基于多壁碳納米管和聚十六烷基三甲基溴化銨修飾玻碳電極的電化學法快速測定水和土壤中雙酚A的含量

李丹瑩 ,黃象金 ,韋壽蓮

(1.廣東省城市技師學院 環(huán)保與檢測學院,廣州 510520;2.肇慶市食品檢驗所,肇慶 526060;3.肇慶學院 廣東省環(huán)境健康與資源利用重點實驗室,肇慶 526061)

雙酚A(BPA)是生產(chǎn)聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂的重要單體,廣泛存在于塑料器皿、食品包裝材料和醫(yī)療器械中。BPA 與天然雌激素結(jié)構(gòu)相似,可干擾人體內(nèi)分泌系統(tǒng),降低免疫力,損害生殖功能,增加癌癥發(fā)病率[1],被認為是環(huán)境中典型的內(nèi)分泌干擾物。使用含有聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂的產(chǎn)品會不可避免地導致BPA 的釋放,對人類健康和環(huán)境構(gòu)成潛在威脅,因此檢測環(huán)境中的BPA 十分必要。

目前測定BPA 含量的方法有高效液相色譜法(HPLC)[2]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(LC-MS/MS)[3]、氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[4]、酶聯(lián)免疫吸附法[5]、熒光光譜法[6]及電化學法[7-8]等。這些方法中,電化學法具有靈敏度高、分析快速、設(shè)備簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點,特別適合于常規(guī)分析。然而,BPA 的氧化產(chǎn)物不穩(wěn)定,容易形成二聚體使電極表面污染鈍化,從而降低電化學信號[9],因此需要在電極表面修飾合適的材料,以提高其檢測靈敏度和抗污染能力。

多壁碳納米管(MWCNTs)具有優(yōu)異的導電性、大的比表面積、良好的催化活性和化學穩(wěn)定性等特點[10],是研究較多的修飾電極材料之一。因其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),以MWCNTs修飾的電極用于分析傳感,可降低過電勢,提高檢測靈敏度[11-12]。十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)是一種陽離子表面活性劑,具有兩親性,在水溶液中可形成膠束聚集體,穩(wěn)定自由基,增強和改變電極/溶液的界面特性,有研究表明在電解質(zhì)中加入CTAB 可起到表面防污的作用[13]。而表面活性劑聚合物修飾電極的導電性更好,分析物還原或氧化的過電勢更低,電極表面與分析物之間的電子轉(zhuǎn)移速率更快,檢測靈敏度和選擇性更高[14]。目前聚CTAB(p-CTAB)修飾電極已應(yīng)用于多巴胺、尿酸、色氨酸、茶堿和氨基三唑等的分析研究[15-16]中,對BPA 的檢測研究卻未見報道。

本工作通過循環(huán)伏安法(CV)在玻碳電極(GCE)上電聚合CTAB膜,進一步采用滴涂法修飾MWCNTs,制備了MWCNTs、p-CTAB修飾的GCE(MWCNTs/p-CTAB/GCE),基于該電極,建立了一種靈敏、簡單、快速的BPA 電化學分析方法,用于測定土壤和水中BPA 的含量。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI 600E型電化學工作站;三電極體系,修飾電極(直徑3 mm)為工作電極,鈦棒為對電極,飽和甘汞電極為參比電極;SUPRA 55 SAPPHIRE型掃描電子顯微鏡(SEM)。

BPA 標準儲備溶液:0.5 mmol·L－1,稱取0.011 4 g BPA,加入25 mL 乙醇,溶解后將溶液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,再用乙醇定容,于4 ℃冰箱儲存,備用。

BPA標準溶液:1 μmol·L－1,移取適量的BPA 標準儲備溶液,用0.3 mol·L－1磷酸鹽緩沖液(PBS,pH 7.0)逐級稀釋,配制成1μmol·L－1BPA標準溶液。

MWCNTs標準溶液:98 g·L－1,使用時,用水將其稀釋至1.96 g·L－1。

CTAB溶液:0.5 g·L－1,稱取0.250 g CTAB,用水溶解并定容至500 mL容量瓶中。

所用試劑均為分析純;試驗用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 CV

掃描范圍－0.8～1.2 V;掃描速率0.10 V·s－1;掃描圈數(shù)20圈。

1.2.2 差分脈沖伏安法(DPV)

