Au-MWCNT 电化学传感器检测湖水中的对特辛基苯酚

陈锦阳，黄迪惠，叶瑞洪 , 陈 盛

(1.福建师范大学 生命科学学院，福建 福州 350119 2.福建技术师范学院 食品与生物工程学院，福建 福清 350300；3.福建技术师范学院 食品软塑包装技术福建省高校工程研究中心，福建 福清 350300)

对特辛基苯酚（p-（tert-octyl）phenol，POP），化学式为C14H22O.湖水中的POP 是环境雌激素[1]中的一种，根据报告显示，POP 可导致雌性早熟、精子数量锐减及质量下降等病症[2].POP 广泛用于生产生活中[3]，特别是在表面活性剂、制造油溶性酚醛树脂、抗氧化剂中，POP 作为抗氧化剂和表面活性剂应用于塑料包装材料和医疗用品等.POP 作为污染范围最广的一种烷基酚类物质，被联合国环境署列为27 种持久性有毒化学污染物之一.欧洲化学品管理局发布的公告已经将POP 列入高度关注物质的清单中[4].

目前，POP 的定量分析检测主要依靠气相色谱-质谱联用法[5]、液相色谱-质谱联用法[6]、高效液相色谱法[7]等，这些方法虽然灵敏性高，但是前期处理方法耗时且复杂，仪器操作需要专业的人员操作，受到了时间和空间的限制.而电化学方法[8]，特别是结合了纳米材料[9]以后，具有简单易行、灵敏度高、响应速度快、仪器低廉且便携等优点.近几年，在很多的电极修饰材料中，碳纳米管材料[10]以它独特的多孔优势备受关注.纳米金（AuNPs）是一种特殊的生物传感材料.金属类的纳米级材料都具有优良的电催化性能，可用于燃料电池、电化学传感器等领域[11].AuNPs 具有良好的选择性、灵敏性，能够积极促进电子的传递.AuNPs 比表面积大，导电性能好，能够有效地放大电化学传感器的信号.在多壁碳纳米管（MWCNT）的基础上加入AuNPs，是为了减少多壁碳纳米管发生团聚，保持相对的活性，增加电极与被测物的反应面积.事实上，使用多壁碳纳米管和金属纳米粒子两者的协同效应进行信号放大的电化学生物传感器已经有了一定的研究进展[12-14].本实验以AuNPs 和MWCNT 复合的材料对玻碳电极进行修饰而制备电化学传感器，首次用于测定湖水中的POP，以期能够提高检测POP 的灵敏度.

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂 MWCNT，南京先丰纳米科技有限公司；HAuCl4、POP 和四溴双酚A，阿拉丁试剂有限公司；氯化钾、铁氰化钾、无水乙醇、十二水磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）、二水合磷酸二氢钠（NaH2PO4·2H2O）、硫酸铵、柠檬酸钠、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等，国药集团化学试剂有限公司；试剂均是分析纯等级，实验用水均为超纯水.

1.1.2 仪器 电化学工作站(CHI660E)，上海辰华仪器有限公司；三电极系统，玻碳电极(GCE)为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极；精密pH 计（pHS-3C），上海虹益仪器仪表有限公司；电恒温鼓风干燥箱（GZX-GF101-3-BS-ll），上海跃进理疗机械有限公司；电子分析天平（BSA124S），北京赛多利斯科学仪器有限公司；超声波清洗器(KQ-250E)，昆山市超声仪器有限公司.

1.2 溶液的配置

1.2.1 铁氰化钾溶液的配制 用分析天平准确称取0.411 5 g 的铁氰化钾与1.860 0 g 的氯化钾之后将它们放入烧杯中，用蒸馏水溶解，等到完全溶解后，定容到250 mL 容量瓶中，获得包含0.1 mol/L KCl 的5 mmol/L K3Fe(CN)6溶液.

1.2.2 POP 母液与子液的配制 称取0.206 3 g 的POP，用无水乙醇超声溶解，待彻底溶解后，再用无水乙醇定容到100 mL 的容量瓶中.使用时逐级稀释浓度，用无水乙醇定容，完成1.0×10-3mol/L 的POP 母液的配置.接着，取0.5 mL 的1.0×10-3的POP 溶液置于50 mL 的容量瓶中，用磷酸盐缓冲溶液进行定容，获得1.0×10-5mol/L 的POP 子液.

1.2.3 磷酸盐缓冲溶液的配制 称取17.910 0 g 的磷酸氢二钠和7.802 5 g 的磷酸二氢钠，分别放置在2 个洁净的烧杯中，用蒸馏水进行超声溶解，再用蒸馏水定容到250 mL 的容量瓶中，获得2 瓶浓度为0.2 mol/L 的磷酸氢二钠溶液和磷酸二氢钠溶液.然后将2 种溶液混合一起调节pH 值：先将500 mL 的烧杯超声洗涤后干燥，然后在烧杯里将两种溶液混合，并使用pH 计调节成实验需要的pH 值.

