Способ вольтамперометрического определения пищевого синтетического красителя "красный очаровательный АС" и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01N27/48 

Изобретение относится к области пищевой и аналитической химии, в частности к электрохимическим методам анализа, и может использоваться для вольтамперометрического определения пищевого синтетического азокрасителя «красный очаровательный АС» (Е129) в напитках с целью контроля их безопасности и качества.

Известен способ количественного электрохимического детектирования синтетического красителя «красного очаровательного АС», основанный на процессе его электроокисления. Определение проводят методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии.

Известны устройства для электрохимического определения «красного очаровательного АС», представляющие собой сенсоры на основе стеклоуглеродного (СУЭ) и печатного углеродсодержащего (screen-printed) электродов, модифицированных сложными модификаторами, в состав которых входят углеродные материалы и оксидные частицы [1,2].

Устройство [1] представляет собой стеклоуглеродный электрод, модифицированный нанокомпозитом, содержащем ТiO₂ и оксид графена (GO). Приготовление нанокомпозитного модификатора TiO₂/GO осуществлялось путем гидролиза сульфата титана в суспензии оксида графена. Суспензия оксида графена получена ультразвуковым диспергированием навески оксида графена в водно-этанольной смеси (2:1 об.) в течение 30 минут. Полученный раствор выдерживали в автоклаве при 180°С 4 часа, затем охлаждали, промывали этанолом и деионизованной водой, сушили в вакууме при 60°С в течение ночи. Перед модификацией СУЭ проводили ультразвуковое диспергирование модификатора в течение 2 часов, а после модифицирования проводили электрохимическое восстановление модификатора в 0,1 М фосфатном-буферном растворе (рН 6) при -1,2 В в течение 2 минут. Таким образом, на приготовление устройства TiO₂/GO/СУЭ было затрачено около 15 часов.

Известно устройство [2], содержащее планарную углеродную основу с наноалмазами, функционализированными оксидом кремния и оксидом титана. Наноалмаз представляет собой усеченную полуоктаэдрическую углеродистую структуру диаметром от 5 до 50 нм. Для функционализации наноалмаза применяли золь-гель метод. Для этого наноалмаз диспергировали в смеси серной и азотной кислот (3:1) в ультразвуковой ванне в течение 1 часа, затем перемешивали на магнитной мешалке 10 часов при температуре 90°С, затем промывали этанолом до рН 7 и сушили при 70°С в течение 12 часов. К смеси добавляли раствор аммиака и диспергировали в ультразвуковой ванне 30 мин. Гомогенизированную суспензию смешивали с тетраэтилортосиликатом в течение 24 часов при комнатной температуре. Для удаления избытка кремния добавляли этанол, осаждали центрифугированием, фильтровали через фильтр с порами 1 мкм и сушили при 75°С 12 часов. Суспензию наноалмаза, функционализированного SiO₂, готовили с использованием этанола, дистиллированной воды и обработки ультразвуком в течение 1 часа. Затем к дисперсии функционализированного наноалмаза добавляли 7,2 мл оксида титана (IV), перемешивали при комнатной температуре в течение 4 часов, затем центрифугировали 30 минут. В итоге полученный наноматериал представлял собой карбоксифункционализированный наноалмаз@SiO₂@ТiO₂. Избыток диоксида титана удаляли промыванием этанолом, центрифугированием, сушкой при 75°С 12 часов. Таким образом, на приготовление данного устройства было затрачено почти 77 часов.

Недостатками аналогов является сложный, многостадийный, трудо- и времязатратный от 15 до 77 часов процесс их получения.

