基于还原氧化石墨烯-钯复合材料的双酚A分子印迹电化学传感器的研究

朱培杰，刘艳清，姚 夙，马国坚，汪洪武

(肇庆学院 食品与制药工程学院，广东 肇庆 526061)

双酚A(BPA)，化学名为二酚基丙烷，是丙酮和苯酚的衍生物，可用于生产环氧树脂、聚苯醚树脂、聚碳酸酯等高分子有机材料[1-3]，已广泛用于饮水杯、牙齿填充物、眼镜片、奶瓶所用的密封胶[4]。由于双酚A具有内分泌干扰性和致癌性[5]，欧美等多个国家和地区出台了关于食品包装材料、食品添加剂、器皿及容器中严禁使用双酚 A 的法规[6]。目前，双酚A的检测方法主要有液相色谱法(LC)[7]、液相色谱-质谱联用法(LC-MS)[8]、气相色谱-质谱联用法(GC-MS)[9]、光谱分析法[10]和酶联免疫分析法(ELISA)[11]等，这些方法对环境中双酚A的测定灵敏度和准确度较高，但样品前处理较繁琐，因此建立一种简单快速检测痕量双酚A的方法具有十分重要的意义。

石墨烯材料中有可以自由移动的电子，因此具有优异的导电性能。此外，石墨烯的光学性能、比表面积、吸附性能、磁学性能等理化性质优良。近年来，基于石墨烯复合材料的电化学传感器得到了广泛应用。Zheng等[12]合成了铂/石墨烯-碳纳米管复合材料(Pt/Gr-CNTs)，并制备了相应的双酚A电化学传感器，其对BPA的检出限为42 nmol/L。Niu等[13]使用石墨烯/金复合材料(AuNPs/SGNF)修饰玻碳电极，实现了对BPA的伏安法检测，检出限达 35 nmol/L。Zhang等[14]构建了基于磁性纳米颗粒/还原氧化石墨烯(MNPs-rGO/GCE)的BPA电化学传感器，检出限达17 nmol/L。但有些环境样品中的BPA含量非常低(小于17 nmol/L),上述电化学传感器不能满足其测定要求。

钯(Pd)属于过渡金属，是一种铂系元素，常被用作催化剂和储氢材料。此外，Pd还具有良好的电化学性能，可用于制备导电性能较好的高分子材料，已被广泛应用于电化学领域[15]。还原氧化石墨烯掺杂Pd(rGO@Pd)作为一种新型的高分子材料，具有良好的导电性能，但目前关于rGO@Pd的双酚A分子印迹电化学传感器国内外鲜有报道。本文利用rGO@Pd修饰的玻碳电极作为工作电极，制备了双酚A分子印迹电化学传感器，并使用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱等对传感器表面进行分析；利用循环伏安法(CV)、差分脉冲伏安法(DPV)和电化学交流阻抗法对该传感器的电化学性能进行了考察。最后，将该分子印迹电化学传感器应用于实际样品中双酚A的测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI600E电化学工作站(上海辰华有限公司)；三电极体系：玻碳电极(Φ3 mm)为工作电极、甘汞电极为参比电极、铂丝电极为辅助电极；pH计(上海雷磁pHS-3)；AUY120分析天平(日本岛津公司)；5～25 μL移液枪(上海求精生化试剂仪器有限公司)；100～1 000 μL移液枪(Biohit公司)。

双酚A(色谱纯，阿拉丁试剂有限公司)；吡咯(Py，分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；rGO@Pd(南京先丰纳米材料科技有限公司)；乙腈(分析纯，西陇化工股份有限公司)；N,N-二甲基甲酰胺(分析纯，天津大茂化学试剂厂)；高氯酸锂、氢氧化钠、氯化钾(分析纯，阿拉丁试剂有限公司)；无水乙醇、硫酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠(分析纯，广州化学试剂厂)；铁氰化钾(分析纯，天津市广成化学试剂有限公司)；其余试剂均为分析纯，实验用水为蒸馏水。

1.2 实验过程

1.2.1电极的预处理用0.05 μm的氧化铝粉对玻碳电极进行抛光，然后依次用2.0 mol/L硫酸、水、无水乙醇冲洗，待玻碳电极在5.0 mmol/L铁氰化钾溶液中循环伏安扫描稳定，取出，用水冲洗干净，晾干待用。

