CN113588760B - 一种比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分析化学技术领域，涉及一种比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，包括：向1 mL离心管中加入50μL 10 mM邻苯二胺溶液、900μL 0.1 M醋酸盐缓冲液，摇匀；分别加入50μL不同浓度的NO₂ ^‑，在体系内的最终浓度分别为10μM、20μM、50μM、100μM、200μM、300μM；利用差分脉冲伏安法测量混合溶液的氧化信号值，记录NO₂ ^‑和OPD探针的氧化信号值，并以NO₂ ^‑浓度为横坐标，以两者的比值（I_Nitrite/I_OPD）为纵坐标，绘制标准工作曲线；用差分脉冲伏安法测定混合溶液中待测样品和OPD探针的氧化信号值，与标准工作曲线对比，即可测得NO₂ ^‑浓度。本发明检测条件温和、可检测10～300μM，检测限低至4.7μM，实现对环境和食品中亚硝酸根离子的高灵敏、高准确性、高选择性和低成本检测。

Description

一种比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法

技术领域

本发明属于分析化学技术领域，涉及亚硝酸根离子的检测，尤其涉及一种比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法。

背景技术

亚硝酸盐在食品加工中常被用作防腐剂或着色剂。然而，食品和饮用水中过量的亚硝酸盐会对人体健康构成巨大威胁，它可以与氨基酸反应，形成具有强致癌作用的亚硝胺。此外，长期摄入含有过量亚硝酸盐的食物会降低血红蛋白的携氧能力，导致组织缺氧症。鉴于其危害，世界卫生组织已规定饮用水中的亚硝酸根离子浓度不得超过65μM，因此，开发可靠、方便、低成本的亚硝酸盐检测方法对保障食品安全和人体健康具有非常重要的意义。

目前亚硝酸根离子的检测方法主要有光谱法、色谱法、荧光法以及SERS技术等方法。例如：

中国专利CN212059916U《一种亚硝酸根检测系统》公开了一种检测亚硝酸根的光谱法。亚硝酸根在酸性介质中与甜蜜素反应生成环己烯，环己烯在光谱法检测端的尖端放电微等离子体区域被裂解并激发，该光谱法利用反应生成的环己烯发射出的碳特征原子发射谱线计算环己烯的含量，最终实现对亚硝酸根的间接检测。

中国专利CN103760262B《利用单泵阀切换技术测定食品中亚硝酸根的离子色谱方法》公开了一种利用单泵阀切换技术检测亚硝酸根的离子色谱法。样品经过处理后，首先经预分离柱-淋洗系统-抑制器-电导池后，得出高浓度氯离子与待检测成分亚硝酸根的出峰时间，然后将处理后的高浓度氯离子及待检测成分亚硝酸根经预分离柱-连接切换阀上的分析柱-抑制器-电导池后，在色谱软件上得到样品检测的色谱图，最终实现对亚硝酸根的定性、定量检测。

中国专利CN108931505B《基于稀土族金属有机骨架材料的亚硝酸根离子的检测方法》公开了一种基于稀土族金属有机骨架材料检测亚硝酸根的荧光法。该方法以稀土盐Tb(NO₃)₃·4H₂O为稀土源，以对三联苯-3,4″,5-三羧酸为配体，利用水热法合成了具有独特荧光发射性能的稀土族金属有机骨架材料，将该金属有机骨架材料作为荧光探针，最终实现针对亚硝酸根的定量分析检测。

中国专利CN109975268A《基于金银核壳纳米颗粒SERS技术检测亚硝酸根离子的方法》公开了一种基于金银核壳纳米颗粒检测亚硝酸根的SERS技术，该方法首先制备金银核壳纳米颗粒溶液，然后配制不同浓度的亚硝酸根标准溶液，分别加入对氨基苯硫酚溶液和1-萘胺，再加入金银核壳纳米颗粒溶液，利用拉曼光谱仪，建立拉曼信号强度对应亚硝酸根离子浓度的标准曲线，通过将待测样品的拉曼信号与标准曲线对比，最终实现对亚硝酸根的定量检测。