В настоящее время в патентной и научно-технической литературе неизвестен способ вольтамперометрического определения пищевого синтетического красителя «красный очаровательный АС» в заявляемой совокупности признаков.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для определения пищевого азокрасителя Понсо 4R [3], представляющее собой электрохимический сенсор на основе углеродной вуали с чувствительным слоем, в состав которого входят фитосинтезрованные наночастицы золота и графен, функционализированный полидиаллилдиметиламмоний хлоридом (ПДДА). Для изготовления платформы устройства использовали технологию горячего ламинирования, при которой углеродная вуаль фиксируется на листе полиэтилентерефталатной пленки вследствие пропускания через валки ламинатора, разогретые до 140°С. Затем разрезали пленку с иммобилизованной углеродной вуалью на отдельные полоски, отделяли рабочую и контактную области электрода с помощью изолирующей смеси ацетон: цементит (1:5, об.) [3].

Процесс создания чувствительно слоя состоит из нескольких стадий (Фиг. 1). Первая стадия заключается в синтезе ПДДА. Для этого используют метод радикальной полимеризации. К 2,4 мл раствора диаллилдиметиламмоний хлорида добавляют 0,3 г инициатора персульфата аммония (С=50 мМ), доводят водой до 3 мл. Полимеризацию проводят при 90°С в течение 3 часов. Вязкий раствор ПДДА разбавляют до 20%. На второй стадии осуществляют функционализацию оксида графена с получением ПДДА/графен. Для этого 5 мг оксида графена диспергируют в 5 мл деионизированной воды с помощью ультразвуковой обработки 15 минут и получением дисперсии оксида графена с концентрацией 1 мг/мл. К дисперсии оксида графена добавляют 100 мкл ПДДА, перемешивают 30 минут. Затем добавляют еще 100 мкл гидразина, помещают смесь на водяную баню при 90°С на 5 часов, охлаждают до комнатной температуры, после чего промывают дистиллированной водой. Следующая стадия состоит в фитосинтезе наночастиц золота. 5 мл 1 мМ раствора золотохлористоводородной кислоты доводят до кипения, при постоянном перемешивании добавляют к нему 1 мл щелочного экстракта из листьев земляники. После формирования золя охлаждают его до комнатной температуры и промывают дистиллированной водой. Модификатор готовят путем смешивания оптимальных количеств суспензии ПДДА/графен с фитосинтезированными наночастицами золота и перемешивании в течение 5 минут. Модифицирование рабочей зоны электрода проводят с помощью капельного метода и сушки под лампой. Определение пищевого красителя с использованием известного устройства проводят методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии с предварительным накоплением красителя на электроде при 0 В в течение 180 с. Дифференциально-импульсные вольтамперограммы регистрируют при длительности импульса - 0,1 с, амплитуде импульса - 60 мВ, скорости сканирования потенциала - 30 мВ/с с использованием фосфатного буферного раствора рН 5 в качестве фонового электролита.

Недостатком известного устройства является сложность, многостадийность и длительность изготовления. Для получения чувствительного слоя предварительно необходимо синтезировать каждый компонент в отдельности, что требует временных и энергозатрат. Создание модификатора в целом занимает около 10 часов. Кроме того, при синтезе модификатора используется токсичный гидразин.

Изобретение направлено на упрощение и снижение трудоемкости технологии изготовления сенсора, уменьшение временных и материальных затрат производства, улучшение аналитических характеристик сенсора путем изменения состава модифицирующего слоя сенсора и условий концентрирования и регистрации аналитического сигнала синтетического пищевого красителя «красный очаровательный АС» методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии с целью контроля безопасности и качества напитков.

