H2O2氧化CQDs抑制动力学荧光法测定双酚A*
2018-09-12唐姣荣余姝轶邱子情黄晓霞王益林
韦 娜，唐姣荣，余姝轶，邱子情，黄晓霞，王益林
(1.广西大学化学化工学院，广西 南宁 530004;2.广西生物炼制重点实验室，广西 南宁 530004;3.国家城市供水水质监测网南宁监测站，广西 南宁 530031 )
双酚A(Bisphenol A，BPA)是一种重要的化工原料，广泛应用于聚碳酸酯和环氧树脂等材料的合成.含有BPA的制品曾被广泛地用作食品包装材料和容器内壁涂料，但BPA可干扰人体内分泌系统，降低免疫功能，增加癌症发病率，属有毒有害的化学物质.因此，研究与发展BPA的测定方法具有重要意义.目前，测定BPA的方法主要有电化学法[1]、质谱法[2]、化学发光法[3]及荧光法[4]等.
碳量子点(CQDs)是一种新型荧光材料，与传统的半导体量子点相比，CQDs具有制备成本低、无毒性、生物相容性好等优势，在化学分析[5-6]和生物传感[7-8]等研究领域被广泛应用.制备CQDs的方法很多，但一般采用人工制备的含碳化合物为原料[9-11].近年来，一些利用天然生物质(如麦秆[12]和核桃壳[13]等)为原料，采用绿色概念制备CQDs的方法相继出现.笔者采用水热合成法，以柠檬皮为原料制备CQDs，基于BPA对H2O2氧化CQDs致其荧光猝灭具有抑制作用的现象，发展一种抑制动力学荧光法用以测定BPA的含量，并应用于实际样品测定，结果令人满意.
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
试剂：双酚A(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)；NH4Fe(SO4)2·12H2O(分析纯，广东光华科技股份有限公司)；质量分数为30%的H2O2(分析纯，广东光华科技股份有限公司)；HCl(分析纯，广东光华科技股份有限公司).
仪器：RF-5301荧光分光光度计(日本岛津)；DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；HH-S2数显恒温水浴锅(金坛市医疗仪器厂).
1.2 实验方法
1.2.1 CQDs的制备 以柠檬皮为原料，采用水热法制备CQDs.方法简述如下：将洗净并干燥过的柠檬皮粉碎，称取0.40 g，放入聚四氟乙烯内衬并加40 mL去离子水，盖好盖子，放回反应釜中；将拧紧后的反应釜放入烘箱，在200 ℃温度下反应6 h后自然冷却；收集反应后的溶液，经0.45 μm 的滤膜过滤后定容到250 mL备用.
1.2.2 BPA的测定 在系列10 mL比色管中依次加入3.0 mL CQDs，0.1 mL 1.0 g/L的Fe3+，0.1 mL 0.6% 的H2O2，0.5 mL 0.1 mol/L的HCl及不同体积200 mg/L的BPA并充分混匀，用去离子水定容到刻度后放入60 ℃恒温水浴中反应9 min.随后，取出比色管并用流水冷却至室温，在RF-5301型荧光分光光度计上测荧光强度(F).同样条件下做不加BPA试剂空白(F0)实验，计算荧光强度差，ΔF=F-F0.测定时激发波长选用356 nm，激发和发射狭缝都设置为5.0 nm.
2 结果与讨论
2.1 机理探讨
图1 CQDs在不同试剂中的荧光光谱Fig. 1 Fluorescence Spectra of CQDs in Presence of Different Reagents
CQDs是一种新型荧光纳米材料，在一定波长光的激发下可发射荧光.在Cu2+，Hg2+等金属离子及部分有机小分子溶液中，因发生电荷转移或能量转移，CQDs的荧光被猝灭[14-17].本研究表明，CQDs在Fe3+，H2O2和HCl的混合溶液中也能发生荧光猝灭，而BPA的存在能抑制其猝灭(图1).
Fe2+和H2O2的组合称为Fenton试剂，具有强氧化性，能氧化多种有机物，其实质是H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反应活性的羟基自由基·OH，·OH可与大多数有机物作用使其降解.研究[18]表明，Fe3+，Mn2+等同样可使H2O2分解产生·OH：
Fe3++H2O2→Fe2++HO2·+H+,
Fe2++H2O2+H+→Fe3++·OH+H2O.
·OH+CQDs→P1.
BPA属酚类化合物，能被强氧化剂氧化[4]：
·OH+BPA→P2.
在·OH和CQDs混合体系中加入BPA时，BPA，CQDs与·OH发生竞争反应，结果BPA被氧化，CQDs得到保护.所以，在图1中曲线3的荧光峰值比曲线2高.
2.2 测定条件的选择
图2 VHCl对ΔF的影响Fig. 2 Influence of VHCl on Value of ΔF
试剂用量及实验条件等因素会影响ΔF的大小，从而影响方法的分析性能.在BPA质量浓度为30 mg/L时，采用单因素实验优化测定条件.