上述已公开的亚硝酸根离子检测方法虽然具有一定的检测效果，但仍具有以下缺点和不足：

(1)有些检测仪器设备相对昂贵，检测操作步骤相对复杂；

(2)有些检测试剂成本相对较高，检测环境条件要求严苛。

发明内容

为解决上述已有技术存在的问题与不足，本发明旨在提供一种比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法。

为实现上述目的，本发明所使用的技术方案是：

一种基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，包括如下步骤：

(1)向1mL离心管中加入50μL 10mM的邻苯二胺(OPD)溶液、900μL0.1M醋酸盐缓冲液，摇匀；

(2)向上述混合溶液中分别加入50μL不同浓度的亚硝酸根离子(NO₂ ^-)，保证溶液总体积为1mL，反应0.5～6min，优选1min；其中，所述NO₂ ^-在体系内的最终浓度分别为10μM、20μM、50μM、100μM、200μM、300μM；

(3)利用电化学检测装置的差分脉冲伏安法(DPV)测量混合溶液的氧化信号值，其中初始电位：0V；最终电位：1.0V；电位增加幅度：4mV；振幅：50mV；脉冲持续时间：50ms；脉冲周期：0.5s，记录NO₂ ^-和OPD探针的氧化信号值，并以NO₂ ^-浓度为横坐标，以两者的比值(I_Nitrite/I_OPD)为纵坐标，绘制标准工作曲线；

(4)将待测样品重复步骤(1)～(3)，用差分脉冲伏安法(DPV)测定混合溶液中待测样品和OPD探针的氧化信号值，其中初始电位：0V；最终电位：1.0V；电位增加幅度：4mV；振幅：50mV；脉冲持续时间：50ms；脉冲周期：0.5s，通过将待测样品与OPD探针的氧化信号的比值与标准工作曲线对比，即可得到待测样品中的NO₂ ^-浓度。

本发明较优公开例中，步骤(1)中所述醋酸盐缓冲液的pH值为3。

本发明较优公开例中，步骤(3)中所述电化学检测装置，其中的电极为丝网印刷裸碳电极、金颗粒修饰电极、钯颗粒修饰电极、铂颗粒修饰电极，优选丝网印刷裸碳电极。

本发明较优公开例中，步骤(4)中待测样品的可测浓度范围为10～300μM，检测限为4.7μM。

OPD探针与NO₂ ^-在酸性介质中会快速发生重氮化反应，导致游离的OPD浓度下降，随着NO₂ ^-的增加，OPD探针的氧化信号逐渐减弱，而NO₂ ^-的氧化信号逐渐增强，从而实现对亚硝酸根离子的定量检测。

本发明所用试剂、丝网印刷裸碳电极均为市售。

在本说明书中，术语“OPD”是化合物“邻苯二胺”的缩写名称，二者可互换使用。

在本说明书中，术语“NO₂ ^-”是指亚硝酸根离子，二者可互换使用。

有益效果

本发明公开了将OPD作为探针，用于亚硝酸根离子的比率型电化学检测；该检测过程条件温和、反应迅速、检测成本低、操作简单；通过比率型模式校准OPD探针+NO₂ ^-体系检测亚硝酸根离子，检测限低至4.7μM，可检测范围宽至10～300μM；利用OPD探针与NO₂ ^-在酸性环境中发生重氮化反应检测亚硝酸根离子，可实现对亚硝酸根离子的高灵敏、高准确性、高选择性和低成本分析以及对环境和食品水中的亚硝酸根离子的检测。

