聚（二乙基卡巴嗪）电聚合炭糊电极：一种用于食品中香草醛定量检测的简单可靠的传感器

《Next Materials》：Poly (Diethylcarbamazine) electropolymerized carbon paste electrode: A simple and reliable sensor for vanillin quantification in food products

　　斯瓦希卡·N·达斯（Swastika N. Das）、凯拉什·S·查德昌（Kailash S. Chadchan）、沙巴纳扎米·阿塔尔（Shabanazami Attar）、阿米特·B·特拉达莱（Amit B. Teradale）、艾哈迈德·阿里尤（Ahmed Aliyu）、奥莫洛拉·埃斯瑟·法耶米（Omolola Esther Fayemi）

印度卡纳塔克邦维杰亚普尔（Vijayapur）BLDEA的V.P. Dr. P.G. Halakatti工程学院化学系（隶属于维斯韦斯瓦拉亚技术大学，Bellagavi），邮编586103

**摘要**

本研究介绍了一种新型的聚二乙基卡巴嗪柠檬酸酯（poly-DEC/MCPE）修饰碳糊电极，用于快速灵敏地检测香兰素（VLN）。香兰素是一种广泛应用于食品和制药领域的芳香酚类化合物。该传感器通过循环伏安法（CV）在碳糊电极上原位电聚合二乙基卡巴嗪（DEC）制备而成。与原始碳糊电极（BCPE）相比，钾铁氰化物测试结果显示，poly-DEC/MCPE具有更大的电活性表面积和更快的电子转移速率。通过在不同pH值、扫描速率和VLN浓度下系统评估传感器性能，发现其氧化机制受吸附控制。poly-DEC/MCPE对VLN具有电催化作用，检测限为0.072 μM，定量限为0.24 μM。干扰实验确认了该传感器的选择性，在常见无机和有机物质存在下信号偏差小于5%。在实际食品样品（如香草味蛋糕）中的应用中，该方法显示出99.4–101.6%的高回收率，证明了其实用性。所提出的poly-DEC/MCPE为常规食品质量控制和药物分析提供了一种低成本、可重复使用的便携式替代方案。

**1. 引言**

香兰素（3-甲氧基-4-羟基苯甲醛，VLN）是一种从香荚兰（Vanilla planifolia）种子中提取的白色结晶酚类化合物，是香兰素提取物的主要调味成分[1]。它被广泛用作食品、软饮料、化妆品和药物制剂中的调味添加剂[2]。除了在烹饪中的应用外，VLN还因其多种药理活性而受到关注，包括抗氧化[3]、抗炎[4]和神经保护作用[5]。研究表明，VLN可能有助于健康，降低患心脏病的风险，并对镰状细胞贫血具有抗附着作用[6]。尽管VLN应用广泛，但由于从香荚兰豆荚中提取的成本高且产量低，全球需求只能部分满足。因此，市场上大部分VLN是通过使用木质素、丁香酚和桂皮酚等廉价前体合成的[7]。合成VLN的使用可能与恶心、肝毒性和肾毒性等潜在健康风险相关[8]。因此，准确监测消费品中的VLN含量对于确保安全和合规性至关重要。

传统的分析技术（如HPLC、GC-MS、UV-Vis光谱法、化学发光法和毛细管电泳[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]）具有高灵敏度和特异性，但通常需要复杂的操作和昂贵的设备。相比之下，电化学检测方法更为简单、成本低且便携。然而，VLN本身的电活性较低，限制了其直接检测的可行性，因此需要对电极表面进行改性以提高灵敏度和选择性。研究人员专注于纳米结构和复合基传感器，其中石墨烯及其衍生物因其优异的导电性和大表面积而成为关键组件。例如，通过环境辅助合成的六角形CuS纳米结构在VLN检测中表现出宽线性检测范围、高灵敏度和良好的稳定性[16]。将石墨烯纳米带与钴铁氧体（GNR/CoFe?O?）纳米复合材料结合离子液体后，实现了超低检测限（低至5.2 nM）和在食品样品中的优异回收率[17]。其他石墨烯氧化物纳米复合材料与纳米花、聚乙烯吡咯烷酮和金属纳米粒子（Ag–Pd、CdO）的组合也显示出增强的电催化性能[18]、[19]、[20]。除了石墨烯系统外，基于钙钛矿的复合材料（如菱形LaCoO?–碳纳米纤维（LaCo@CNF）电极也有效用于VLN的安培检测[18]。类似地，混合氧化物复合材料（如电解锰二氧化物–石墨烯（EMDG）也表现出强烈的电催化行为、明确的氧化峰和超低检测限（约32 nM）以及优异的重复性[19]、[20]、[21]、[22]。随着过去十年中最具革命性的技术之一——3D打印技术的发展，也为多种药物分子的检测创造了各种电极[23]、[24]。在本研究中，我们提出了一种基于DEC修饰碳糊电极的新型电化学传感器，用于选择性检测VLN。选择碳糊电极是因为它们成本低、制备容易且易于通过电聚合进行表面改性[25]。尽管DEC是一种著名的抗丝虫药物[22]、[26]，但其作为传感材料的潜力尚未得到充分探索[27]。选择DEC作为改性电极的理由在于其独特的化学性质。虽然许多聚合物系统主要通过π–π或静电相互作用发挥作用，但DEC同时具有胺（–NH–）和柠檬酸（–COO?）官能团，能够与VLN的酚基（–OH）和羰基（–CHO）发生氢键和其他极性界面相互作用[28]。这些相互作用可能有助于表面吸附并增强电极界面处的电子转移[29]。poly-DEC/MCPE采用简单的电聚合方法制备，所用材料均廉价且易获得。尽管其检测限适中，但该传感器在食品样品中的VLN分析中仍表现出足够的性能，这一点通过回收率研究得到了证实。图1显示了VLN和DEC的化学结构。

