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1.2.1 基本原理
如以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，如果前半部分电位向阴极方向扫描，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。因此一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，其电流 —电压曲线称为循环伏安图。如果电活性物质可逆性差，则氧化波与还原波的高度就不同，对称性也较差。循环伏安法中电压扫描速度可从每秒钟数毫伏到1伏。工作电极可用悬汞电极，或铂、玻碳、石墨等固体电极。
1.2.2 循环伏安法的应用
循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。但该法很少用于定量分析。
(1)电极可逆性[16]的判断循环伏安法中电压的扫描过程包括阴极与阳极两个方向，因此从所得的循环伏安法图的氧化波和还原波的峰高和对称性中可判断电活性物质在电极表面反应的可逆程度。若反应是可逆的，则曲线上下对称，若反应不可逆，则曲线上下不对称。
(2)电极反应机理的判断循环伏安法还可研究电极吸附现象、电化学反应产物、电化学—化学耦联反应等,对于有机物、金属有机化合物及生物物质的氧化还原机理研究很有用。
(3)循环伏安法除了作为定量分析方法外，更主要的是作为电化学研究的方法，可用于研究点击反应的性质、机理及电极过程动力学参数等。
1.3 差分脉冲伏安法
1.3.1 基本原理
在汞滴生长到一定面积时在直流电压上面叠加一小振幅(10～100mV)的脉冲方波电压并在方波后期测量脉冲电压所产生的电流。依脉冲方波电压施加方式不同 ，脉冲极谱法分为示差脉冲极谱和常规脉冲极谱。前者是直流线性扫描电压上叠加一个等幅方波脉冲，得到的极谱波呈峰形，后者施加的方波脉冲幅度是随时间线性增加的，得到的每个脉冲的电流-电压曲线与直流极谱的电流-电压曲线相似。 1.3.2 特点
（1）灵敏度高，在充分衰减充电电流Ic和毛细管噪声电流In的基础上放大法拉第电流，使检测下限可以达到10-8～10-9mol/L。
（2）分辨率好，抗干扰能力强。可分辨E1/2或Ep相差25mV的相邻两极谱波，前还原物质的量比被测物质的量高5×104倍也不干扰测定。
（3）由于脉冲持续时间较长，使用较低浓度的支持电解质时仍可使Ic和In充分衰减 ，从而可降低空白值。
（4）脉冲持续时间长，电极反应速度缓慢的不可逆反应，如许多有机化合物的电极反应，也可达到相当高的灵敏度，检测下限可以达到10-8mol/L。
1.4 选题意义
随着经济发展和人们生活水平的提高，如今人们对食品的要求不仅仅局限于内在品质，同时对食品外观品质的要求也越来越高，而食品的色泽在食品外观品质中又占有相当重要的地位，因此，对食品着色剂的研究已成为热点。食用色素包括合成色素和天然色素。天然色素具有以下优点：①安全性高；②有些对疾病具有防治作用，具有保健功能；③含有人体必需的营养物质，兼有功能的效果；④色调比较自然，能更好地模仿天然色泽。因此，人们对从动植物以及微生物材料中提取安全性高的天然色素作为食品着色剂备受关注和重视。天然色素种类繁多，可以广泛地应用于饮料、糖果、糕点、酒类等食品的着色，同时也可用于一些药品的着色，尤其是儿童药品；还可以应用于化妆品行业。目前，国际上对食用色素的研制与开发，总的趋势也是把注意力集中在食用天然色素上。甜菜红色素是世界上广泛使用的
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一种食用天然色素[17-18]，存在于苋科、藜科、紫茉莉科、仙人掌科以及商陆科等多种植物中。多从藜科红甜菜(Beta Vulgaris L．Var．rubra)的块根中提取。早在1938年，Geo就从甜菜的根中制备出甜菜红色素，经过几十年的不懈努力，终于使该产品在国外商品化。美国从1960年开始允许使用红甜菜浓缩液和脱水甜菜粉作为食用色素，联合国FAO/WHO食品添加剂联合专家委员会在1976年订出了甜菜红色素的标准，13本也做了相应的规定。目前，欧美及日本均在深入研究甜菜红色素及其应用。甜菜红色素着色能力强、无毒、安全，广泛地应用于饮料、冰淇淋、酒、糖果、糕点裱花、罐头等产品的加工；并且有改善肝功能，促进消化吸收的作用，是取代合成红色素的理想天然红色素之一。
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第二章 甜菜红在玻碳电极上的电化学行为研究
2.1 实验仪器
微机电化学分析系统（CHI600，上海辰华仪器有限公司），超纯化系统（BRAIT-DOC-Motice-36T，宝尔纯水设备），电子天平（FA2204B，北京赛多利斯仪器系列有限公司），PHS-3C数字酸度计（杭州东星仪器设备厂），参比电极（饱和甘汞电极），对电极（铂电极），工作电极（玻碳电极），精密移液枪以及实验室其它常用仪器设备。
2.2 实验试剂
甜菜红粉末，磷酸二氢钾（含量不少于99.5%，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司），磷酸氢二钠（含量不少于99.0%，分析纯，天津市申泰化学试剂有限公司），二次水。
2.3 实验步骤
2.3.1 溶液的配制
（1）PBS[19]缓冲溶液的配制：用电子天平准确称取6.8045g的KH2PO4固体，用二次水溶解后定容至500mL的容量瓶中，再用电子天平准确称取13.4035g的Na2HPO4·7H2O固体，也用二次水溶解后定容至另一500mL的容量瓶中，分别配制成0.1mol/L的母液，再根据表1.1中的比例关系配成pH为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0的PBS缓冲溶液。