附图说明

图1.OPD探针和NO₂ ^-在丝网印刷裸碳电极上的循环伏安图；

图2.含有不同浓度NO₂ ^-的OPD探针+NO₂ ^-体系的线性扫描伏安图；

图3.不同电极对OPD探针+NO₂ ^-体系的比率电化学响应图；

图4.OPD探针+NO₂ ^-体系的pH缓冲液优化图；

图5.OPD探针+NO₂ ^-体系的时间优化图；

图6.OPD探针+NO₂ ^-体系检测不同浓度NO₂ ^-的效果图，其中A：反应1min时的差分脉冲伏安图；B：I_Nitrite/I_OPD与NO₂ ^-浓度的线性关系图；

图7.OPD探针+NO₂ ^-体系检测NO₂ ^-的选择性效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清晰明了，下面将结合实施例对本发明进行详细说明，以便本领域技术人员更好地理解本发明，但并不局限于以下实施例。

实施例1

OPD探针和NO₂ ^-的电化学行为探究的应用实验

(1)取1000μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)加入到1mL离心管中，摇匀后，利用电化学检测装置的循环伏安法(CV)测量电化学信号(电位窗口：0-1.0V；扫描速率：50mV/s)；

(2)取50μL 10mM的OPD溶液加入到950μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)中，摇匀后，利用电化学检测装置的循环伏安法(CV)测量电化学信号(电位窗口：0-1.0V；扫描速率：50mV/s)；

(3)取50μL 5mM的NO₂ ^-溶液加入到950μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)中，摇匀后，利用电化学检测装置的循环伏安法(CV)测量电化学信号(电位窗口：0-1.0V；扫描速率：50mV/s)。

图1记录了醋酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液+OPD、醋酸盐缓冲液+NO₂ ^-的循环伏安图。由图可知，醋酸盐缓冲液在0-1.0V的电位窗口范围内没有明显的氧化信号，醋酸盐缓冲液+OPD在0-1.0V区间内的较低电位处呈现出一个明显的氧化信号，醋酸盐缓冲液+NO₂ ^-在0-1.0V区间内的较高电位处呈现出一个明显的氧化信号。

实施例2

NO₂ ^-对OPD探针+NO₂ ^-体系的影响

(1)分别向1mL离心管中加入50μL 10mM的OPD溶液、900μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)，摇匀；

(2)向上述混合溶液中分别加入50μL不同浓度的NO₂ ^-溶液并摇匀，反应1min后，利用电化学检测装置的线性扫描伏安法(LSV)测量电化学信号(电位窗口：0-1.0V；扫描速率：50mV/s)。

结果如图2所示，图2中随着NO₂ ^-浓度的增加，OPD的氧化信号逐渐降低，NO₂ ^-的氧化信号逐渐增强。这是因为亚硝酸根离子与OPD在酸性介质中会发生重氮化反应，导致游离的OPD浓度下降。

实施例3

不同电极对OPD探针+NO₂ ^-体系的比率电化学响应

(1)分别向1mL离心管中加入50μL 10mM的OPD溶液、900μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)，摇匀；

(2)向上述混合溶液中分别加入50μL 5mM的NO₂ ^-溶液并摇匀，反应1min后，使用不同电极，利用电化学检测装置的差分脉冲伏安法(DPV)测量电化学信号(初始电位：0V；最终电位：1.0V；电位增加幅度：4mV；振幅：50mV；脉冲持续时间：50ms；脉冲周期：0.5s)，记录NO₂ ^-和OPD探针的氧化信号值。

结果如图3所示，相比裸碳电极，Au、Pd和Pt等修饰的电极对OPD探针+NO₂ ^-体系的比率电化学响应均得到不同程度的提升，这是由于这些贵金属修饰的电极具有较好的电催化活性，能改善响应电流信号。但是在相同条件下，NO₂ ^-与OPD探针的氧化信号比值(I_Nitrite/I_OPD)未发生明显改变。

