儿茶酚（catechol，CC）又名邻二苯酚，广泛存在于水果、蔬菜、茶叶等农作物中，是酶促褐变反应的重要底物之一，在制药和化工生产中具有广泛的作用。在茶叶生产过程中儿茶酚作为茶多酚的一种具有抗氧化、降血脂、促进胃肠功能、降低心血管疾病风险、抗癌等生理作用[1-2]，在茶叶品质评判过程中也起着重要作用，成为近几年众多学者研究的焦点。因此，研究一种方便快捷的检测方法对茶叶中的儿茶酚进行定量分析对茶叶综合品质的评定以及人们的饮食健康具有重要意义。
目前，关于儿茶酚的检测方法有气相色谱法、液相色谱法、毛细管电泳法等，这些方法虽然有检出限低、灵敏度高等优点，但同时具有操作复杂、成本较高、仪器价格昂贵、需要专业人士操作等弊端。因此不适合现场快速有效的定量分析[3-5]。电化学分析法由于具有操作简单、方便、快捷等优点，在儿茶酚快速、有效的进行定量分析方面存在较大的应用潜力[6-8]，成为对茶叶中儿茶酚进行快速有效定量分析的理想方法之一。
Fe3O4磁性纳米材料由于具有导电性好、吸附性强、比表面积大等优点能有效地为反应物提供较好的吸附位点，有利于电化学反应的进行。同时离子液体作为固定基质，它们结合在一起能够更好的发挥协同作用，降低Fe3O4的聚集，提高反应的灵敏度[9-13]。目前，虽然关于Fe3O4磁性纳米材料的相关研究已有报道，但关于Fe3O4-离子液体纳米复合材料的报道还未见出现。因此，本文以（Fe3O4）—1-甲基-3-丁磺酸基咪唑硫酸氢盐（1-methyl-3-butanesulphonic acid imidazole bisulfate，[BSMIM]HSO4）复合材料为基质，制备电化学传感器对茶叶中的儿茶酚进行快速、有效的定量分析。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
儿茶酚、甲醇：天津市科密欧化学试剂有限公司；十二水合磷酸氢二钠、氯化钾：洛阳昊华化学试剂有限公司；磷酸二氢钠、铁氰化钾：洛阳市化学试剂厂；亚铁氰化钾：天津市光复精细化工研究所；无水乙醇：天津市天力化学试剂有限公司；茶叶：西湖龙井，市购。
1.2 仪器与设备
CHI-660E型电化学工作站：上海辰华仪器有限公司；三电极系统：以玻碳电极（glassy carbon electrode，GCE，φ=3 mm）为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极（Pt）为对电极；KQ-100E型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；85-2型恒温磁力搅拌器：上海司乐仪器有限公司；10 μL移液枪：赛默飞世尔（上海）仪器有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 Fe3O4-[BSMIM]HSO4制备
Fe3O4球合成：分别取FeCl3粉末5 g，柠檬酸三钠1.8 g于300 mL锥形瓶中，加入150 mL乙醇溶液，超声分散0.5 h然后强烈搅拌1 h使其分散均匀，在搅拌过程中加入醋酸钠7.5 g搅拌0.5 h，然后将混合物移入水热釜中加热至200℃，保持8 h，然后冷却至25℃，用蒸馏水、乙醇洗涤数次，最后于60℃烘干备用既得Fe3O4纳米材料。
1-甲基-3-丁磺酸基咪唑硫酸氢盐（[BSMIM]HSO4）根据文献[14]合成。取 50 μL[BSMIM]HSO4加入到5 mL 1.0 mg/mL的Fe3O4中，在磁力搅拌器上搅拌使其分散均匀，得到Fe3O4-[BSMIM]HSO4。
1.3.2 Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的制备
将GCE电极用1000目砂纸打磨后，分别用0.3 μm和0.05 μm的氧化铝粉抛光至镜面，然后依次用无水乙醇、二次蒸馏水进行超声清洗3次，每次3 min～5 min，在常温条件下让其自然干燥，备用[15-17]。用 10 μL 移液枪吸取 3.0 μL 的 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修饰液滴于GCE电极表面，然后用烧杯罩在上面（防止其被污染），常温下自然干燥，即得Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE。
1.4 样品处理
准确称取茶叶5.000 0 g用研钵进行粉碎，称取固体粉末1.000 0 g于100 mL烧杯中，然后加入60.00 mL 20%的甲醇溶液，于80℃条件下水浴振荡20 min，然后进行过滤，将所得滤液转移至100 mL容量瓶中用80%甲醇定容，备用。
1.5 数据处理
运用origin 8.5对试验结果进行数据分析及处理。
2 结果与分析
2.1 不同电极的电化学表征
在 10mmol/L 的[Fe（CN）6]3-溶液（含 0.1mol/LKCl）中分别对 GCE、Fe3O4/GCE和 Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE电极进行交流阻抗分析，结果如图1所示。
