碳納米纖維修飾碳糊電極用于雙酚A的電化學檢測

孫金影， 呂思敏， 崔 燎， 吳 鐵

(廣東醫(yī)學院藥學院，廣東東莞523808)

雙酚A(Bisphenol A，BPA)是工業(yè)上經(jīng)常使用的有機物，其在塑料行業(yè)可作為單體用于生產(chǎn)環(huán)氧樹脂和聚碳酸酯等，并廣泛用于制造嬰幼兒奶瓶、飲料容器以及食品包裝等[1 - 3]。BPA為脂溶性化合物，隨著容器使用時間的延長或者接觸油脂多的食品或熱水時，BPA從容器中的溶出速度將大大提高[4]。由于BPA能夠擾亂內(nèi)分泌，模仿雌激素的作用從而擾亂雌激素與雌激素受體的結(jié)合，導(dǎo)致癌癥發(fā)生的風險增加并降低免疫功能。近年來，世界各國都頒布了相應(yīng)的法律法規(guī)以限制BPA相關(guān)產(chǎn)品的使用，特別是禁止嬰幼兒使用的奶瓶中含有BPA成分[5 - 8]。因此，發(fā)展簡單、快速、靈敏和可靠的BPA分析方法對于環(huán)境安全和人類健康具有重要意義。

以往的研究中對于BPA的分析多采用色譜方法，如高效液相色譜-熒光檢測法[9,10]等。電化學分析方法對于電活性物質(zhì)的檢測具有靈敏度高、選擇性好和操作簡單等優(yōu)點[11,12]?；瘜W修飾電極相對于裸電極而言靈敏度更高、選擇性更好，在電化學分析中得到了廣泛應(yīng)用[13 - 15]。磁性納米粒子、半導(dǎo)體量子點、介孔硅、金納米粒子以及碳納米管和石墨烯等材料構(gòu)建的修飾電極均已用于BPA的電化學傳感分析[16 - 20]。碳納米纖維(Carbon Nanofibers，CNFs)材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、大的比表面積和良好的化學穩(wěn)定性，因此在吸附、電池材料、催化劑載體以及化學/生物傳感器等方面均具有良好的應(yīng)用潛力[21,22]，但基于CNFs修飾電極用于檢測BPA的文獻尚未見報道。

本研究將CNFs修飾到碳糊電極(CPE)表面，用于BPA的電化學檢測，所制備的CNFs/CPE對于BPA顯示了較高的檢測靈敏度和較好的選擇性，對于水樣中BPA的檢測具有良好的準確度。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

靜電紡絲設(shè)備由實驗室組裝而成，主要包括高壓電源、自動進樣裝置以及滾筒收集器。聚合物纖維的穩(wěn)定(即預(yù)氧化)和碳化在管式爐中進行。電化學實驗中采用傳統(tǒng)三電極體系：以CNFs/CPE或CPE為工作電極，Ag/AgCl電極(武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司)為參比電極，鉑棒(Pt)(武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司)為對電極。電化學交流阻抗實驗在Autolab PGSTAT 302N(瑞士萬通(中國)有限公司)上完成，其余電化學測試在CHI832C(上海辰華儀器有限公司)電化學工作站上完成。

聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，PAN)購自Sigma-Aldrich；BPA(>99.8%)、對乙酰氨基酚(Acetamidophenol，ATP)(>99.5%)和對硝基苯酚(p-Nitrophenol，PNP)(>99.5%)，均購自上海精純生化科技股份有限公司。以無水乙醇為溶劑配制濃度為100 mmol/L的BPA、ATP和PNP儲備液，冰箱中4 ℃保存，使用時以緩沖溶液稀釋至所需濃度。高純石墨粉(>99.99%)購自Aldrich，石蠟油購自鼎國生物技術(shù)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等試劑由北京化工廠提供。取適量的H3BO3、H3PO4和HAc混合溶于水中，配制成B-R緩沖溶液，以1.0 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值。實驗用水為去離子水。