图1 双酚A分子印迹电极的制备过程Fig.1 Schematic representation of the preparation process of molecularly imprinted electrochemical sensor for BPA determination

1.2.2rGO@Pd修饰电极的制备称取5.0 mg rGO@Pd，置于2.0 mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，超声分散15 min后，取4.0 μL滴涂于玻碳电极表面，在红外灯下烘干，即得rGO@Pd/GCE修饰电极。

1.2.3双酚A分子印迹电极的制备制备过程如图1所示，以双酚A为模板分子，Py为聚合单体，LiClO4缓冲液为支持电解质，用循环伏安法在rGO@Pd修饰电极上制备BPA分子印迹膜。聚合液含1.0 mmol/L BPA、 4.0 mmol/L Py和0.1 mol/L LiClO4。将电极置于聚合溶液中，在-0.2～0.8 V电位范围内，以 100 mV/s循环伏安扫描15圈。取出电极，于pH 10.0的磷酸盐缓冲溶液中进行聚吡咯的过氧化处理。将电极置于2.0 mol/L H2SO4溶液中洗脱1 h，除去模板，即得BPA分子印迹电化学传感器(MIP/rGO@Pd/GCE)。

按上述步骤不加模板分子(BPA)制备即得空白分子印迹电化学传感器(NIP/rGO@Pd/GCE)。

1.3 检测方法

利用循环伏安法和差分脉冲伏安法对双酚A分子印迹电极进行考察，电流变化反映了双酚A浓度的变化。在5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.1 mol/L KCl 的混合溶液中进行检测，采用三电极体系。循环伏安法的电位区间为-0.2～0.6 V，扫描速度为100 mV/s；差分脉冲伏安法的电位区间为0～0.5 V，脉冲宽度50 ms，幅度50 mV。

2 结果与讨论

2.1 分子印迹聚合膜的表征

2.1.1循环伏安法表征利用电聚合的方法制备电化学分子印迹传感器。以吡咯为功能单体的电聚合过程中，在0.6～0.8 V电位区间内，循环伏安电流随着电位增大而增强。而自0.8 V回扫，未出现还原电流峰，说明聚合生成的物质难以被还原。若聚合电位过大，聚合物将直接被过氧化，形成一层黑色的聚合膜，导致模板分子被包埋，电极灵敏度下降。将得到的聚合膜在pH 10.0的磷酸盐缓冲溶液中进行过氧化处理，模板分子出现松动，易于洗脱[16]。

图2 不同电极的CV曲线Fig.2 CV curves of different electrodesa：bare electrode；b：rGO modified electrode；c：rGO@Pd modified electrode；MIP/rGO@Pd/GCE before(d) and after(e) elution；f：MIP/rGO@Pd/GCE after BPA adsorption

电极过氧化后，需进行洗脱和吸附实验，利用循环伏安法表征不同电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的电化学行为，从而探究MIP/rGO@Pd/GCE的导电性能以及对BPA分子的识别性能。如图2所示，裸电极(曲线a)的电信号放大效果比rGO修饰玻碳电极(曲线b)差，rGO@Pd修饰电极(曲线c)的响应效果比rGO修饰电极(曲线b)好，说明rGO@Pd修饰玻碳电极具有较好的放大电化学信号的效果；曲线d是电聚合后形成的MIP/rGO@Pd/GCE的循环伏安曲线，平稳的电流曲线说明修饰电极表面已被聚过氧化吡咯膜覆盖，阻碍了电子的交流，因此电流几乎为零；模板分子被洗脱之后，留下印迹分子三维“空穴”，有利于电子通过，产生较强的电化学电流(曲线e)。在5 nmol/L BPA标准溶液中吸附30 min后，模板分子被吸附到三维“空穴”里，阻碍电子流通，峰电流有所下降(曲线f)。表明电极表面已成功制备出对BPA具有选择性的分子印迹聚合膜。

