层间工程化氧化石墨烯-单Boc-乙二胺纳米片用于食品抗氧化剂叔丁基对苯二酚的高灵敏电化学检测

《RSC Advances》：Interlayer-engineered graphene oxide-mono-Boc-ethylenediamine nanosheets for sensitive electrochemical detection of the food antioxidant tert-butylhydroquinoneOpen Access

　　

食品中合成抗氧化剂的监测对于品质保障和消费者安全至关重要。本研究首次报道了单Boc-乙二胺功能化氧化石墨烯（GO-EnBoc）纳米片在电化学传感中的应用，用于灵敏测定广泛使用的食品防腐剂叔丁基对苯二酚（TBHQ）。通过将单Boc-乙二胺共价插入氧化石墨烯层间合成了GO-EnBoc，并采用多种技术对其进行了表征。X射线衍射（XRD）分析显示，层间距从0.93 nm显著增加至1.20 nm，表明插层成功；傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了含氮官能团的引入。形貌研究表明其具有皱褶、超薄层状结构，表面可及性和电子转移性能得到改善。研究人员采用差分脉冲伏安法（DPV）考察了GO-EnBoc修饰玻碳电极的电化学传感性能。在约0.33 V（vs. Ag/AgCl）处，修饰电极呈现清晰的TBHQ氧化峰，在0.1–130 μM浓度范围内呈线性响应，相关系数为0.99。该传感器表现出95 nM的低检测限（LOD）和0.31 μM的定量限（LOQ），并具有良好的重复性（RSD = 2.1%）和重现性（RSD = 3.4%）。在薯片、爆米花和食用油样品中验证了该传感器的实际适用性，回收率为92%–102%。这些发现表明，GO-EnBoc可作为复杂食品基质中合成抗氧化剂快速、可靠、便携式电化学监测的理想平台。

论文解读：层间工程化GO-EnBoc纳米片用于TBHQ的高灵敏电化学检测

一、研究背景与意义

食品安全法规高度关注食用油脂的完整性。食品工业广泛使用叔丁基对苯二酚（tert-butylhydroquinone，TBHQ）等合成抗氧化剂以延长货架期并防止加工食品的氧化酸败。TBHQ虽已获美国食品药品监督管理局（FDA）和欧洲食品安全局（EFSA）等机构批准，在油脂中允许限量最高为100–200 ppm，每日可接受摄入量（ADI）为0.7 mg kg^?1（按体重计），但允许剂量与不良健康效应水平之间的安全窗口较窄。长期过量暴露与肝毒性、神经毒性和潜在致癌性相关，其机制涉及反应性谷胱甘肽加合物的形成、CYP1A1酶活性诱导、胱天蛋白酶激活及细胞内谷胱甘肽耗竭。TBHQ市场规模在2023年估计约为79亿美元，并预计至2033年以约6%的年复合增长率增长，主要受亚太地区加工食品、植物油精炼和休闲食品制造行业驱动。在监管审查日益严格的背景下，工业持续需求凸显了对灵敏、可现场检测方法的迫切需要。

传统分析技术如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）和荧光法能够准确定量TBHQ，但存在仪器复杂、需专业人员、样品前处理时间长及依赖中心化实验室等实际缺陷，限制了其在资源有限或高通量食品质控场景中的应用。电化学传感器因成本低、响应快、可微型化且与复杂基质兼容，成为现场食品安全监测的有力替代方案。传感器性能强烈依赖于电极材料的表面化学和电子特性，要求材料具备高效电子转移、可及的 analyte 结合位点和在真实样品条件下的稳定性。