图1 GCE、Fe3O4/GCE、Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE在10 mmol/L的[Fe（CN）6]3-（含 0.1 mol/L KCl）溶液中的交流阻抗图谱
Fig.1 Electrochemical impedance spectroscopy of GCE，Fe3O4/GCE，Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE in 10 mmol/L[Fe（CN）6]3-containing 0.1 mol/L KCl
a为GCE；b为 Fe3O4/GCE；c为Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE。
由图1可知，GCE电阻为375 Ω，Fe3O4/GCE电阻为261.4 Ω与GCE相比阻抗降低了30.29%，这说明Fe3O4具有良好的导电性，加速电极表面电子转移速率，增强电流响应提高电极灵敏度。同时加入[BSMIM]HSO4后Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE电阻降低至195.5 Ω与Fe3O4/GCE相比阻抗降低了25.21%，这说明Fe3O4与[BSMIM]HSO4间具有良好的协同作用，能进一步加速电极表面电子转移速率提高电极灵敏度。
2.2 儿茶酚在不同电极的电化学行为
以浓度0.1 mol/L pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液（phosphate buffer saline，PBS）缓冲液为支持电解质，分别以GCE、Fe3O4/GCE和Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE为工作电极对50 μmol/L的儿茶酚进行差分脉冲（differential pulse voltammetry，DPV）扫描，其结果如图2所示。
图 2GCE、Fe3O4/GCE、Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE 在 50 μmol/L的儿茶酚溶液中的差分脉冲曲线图
Fig.2 DPV response of GCE，Fe3O4/GCE，Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE in 50μmol/L CC
a为GCE；b为Fe3O4/GCE；c为Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE。
由图 2可知，GCE氧化峰电流为 0.848 9 μA，Fe3O4/GCE 氧化峰电流为 1.086 μA，Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰电流为 1.323 μA，与 GCE相比Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰电流增加了55.85%；与Fe3O4/GCE相比Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE氧化峰电流增加了21.82%。这说明Fe3O4具有良好的导电性和吸附作用，能够为儿茶酚在电极表面的电化学反应提供较好的结合位点，催化电化学反应的进行，扩大反应信号，同时与[BSMIM]HSO4具有良好的协同作用。
2.3 缓冲溶液pH值的选择
分别以浓度 0.1 mol/L pH 6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 的PBS缓冲液为支持电解质，对50 μmol/L的儿茶酚进行DPV扫描，其结果如图3所示。
由图3可知，随着PBS缓冲液pH值的增加，氧化峰电流先增大后减小，当pH值为7.0时氧化峰电流达到最大为1.31 μA，这是因为过酸过碱可能会影响到电极表面电子的转移速率进而对氧化峰电流产生影响，因此本试验选取pH值为7.0的PBS缓冲液为电解质溶液。
图3 pH值对Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影响
Fig.3 The effect of pH on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE
2.4 离子强度对儿茶酚电化学行为的影响
分别以浓度 0.05、0.1、0.15、0.20、0.25、0.30 mol/L pH 7.0的PBS缓冲液为支持电解质，对50 μmol/L的儿茶酚进行DPV扫描，其结果如图4所示。
图4 离子浓度对Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影响
Fig.4 The effect of ion concentration on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE
由图4可知，随着离子浓度的增加氧化峰电流先增大后减小，且当PBS缓冲液浓度为0.1 mol/L时氧化峰电流达到最大为1.32 μA，这是因为随着离子浓度的增加有助于电极表面电子的转移，形成氧化峰电流，但当离子浓度过高时会对Fe3O4表面的结合位点产生占位影响进而降低氧化过程中电子的转移速率减弱电流响应，因此本试验选取浓度为0.1 mol/L的PBS缓冲液为电解质溶液。
2.5 修饰量的选择
以pH 7.0的PBS（0.1mol/L）缓冲液为支持电解质，分别以 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 μL 的 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修饰GCE制备Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE传感器对50 μmol/L的儿茶酚进行DPV扫描，其结果如图5所示。
图5 Fe3O4-[BSMIM]HSO4修饰量对Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE的影响
Fig.5 The effect of Fe3O4-[BSMIM]HSO4loading on the response of Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE
由图5可知，随着Fe3O4-[BSMIM]HSO4修饰量的增加Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE在50 μmol/L的儿茶酚测得的氧化峰电流先增大后减小，当修饰量为3 μL时氧化峰电流达到最大为1.34 μA。这是因为Fe3O4-[BSMIM]HSO4具有良好的导电性，能够有效的促进电子的转移，增加电流响应，但当修饰量过多时会导致电极表面涂层较厚，Fe3O4-[BSMIM]HSO4聚集，阻碍电子的转移，增加阻抗，进而降低电流响应，因此Fe3O4-[BSMIM]HSO4修饰量选取 3 μL。
2.6 标准曲线的绘制
在最佳试验条件下对 1.0×10-6～1.8×10-2mol/L 的CC进行定量分析其结果如图6所示。
图6 儿茶酚浓度与氧化峰电流间的关系曲线与标准曲线
Fig.6 Relationship curve between oxidation peak current and concentration of CC
由图6可知，儿茶酚浓度与其氧化峰电流在1.0×10-6mol/L～1.2×10-2mol/L范围内呈良好的线性关系，线性方程为：Y=0.025 5X+0.079，R2=0.999 5，相关性较好，检出限（3σ）为 1.17×10-7mol/L，检出限较低符合试验要求。
2.7 重复性研究
在最佳试验条件下对50 μmol/L的CC进行重复DPV扫描10次其结果如表1所示。
表1 10次重复性试验
Table 1 Repetitive experiments for 10 times
序号1 2 RSD/%2.281 3 4 5 6 7 8 9峰电流/μA 1.312 1.350 1.291 1.334 1.299 1.352 1.335 1.289 1.324
由表1可知，在最佳条件下用Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE对50 μmol/L的儿茶酚连续扫描10次其相对标准偏差为2.281%，重复性较好。
2.8 加标回收试验
在最佳试验条件下以Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE为工作电极对不同浓度的CC进行加标回收试验其结果如表2所示。
表2 儿茶酚在PBS中的回收率
Table 2 Recovery of catechol in PBS
初始浓度/（mol/L）加标浓度/（mol/L）检测浓度/（mol/L） 回收率/%5.00×10-5 5.05×10-5 101 5.00×10-5 5.00×10-5 9.80×10-5 98 0 5.00×10-3 5.10×10-3 102 0
由表2可知，其加标回收率在98%～102%之间，回收效果较好，准确度较高。
2.9 实际样品检测
在最佳试验条件下结合标准曲线对西湖龙井茶叶中儿茶酚含量进行定量分析，同时利用气相色谱进行定量分析作为参照比对，其结果如表3所示。
表3 茶叶样品中儿茶酚的测定
Table 3 Determination of catechol in tea sample
方法含量/（mg/g）电化学 53.36气相色谱 52.84
由表3可知，茶叶中儿茶酚含量为53.36 mg/g且与气相色谱法结果一致其准确度较高，符合试验需求。
3 结论
在Fe3O4磁性纳米材料的基础上复合[BSMIM]HSO4制备了Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE传感器，对茶叶中的儿茶酚进行定量分析。结果表明：Fe3O4-[BSMIM]HSO4具有良好的导电性和吸附作用，同时Fe3O4与[BSMIM]HSO4间具有良好的协同作用，能够有效地促进电子的转移、增加相应电流、提高电极灵敏度。利用Fe3O4-[BSMIM]HSO4/GCE对茶叶中的儿茶酚进行定量分析，其加标回收率在98%～102%之间，回收效果较好，精密度较高，符合试验要求，且与气相色谱检测结果一致，其准确度良好，具有较强的使用价值。
