碳纳米纤维修饰碳糊电极用于双酚A的电化学检测

2016-10-15孙金影吕思敏

分析科学学报 2016年2期

孙金影，吕思敏，崔燎，吴铁

(广东医学院药学院，广东东莞523808)

双酚A(Bisphenol A，BPA)是工业上经常使用的有机物，其在塑料行业可作为单体用于生产环氧树脂和聚碳酸酯等，并广泛用于制造婴幼儿奶瓶、饮料容器以及食品包装等[1 - 3]。BPA为脂溶性化合物，随着容器使用时间的延长或者接触油脂多的食品或热水时，BPA从容器中的溶出速度将大大提高[4]。由于BPA能够扰乱内分泌，模仿雌激素的作用从而扰乱雌激素与雌激素受体的结合，导致癌症发生的风险增加并降低免疫功能。近年来，世界各国都颁布了相应的法律法规以限制BPA相关产品的使用，特别是禁止婴幼儿使用的奶瓶中含有BPA成分[5 - 8]。因此，发展简单、快速、灵敏和可靠的BPA分析方法对于环境安全和人类健康具有重要意义。

以往的研究中对于BPA的分析多采用色谱方法，如高效液相色谱-荧光检测法[9,10]等。电化学分析方法对于电活性物质的检测具有灵敏度高、选择性好和操作简单等优点[11,12]。化学修饰电极相对于裸电极而言灵敏度更高、选择性更好，在电化学分析中得到了广泛应用[13 - 15]。磁性纳米粒子、半导体量子点、介孔硅、金纳米粒子以及碳纳米管和石墨烯等材料构建的修饰电极均已用于BPA的电化学传感分析[16 - 20]。碳纳米纤维(Carbon Nanofibers，CNFs)材料具有优良的导电性、大的比表面积和良好的化学稳定性，因此在吸附、电池材料、催化剂载体以及化学/生物传感器等方面均具有良好的应用潜力[21,22]，但基于CNFs修饰电极用于检测BPA的文献尚未见报道。

本研究将CNFs修饰到碳糊电极(CPE)表面，用于BPA的电化学检测，所制备的CNFs/CPE对于BPA显示了较高的检测灵敏度和较好的选择性，对于水样中BPA的检测具有良好的准确度。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

静电纺丝设备由实验室组装而成，主要包括高压电源、自动进样装置以及滚筒收集器。聚合物纤维的稳定(即预氧化)和碳化在管式炉中进行。电化学实验中采用传统三电极体系：以CNFs/CPE或CPE为工作电极，Ag/AgCl电极(武汉高仕睿联科技有限公司)为参比电极，铂棒(Pt)(武汉高仕睿联科技有限公司)为对电极。电化学交流阻抗实验在Autolab PGSTAT 302N(瑞士万通(中国)有限公司)上完成，其余电化学测试在CHI832C(上海辰华仪器有限公司)电化学工作站上完成。

聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，PAN)购自Sigma-Aldrich；BPA(>99.8%)、对乙酰氨基酚(Acetamidophenol，ATP)(>99.5%)和对硝基苯酚(p-Nitrophenol，PNP)(>99.5%)，均购自上海精纯生化科技股份有限公司。以无水乙醇为溶剂配制浓度为100 mmol/L的BPA、ATP和PNP储备液，冰箱中4 ℃保存，使用时以缓冲溶液稀释至所需浓度。高纯石墨粉(>99.99%)购自Aldrich，石蜡油购自鼎国生物技术有限公司。K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、二甲基甲酰胺(DMF)(>99.5%)、HAc、H3BO3和H3PO4等试剂由北京化工厂提供。取适量的H3BO3、H3PO4和HAc混合溶于水中，配制成B-R缓冲溶液，以1.0 mol/L NaOH溶液调节pH值。实验用水为去离子水。

1.2 CNFs/CPE的制备

CNFs通过碳化电纺PAN纳米纤维的方式制得。以DMF作为溶剂，将一定量的PAN在温度60 ℃下完全溶解制备得到10wt% PAN电纺溶液。电纺采用纺丝喷头与接收板距离为14 cm，施加电压为18 kV,使用微量进样器控制电纺液喷出速度为1 mL/h。PAN纳米纤维的稳定及碳化均在氮气气氛下的高温炉中进行。所制备的CNFs膜，先用镊子撕碎，然后加入无水乙醇，在超声波清洗机中超声数小时，直至得到均匀的黑色悬浮液，浓度为1 mg/mL。CPE的制备参考文献方法[23]，将石墨粉与石蜡油以7∶3质量比均匀混合，并压入直径1.2 mm的移液枪枪头中，同时在碳糊中插入一根铜丝用于导电，上端用封口膜固定，制备好的CPE先在称量纸上打磨，然后用去离子水冲洗。将4 μL CNFs溶液滴涂在CPE表面，室温干燥后，用去离子水冲洗干净，备用。

1.3 实验方法

CNFs/CPE复合电极的预处理方法如下：在B-R缓冲溶液中于+1.5 V下氧化1 min后，在-1.0 V下还原1 min，之后在-1.0～+1.5 V之间以0.1 V/s的扫速，循环扫描10圈，然后在0～+1.2 V之间以50 mV/s的扫速扫描，直至得到稳定的背景电流曲线。对电极的循环伏安法(CV)和交流阻抗(EIS)表征均在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](含0.1 mol/L KCl支持电解质)的探针溶液中进行。其中CV的电位范围为-0.2～+0.8 V，EIS频率范围为0.01～105Hz，其余电化学实验使用B-R缓冲溶液，电极的预处理在下一次电化学测试前、后进行。