2.1.2分子印迹传感器的差分脉冲表征不同电极在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的DPV曲线如图3所示,rGO@Pd修饰玻碳电极(曲线c)的电信号灵敏度高于裸电极(曲线a)和rGO修饰电极(曲线b)。曲线d是MIP/rGO@Pd/GCE吸附前的DPV曲线，此时模板分子未被吸附到“三维”空穴，响应电流较洗脱前增大；该分子印迹膜电极在BPA标准溶液中吸附30 min后的电流减小(曲线e)，证明该电极对模板分子BPA具有很强的吸附能力。曲线f和g分别为MIP和NIP电极洗脱前的DPV曲线，由于修饰电极表面被MIP聚合膜和NIP聚合膜覆盖，阻碍了电极表面和溶液之间的电子交流，因而电极响应很微弱。DPV表征结果表明BPA分子印迹电化学传感器已被成功制备。

图4 不同电极的阻抗谱Fig.4 Electrochemical impedance spectra of different electrodesa：bare electrode；b：rGO modified electrode；c：rGO@Pd modified electrode；MIP/rGO@Pd/GCE before(d) and after(e) elution；f：MIP/rGO@Pd/GCE after BPA adsorption

2.1.3分子印迹传感器的阻抗谱(EIS)表征交流阻抗法可以比较不同电极的电子传递速率[17]，电子传递阻抗Rct可用高频区半圆的直径表示。图4显示了不同电极在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的阻抗谱。洗脱前的MIP/rGO@Pd/GCE(曲线d)的Rct远大于裸电极(曲线a)和rGO@Pd修饰电极(曲线c)，说明分子印迹膜阻碍了电子传递，导致电极间电阻增大。洗脱模板分子后的阻抗(曲线e)减小，小于裸电极，说明分子印迹膜洗脱后留下空穴，形成利于电子传递的通道。分子印迹电极在BPA标准溶液中吸附30 min后(曲线f)，其电子传递阻抗Rct增大，说明印迹膜上的部分空穴被模板分子填充，阻碍了电子传递。

图5 rGO(a)和rGO@Pd(b)的红外谱图Fig.5 FT-IR spectra of rGO(a) and rGO@Pd(b)

2.2 rGO@Pd的红外分析

红外光谱基于化合物分子能选择性吸收某些波长的红外线，从而用于分析化合物官能团的变化[18-19]。羟基(—OH)的红外吸收波长位于～3 500 cm-1处，rGO(曲线a)在3 500 cm-1左右有1个较强的吸收峰(如图5所示)，说明rGO中含有一定数量的羟基(—OH)。Pd与rGO上的羟基以配位形式结合后,羟基含量变少，导致rGO@Pd(曲线b)在3 500 cm-1左右的吸收峰强度变弱。红外表征结果也证明了本文所使用的rGO@Pd材料的纯度符合实验要求，可用于电化学传感器的制备。

2.3 分子印迹聚合膜的形貌分析

本文通过电聚合的方法将分子印迹膜聚合到修饰电极表面，使其在电极表面形成聚合膜。对双酚A分子印迹膜洗脱前后进行电镜扫描，结果显示，洗脱前分子印迹膜在电极表面排列整齐、均匀(图6A)；当双酚A分子印迹膜在2.0 mol/L H2SO4溶液中洗脱2 h后，模板分子被洗脱，膜表面留下许多三维“空穴”(图6B)。

2.4 实验条件的优化

2.4.1rGO@Pd用量的确定用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)考察了rGO@Pd不同用量(0、2.0、4.0、8.0 μL)修饰电极的电流变化，结果发现，当rGO@Pd用量为4.0 μL时，rGO@Pd修饰电极的CV和DPV电流响应均较高，因此rGO@Pd最佳用量为4.0 μL。

2.4.2模板分子与功能单体比例的确定模板分子(双酚A)与功能单体(吡咯)的摩尔比直接影响电极的性能。实验对模板分子与功能单体的比例进行了优化，结果表明，随着单体与模板摩尔比的增加，响应电流呈先升高后下降的趋势。当单体与模板比例为4∶1时，洗脱后的响应电流最大。单体用量较少时，聚合膜上的有效识别位点因交联程度不足而减少，响应电流减小;单体与模板的摩尔比过大时，模板分子用量减少，导致聚合膜洗脱后留下的BPA“空穴”较少，因而电化学电流减小。综上所述，单体与模板分子最佳比例为4∶1。