氧化石墨烯（GO）因其高比表面积、可调表面化学和水相分散性而备受关注，但原始GO存在不可逆的π–π堆叠和范德华团聚，降低了电活性表面积并限制分析物可及性。含胺有机分子表面功能化是解决上述问题的成熟策略：含氮基团通过空间位阻和静电排斥抑制团聚、增大层间距、向石墨烯骨架引入给电子特性，并促进与TBHQ等酚类分析物的π–π和氢键相互作用。单-N-Boc-乙二胺（En-Boc）作为胺类修饰剂，可通过环氧开环反应共价插入GO层间，形成双功能氨基-氨基甲酸酯基团（GO-EnBoc）。此前Mandal等人已在锂离子电池负极背景下研究了该材料的结构和电化学性质，但其传感潜力尚未被探索。GO-EnBoc用于电荷存储的结构特征——扩展层间距、减少团聚、增强表面润湿性和富氮官能团——正是酚类分析物电化学传感所要求的属性：可及的电极表面、与芳香族目标物的强静电和π–π相互作用以及快速电子转移动力学。已有研究报道了基于GO和还原氧化石墨烯（rGO）的TBHQ电化学检测，包括金属纳米颗粒修饰的rGO复合材料。本工作提出了一种与上述报道不同的设计策略和传感机制：不是通过金属或金属氧化物纳米颗粒的物理修饰引入催化活性，而是通过环氧开环化学将胺封端的连接体共价插入GO层间通道，形成化学锚定、富氮基面架构并具有永久扩展层间距的GO-EnBoc。据研究人员所知，这是该设计类型的胺插层GO材料首次用于电化学传感，也是共价插层策略首次专门用于TBHQ检测。

二、研究内容与结论

研究人员合成了GO-EnBoc纳米片，系统表征其结构、形貌和电化学性能，并将其修饰于玻碳电极（GCE）用于TBHQ检测。XRD分析显示，GO的特征衍射峰从2θ = 9.31°移至7.37°，层间距从0.943 nm增至1.20 nm，增加约29%，证实EnBoc成功插入GO层间。FTIR光谱确认了含氮官能团（N–H弯曲、C–N伸缩）的引入以及环氧基团强度降低，表明发生了亲核取代反应。SEM和TEM显示GO-EnBoc呈现堆叠、皱褶的薄层结构，SAED图案呈现多晶衍射环，说明功能化后仍保持短程石墨有序。电化学表征方面，在5.0 mM [Fe(CN)₆]^3?/4?中，GO-EnBoc/GCE的峰电流为59.5 μA，高于裸GCE（21.5 μA）和GO/GCE（39 μA）；电荷转移电阻（R_ct）从裸GCE的2600 Ω降至GO/GCE的2200 Ω，再显著降至GO-EnBoc/GCE的800 Ω；电化学活性表面积（ECSA）从裸GCE的0.026 cm²增至GO/GCE的0.047 cm²和GO-EnBoc/GCE的0.072 cm²，约为裸电极的2.8倍。扫速研究显示峰电流与扫速平方根呈线性关系（R² = 0.995），表明电极过程受扩散控制。pH优化实验表明，TBHQ在pH 3条件下氧化峰电流最高（约74 μA），强酸性介质有利于质子耦合电子转移（PCET）过程。采用差分脉冲伏安法（DPV），GO-EnBoc/GCE在0.33 V（vs. Ag/AgCl）处呈现清晰的TBHQ氧化峰，线性范围为0.1–130 μM，相关系数R² = 0.99；检测限（LOD）为95 nM，定量限（LOQ）为0.31 μM。传感器表现出优异的重复性（RSD = 2.1%）和重现性（RSD = 3.4%），连续3小时DPV测量后电流响应仅下降1.21%，显示出良好的抗污染和操作稳定性。选择性研究中，抗坏血酸、葡萄糖、柠檬酸、没食子酸丙酯和果糖等10倍过量干扰物未引起峰电位或氧化电流的明显变化。在薯片、爆米花和食用油真实样品中，通过标准加入法获得92%–102%的回收率，RSD低于4%，表明传感器对复杂食品基质具有强耐受性。

三、关键技术方法

研究人员采用Hummers法制备GO纳米片，通过高稀释插层法将单-N-Boc-乙二胺在0 °C、pH 5.5–6.0条件下逐滴加入GO分散液，经72小时反应获得GO-EnBoc。使用XRD、FTIR、SEM、TEM和SAED进行结构和形貌表征。电化学测试采用循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和差分脉冲伏安法（DPV）。食品样品（薯片、爆米花、食用油）购自当地市场，经乙醇提取和过滤前处理后进行加标回收实验。统计方面，每个测量重复三次（n = 3），结果以平均值 ± 标准差（SD）表示，干扰研究数据采用单因素方差分析（one-way ANOVA，p < 0.03）。