**2. 实验**

2.1. 化学试剂和设备

VLN和DEC由Sigma-Aldrich Ltd.提供。1.0 mM VLN和10.0 mM DEC的储备溶液用双蒸馏水配制。0.2 M磷酸盐缓冲液（PBS）按预计算量使用NaH2PO4·H2O和Na2HPO4配制[30]。石墨粉（30 μm）和硅油（Loba Chemie）直接使用。所有其他试剂均为分析纯级，实验过程中始终使用双蒸馏水。实验在室温下进行，并使用新鲜配制的溶液以确保一致性和可靠性。电化学测量使用CHI-619E电化学工作站按照标准方法[31]进行。工作电极为BCPE或poly-DEC/MCPE，对电极分别为铂丝电极和饱和甘汞电极（SCE）。傅里叶变换红外（FTIR）光谱使用Shimadzu IRAffinity-1S仪器记录。

2.2. 工作电极的制备（BCPE和poly-DEC/MCPE）

如我们之前的研究[25]所述，BCPE是通过将石墨粉与硅油混合并填充到特氟龙管中制备的。DEC通过在0.2 M PBS（pH 7.0）中1.0 mM DEC溶液的循环伏安法电聚合到BCPE表面制备的。电位从-0.2 V扫描到1.4 V，扫描速率为0.1 V/s1，根据随后对VLN的电化学响应确定最佳聚合循环次数。电聚合后，用双蒸馏水冲洗电极以去除未结合的聚合物。

2.3. 干扰研究

通过在0.2 M PBS（pH 7.4）中0.1 mM VLN存在下记录poly-DEC/MCPE的电化学响应，评估其选择性。本研究选择了典型的食品基质成分，包括Ca2?、K?、Mg2?、NH??、Zn2?、尿素和葡萄糖。每种干扰物的添加浓度是VLN的十倍。在相同条件下进行循环伏安法，并比较VLN在有无干扰物情况下的阳极峰响应。耐受水平通过含VLN的对照溶液的阳极信号百分比变化来评估。

2.4. 实际样品分析

使用市售香草味蛋糕样品评估poly-DEC/MCPE传感器的实际应用性。将5.0 g蛋糕样品压碎、匀浆，用25 mL双蒸馏水超声提取30分钟。混合物在3000 rpm下离心10分钟，然后过滤去除颗粒物。将澄清的滤液用0.2 M PBS（pH 7.4）稀释至100 mL并用于电化学分析。通过向预处理后的蛋糕提取物中添加已知浓度的VLN（0.05、0.10和0.15 mM）进行标准加入实验，计算回收率以评估方法的准确性。

2.5. 电化学行为和分析性能的评估

在0.2 M PBS中，通过循环伏安法研究VLN在BCPE和poly-DEC/MCPE上的电化学行为。研究扫描速率和溶液pH对氧化反应的影响，以阐明电极过程。在不同VLN浓度下得到的校准曲线评估分析性能。使用信噪比为3和10分别估计LOD和LOQ。在常见干扰物存在下评估选择性。使用独立制备的电极和重复测量评估重复性和再现性。通过蛋糕样品的标准加入分析验证了所提出传感器的实际应用性。