实施例4

OPD探针+NO₂ ^-体系在不同pH电解液中的电化学响应

(1)分别向1mL离心管中加入50μL 10mM的OPD溶液、900μL 0.1M不同pH值的醋酸盐缓冲液，摇匀；

(2)再加入50μL 5mM的NO₂ ^-溶液并摇匀，反应1min后，利用电化学检测装置的线性扫描伏安法(LSV)测量电化学信号(电位窗口：0-1.0V；扫描速率：50mV/s)。

结果如图4所示，图4中随着pH值的增加，OPD探针的氧化信号逐渐向低电位移动。在pH 1.0电解液中，在0-1.0V窗口中只观察到微弱的OPD探针信号，而无亚硝酸根离子的信号；在pH 5.0电解液中，观察到显著的OPD探针信号，也无亚硝酸根离子的信号。相比之下，在pH 3.0电解液中，既观察到较显著的OPD探针信号，也观察到明显的亚硝酸根离子信号。

实施例5

NO₂ ^-与OPD的反应时间对OPD探针+NO₂ ^-体系的影响

(1)取50μL 10mM的OPD溶液加入到900μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)中，摇匀；

(2)再加入50μL 5mM的NO₂ ^-溶液，摇匀后，利用电化学检测装置的线性扫描伏安法(LSV)测量不同反应时间段的电化学信号(电位窗口：0-1.0V；扫描速率：50mV/s)。

结果如图5所示，图5中随着反应时间的延长，OPD探针和亚硝酸根离子的氧化信号均向高电位移动，氧化电流均逐渐减弱，这是因为随着时间的延长，两者发生重氮化反应的程度加深，导致自由的OPD和亚硝酸根离子浓度均降低。

实施例6

利用OPD探针+NO₂ ^-体系检测NO₂ ^-的浓度

(1)分别向1mL离心管中加入50μL 10mM的OPD溶液、900μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)，摇匀；

(2)向上述混合溶液中分别加入50μL不同浓度的NO₂ ^-溶液并摇匀，保证溶液总体积为1mL，反应1min；所述NO₂ ^-在体系内的最终浓度分别为10μM、20μM、50μM、100μM、200μM、300μM；

(3)利用电化学检测装置的差分脉冲伏安法(DPV)测量电化学信号(初始电位：0V；最终电位：1.0V；电位增加幅度：4mV；振幅：50mV；脉冲持续时间：50ms；脉冲周期：0.5s)，记录NO₂ ^-和OPD探针的氧化信号值，并以NO₂ ^-浓度为横坐标，以两者的比值(I_Nitrite/I_OPD)为纵坐标，绘制标准工作曲线。

利用本比率型电化学法对于NO₂ ^-浓度检测的结果如图6所示。其中,图6A表明随着NO₂ ^-浓度的增加，OPD的氧化信号电流值逐渐减小，NO₂ ^-的氧化信号电流值逐渐减小。图6B是I_Nitrite/I_OPD与NO₂ ^-浓度的线性关系图，表明该方法对于NO₂ ^-浓度的可检测范围为10μM～300μM，有良好的检测效果。

实施例7

利用OPD探针+NO₂ ^-体系检测NO₂ ^-的选择性

(1)分别向1mL离心管中加入50μL 10mM的OPD溶液、900μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)，摇匀；

(2)向第一个离心管的上述混合液中加入50μL 1mM的NO₂ ^-，其余离心管的上述混合液中加入50μL 2mM不同种类的阳离子和阴离子，保证溶液总体积为1mL，在室温下反应1min。

结果如图7所示，图7是用OPD探针+NO₂ ^-体系检测NO₂ ^-的选择性的柱状图，柱状图从左到右依次为亚硝酸根(NO₂ ^-)、亚铁离子(Fe³⁺)、铁离子(Fe³⁺)、汞离子(Hg²⁺)、镍离子(Ni^{2 +})、铜离子(Cu²⁺)、钙离子(Ca²⁺)、镁离子(Mg²⁺)、钠离子(Na⁺)、钴离子(Co³⁺)、铬离子(Cr³⁺)、锰离子(Mn²⁺)、锌离子(Zn²⁺)、硫酸根离子(SO₄ ^2-)、碳酸根离子(CO₃ ^-)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、氯离子(Cl^-)、溴离子(Br^-)、磷酸氢根离子(HPO₄ ^3-)、亚硫酸根离子(SO₃ ^2-)。从图中可以看出只有NO₂ ^-可以显著增强离子与OPD探针的氧化信号的比值，其他离子共存时不会对该比值产生较大影响。