Это достигается тем, что способ вольтамперометрического определения пищевого синтетического красителя «красный очаровательный АС» в напитках, включающий погружение электрохимического устройства на основе модифицированного углеволоконного материала в раствор фонового электролита с исследуемым образцом, предварительное электрохимическое концентрирование красителя на поверхности устройства, регистрацию аналитического сигнала, пропорционального концентрации красителя в дифференциально-импульсном режиме, причем устройство выдерживают в электрохимической ячейке в фосфатном-буферном растворе с рН 4 в качестве фонового электролита при потенциале +1,1 В в течение 20 с, затем осуществляют концентрирование красителя на поверхности углеволоконного материала, модифицированного микросуспензией карельского шунгита, при потенциале +0,2 В в фосфатном-буферном растворе с рН 4 в течение 20 с, осуществляют регистрацию фонового вольтамперометрического сигнала при дифференциально-импульсных параметрах: амплитуда импульса - 100 мВ, длительность импульса - 0,025 с, скорость сканирования потенциала - 50 мВ/с, вносят в ячейку 0,1 мл исследуемого образца и регистрируют вольтамперограмму при тех же дифференциально-импульсных параметрах, далее регистрируют вольтамперограмму образца с добавкой стандартного раствора красителя «красного очаровательного АС» и регистрируют вольтамперограмму при тех же дифференциально-импульсных параметрах, при этом концентрацию красителя в образце оценивают по методу добавок.

Электрохимическое устройство, используемое при осуществлении способа вольтамперометрического определения пищевого синтетического азокрасителя «красный очаровательный АС» в напитках, содержащее электрохимический сенсор плоской конфигурации в виде полиэтилентерефталатной подложки с клеящим слоем, на которую иммобилизована углеродная вуаль, с разделенными с помощью изолятора контактной и рабочей зонами, причем рабочая зона модифицирована микросуспензией природного наноструктурированного композита -карельского шунгита в количестве 50 мкг и электроактивная площадь устройства составляет 42 мм².

На фиг. 1 изображена блок-схема изготовления прототипа.

На фиг. 2 представлена блок-схема изготовления устройства для реализации нашего способа.

На фиг. 3 изображен общий вид электрода на основе углеродной вуали, модифицированного карельским шунгитом.

На фиг. 4 показана зависимость величины сигнала красителя от количества карельского шунгита на поверхности электрода.

На фиг. 5 представлена зависимость величины сигнала красителя от рН фонового электролита.

На фиг. 6 изображены зависимости величины сигнала красителя от используемых параметров дифференциально-импульсного режима регистрации.

На фиг. 7. представлена зависимость величины сигнала красителя от потенциала накопления

На фиг. 8 показаны дифференциально-импульсные вольтамперограммы окисления «красного очаровательного АС», зарегистрированные с использованием прототипа и устройства.

Способ иллюстрируется следующим примером.

Пример 1

Берут в качестве объекта исследования напиток безалкогольный тонизирующий газированный «Драйв Ми». Предварительная пробоподготовка не требуется. Электрохимическую ячейку заполняют фоновым электролитом (9,9 мл фосфатного-буферного раствора рН 4). Затем опускают в электролизер индикаторный электрод (устройство), хлоридсеребряный электрод сравнения и вспомогательный электрод (углеродный стержень), включают мешалку, выдерживают в электрохимической ячейке при потенциале +1,1 В 20 с и при +0,2 В 20 с, перемешивание выключают и регистрируют фоновую вольтамперограмму при скорости развертки потенциала 50 мВ/с, амплитуде импульса 100 мВ, длительности импульса 0,025 с в диапазоне потенциалов от +0,2 В до +1,1 В. Затем в ячейку вносят 0,1 мл исследуемого образца, перемешивают раствор и регистрируют вольтамперограмму при тех же условиях. Далее регистрируют вольтамперограмму образца с добавкой стандартного раствора красителя «красного очаровательного АС». Концентрацию красителя в образце оценивают по известному методу добавок.

Устройство состоит из электрода плоской конфигурации (Фиг. 3) и работает в качестве индикаторного электрода в трехэлектродной ячейке. На полиэтилентерефталатную подложку с клеящим слоем (1) иммобилизуют с помощью ламинатора углеродную вуаль (2), отделяют контактную зону (4) от рабочей зоны (5) изолятором (3) и капельным способом модифицируют рабочую зону микросуспензией карельского шунгита (6 - микрофотография модифицированной поверхности).