電解質(zhì)為0.3 mol·L－1PBS(pH 7.0);初始電位0.3 V,終止電位0.7 V,電位增量10 mV;脈沖周期0.2 s;富集電位0.2 V,富集時間150 s;攪拌速率800 r·min－1。

1.2.3 電化學阻抗譜法(EIS)

電解質(zhì)為含0.1 mol·L－1KCl的5 mmol·L－1K3[Fe(CN)6]溶液;頻率范圍0.01～100 k Hz;振幅5 mV。

1.3 試驗方法

1.3.1 修飾電極的制備

在濕潤的拋光絨布上用0.5μm 氧化鋁粉末將GCE打磨拋光,再用水沖洗干凈,晾干。將GCE 置于0.5 g·L－1CTAB 溶液中,以鈦棒為對電極,飽和甘汞電極為參比電極,按照1.2.1節(jié)CV 條件進行試驗,得到p-CTAB修飾的GCE(p-CTAB/GCE),用水小心清洗,晾干。吸取1.96 g·L－1MWCNTs標準溶液5μL,滴涂在p-CTAB/GCE表面,在紅外燈下干燥后得到MWCNTs/p-CTAB/GCE。同法制備MWCNTs 修飾的GCE 電極(MWCNTs/GCE)。

1.3.2 樣品測定

收集的水樣經(jīng)0.22μm濾膜過濾,取水樣2 mL,與0.3 mol·L－1PBS(pH 7.0)8 mL 混 勻后,按照1.2.2節(jié)DPV 條件進行測試。

將土壤樣品自然風干,去除砂石,研磨,過孔徑0.18 mm(80目)的篩網(wǎng)。稱取25 g土壤樣品,置于帶塞三角燒瓶中,加入50 mL乙醇,渦旋30 s,超聲提取30 min,過濾并收集濾液。再用50 mL乙醇重復提取一次,合并兩次濾液,于50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至約1 mL 后,轉(zhuǎn)移至10 mL 容量瓶中,用乙醇定容。取土壤樣液2 mL,與0.3 mol·L－1PBS(pH 7.0)8 mL混勻后,按照1.2.2節(jié)DPV 條件進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的形貌表征

GCE、p-CTAB/GCE、MWCNTs/p-CTAB/GCE的SEM 圖見圖1。

圖1 不同修飾電極的SEM 圖Fig.1 SEM images of different modified electrodes

由圖1可見:GCE表面平整光滑;在GCE 表面電聚合CTAB后,可觀察到p-CTAB/GCE 表面呈現(xiàn)許多細短棒和花蕊狀形貌,二者緊密地交錯排列,形成多孔空隙;進一步修飾 MWCNTs 后,MWCNTs/p-CTAB/GCE表面呈現(xiàn)許多隨機纏結(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形貌,其多孔空隙和多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅有利于電解質(zhì)的浸潤,促進離子傳輸,而且還為BPA 的電化學氧化提供了大量的活性位點。

2.2 修飾電極的電化學性能

采用DPV,考察了GCE、MWCNTs/GCE、p-CTAB/GCE、MWCNTs/p-CTAB/GCE在1μmol·L－1BPA 標準溶液中的電化學行為,結(jié)果見圖2。

圖2 不同電極對BPA 的DPV 響應(yīng)Fig.2 DPV response of different electrodes to BPA

結(jié)果表明:GCE 對BPA 表現(xiàn)出很弱的電化學響應(yīng),峰電位為0.530 V,峰電流為0.051μA(扣除基線電流后,下同);修飾MWCNTs后,BPA 的峰電位明顯增強,峰電流為0.780μA,這是由于MWCNTs優(yōu)異的導電性能增大了電子轉(zhuǎn)移速率,同時其大的比表面積和強的吸附能力提高了MWCNTs/GCE對BPA 的富集效率,從而促進了BPA 的催化氧化;在p-CTAB/GCE 上,BPA 的 氧化峰電流顯著增至3.470 μA,峰電位負移至0.523 V,說明p-CTAB能提高導電性、生物相容性和比表面積,降低BPA 的氧化過電勢,從而增加電極表面的BPA 濃度,提高氧化峰電流;在MWCNTs/p-CTAB/GCE 上,BPA 的氧化峰電流更大,達到5.950μA,峰電位負移至0.520 V,背景電流低,峰形窄,說明p-CTAB 和MWCNTs之間具有協(xié)同作用,能進一步提高MWCNTs/p-CTAB/GCE的電化學活性。