四、研究结果

3.2 X射线衍射分析：XRD显示GO-EnBoc的(001)衍射峰从9.31°移至7.37°，层间距从0.943 nm增至1.20 nm，证实Boc保护二胺成功插入GO层间；峰展宽和15°–30°间的无定形弥散峰表明有序堆叠破坏和部分剥离。

3.3 FTIR光谱分析：GO-EnBoc出现N–H伸缩（3300–3400 cm^?1）、N–H弯曲和C–N伸缩（1500–1350 cm^?1）新峰，C═O峰移至1700–1650 cm^?1（酰胺/氨基甲酸酯），C–O–C强度降低，证实环氧基团参与反应。

3.4 SEM和TEM表征：GO呈皱褶柔性薄片，GO-EnBoc呈堆叠、略团聚的皱褶结构；TEM显示GO-EnBoc对比度增加和局部增厚；SAED呈现尖锐衍射点组成的半连续环，表明纳米晶结构。

4.2 电化学表征：GO-EnBoc/GCE的峰电流最高（59.5 μA）、R_ct最低（800 Ω）、ECSA最大（0.072 cm²），扫速研究表明扩散控制过程。

4.3 pH依赖性电化学行为：pH 3时TBHQ氧化峰电流最大（74 μA），pH升高电流急剧下降，符合质子耦合电子转移机制。

4.4 TBHQ传感性能：DPV显示0.1–130 μM线性范围，LOD为95 nM，LOQ为0.31 μM，灵敏度优于多数已报道的TBHQ电化学传感器。

4.5 传感机制：TBHQ的酚羟基与GO-EnBoc的羰基/胺基形成氢键，芳香环与剩余sp²共轭域发生π–π堆叠，促进界面富集并降低氧化活化能，随后发生2e^?/2H⁺氧化生成叔丁基对苯醌（TBQ）。

4.6 重复性和重现性：5次连续测量的RSD为2.1%，5支独立制备电极的RSD为3.4%，3小时连续测量电流衰减仅1.21%。

4.7 选择性与抗干扰：10倍过量干扰物不影响TBHQ响应，显示高选择性。

4.8 真实样品分析：薯片、爆米花和食用油中加标回收率为92%–102%，RSD低于4%，验证了实际应用可行性。

五、总结与结论

讨论部分指出，GO-EnBoc增强的传感性能归因于层间工程的协同效应：扩展的层间距增加了表面可及性，丰富的含氮活性位点（胺基、氨基甲酸酯基）促进了氢键和π–π相互作用，部分恢复的sp²共轭域提高了导电性，而共价锚定的插层结构赋予材料优异的结构稳定性和抗污染能力。这些结构特征共同降低了电荷转移电阻，增加了电活性面积，并加速了TBHQ的界面电子转移。

研究结论为：研究人员成功展示了单Boc-乙二胺插层氧化石墨烯（GO-EnBoc）纳米片在食品样品中灵敏检测TBHQ的首次电化学传感应用。结构表征确认了GO的成功共价功能化和层间扩展，带来了更高的表面可及性、丰富的含氮活性位点和改善的电荷转移性能。在优化条件下，传感器表现出0.1–130 μM的宽线性检测范围、95 nM的低检测限、优异的重复性（RSD = 2.1%）和重现性（RSD = 3.4%）。此外，传感器对常见食品干扰物表现出优异选择性，在薯片、爆米花和食用油等真实食品样品中回收率为92%–102%。增强的传感性能归因于层间工程、增强的电子转移路径以及TBHQ与GO-EnBoc表面间有利的π–π和氢键相互作用的协同效应。该工作不仅证明了GO-EnBoc作为食品质量监测传感平台的潜力，还凸显了层间工程化GO材料在传统能量存储系统之外分析应用中的更广泛前景，为现场监测食品添加剂及相关污染物的便携式、低成本、高性能电化学器件设计开辟了新途径。