[1] 徐志远,孟庆一,肖雨诗.食品中儿茶酚快速检测方法开发[J].食品安全质量检测学报,2020,11(7):2204-2209
[2] 张明丽,金华丽,姜海洋.茶叶中儿茶酚的电化学检测方法研究[J].河南工业大学学报(自然版),2017,38(4):52-56
[3] 罗尔伦,王杰,黎永乐.水中酚类化合物的检测方法研究进展[J].现代食品,2017,6(6):70-72
[4] 岳晓月.基于碳纳米管的电化学传感器在有机磷农药残留和儿茶酚检测中的应用[D].杨凌:西北农林科技大学,2014
[5] 常青,马媛,贾文孝.基于四氧化三铁修饰传感器检测茶叶中儿茶酚[J].食品工业,2019,40(11):109-112
[6] Tan X C,Hu Q,Wu J W,et al.Electrochemical sensor based on molecularly imprinted polymer reduced graphene oxide and gold nanoparticles modified electrode for detection of carbofuran[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2015,220:216-221
[7] Wang G C,Tan X C,Zhou Q.Synthesis of highly dispersed zinc oxide nanoparticles on carboxylic graphene for development a sensitive acetylcholinesterase biosensor[J].Sensors and Actuators B,2014,190:730-736
[8] 徐环环,李丹,陈荣.化学修饰电极在儿茶酚胺类物质电化学测定中的应用[J]菏泽学院报,2013,35(2):49-55
[9]药姣.磁性纳米材料的功能化设计与合成及吸附性能研究[D].太原:山西医科大学,2019
[10]胡小莲.磁性纳米四氧化三铁及其复合材料吸附磷性能研究[D].南京:南京理工大学,2018
[11]Jeyapragasam T,Saraswathi R.Electrochemical biosensing of carbofuran based on acetylcholinesterase immobilized onto iron oxidechitosan nanocomposite[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2014,191:681-687
[12]Liang R P,Wang X N,Liu C M,et al.Construction of graphene oxide magnetic nanocomposites-based on-chip enzymatic microreactor for ultrasensitive pesticide detection[J].Journal of Chromatography A,2013,1315:28-35
[13]王静静.基于碳基复合材料的酶传感器用于有机磷农药的检测方法研究[D].郑州:河南工业大学,2016
[14]Andreescu S,Marty J L.Twenty years research in cholinesterase biosensors:From basic research to practical applications[J].Biomolecular Engineering,2006,23(1):1-15
[15]Lee P M,Wag Z M,Liu X X,et al.Glassy carbon electrode modified by graphene-gold nanocomposite coating for detection of trace lead ions in acetate buffer solution[J].Thin Solid Films,2015,584:85-89
[16]Chen T,Tian L L,Chen Y,et al.A Facile One-Pot Synthesis of Au/Cu2O Nanocomposites for Nonenzymatic Detection of Hydrogen Peroxide[J].Nanoscale research letters,2015,10:252-259
[17]Minh P,Ngoc B.Electrochemical analysis of parathion-ethyl using zirconium oxide-laponite nanocomposites-modified glassy carbon electrode[J].J Appl Electrochem,2015,45:365-373