使用铜线电极进行牛奶中水杨酸的成本效益电位测定

《ACS Omega》：Cost-Effective Voltammetric Determination of Salicylic Acid in Milk Using Copper Wire Electrodes

本研究开发了一种环保的伏安法检测牛奶中非法添加的水杨酸（SA）。通过电化学预处理的商用铜线电极形成CuO催化层，结合硫酸锌和氢氧化钠的绿色预处理，实现SA的高灵敏度检测（检测限3.0 μmol/L）。方法具有成本低、抗干扰性强、无需有机溶剂和快速（15分钟处理8个样品）的特点，适用于牛奶中SA的定量分析，回收率91%-107%。

　　本研究探讨了一种用于检测牛奶中非法添加水杨酸（SA）的创新性、环保型伏安法。水杨酸作为一种常见的食品添加剂，被非法用于延长牛奶的保质期，引发了严重的健康风险。因此，开发一种能够有效检测该物质的分析方法至关重要。本文提出了一种基于铜丝电极的伏安方法，该电极通过电化学方法在碱性介质中形成富含氧化铜（CuO）的修饰层，从而提高了水杨酸的伏安响应，并赋予电极抗污染的特性。

与传统的检测方法相比，如A.O.A.C.官方方法975.30，该方法依赖于颜色反应，只能提供定性信息，并且需要大量的样本和有机溶剂，如二乙醚。这种局限性使得其在实际应用中难以推广。此外，由于水杨酸与牛奶中的蛋白质和脂肪成分之间存在强的非共价相互作用，使得其检测变得复杂。因此，研究者开发了更复杂的样品预处理步骤，并结合高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）等技术，以提高检测的灵敏度和选择性。然而，这些方法成本高昂，依赖复杂的仪器设备，难以普及。

基于上述问题，本文提出了一种新的解决方案。铜电极因其低成本、高导电性和在碱性溶液中能够形成具有电催化活性的Cu(OH)?/CuO表面层，成为一种极具潜力的材料。这种电催化层不仅能够促进水杨酸的电氧化反应，还能防止电极的污染和腐蚀，从而提高检测的稳定性和重复性。此外，研究者还开发了一种简便、快速、无需有机溶剂的样品预处理方法，该方法使用硫酸锌（ZnSO?）和氢氧化钠（NaOH）的水溶液，通过沉淀蛋白质和离子化水杨酸，使其更容易从水溶液中提取出来。这种预处理方法显著降低了样品和试剂的消耗，使得可以在15分钟内处理最多8个样品。

在实验过程中，铜电极通过电化学条件处理，形成稳定的电化学活性表面层。该处理过程通过10个电位循环（0到+0.75 V，相对于Ag/AgCl/KCl饱和电极），在0.1 mol L?1的NaOH溶液中进行，以形成富含CuO的层。电化学条件处理不仅提高了电极的稳定性和重现性，还使得其适用于多种电化学分析。通过扫描电子显微镜（SEM）对电极表面进行分析，发现处理后的电极表面更加粗糙，具有均匀分布的微结构，这与电化学生长的覆盖层有关。

在样品预处理过程中，牛奶样本被储存在冰箱中，随后取出500 μL样本，加入100 μL 15%（m/v）的ZnSO?溶液和400 μL 2.5 mol L?1的NaOH溶液。混合后，样本被置于超声波浴中10分钟，再进行离心处理，以分离出含有蛋白质和脂肪的固相和清液。清液中的水杨酸被转移到电化学分析的溶液中，以进行后续检测。这种预处理方法不仅减少了试剂的使用量，还避免了有机溶剂的使用，使得其在环保方面具有优势。

在分析性能方面，研究者比较了差分脉冲伏安法（DPV）和方波伏安法（SWV）在水杨酸检测中的表现。DPV在优化条件下表现出更好的灵敏度和更低的检测限（LOD），其检测范围为10到500 μmol L?1，LOD为3.0 μmol L?1。而SWV的检测范围为50到500 μmol L?1，LOD为10 μmol L?1。DPV在灵敏度、检测限、信号强度和峰分辨率方面优于SWV，使其成为更优的选择。此外，通过重复测量和统计分析，研究者验证了DPV方法在短期和长期中的重复性，其标准偏差（RSD）为3.8%，表明方法的稳定性和可靠性。

在选择性方面，研究者评估了铜电极在水杨酸检测中对常见干扰物质的耐受性。测试的干扰物质包括牛奶中的天然糖类（如蔗糖、乳糖、葡萄糖、半乳糖）以及可能被非法添加的物质（如尿素、尿酸、柠檬酸、过氧化氢和甲醛）。结果表明，在干扰物质浓度等于或低于水杨酸浓度时，未发现显著干扰。然而，当干扰物质浓度为水杨酸的10倍时，半乳糖和葡萄糖对水杨酸信号产生了显著影响，分别增加了300%和400%。而乳糖则在10倍浓度下降低了水杨酸信号57%。这些干扰物质可以通过样品预处理步骤有效去除，从而提高检测的准确性。

此外，研究者对样品预处理方法的环境影响进行了定量评估，使用AGREEprep指标，得到的评分为0.54，这表明该方法在绿色度方面具有改进空间，但仍优于传统方法。例如，A.O.A.C.官方方法975.30的评分为0.27，而Gentili等人的方法评分为0.17。这说明该方法在减少环境足迹方面具有优势，符合可持续发展的要求。

在实际应用中，研究者对六种不同的牛奶样本进行了检测，包括脱脂、半脱脂、全脂无乳糖、全脂、生乳和多维生素强化全脂牛奶。检测结果显示，所有样本中均未检测到水杨酸的伏安峰，表明其要么不存在，要么浓度低于检测限。因此，为了评估方法的准确性，研究者进行了加标回收实验。实验结果显示，回收率在91%到107%之间，RSD值为2.1%到5.3%，符合AOAC标准方法的性能要求。此外，所有电化学测量均使用同一电极，表明其在实验过程中的稳定性和可重复性。

综上所述，本研究提出了一种基于铜电极的伏安方法，该方法在检测牛奶中的水杨酸方面具有显著优势。它不仅成本低廉，而且操作简便，能够在短时间内处理多个样本。此外，该方法在环保方面也表现出色，避免了有机溶剂的使用，减少了试剂和样品的消耗。通过样品预处理和电化学条件处理，电极表面形成了稳定的CuO层，提高了检测的灵敏度和抗污染能力。因此，该方法为牛奶中非法添加水杨酸的检测提供了一种可靠、高效、可持续的解决方案。