2.4.3扫描圈数扫描圈数会影响聚合膜的厚度，从而影响其电流强度。通过扫描不同圈数制备不同厚度的聚合膜，在2.0 mol/L H2SO4溶液中洗脱2 h，对其洗脱效果进行比较。结果显示：聚合10圈所得的聚合膜较薄，洗脱时易脱落；聚合30圈时，模板分子易被聚合膜包埋，洗脱困难。当聚合15圈时，所得聚合膜的厚度适宜，且响应电流最大，因此实验选择扫描15圈。

2.4.4富集时间洗脱后的MIP/rGO@Pd/GCE会留下特异性识别BPA分子的三维“空穴”。实验对富集时间进行了优化，发现随着富集时间的增加，BPA分子逐渐占据这些“空穴”，响应电流逐渐降低。当MIP/rGO@Pd/GCE在5 nmol/L BPA标准溶液中吸附30 min时，响应电流基本不变，表明此时印迹膜对模板分子的吸附达到饱和。因此，实验选取30 min为最佳富集时间。

2.5 线性范围与检出限

在优化条件下，配制了一系列浓度的 BPA标准溶液，分别测定其在分子印迹聚合膜上的DPV曲线。结果表明BPA在1.0～10.0 nmol/L浓度范围内与电流变化值呈良好的线性关系，线性方程为ΔI=1 497.7c+8.551 7(r=0.997 7),检出限(S/N=3)为0.1 nmol/L。

2.6 分子印迹膜的重现性与稳定性

在相同实验条件下，平行制备6支MIP/rGO@Pd/GCE，分别对5 nmol/L BPA溶液进行测定，相对标准偏差(RSD)为3.1%。使用同一支修饰电极对5 nmol/L BPA溶液平行测定6次，RSD为2.1%，表明此传感器具有良好的重现性。将该传感器置于-4 ℃的冰箱中保存，对其进行电化学监测4 d。4 d后的电流响应值为初始值的91.9%，表明该电极具有良好的稳定性。

2.7 选择性研究

选择性是体现MIP电极特异性和抗干扰能力的重要性能。本实验以5 nmol/L的BPA溶液为研究对象，分别添加KCl、NaH2PO4、苯酚、1,3-苯二酚等干扰物(无机盐浓度均为5 mmol/L，BPA类似物浓度均为5 nmol/L)，考察不同干扰物对BPA响应电流的影响。结果表明，上述无机盐离子和1,3-苯二酚对BPA响应电流的干扰较小(相对误差小于6%)。苯酚对MIP电极的干扰较大，相对误差为14.7%，对BPA含量测定有一定影响。由于苯酚和BPA的物理化学性质存在一定差异，因此可以通过凝胶色谱、制备液相色谱或蒸馏法等除去样品中的苯酚。

2.8 与其他电化学传感器的比较

将本方法与其他传感器方法进行比较，结果见表1。本传感器具有较低的检出限(0.1 nmol/L)，说明MIP/rGO@Pd/GCE具有很好的放大电信号的效果，能够准确灵敏地测定双酚A的含量。

表1 不同电化学传感器测定双酚A的对比Table 1 Comparison of different electrochemical sensors for BPA determination

2.9 实际样品的检测

取不含BPA的空白自来水样(肇庆市自来水公司生产)，用稀盐酸和氢氧化钠溶液调节至中性，进行加标回收实验，加标水平为1.0、5.0、10.0 nmol/L，每个浓度平行测定3次。结果表明，空白水样的加标回收率为92.1%～108.0%，可见，双酚A分子印迹电化学传感器可用于实际样品中双酚A含量的测定。

3 结 论

本文制备了rGO@Pd修饰电极，并以此为工作电极制备BPA分子印迹传感器用于实际样品中BPA含量的检测。该电极表现出良好的选择性、重现性、稳定性和电化学性能。在1.0～10.0 nmol/L浓度范围内，MIP/rGO@Pd/GCE对双酚A表现出良好的线性响应，该方法比文献方法具有更低的检出限。MIP/rGO@Pd/GCE已成功应用于实际水样中双酚A的检测，其在电化学领域的应用有待于进一步研究。