1.2 CNFs/CPE的制備

CNFs通過碳化電紡PAN納米纖維的方式制得。以DMF作為溶劑，將一定量的PAN在溫度60 ℃下完全溶解制備得到10wt% PAN電紡溶液。電紡采用紡絲噴頭與接收板距離為14 cm，施加電壓為18 kV,使用微量進樣器控制電紡液噴出速度為1 mL/h。PAN納米纖維的穩(wěn)定及碳化均在氮氣氣氛下的高溫爐中進行。所制備的CNFs膜，先用鑷子撕碎，然后加入無水乙醇，在超聲波清洗機中超聲數(shù)小時，直至得到均勻的黑色懸浮液，濃度為1 mg/mL。CPE的制備參考文獻方法[23]，將石墨粉與石蠟油以7∶3質(zhì)量比均勻混合，并壓入直徑1.2 mm的移液槍槍頭中，同時在碳糊中插入一根銅絲用于導(dǎo)電，上端用封口膜固定，制備好的CPE先在稱量紙上打磨，然后用去離子水沖洗。將4 μL CNFs溶液滴涂在CPE表面，室溫干燥后，用去離子水沖洗干凈，備用。

1.3 實驗方法

CNFs/CPE復(fù)合電極的預(yù)處理方法如下：在B-R緩沖溶液中于+1.5 V下氧化1 min后，在-1.0 V下還原1 min，之后在-1.0～+1.5 V之間以0.1 V/s的掃速，循環(huán)掃描10圈，然后在0～+1.2 V之間以50 mV/s的掃速掃描，直至得到穩(wěn)定的背景電流曲線。對電極的循環(huán)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支持電解質(zhì))的探針溶液中進行。其中CV的電位范圍為-0.2～+0.8 V，EIS頻率范圍為0.01～105Hz，其余電化學實驗使用B-R緩沖溶液，電極的預(yù)處理在下一次電化學測試前、后進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 CNFs/CPE的電化學表征

CNFs直徑約200～500 nm，表面粗糙，有利于增大電活性面積和分析物在電極表面進行電化學反應(yīng)。CNFs/CPE的電化學性質(zhì)通過CV和EIS來表征。從圖1(A)可以看出，K3[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6]氧化還原電對的氧化峰電流在CNFs/CPE上有了很大改善。在CPE上氧化峰電流為3.21 μA，而在CNFs/CPE上增大為10.06 μA，按照峰電流與電活性面積之間的公式：Ip=2.69×105AD1/2n3/2v1/2c，可以計算各電極的電活性面積。其中,D為擴散系數(shù)(6.7×10-6cm2/s)，c為探針分子的溶液濃度(5.0×10-6mol/cm3)，n為電子傳遞數(shù)目(n=1),v為掃速(0.05 V/s)。根據(jù)公式可得CPE的電活性面積僅為0.00413 cm2，而CNFs/CPE的電活性面積為0.01304 cm2?？梢姡珻NFs的修飾能有效增大電極的電活性面積，提高檢測靈敏度。

采用EIS法研究了氧化還原探針在CPE和CNFs/CPE上的電子轉(zhuǎn)移動力學特性，如圖1(B)所示。在CPE上，氧化還原探針分子具有較大的電子轉(zhuǎn)移電阻，而在CNFs/CPE上電子轉(zhuǎn)移電阻降低，修飾后電極的電子轉(zhuǎn)移速率得到顯著提高。

2.2 BPA在CNFs/CPE上的電化學行為

研究了BPA在CPE和CNFs/CPE上的電化學行為，見圖2。BPA在CPE上的氧化峰電位為0.627 V，在CNFs/CPE上的氧化峰電位為0.688 V，修飾后BPA過電位沒有明顯降低。但從圖中可以看出，BPA在CNFs/CPE上峰形更尖銳，且峰電流有了較大提高，為CPE上的2.25倍。另外，與其他種類的電極相比，CNFs/CPE具有較小的背景電流，有利于靈敏度的提高。