表1.1 不同pH的Na2HPO4·7H2O和KH2PO4的比例关系
pH 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
（2）甜菜红溶液的配制：用电子天平准确称取0.5012g的甜菜红粉末，直接用PBS缓
冲溶液溶解，配制成不同pH值的甜菜红待测液。 2.3.2 实验步骤
（1）电极的预处理：依次用金相砂纸、Al2O3(0.05μm)悬浊液将玻碳电极抛光成镜面，然后分别用乙醇、蒸馏水超声洗涤5min，再用二次水淋洗干净。最后在0.1 mol/L的K3Fe(CN)6 溶液中，从0V?0.6V，扫描速度为100 mV/s，进行循环伏安扫描得到表面干净的玻碳电极。
（2）分别在5个称量瓶中加入一定量的用PBS缓冲溶液溶解配制成pH值不同的甜菜红待测物，摇匀，分别用0.1～0.7 V的差分脉冲伏安法进行扫描。图2.1为pH=7.0时甜菜红溶液的差分脉冲曲线。
0.1mol/L Na2HPO4·7H2O (mL)
12.2 31.8 61.1 84.1 94.7
0.1mol/L KH2PO4 (mL)
87.8 68.2 38.9 15.9 5.3
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0.0-5.0x10-1.0x10-7 Current/A-6Current / A-1.5x10-2.0x10-2.5x10-3.0x10-3.5x10-6-6-6-6-60.00.10.20.30.40.50.60.70.8Potential / V
图2.1 甜菜红溶液的差分脉冲曲线
2.3.3 实验结果与讨论
-62.0x10 Current/A0.0Current / A-2.0x10-6-4.0x10-6-6.0x10-6-8.0x10-6-0.20.00.20.40.60.81.0Potential / V
图2.2 甜菜红在玻碳电极上的循环伏安曲线
用处理好的玻碳电极在-0.2?1.0V的电位窗口上，扫描速度为0.1V/s的条件下，对甜菜红待测物进行循环伏安扫描，扫描曲线如图2.2所示，从图中可以看到甜菜红出现了一个氧化峰，且峰型较好，这说明甜菜红在玻碳电极上具有一定的点化学信号，可以用电化学方法进行测定。
（1）支持电解质的选择
在相同实验条件下，考察了甜菜红在相同pH值的BR、PBS、醋酸-醋酸钠缓冲液中的电化学氧化行为。实验结果表明，甜菜红在PBS缓冲液中的峰形较好，峰电流亦较高，因此选择PBS缓冲溶液作为测定介质。 （2）pH的影响
考察了甜菜红在不同pH的PBS缓冲溶液中的峰电位。图2.3是甜菜红在pH为6.0、6.5、7.0、7.5时脉冲伏安叠加图。实验结果表明，在pH为6.0-8.0范围内，甜菜红的峰电流先增大后减小，其氧化峰电流在pH=7.0时达到最大值，因此选择pH=7.0的PBS缓冲液作为测定甜菜红的支持电解质；此外，亦发现甜菜红的峰电位均随pH的增大而负移，二者呈良好的线性关系，如图2.4所示，线性回归方程为 ：Ep =0.722-0.072 pH ( R= -0.98788)，说明该电极反应过程有H+参与[20]。由线性曲线可计算出这个电极反应转移了3个质子。
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pH=7.5 pH=7.0 pH=6.5 pH=6.00.320.300.28-6Ep=0.722 -0.072 pHR=-0.98788Current / A-1.5x10-2.0x10-2.5x10-3.0x10-3.5x10-4.0x10-60.260.24-6Ep / V-60.220.20-60.180.160.14-6-60.00.10.20.30.40.50.60.70.86.06.57.07.58.0Potential / VpH
图2.3 甜菜红在波碳电极上的脉冲伏安曲线 图2.4甜菜红的峰电位与pH的线性关系曲线 （3）实验机理
为了进一步研究玻碳电极上甜菜红的电化学机理，本文研究了峰电流与扫速的关系。在-0.2～1.0V的电位窗口内，以pH=7.0的PBS的缓冲溶液为支持电解质，扫描速度在0.1～0.4 V/s 范围内，对甜菜红进行了循环伏安扫描，如图2.5所示。实验结果表明，在玻碳电极上甜菜红的峰电流随扫描速度的增加而减少，且氧化峰电位Ep随着扫描速度v的增加发生正移，说明整个电极有表面过程参与。当扫描速度由0.1V/s 增加到0.4V/s 时，氧化峰电位(Ep)与lnv呈较好的线性关系(如图2.6所示) ，说明这个电极反应是吸附控制。线性回归方程：Ep=0.10277 - 0.11545 lnv (R=-0.98022)。从线性关系曲线可计算出电极反应0。
0.10V/s 0.11V/s 0.12V/s 0.13V/s 0.14V/s 0.15V/s 0.16V/s 0.20V/s 0.30V/s 0.40V/s6.0x104.0x102.0x10-6-6-60.0Current / A-2.0x10-4.0x10-6.0x10-8.0x10-1.0x10-1.2x10-1.4x10-1.6x10-6-6-6-6-5-5-5-5-0.20.00.20.40.60.81.0Potential / V
图2.5 甜菜红在玻碳电极上的循环伏安曲线
0.37Ep=0.10277 - 0.11545lnvR=0.980220.360.35Ep / V0.340.330.320.31-2.3-2.2-2.1-2.0-1.9-1.8lnv
图2.6 甜菜红的峰电位Ep与lnv的线性关系曲线
（3）工作曲线0000000.00.00.0.00.000.
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