1.3 修饰电极材料的制备

1.3.1 MWCNT 电极液的制备 实验前，将所有的玻璃器皿，用王水（HCl∶HNO3=3∶1）浸泡过夜；使用前，再次用蒸馏水冲洗干净，置于烘箱（110 ℃，约1 h）中，烘干待用.将MWCNT 在浓硝酸中90 ℃下回流3 h，冷却至室温后，将混合物过滤，并用超纯水洗涤至滤液pH 值为7.0，然后放置冷冻，贮存于真空干燥箱12 h 得到黑色粉末状的羧基化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）[15]，称取10 mg 加入10 mL N,N-二甲基甲酰胺分散成电极液.

1.3.2 AuNPs 电极液的制备 称取1 g 的HAuCl4，用蒸馏水定容到50 mL 的容量瓶中得到HAuCl4母液；然后，吸取1.7 mL 的HAuCl4母液，并定容至100 mL 的容量瓶中，获得1 mmol/L HAuCl4子液.将100 mL 的1 mmol/L HAuCl4在集热式恒温加热磁力搅拌器中回流，等温度达到120 ℃后开始计时，10 min 后，将10 mL 38.8 mmol/L 柠檬酸钠快速加入三口烧瓶中，再回流15 min 后，冷却至室温后，制成AuNPs 溶液[16]，并装瓶，置于4 ℃冰箱避光保存.

1.4 玻碳电极的预处理

将玻碳电极在湿润的绒布上依次用0.3、0.05 μm 的氧化铝粉进行抛光，然后用蒸馏水超声洗涤，干燥，待用.将裸玻碳电极置于铁氰化钾溶液中进行循环伏安法扫描，扫描范围为0.2～0.6 V，扫描速度为100 mV/s，最终氧化峰和还原峰的电位差应在90 mV 以下，否则要对电极进行重新打磨，直到符合要求为止.

1.5 基于Au-MWCNT 传感器的制备

用移液枪移取8.0 μL 的MWCNT 分散溶液滴涂在玻碳电极（经过预处理的祼电极）的表面，放入烘箱中烘干30 min.待电极干燥后，再一次滴涂8.0 μL 的AuNPs 溶液在电极表面，再次放入烘箱中烘干30 min，制得Au-MWCNT 修饰于玻碳电极的传感器.

2 结果与讨论

2.1 电化学测量条件的选择

2.1.1 修饰材料的可行性分析 在预处理过的玻碳电极表面，分别滴涂MWCNT、Au-MWCNT 复合材料，用循环伏安法进行分析检测POP，结果见图1.由图可知，在裸电极（a）上，POP 的氧化峰为0.571 V，没有还原峰.说明这是一个非可逆氧化还原反应.滴涂了碳纳米管的玻碳电极（b）与裸电极相比，电流变化有所增加，但在滴涂AuNPs 后的氧化峰明显增大，电信号被放大，这是因为纳米金是金属材料，是良好的导电体，可以增大电子传递，使得碳纳米管的电流响应信号进一步增大，滴涂了Au-MWCNT 的复合材料增强了POP 在电极上的电化学活性，提高了电极的灵敏度，说明Au-MWCNT 修饰玻碳电极用于POP 测定的可行性.

2.1.2 修饰材料的涂层数量的优化 取5 根预处理完成的玻碳电极，分别对电极进行滴涂1～5 层的复合材料，每一层滴涂完成放入烘箱干燥后再滴涂下一层.待滴涂完成后，在扫描范围为0.2～0.8 V，pH 为7.0 的磷酸盐缓冲溶液，室温的条件下，用电化学工作站，将复合电极置于1.0×10-5mol/L 的POP 子液中进行扫描测定.

由图2 可见，当Au-MWCNT 修饰材料层数从1 层增加到3 层时，峰电流逐渐增加，但从3 层到5层时，峰电流又随着修饰材料层数（n）的增加而降低.涂层数为3 层时，峰电流达到最大.因此，峰电流的变化与修饰材料的层数有关，层数太厚，不利于POP 电极反应的电荷传递.最佳修饰的层数为3 层.

图2 不同Au-MWCNT 纳米材料层数对1.0×10-5 mol/L POP 氧化峰电流的影响

2.1.3 缓冲溶液pH 值的优化 在电化学实验中，最常用的缓冲溶液是磷酸盐缓冲溶液[17]，故本实验亦采用磷酸盐缓冲溶液.实验使用修饰了3 层复合材料的玻碳电极为工作电极，分别考察了POP 在pH 值为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5 的0.2 mol/L 的磷酸盐缓冲溶液中的电化学行为，结果见图3.由图3(a)可见，峰电流随着pH 值的增大而增大.在pH 值 为7.0 时POP 的峰电流达到了最大值.之后，峰电流呈减小趋势.故本文所有实验均选择在pH 值为7.0 的磷酸盐缓冲溶液中进行.在图3(b)中，Ep（V）=0.957 3-0.058pH，R2=0.993 9，斜率为-0.058，根据以下关系式：Ep=Ep -RT/F (m/n) pH[16]，表明POP 的电化学测试过程是一个氧化过程.因此POP 的电化学氧化是一个失质子的过程，并且质子转移数与电子转移数相同，这表明电极反应过程有质子参与.