图3 V Fe3+对ΔF的影响Fig. 3 Influence of V Fe3+ on Value of ΔF
酸度低时，Fe3+离子易水解；酸度高时，H+离子会与·OH反应：因此，实验首先考察了HCl用量对ΔF的影响.固定其他条件不变，改变0.1 mol/L HCl溶液的加入量(0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 mL)，按实验方法考察抑制与非抑制体系荧光强度的变化，以ΔF对VHCl作图，结果如图2所示.由图2可知，ΔF随HCl用量的增加先升后降，且VHCl在0.5～0.6 mL时，ΔF最大且稳定.因此，在后续实验中，0.1 mol/L HCl的用量均为0.5 mL.
按实验方法，在0.05～0.3 mL范围内改变1.0 g/L Fe3+离子溶液的加入量，考察Fe3+离子的用量对ΔF的影响，结果如图3所示.从图3可以看出，当VFe3+在0.1～0.2 mL范围内时，ΔF大且稳定.推测引起这一现象的原因：当Fe3+离子用量较少(小于0.1 mL)时，生成·OH自由基的量少且速度慢，CQDs，BPA与·OH发生竞争反应时，BPA氧化不完全；而用量多(大于0.2 mL)时，Fe3+离子本身也有氧化性，可能将CQDs和BPA同时氧化，2种情形都可能引起ΔF降低.
图4为在0.05～0.5 mL范围内，改变0.6% H2O2用量对ΔF的影响结果；图5为CQDs溶液用量对ΔF的影响结果.
图4 V H2O2对ΔF的影响Fig. 4 Influence of VH2O2 on Value of ΔF
图5 VCQDs对ΔF的影响Fig. 5 Influence of VCQDs on Value of ΔF
由图4可知，0.6% H2O2的用量在0.1～0.3 mL范围内时，ΔF大且稳定.本实验中，H2O2及Fe3+离子的作用是生成·OH自由基，与Fe3+离子一样，H2O2也有一定的氧化性.因此，H2O2用量对ΔF影响的原因与Fe3+离子类似.本实验选择1.0 g/L Fe3+及0.6% H2O2的加入量均为0.1 mL.随着CQDs用量的增多，抑制与非抑制体系的荧光强度值都增大.由图5可知，CQDs溶液的体积在2.5～3.0 mL范围时，ΔF最大且稳定.因此，实验选择CQDs溶液的加入量为3.0 mL.
室温下，抑制与非抑制体系的荧光几乎没有差别.因此，笔者在40～80 ℃的温度范围及6～18 min的时间范围内考察了温度及时间对ΔF的影响，结果分别如图6，7所示.
图6 反应温度对ΔF的影响Fig. 6 Influence of Reaction Temperature on Value of ΔF
图7 反应时间对ΔF的影响Fig. 7 Influence of Reaction Time on Value of ΔF
由图6，7可知，随着温度的升高及时间的延长，两体系的荧光强度值都呈下降趋势，当温度为60 ℃、反应时间为9 min时，ΔF最大.因此，实验选择在60 ℃的水浴中反应9 min后测定.
2.3 方法的分析性能
图8 ΔF与BPA质量浓度的关系Fig. 8 Relationship Between Value of ΔF and Concentration of BPA
在选定的实验条件下，按实验方法向比色管中加入不同体积的BPA，经定容、摇匀、水浴加热及冷却，然后测定相应的荧光强度.实验结果表明，当BPA质量浓度在4.0～60.0 mg/L范围内时，ΔF与BPA质量浓度呈良好的线性关系(图8)，回归方程为ΔF=2.768ρ+131.5 (ρ为BPA质量浓度，单位mg/L)，相关系数R2为0.997，方法检出限(3σ/k)为2.04 mg/L.对质量浓度为30 mg/L的BPA溶液连续测定5次，测定结果的相对标准偏差为1.6%，说明该方法的灵敏度和精密度较高，满足微量分析要求.
2.4 样品测试
按实验方法测定超市购物小票浸取液及本地自来水中BPA的含量.将收集到的购物小票剪成碎片后称取2.00 g，置于250 mL锥形瓶中，加入20 mL甲醇及80 mL去离子水，超声提取120 min后过滤，收集滤液并准确定容到100 mL.分别移取0.50 mL浸取液及自来水于10 mL比色管中，按实验方法测定，同时做2种不同质量浓度的加标回收实验，测定结果见表1.
表1 超市购物小票及自来水样品中双酚A的测定结果(n=3)
由表1可知，自来水样中未检出BPA，购物小票浸出液和自来水加标回收率在93%～108%范围内.由此可见，方法的准确度高，可应用于实际样品的分析测定.
3 结语
以柠檬皮为原料制备水溶性CQDs，基于类Fenton试剂(Fe3++H2O2)能氧化CQDs使其荧光猝灭，而双酚A对此反应有明显抑制效果的实验现象，发展了一种抑制动力学荧光法用以测定双酚A，并应用于实际样品的测定.本研究既拓展了CQDs的应用范围，又为双酚A的测定提供了一种新方法，其准确度和精密度能满足微量分析要求.