采用EIS,考察了GCE、MWCNTs/GCE、p-CTAB/GCE、MWCNTs/p-CTAB/GCE 在含有0.1 mol·L－1KCl的5 mmol·L－1K3[Fe(CN)6]溶液中的電化學行為,結(jié)果見圖3。

圖3 不同電極的EIS響應(yīng)Fig.3 EIS response of different electrodes

結(jié)果表明:GCE 的電子轉(zhuǎn)移阻抗較大;MWCNTs/GCE 的EIS 曲線近似于直線,說明MWCNTs/GCE 的電子轉(zhuǎn)移阻抗很小,這是由于MWCNTs的修飾提高了電極的導電性和比表面積;與GCE 相比,p-CTAB/GCE 的電子轉(zhuǎn)移阻抗顯著變小,可能歸因于p-CTAB/GCE 表面帶正電,對[Fe(CN)6]3－/4－產(chǎn)生靜電吸附,從而促進電極界面的電子轉(zhuǎn)移,另外,修飾p-CTAB后,電極比表面積增大,進一步提高了電極的催化活性;當MWCNTs修飾到p-CTAB/GCE 表面時,電子轉(zhuǎn)移阻抗相對減小。上述結(jié)果與DPV 的表征結(jié)果相符,表明MWCNTs/p-CTAB/GCE 具有良好的電子轉(zhuǎn)移能力,能加快電極表面的氧化還原反應(yīng)速率,增強電化學響應(yīng)。

采用CV,考察了掃描速率分別為0.05,0.10,0.15,0.20,0.25 V·s－1時,MWCNTs/p-CTAB/GCE在1μmol·L－1BPA 標準溶液中的電化學行為。

由圖4可知,BPA 在0.52 V 處出現(xiàn)一個氧化峰,沒有相應(yīng)的還原峰,表明BPA 在MWCNTs/p-CTAB/GCE上的電化學反應(yīng)不可逆。并且,BPA的氧化峰電流隨掃描速率的增加而增大,在0.05～0.25 V·s－1內(nèi),掃描速率與其對應(yīng)的BPA 氧化峰電流呈線性關(guān)系,線性回歸方程為ip＝55.86v＋0.765 4,相關(guān)系數(shù)為0.998 0,表 明BPA 在MWCNTs/p-CTAB/GCE 上的氧化過程受吸附控制。

圖4 不同掃描速率下BPA 的CV 響應(yīng)Fig.4 CV response of BPA at different scanning rates

2.3 修飾電極制備條件的優(yōu)化

2.3.1 CTAB聚合量

電極表面CTAB 的聚合量顯著影響電極的電化學性能。試驗考察了電聚合CTAB 的掃描圈數(shù)(4,8,12,16,20,24圈)對BPA 氧化峰電流的影響。

結(jié)果顯示:隨著電聚合CTAB的掃描圈數(shù)的增加,電極表面p-CTAB 膜的厚度增加,BPA 在電極上產(chǎn)生的氧化峰電流增大;當掃描圈數(shù)為20圈時,峰電流較大;超過20圈后,峰電流下降,原因可能是掃描圈數(shù)過多導致形成較厚的p-CTAB膜,阻礙了BPA 與電極表面之間的電子轉(zhuǎn)移。因此,選擇電聚合CTAB的掃描圈數(shù)為20圈。