图3 （a）峰电流(I)与pH 值之间的关系;（b）峰电位(Ep)和pH 值之间的关系

2.2 标准曲线及检出限

在最佳条件下，即涂层数为3 层、pH 7.0 的磷酸盐缓冲溶液、扫描速度为100 mV/s、扫描范围为0.2～0.8 V，考察了不同POP 溶液浓度下（1.0×10-6、2.0×10-6、4.0×10-6、6.0×10-6、8.0×10-6、1.0×10-5mol/L）POP 的峰电流并制作标准曲线，结果见图4(a).工作曲线如图4（b），POP 溶液的浓度在1.0×10-6～1.0×10-5mol/L 范围内与峰电流（I）呈线性关系，其线性回归方程为ΔI=5.069+1.280C，相关系数R2=0.996 9，线性关系良好.经计算得出最低检出限（3S/N）为9.61×10-8mol/L.

图4 （a）不同浓度下的POP 循环伏安图（1→6，1.0×10-6、2.0×10-6、4.0×10-6、6.0×10-6、8.0×10-6、1.0×10-5 mol/L）;（b）峰电流与POP 浓度之间的关系

2.3 Au-MWCNT 传感器的抗干扰性、重现性和稳定性

2.3.1 抗干扰性 在最佳测定条件下，将加入干扰物前后待测样品的氧化峰电流进行比较.干扰物为相似物[四溴双酚A（TBBPA）]和常见的干扰离子（K+、Cl-、Na+、CO32-、(NH4)+、SO42-）.POP 的标准溶液浓度为1.0×10-5mol/L，分别向该标液加入1.0×10-3mol/L 的KCl、NaCO3、(NH4)2SO4干扰物以及TBBPA（2.0×10-5mol/L），分别进行分析检测，结果见表1.

表1 抗干扰试验

如表1，POP 在复合电极上的电流均不受两倍的相似物TBBPA 和100 倍的干扰离子K+、Cl-、Na+、CO32-、(NH4)+、SO42-的影响.复合材料修饰的玻碳电极对POP 的氧化峰基本没有变化.说明了Au-MWCNT传感器具有良好的抗干扰能力.

2.3.2 重现性 取一根经过复合材料修饰过的电极，在1.0×10-5mol/L 的POP 的磷酸盐缓冲溶液中，连续测定6 次，结果见图5（图5 中：N 为测定次数）.由图5 可知，所测数据基本稳定，相对标准偏差（RSD=3.0%）小于5.0%，由此说明了该复合电极体系的重现性良好.

图5 测定次数与峰电流的关系

2.3.3 稳定性 同一修饰电极在放置了一段时间后，若能保持在初始测定电流信号的90%以上，表明该电极具有良好的稳定性.最佳条件下，将相同方法制备的Au-MWCNT 修饰玻碳电极分别放置0、13、26、39、52、68、78 h 后进行测定POP 的峰电流，结果见图6.放置了3 d 后的电极测定1.0×10-5mol/L 的POP磷酸盐缓冲溶液，其峰电流会随之变小，这主要因为修饰了Au-MWCNT 的电极表面上的膜会形成均一且稳定的沉积物从而改变了电极的性能，使得测定的电流下降，78 h 的峰电流是初始浓度峰电流的95%，说明了该修饰材料的稳定性良好.

图6 传感电极放置时间与POP 峰电流之间的关系

2.4 实际样检测

Au-MWCNT 修饰玻碳电极应用于实际水样中POP 的测定，实际水样来自福建技术师范学院的湿地公园中的湖水.将采回的水样用微孔滤膜进行过滤，置于冰箱保存备用.纯水样中没有显示POP 的信号，因此通过标准加入法来获得回收率，检测方法的可行性，向实际样品加入低、中、高浓度（6.0×10-6，8.0×10-6，1.0×10-5mol/L）的POP 溶液，在最佳条件下，测量峰电流，用加标回收法测得样品中POP 的含量.由表2 可知，POP 的回收率在96.8%～101.3%之间.由此可见，Au-MWCNT 修饰材料对POP 有好的选择性和灵敏性，该复合材料具有良好的实用性能，可用于实际样品的测定.

表2 实际样加标检测结果

3 结论

本实验构建了Au-MWCNT 修饰电极的电化学传感器，并用于测定湖水中的POP.当涂层数为3 层，pH 值为7.0，扫描速度为100 mV/s 时，Au-MWCNT 电化学传感器对POP 具有最大的电化学响应.在最佳条件下，采用循环伏安法测定，结果表明POP 浓度与氧化峰电流的浓度在1×10-6～1×10-5mol/L 范围内呈现线性关系，最低检出限（3S/N）为9.61×10-8mol/L；Au-MWCNT 电化学传感器表现出良好的重现性、稳定性及抗干扰性；加标回收率为96.8%～101.3%，方法可行.该实验将MWCNT 和AuNPs 的优势互补，用其复合材料构建的电化学传感器成功应用于实际环境中水样的测定，也为检测POP 提供了一条新的思路和方法.