**3. 结果与讨论**

3.1. 聚DEC修饰CPE的开发

poly-DEC/MCPE通过在含有1.0 mM DEC的0.2 M PBS溶液中，从-0.2 V至1.4 V进行多次电位扫描（扫描速率为0.1 V/s1）制备。电聚合过程持续进行，直到获得稳定的循环伏安图。图2A显示了阳极峰电流的初始增加，表明BCPE表面形成了活性薄膜。通过改变聚合循环次数（从5到15次）来优化电极响应。然后评估每个电极对VLN的氧化响应。如图2B所示，VLN的阳极峰电流在10次聚合循环后达到最大值。超过这个点后，峰电流下降，表明过厚的薄膜阻碍了电子转移并降低了氧化响应[30]、[31]。因此，在所有后续实验中选择10次循环进行DEC的电聚合。

3.2. FTIR表征及其对VLN检测的相关性

使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱研究修饰电极的结构特征和官能团变化。该分析有助于识别显著的变化和新峰的出现，从而了解改性过程产生的化学相互作用和变化。图S1显示了DEC的FTIR光谱，图S2显示了poly-DEC/MCPE的FTIR光谱。通过对两种光谱的比较分析，了解修饰电极表面的形态。FTIR光谱证实了碳糊电极成功修饰了DEC。纯DEC在约1556 cm?1（酰胺/N–H弯曲）和1265–1086 cm?1（酰胺/C–N）处显示特征性的酰胺振动，这些振动在修饰后的电极中仍然存在（1506 cm?1），表明DEC部分完整地整合到了碳糊中。此外，在修饰后的CPE中观察到新的和增强的特征，包括约1732 cm?1的强羰基峰和3600–3800 cm?1之间的多个O–H伸缩振动，这些归因于柠檬酸的羧基和羟基。这些极性官能团的存在，加上DEC的酰胺峰，证实了修饰剂（DEC）在电极表面的存在，并表明可能增强了亲水性和氢键能力。这样的功能化界面可能有利于VLN的检测，因为分析物含有可以与含有柠檬酸和酰胺的DEC薄膜通过氢键和其他极性界面相互作用。这些相互作用可能有助于VLN在电极表面的预浓缩，从而提高poly-DEC/MCPE对VLN分析的灵敏度和选择性。

3.3. 通过标准钾铁氰化物氧化还原系统评估poly-DEC/MCPE的电化学性能

使用0.1 mM K?Fe(CN)?溶液在1.0 M KCl中作为氧化还原系统，评估poly-DEC/MCPE的电化学性质。未修饰的CPE（曲线a）和poly-DEC/MCPE（曲线b）的循环伏安图分别显示在图3中。BCPE在氧化还原峰电流方面显示出相对较弱的响应。Randles-Sevcik方程（1）[25]可用于估计poly-DEC/MCPE的总活性表面积。(1)IP=2.69×10?n3/2AD?2Coν??

**图3.**1.0 mM K4Fe(CN)6在BCPE（曲线a）和poly-DEC/MCPE（曲线b）上的CV图谱，扫描速率为0.05 Vs?1。其中，Ip代表峰值电流（安培），n代表交换的电子数，电活性表面积为A（平方厘米），扩散系数为D（平方厘米秒?1），υ是扫描速率（伏秒?1），电活性物质的浓度为C0（摩尔厘米?3）。poly-DEC/MCPE的电活性表面积被确定为最大值（0.0408平方厘米），而BCPE的表面积为0.0151平方厘米。这些结果表明poly-DEC/MCPE的表面形态和电催化性质发生了显著变化。

3.4. 通过CV法研究VLN在poly-DEC/MCPE上的电氧化行为。在0.2 M PBS（pH 7.4）中比较了0.1 mM VLN在BCPE和poly-DEC/MCPE上的电化学行为（图4）。在BCPE上，VLN表现出相对较弱的电流响应，氧化峰位于0.6219 V（曲线a）。相比之下，在相同的实验条件下，poly-DEC/MCPE显著增强了VLN的阳极电流响应（曲线b）。此外，氧化电位下降了至0.5829 V。峰值电流的增加以及氧化电位的负移表明poly-DEC/MCPE对VLN氧化具有电催化活性。

3.5. 流览速率变化对VLN峰值电流的影响。研究了在0.2 M PBS（pH 7.4）中，VLN在poly-DEC/MCPE上的电化学氧化行为随浏览速率（0.04–0.28 V s?1）的变化。如图5A所示，阳极峰值电流随浏览速率的增加而增加。为了研究电极过程的本质，将阳极峰值电流（Ipa）作为浏览速率（ν）（图5B）和浏览速率的平方根（ν1?2）（图5C）的函数进行了绘制。两种情况都得到了线性关系，相关系数分别为0.97598和0.95312，相应的回归方程分别为（2）和（3）。Ipa与ν之间的更好线性表明VLN在poly-DEC/MCPE上的氧化主要是由吸附控制的。非均相电子转移速率常数（k?）是根据峰电位差（ΔEp）估算的，计算值见表1。非均相速率常数随浏览速率的增加而增大。这项关于浏览速率变化的研究结果与之前关于VLN电化学氧化的报告[32]、[33]一致。