Устройство работает следующим образом. Определение синтетического пищевого красителя «красный очаровательный АС» проводят в обычной трехэлектродной ячейке, состоящей из индикаторного электрода (заявляемое устройство), хлоридсеребряного электрода сравнения и вспомогательного электрода (углеродный стержень) и заполненной раствором фосфатного-буферного раствора (рН 4) в качестве фонового электролита. Погружают электроды в раствор, при постоянном перемешивании и выдерживают в течение 20 с при потенциале +1,1 В для очистки рабочего электрода и при +0,2 В для концентрирования красителя на его поверхности. Регистрацию развертки производят в дифференциально-импульсном режиме при скорости 50 мВ/с, амплитуде импульса 100 мВ, длительности импульса 0,025 с в диапазоне потенциалов от +0,2 В до +1,1 В.

Условия концентрирования и регистрации аналитического сигнала «красного очаровательного АС» с использованием сенсора на основе карельского шунгита методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии были установлены на основании зависимостей тока окисления красителя от рН фонового электролита (Фиг. 5), потенциала концентрирования (Фиг. 6), параметров дифференциально-импульсного режима регистрации аналитического сигнала (Фиг. 7). Из представленных зависимостей видно, что самые большие по величине токи окисления красителя достигаются при рН 4 фосфатно-буферного раствора, потенциале концентрирования +0,2 В, длительности импульса - 0,025 с, амплитуде импульса - 100 мВ.

Использование предлагаемого способа вольтамперометрического определения пищевого синтетического красителя «красный очаровательный АС» и конструкции электрода позволяет по сравнению с существующими аналогами и прототипом снизить временные затраты, расход энергоресурсов на изготовление устройства за счет одностадийной процедуры получения модификатора, который обеспечивает синергетический эффект углеродной и оксидной составляющих, а также возрастание электроактивной площади поверхности до 42 мм². Кроме того, улучшаются электрохимические свойства и аналитические характеристики устройства. Разработанное устройство в выбранных условиях формирования аналитического сигнала обеспечивает увеличение тока окисления красителя по сравнению с прототипом в 3,75 раза (Фиг. 8). Одновременно сенсор демонстрирует снижение предела обнаружения до 0,4 нМ. Относительное стандартное отклонение величины сигнала, зарегистрированного на 10 разных электродах, составляет 3,5%. Сигнал остается стабильным в течение 6 недель хранения устройства при комнатной температуре в темном месте.

Источники информации:

1. Li G., Wu J. et al. Titania/Electro-Reduced Graphene Oxide Nanohybrid as an Efficient Electrochemical Sensor for the Determination of Allura Red (Наногибрид титана/электровосстановленного оксида графена как эффективный электрохимический сенсор для определения очаровательного красного). - Nanomaterials, 2020, V. 10, 307.

2. Mehmandoust М., Pourhakkak P. et al. A reusable and sensitive electrochemical sensor for determination of Allura red in the presence of Tartrazine based on functionalized nanodiamond@SiO₂@TiO₂; an electrochemical and molecular docking investigation (Многоразовый и чувствительный электрохимический сенсор для определения очаровательного красного в присутствии тартразина на основе функционализированного наноалмаза@SiO₂@TiO₂; исследование электрохимического и молекулярного докинга). - Food and Chemical Toxicology, 2022, V. 164, 113080.

3. Stozhko N. Y., Khamzina E. I. et al. Carbon Paper Modified with Functionalized Poly(diallyldimethylammonium chloride) Graphene and Gold Phytonanoparticles as a Promising Sensing Material: Characterization and Electroanalysis of Ponceau 4R in Food Samples (Углеродная бумага, модифицированная функционализированным поли(диаллилдиметиламмонийхлоридом) графеном и фитонаночастицами золота, как многообещающий сенсорный материал: характеристика и электроанализ Понсо 4R в образцах пищевых продуктов). - Nanomaterials, 2022, V. 12, 4197 (прототип).