2.3 pH的影響

考察了CNFs/CPE在不同pH值緩沖溶液條件下對100 μmol/L BPA電化學行為的影響，考察的pH范圍為5.01～8.20。BPA的峰電流和氧化峰電位隨緩沖溶液pH值的改變而發(fā)生變化，見圖3(A)。如圖3(B)所示，在pH=5.0～6.5之間，隨著pH值的增大，BPA的峰電流也跟著增大，而在pH=6.5～8.2之間，隨著pH值的繼續(xù)增大，BPA的峰電流反而降低。BPA獲得最大響應(yīng)的pH值低于BPA的pKa值(9.73)[24]，說明離子化的BPA比非離子化的BPA更容易吸附在CNFs/CPE表面。對于BPA的氧化峰電位而言，在pH=5.0～8.2之間，隨著pH值的增大，峰電位負移，且氧化峰電位與緩沖溶液pH值呈正比，線性關(guān)系為：Epa(V)=1.0345-0.0487pH(r2=0.9602)。斜率為48.7 mV/pH，說明BPA在CNFs/CPE上進行的是等電子等質(zhì)子反應(yīng)[15]。

2.4 線性范圍和檢測限

微分脈沖伏安法(DPV)具有更高的靈敏度和更低的檢測限，圖4(A)為不同濃度的BPA在CNFs/CPE上的DPV曲線。由圖可以看到，隨著BPA濃度的增大，氧化峰電流也隨之增加。氧化峰電流與BPA的濃度在0.8～50 μmol/L之間呈線性關(guān)系，其中BPA的濃度在0.8～10 μmol/L之間的線性方程為：Ip(nA)=14.0466c(μmol/L)+9.5336(R=0.99254)，在10～50 μmol/L之間的線性方程則為:Ip(nA)=4.584c(μmol/L)+113.34(R=0.98869)，檢測限(S/N=3)為0.1 μmol/L。

將CNFs/CPE對BPA的分析性能與其他修飾電極進行了對比，如表1所示。根據(jù)美國環(huán)境保護局的BPA暴露參考劑量推斷出體液中BPA的最高濃度為4 μmol/L，高于本實驗得到的檢測限0.1 μmol/L，因此本方法具有實用價值。

表1 與其他電化學傳感器的分析性能對比

2.5 重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和干擾研究

重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和選擇性是電化學傳感器的重要分析性能參數(shù)，因此我們對這些參數(shù)進行了考察。用同一支CNFs/CPE對10 μmol/L BPA連續(xù)3次測定的相對標準偏差(RSD)為5.93%，而平行制備6支CNFs/CPE對100 μmol/L BPA測定的RSD為8.0%，顯示電極的制備和對BPA的測定具有良好的重現(xiàn)性。電極在室溫下放置一周后，對100 μmol/L BPA的響應(yīng)是初始響應(yīng)的95%，具有良好的穩(wěn)定性。

圖5為100 μmol/L的BPA與100 μmol/L ATP和PNP共存時的循環(huán)伏安(CV)和微分脈沖伏安(DPV)曲線。可以看出，BPA、ATP和PNP三種酚類物質(zhì)在CNFs/CPE上具有更高的檢測靈敏度和更好的分離度，說明在其余兩種酚類共存的情況CNFs/CPE對于BPA的檢測具有更好的選擇性。

2.6 實際樣品分析

為了檢驗制備的電化學傳感器對實際樣品中BPA的分析能力，通過標準加入法對不同水樣中的雙酚A進行了檢測。從長春南湖公園中收集湖水樣品，同時也采集自來水和礦泉水水樣。將采集的水樣先用B-R緩沖溶液稀釋10倍，再加入已知濃度的BPA溶液，分別測定BPA加入前和每次加入后的DPV響應(yīng)，每個樣品重復(fù)測定3次，計算BPA的回收率。如表2所示。從表2中數(shù)據(jù)可見CNFs/CPE對于實際水樣中的BPA回收率介于89.8%～95.4%，方法具有較高的準確度，能夠用于實際樣品中BPA的分析。

表2 水樣中BPA的分析結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論

本文提出了碳納米纖維修飾碳糊電極電化學傳感器(CNFs/CPE)并用于BPA的靈敏和選擇性檢測。與裸CPE相比，BPA的氧化電流在CNFs修飾的電極上得到極大提高。同時,CNFs/CPE對BPA的檢測具有較寬的線性范圍,較低的檢測限以及良好的選擇性和穩(wěn)定性?？捎糜诃h(huán)境水樣中的BPA的分析。