2 结果与讨论

2.1 CNFs/CPE的电化学表征

CNFs直径约200～500 nm，表面粗糙，有利于增大电活性面积和分析物在电极表面进行电化学反应。CNFs/CPE的电化学性质通过CV和EIS来表征。从图1(A)可以看出，K3[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6]氧化还原电对的氧化峰电流在CNFs/CPE上有了很大改善。在CPE上氧化峰电流为3.21 μA，而在CNFs/CPE上增大为10.06 μA，按照峰电流与电活性面积之间的公式：Ip=2.69×105AD1/2n3/2v1/2c，可以计算各电极的电活性面积。其中,D为扩散系数(6.7×10-6cm2/s)，c为探针分子的溶液浓度(5.0×10-6mol/cm3)，n为电子传递数目(n=1),v为扫速(0.05 V/s)。根据公式可得CPE的电活性面积仅为0.00413 cm2，而CNFs/CPE的电活性面积为0.01304 cm2。可见，CNFs的修饰能有效增大电极的电活性面积，提高检测灵敏度。

采用EIS法研究了氧化还原探针在CPE和CNFs/CPE上的电子转移动力学特性，如图1(B)所示。在CPE上，氧化还原探针分子具有较大的电子转移电阻，而在CNFs/CPE上电子转移电阻降低，修饰后电极的电子转移速率得到显著提高。

2.2 BPA在CNFs/CPE上的电化学行为

研究了BPA在CPE和CNFs/CPE上的电化学行为，见图2。BPA在CPE上的氧化峰电位为0.627 V，在CNFs/CPE上的氧化峰电位为0.688 V，修饰后BPA过电位没有明显降低。但从图中可以看出，BPA在CNFs/CPE上峰形更尖锐，且峰电流有了较大提高，为CPE上的2.25倍。另外，与其他种类的电极相比，CNFs/CPE具有较小的背景电流，有利于灵敏度的提高。

2.3 pH的影响

考察了CNFs/CPE在不同pH值缓冲溶液条件下对100 μmol/L BPA电化学行为的影响，考察的pH范围为5.01～8.20。BPA的峰电流和氧化峰电位随缓冲溶液pH值的改变而发生变化，见图3(A)。如图3(B)所示，在pH=5.0～6.5之间，随着pH值的增大，BPA的峰电流也跟着增大，而在pH=6.5～8.2之间，随着pH值的继续增大，BPA的峰电流反而降低。BPA获得最大响应的pH值低于BPA的pKa值(9.73)[24]，说明离子化的BPA比非离子化的BPA更容易吸附在CNFs/CPE表面。对于BPA的氧化峰电位而言，在pH=5.0～8.2之间，随着pH值的增大，峰电位负移，且氧化峰电位与缓冲溶液pH值呈正比，线性关系为：Epa(V)=1.0345-0.0487pH(r2=0.9602)。斜率为48.7 mV/pH，说明BPA在CNFs/CPE上进行的是等电子等质子反应[15]。

2.4 线性范围和检测限

微分脉冲伏安法(DPV)具有更高的灵敏度和更低的检测限，图4(A)为不同浓度的BPA在CNFs/CPE上的DPV曲线。由图可以看到，随着BPA浓度的增大，氧化峰电流也随之增加。氧化峰电流与BPA的浓度在0.8～50 μmol/L之间呈线性关系，其中BPA的浓度在0.8～10 μmol/L之间的线性方程为：Ip(nA)=14.0466c(μmol/L)+9.5336(R=0.99254)，在10～50 μmol/L之间的线性方程则为:Ip(nA)=4.584c(μmol/L)+113.34(R=0.98869)，检测限(S/N=3)为0.1 μmol/L。

将CNFs/CPE对BPA的分析性能与其他修饰电极进行了对比，如表1所示。根据美国环境保护局的BPA暴露参考剂量推断出体液中BPA的最高浓度为4 μmol/L，高于本实验得到的检测限0.1 μmol/L，因此本方法具有实用价值。

表1 与其他电化学传感器的分析性能对比

2.5 重现性、稳定性和干扰研究

重现性、稳定性和选择性是电化学传感器的重要分析性能参数，因此我们对这些参数进行了考察。用同一支CNFs/CPE对10 μmol/L BPA连续3次测定的相对标准偏差(RSD)为5.93%，而平行制备6支CNFs/CPE对100 μmol/L BPA测定的RSD为8.0%，显示电极的制备和对BPA的测定具有良好的重现性。电极在室温下放置一周后，对100 μmol/L BPA的响应是初始响应的95%，具有良好的稳定性。

图5为100 μmol/L的BPA与100 μmol/L ATP和PNP共存时的循环伏安(CV)和微分脉冲伏安(DPV)曲线。可以看出，BPA、ATP和PNP三种酚类物质在CNFs/CPE上具有更高的检测灵敏度和更好的分离度，说明在其余两种酚类共存的情况CNFs/CPE对于BPA的检测具有更好的选择性。

2.6 实际样品分析

为了检验制备的电化学传感器对实际样品中BPA的分析能力，通过标准加入法对不同水样中的双酚A进行了检测。从长春南湖公园中收集湖水样品，同时也采集自来水和矿泉水水样。将采集的水样先用B-R缓冲溶液稀释10倍，再加入已知浓度的BPA溶液，分别测定BPA加入前和每次加入后的DPV响应，每个样品重复测定3次，计算BPA的回收率。如表2所示。从表2中数据可见CNFs/CPE对于实际水样中的BPA回收率介于89.8%～95.4%，方法具有较高的准确度，能够用于实际样品中BPA的分析。