2.3.2 MWCNTs修飾量

修飾量的增加可為電極表面提供更多的活性位點,從而增大電流響應(yīng)。通過加入1.96 g·L－1MWCNTs溶液對p-CTAB/GCE進行修飾,考察了MWCNTs修飾量(1,3,5,7,9μL)對BPA 氧化峰電流的影響。

結(jié)果顯示:當修飾量為5μL時,峰電流較大;進一步增大修飾量,峰電流減小,可能是由于過厚的MWCNTs 膜增大了傳質(zhì)阻力。因此,選擇的MWCNTs修飾量為5μL。

2.4 電化學檢測條件的優(yōu)化

2.4.1 電解質(zhì)酸度

以PBS 為電解質(zhì),考察了 MWCNTs/p-CTAB/GCE在不同酸度(pH 4.0,5.0,6.0,7.0,8.0,9.0)PBS中對BPA 的DPV 響應(yīng),結(jié)果見圖5。

圖5 不同酸度電解質(zhì)中BPA 的DPV 響應(yīng)Fig.5 DPV response of BPA in different acidities of electrolyte

由圖5可見,BPA 的氧化峰電位隨pH 的增大逐漸負移,表明有質(zhì)子參與電極反應(yīng)。以pH對峰電位進行線性回歸,結(jié)果顯示在pH 4.0～9.0 內(nèi),pH 與其對應(yīng)的峰電位呈線性關(guān)系,線性回歸方程為Ep＝－0.057 71pH ＋0.908 5,相關(guān)系數(shù)為0.999 0,斜率絕對值接近于理論值59 mV·p H－1[17],說 明BPA 在MWCNTs/p-CTAB/GCE上的反應(yīng)為等質(zhì)子、電子轉(zhuǎn)移過程。另一方面,在pH 4.0～9.0內(nèi),BPA 的氧化峰電流呈先增大后減小的趨勢。當電解質(zhì)酸度為pH 7.0時,BPA 的峰電流較 大,此時pH 小于BPA 的pKa(9.73),BPA主要以分子的形式存在,容易在電極表面吸附[18]。因此,試驗選擇的電解質(zhì)酸度為pH 7.0。

2.4.2 富集電位

試驗考察了富集電位分別為－0.1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 V 時MWCNTs/p-CTAB/GCE 對BPA 氧化峰電流的影響。結(jié)果表明:隨著富集電位的增加,峰電流逐漸增大;當富集電位為0.2 V 時,峰電流較大;繼續(xù)增加富集電位,峰電流減小,可能是富集電位過大導致測定前BPA 已在電極表面氧化,從而降低響應(yīng)電流。因此,試驗選擇的富集電位為0.2 V。

2.4.3 富集時間

試驗考察了富集時間分別為30,60,90,120,150,180 s時MWCNTs/p-CTAB/GCE 對BPA 氧化峰電流的影響。結(jié)果表明:隨著富集時間的延長,BPA 在電極上的富集量增多,峰電流逐漸增大;當富集時間大于150 s時,峰電流增幅很小,說明BPA在電極表面的吸附已趨于飽和。因此,試驗選擇的富集時間為150 s。

2.4.4 攪拌速率

攪拌速率影響B(tài)PA 的擴散速率,從而影響B(tài)PA 的富集效果。試驗考察了攪拌速率分別為0,200,400,600,800,1 000,1 200,1 400 r·min－1時MWCNTs/p-CTAB/GCE對BPA 氧化峰電流的影響。結(jié)果表明:峰電流隨攪拌速率的增大顯著增大;當攪拌速率為800 r·min－1時,峰電流較大;繼續(xù)增大攪拌速率,峰電流略有下降,原因可能是攪拌速率過大導致電極表面吸附的BPA 部分脫附,富集量減少。因此,試驗選擇的攪拌速率為800 r·min－1。

2.5 標準曲線和檢出限

移取適量的BPA 標準儲備溶液,用0.3 mol·L－1PBS(pH 7.0)逐級稀釋,配制成0.08,0.5,1,5,10,15,20μmol·L－1BPA 標準溶液系列,按照1.2.2節(jié)DPV條件,測定了MWCNTs/p-CTAB/GCE在上述BPA 標準溶液系列中的DPV 響應(yīng)。以BPA 濃度為橫坐標,其對應(yīng)的氧化峰電流為縱坐標繪制標準曲線。結(jié)果顯示:BPA 峰電流與BPA濃度在0.08～20μmol·L－1內(nèi)呈線性關(guān)系,線性回歸方程為ip＝3.427c＋2.552,相關(guān)系數(shù)為0.997 5。