3.6. 图6表明峰电位（Epa）和对数浏览速率（υ）之间存在线性相关性，如回归方程（4）所示，这表明VLN的氧化受电子转移动力学控制[34]、[35]、[36]。

3.7. VLN浓度变化的影响。评估了在0.2 M PBS（pH 7.4）中，VLN在poly-DEC/MCPE上的电化学氧化行为随浏览速率（0.04–0.28 V s?1）的变化。如图5A所示，阳极峰值电流随浏览速率的增加而增加。为了研究电极过程的本质，将阳极峰值电流（Ipa）作为浏览速率（ν）（图5B）和浏览速率的平方根（ν1?2）（图5C）的函数进行了绘制。两种情况都得到了线性关系，相关系数分别为0.97598和0.95312，相应的回归方程分别为（2）和（3）。

3.8. 干扰研究。结果见表3。测试的干扰物均未导致0.1 mM VLN的阳极峰电位发生显著变化，即使其浓度是VLN的十倍。峰电位的变化均在5%（3.3%–4.5%）以内。这表明poly-DEC/MCPE传感器对VLN具有优异的选择性，对食品基质中常见的金属离子和有机化合物的干扰很小。这种耐受性证实了该传感器适用于分析真实食品样品，因为这些样品中可能存在复杂的干扰。

3.9. 复现实样分析。通过分析商用香草味蛋糕样品来测试开发的poly-DEC/MCPE传感器的实际应用性。通过向预处理的蛋糕提取物中添加已知浓度的VLN（0.05、0.10和0.15 mM）进行了标准添加实验。结果总结在表4中，回收率在99.4%到101.6%之间。这些值证实了所提出方法用于VLN定量测量的高准确性、精确度和稳健性。

4. 结论。本研究证明，低成本的poly-DEC/MCPE可以作为有效的VLN电化学传感器。DEC的电聚合法改善了电极表面特性，并产生了一个极性佳、有利于吸附的界面，可能促进与VLN的相互作用并支持高效的电子转移。VLN的电化学行为在不同pH条件、扫描速率和分析物浓度下进行了系统研究，表明氧化过程是受吸附控制的，与涉及大约两个电子和两个质子的质子耦合电子转移机制一致。开发的传感器在0.04–0.28 mM（40–280 μM）的浓度范围内表现出线性响应，检测限为0.072 μM，定量限为0.24 μM。它在实际样品分析中也表现出良好的适用性，蛋糕样品的回收率为99.4%–101.6%，证明了其适用于常规食品质量评估。从机制上看，poly-DEC薄膜在电极表面引入了酰胺、胺和柠檬酸衍生的功能基团，可能有助于与VLN的有利界面相互作用，并促进观察到的电催化响应。总体而言，poly-DEC/MCPE的分析性能不仅来源于表面修饰，还来源于DEC薄膜的化学功能性。本研究将DEC确定为一种有前途的聚合物传感材料，并为将DEC与纳米结构载体整合以进一步提高灵敏度和信号放大提供了基础。未来的工作将致力于将DEC与纳米材料（如金属纳米粒子、碳纳米结构和金属有机框架）结合，这些混合系统有潜力显著提高灵敏度、降低检测限并拓宽选择性。这些进展可以将该传感器的应用范围扩展到食品安全、药物分析和环境监测中更复杂的样本上。
**资金声明**：无。
**作者贡献声明**：
Ahmed Aliyu：撰写 – 修订与编辑、撰写 – 初始草案、验证、资源准备、形式化分析。
Omolola Esther Fayemi：撰写 – 修订与编辑、撰写 – 初始草案、数据可视化、验证、资源准备、形式化分析。
Shabanazami Attar：撰写 – 修订与编辑、方法论制定、实验设计、形式化分析、数据管理。
Amit B. Teradale：撰写 – 修订与编辑、撰写 – 初始草案、数据可视化、验证、软件开发、资源准备、方法论制定、实验设计、形式化分析、数据管理。
Das Swastika N：撰写 – 修订与编辑、撰写 – 初始草案、数据可视化、验证、项目监督、软件开发、资源准备、方法论制定、资金筹措、形式化分析、概念化。
Kailash S. Chadchan：撰写 – 修订与编辑、验证、方法论制定、实验设计、形式化分析、数据管理。