂基质进行加标回收实验，并与高效液相色谱（HPLC）法的结果进行对比验证。

研究结果如下：

3.1. 不同材料的形态和结构表征

通过FE-SEM观察，成功制备了具有交织网络结构的CNTs、片状纳米CuO晶体以及被大量ZIF-8晶体包覆的ZIF-8@CNTs复合材料。在CuO/ZIF-8@CNTs GCE上，观察到CNTs缠绕在ZIF-8晶体周围，并与CuO紧密连接，这种紧密结构有利于增强复合材料内部的电子转移。XRD和FTIR分析证实了复合材料中成功包含了ZIF-8@CNTs和CuO的晶相与化学结构。XPS分析进一步验证了C、N、O、Zn和Cu元素的共存，其中Cu元素以二价氧化态存在，确证了CuO/ZIF-8@CNTs的成功合成。

3.2. 不同GCE的电荷转移特性及电化学行为

EIS和CV测试表明，CuO/ZIF-8@CNTs GCE具有较低的电荷转移电阻（97.91 Ω）和较大的电化学活性面积（7.5×10^-5cm²），显示出优异的导电性。6]^3?/4?containing 0.1 M KCl (inset: equivalent circuit model); (c) CV response curves and (d) corresponding peak current (i_Pa1) of different modified electrodes in pH=3.0 MBS containing 20 μM NHDC (statistical analysis was carried out using the t test: ***p< 0.001)."> 在含有NHDC的溶液中，CuO/ZIF-8@CNTs GCE对NHDC的氧化峰电流响应最强，分别是CuO GCE的5.6倍和ZIF-8@CNTs GCE的2.3倍，且氧化峰电位更低。这归因于ZIF-8@CNTs的高比表面积和多孔结构促进了NHDC在电极表面的吸附，而CuO纳米颗粒的良好电催化活性提供了更多催化位点，二者协同作用显著增强了NHDC的氧化还原反应。

3.3. NHDC在CuO/ZIF-8@CNTs GCE上的电化学氧化还原机制

通过在不同扫描速率下进行CV测试，并结合Laviron理论分析，研究人员揭示了NHDC在CuO/ZIF-8@CNTs GCE上的反应机制。i_pa1vs. $\upsilon$^1/2; (c) corresponding calibration plot for i_pa2and i_pcvs. $\upsilon$; (d) the linear relationship between E_pa1, E_pa2and E_pcand ln$\upsilon$."> 结果表明，NHDC的氧化涉及两步两电子过程：第一步是不可逆氧化，涉及一个质子和两个电子的转移，将NHDC的羟基和甲氧基转化为羰基；第二步是后续羰基与羟基之间的可逆转化，涉及两个质子和两个电子的转移。i_pa1) at different pH and the linear relationship between E_pa1, E_pa2, E_pcand pH; (d) electrochemical redox mechanism of NHDC at CuO/ZIF-8@CNTs GCE."> pH影响实验进一步证实了质子参与了反应，并确定pH=3.0为最优检测条件。

3.4. 实验条件优化

研究系统优化了支持电解质类型、CuO与ZIF-8@CNTs的体积比、富集时间和富集电位等关键参数。最终确定使用麦克利文缓冲溶液（MBS）、CuO与ZIF-8@CNTs体积比为2:1、开路富集150秒为最佳实验条件。

3.5. CuO/ZIF-8@CNTs GCE用于NHDC检测的分析性能

在优化条件下，使用DPV技术对NHDC进行定量检测。i_Pa1and c_NHDCin the range of 0.03~30 μM; (c) effect of different interfering substances on the detection of 10 μM NHDC (statistical analysis was carried out using the t test, n.s.: not significant.); (d) reproducibility of CuO/ZIF-8@CNTs GCE for 10 μM NHDC detection."> 传感器在0.03至30 μM浓度范围内呈现良好的线性关系，检测限低至16.0 nM，优于多数已报道的方法。该传感器对多种无机盐、有机小分子及其他黄酮类化合物表现出优异的选择性。同一电极的7次连续测量和不同电极的平行测量均显示出良好的重复性和重现性，相对标准偏差（RSD）分别低至1.70%和1.91%。电极在室温储存7天后仍能保持91.5%的初始响应，稳定性良好。

3.6. 在实际样品中的应用

将所构建的传感器应用于两种市售白酒（江小白和RIO果味酒）中NHDC的检测。加标回收实验结果显示，回收率在92.9%至107.8%之间，RSD在1.2%至3.4%之间。同时，使用HPLC方法进行对比验证，结果具有良好的一致性，证明了该方法在实际复杂样品中检测NHDC的可行性和可靠性。

结论与讨论

本研究成功构建了一种基于多组分CuO/ZIF-8@CNTs复合材料的电化学修饰电极，用于灵敏检测食品甜味剂NHDC。该工作的核心意义在于，通过将高催化活性的CuO、多孔结构的ZIF-8和高导电性的CNTs有效结合，协同提升了电极的电子传递能力和催化活性，从而显著增强了其对大分子NHDC的电化学响应。研究不仅阐明了NHDC在修饰电极上的两步两电子氧化还原反应机制，还通过系统优化，建立了一个操作简便、响应快速、灵敏度高（检测限16.0 nM）、选择性好、重现性佳的检测新方法。

该方法成功应用于实际酒类样品的分析，并获得了令人满意的回收率，与标准HPLC方法结果吻合，充分证明了其在复杂食品基质中检测NHDC的实用性和可靠性。这项工作不仅为NHDC的检测提供了一种简单高效的新方法，更重要的是为利用多组分金属有机框架（MOF）复合材料构建高性能电化学传感器，以监测食品中非法添加的甜味剂及其他有害物质，开辟了一条新途径，对保障食品安全分析具有重要的启示意义。未来，研究可进一步拓展该方法在不同酒类及其他食品体系中的适用性，并深入探究目标物与电极材料间的相互作用过程，以揭示更深层的电化学传感机制。