Изобретение относится к области пищевой и аналитической химии, в частности к электрохимическим методам анализа, и может использоваться для вольтамперометрического определения пищевого синтетического азокрасителя «красный очаровательный АС» (Е129) в напитках с целью контроля их безопасности и качества. Способ вольтамперометрического определения пищевого синтетического красителя «красный очаровательный АС» в напитках включает погружение электрохимического устройства на основе модифицированного углеволоконного материала в раствор фонового электролита с исследуемым образцом, предварительное электрохимическое концентрирование красителя на поверхности устройства, регистрацию аналитического сигнала, пропорционального концентрации красителя, в дифференциально-импульсном режиме, причем устройство выдерживают в электрохимической ячейке в фосфатном-буферном растворе с рН 4 в качестве фонового электролита при потенциале +1,1 В в течение 20 с, затем осуществляют концентрирование красителя на поверхности углеволоконного материала, модифицированного микросуспензией карельского шунгита, при потенциале +0,2 В в фосфатно-буферном растворе с рН 4 в течение 20 с, осуществляют регистрацию фонового вольтамперометрического сигнала при дифференциально-импульсных параметрах: амплитуда импульса - 100 мВ, длительность импульса - 0,025 с, скорость сканирования потенциала - 50 мВ/с, вносят в ячейку 0,1 мл исследуемого образца и регистрируют вольтамперограмму при тех же дифференциально-импульсных параметрах, далее регистрируют вольтамперограмму образца с добавкой стандартного раствора красителя «красного очаровательного АС» и регистрируют вольтамперограмму при тех же дифференциально-импульсных параметрах, при этом концентрацию красителя в образце оценивают по методу добавок. Также предложено устройство для осуществления охарактеризованного выше способа. Изобретение направлено на снижение трудоемкости технологии изготовления сенсора, улучшение аналитических характеристик сенсора путем изменения состава модифицирующего слоя сенсора и условий концентрирования и регистрации аналитического сигнала. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ вольтамперометрического определения пищевого синтетического красителя «красный очаровательный АС» в напитках, включающий погружение электрохимического устройства на основе модифицированного углеволоконного материала в раствор фонового электролита с исследуемым образцом, предварительное электрохимическое концентрирование красителя на поверхности устройства, регистрацию аналитического сигнала, пропорционального концентрации красителя в дифференциально-импульсном режиме, отличающийся тем, что устройство выдерживают в электрохимической ячейке в фосфатно-буферном растворе с рН 4 в качестве фонового электролита при потенциале +1,1 В в течение 20 с, затем осуществляют концентрирование красителя на поверхности углеволоконного материала, модифицированного микросуспензией карельского шунгита, при потенциале +0,2 В в фосфатно-буферном растворе с рН 4 в течение 20 с, осуществляют регистрацию фонового вольтамперометрического сигнала при дифференциально-импульсных параметрах: амплитуда импульса - 100 мВ, длительность импульса - 0,025 с, скорость сканирования потенциала - 50 мВ/с, вносят в ячейку 0,1 мл исследуемого образца и регистрируют вольтамперограмму при тех же дифференциально-импульсных параметрах, далее регистрируют вольтамперограмму образца с добавкой стандартного раствора красителя «красного очаровательного АС» и регистрируют вольтамперограмму при тех же дифференциально-импульсных параметрах, при этом концентрацию красителя в образце оценивают по методу добавок.

2. Электрохимическое устройство, используемое при осуществлении способа вольтамперометрического определения пищевого синтетического азокрасителя «красный очаровательный АС» в напитках, содержащее электрохимический сенсор плоской конфигурации в виде полиэтилентерефталатной подложки с клеящим слоем, на которую иммобилизована углеродная вуаль, с разделенными с помощью изолятора контактной и рабочей зонами, отличающееся тем, что рабочая зона модифицирована микросуспензией природного наноструктурированного композита - карельского шунгита в количестве 50 мкг и электроактивная площадь устройства составляет 42 мм.