实施例8

利用OPD探针+NO₂ ^-体系检测环境和食品水中的NO₂ ^-浓度

(1)对河水和腌酸水进行实验前的预处理，获得的样品用常规滤纸过滤；

(2)分别向1mL离心管中加入50μL 10mM的OPD溶液、900μL pH＝3的醋酸盐缓冲液(0.1M)，摇匀；

(3)再向上述混合液中分别加入50μL处理后的河水和腌酸水，保证溶液总体积为1mL，在室温下反应1min；

(4)利用电化学检测装置的差分脉冲伏安法(DPV)测定上述混合溶液中实际样品和OPD探针的电化学信号(初始电位：0V；最终电位：1.0V；电位增加幅度：4mV；振幅：50mV；脉冲持续时间：50ms；脉冲周期：0.5s)，记录实际样品和OPD探针的氧化信号值。

其测定结果如表1所示：

表1本发明所公开方法对实际样品的检测结果

由上表可知，OPD探针+NO₂ ^-体系对实际样品中亚硝酸根含量的变化响应迅速，可实现亚硝酸根离子的高灵敏、高准确性、高选择性和低成本分析以及对环境和食品水中的亚硝酸根检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围。凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）向1 mL离心管中加入50μL 10 mM的邻苯二胺OPD溶液、900μL 0.1M 醋酸盐缓冲液，摇匀；

（2）向上述混合溶液中分别加入50μL不同浓度的亚硝酸根离子NO₂ ^-，保证溶液总体积为1mL，反应0.5～6min；其中，所述NO₂ ^-在体系内的最终浓度分别为10μM、20μM、50μM、100μM、200μM、300μM；

（3）利用电化学检测装置的差分脉冲伏安法DPV测量混合溶液的氧化信号值，其中初始电位：0 V；最终电位：1.0 V；电位增加幅度：4mV；振幅：50mV；脉冲持续时间：50ms；脉冲周期：0.5 s，记录NO₂ ^-和OPD探针的氧化信号值，并以NO₂ ^-浓度为横坐标，以两者的比值I_Nitrite/I_OPD为纵坐标，绘制标准工作曲线；

（4）将待测样品重复步骤（1）～（3），用差分脉冲伏安法DPV测定混合溶液中待测样品和OPD探针的氧化信号值，其中初始电位：0 V；最终电位：1.0 V；电位增加幅度：4mV；振幅：50mV；脉冲持续时间：50ms；脉冲周期：0.5s，通过将待测样品与OPD探针的氧化信号的比值与标准工作曲线对比，即可得到待测样品中的NO₂ ^-浓度。

2.根据权利要求1所述的基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，其特征在于：步骤（1）中所述醋酸盐缓冲液的pH值为3。

3.根据权利要求1所述的基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，其特征在于：步骤（2）中所述反应1min。

4.根据权利要求1所述的基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，其特征在于：步骤（3）中所述电化学检测装置，其中的电极为丝网印刷裸碳电极、金颗粒修饰电极、钯颗粒修饰电极、铂颗粒修饰电极。

5.根据权利要求4所述的基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，其特征在于：步骤（3）中所述电化学检测装置，其中的电极为丝网印刷裸碳电极。

6.根据权利要求1所述的基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，其特征在于：步骤（4）中待测样品的可测浓度范围为10～300μM。

7.根据权利要求1所述的基于比率型电化学检测亚硝酸根离子的方法，其特征在于：步骤（4）中待测样品的检测限为4.7μM。

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