以信噪比為3時對應(yīng)的BPA 濃度為檢出限,所得結(jié)果為0.02μmol·L－1。

2.6 干擾試驗

采用DPV,考察了水和土壤中常見的無機離子(Cl－、Na＋、SO42－、Mg2＋、K＋、Ca2＋、CO32－和NO3－)、有機物(腐殖質(zhì)富里酸、胱氨酸、苯、苯胺、葡萄糖和尿素)及與BPA 結(jié)構(gòu)相似的酚類化合物(鄰苯二酚、對苯二酚和苯酚)對1μmol·L－1BPA標準溶液測定結(jié)果的影響。結(jié)果表明:100 倍的Cl－、Na＋、SO42－、Mg2＋、K＋、Ca2＋、CO32－和NO3－,20倍的腐殖質(zhì)富里酸、胱氨酸、苯、苯胺、葡萄糖和尿素,5倍的鄰苯二酚、對苯二酚和苯酚均對BPA 的響應(yīng)電流干擾較小,所得相對誤差在容限范圍±5%以內(nèi),說明MWCNTs/p-CTAB/GCE 對BPA 的選擇性高,抗干擾能力好。

2.7 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性試驗

使用同一支 MWCNTs/p-CTAB/GCE 對1μmol·L－1BPA 標準溶液重復測定10 次,測得峰電流的相對標準偏差(RSD)為5.0%。在相同條件下制備了6支MWCNTs/p-CTAB/GCE,分別對1μmol·L－1BPA 標準溶液進行測定,結(jié)果得峰電流的RSD 為2.8%。將其中的3 支MWCNTs/p-CTAB/GCE在室溫下放置7d后,對上述溶液重新測定,峰電流平均值仍達到初始值的93.1%。以上結(jié)果表明MWCNTs/p-CTAB/GCE 具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

2.8 方法比對

與文獻報道的其他電化學傳感器進行比對,結(jié)果見表1。其中,Fe2O3-r GO/GCE 為Fe2O3-還原氧化石墨烯復合物修飾的GCE,N-CNTs/GCE 為氮摻雜碳納米管修飾的GCE,CNCs/CNT-COOH/GCE 為碳納米籠/碳納米管復合物修飾的GCE,CuS-MWCNT/GCE為CuS-多壁碳納米管復合物修飾的GCE。

由表1 可知,與其他電化學傳感器相比,MWCNTs/p-CTAB/GCE檢測BPA 的線性范圍較寬,檢出限較低,能夠?qū)崿F(xiàn)對BPA 的靈敏檢測。

表1 不同電化學傳感器比對結(jié)果Tab.1 Comparison results of different electrochemical sensors

2.9 精密度和回收試驗

分別按照本方法和高效液相色譜法(HPLC)[22]測定土壤和水中BPA 的含量,結(jié)果均未檢出BPA。為了驗證本方法的準確度,對樣品進行3個濃度水平的加標回收試驗,計算回收率和測定值的RSD,結(jié)果見表2。

表2 精密度和回收試驗結(jié)果(n＝5)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝5)

結(jié)果顯示:回收率為82.0%～106%,測定值的RSD 為1.6%～8.1%,表明該方法適用于實際水樣和土壤中BPA 的檢測。

本工作以MWCNTs和p-CTAB 為增敏材料,構(gòu)建了一種對BPA 有高靈敏度和高選擇性響應(yīng)的電化學傳感器MWCNTs/p-CTAB/GCE,實現(xiàn)了對BPA 的快速檢測。該傳感器對BPA 表現(xiàn)出較高的氧化活性,且具有制備簡單、線性范圍較寬、檢出限低、抗干擾能力強、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點,將其應(yīng)用于多種土壤和水中BPA 的分析,結(jié)果令人滿意。