朱培杰，劉艷清，姚 夙，馬國堅(jiān)，汪洪武

(肇慶學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

雙酚A(BPA)，化學(xué)名為二酚基丙烷，是丙酮和苯酚的衍生物，可用于生產(chǎn)環(huán)氧樹脂、聚苯醚樹脂、聚碳酸酯等高分子有機(jī)材料[1-3]，已廣泛用于飲水杯、牙齒填充物、眼鏡片、奶瓶所用的密封膠[4]。由于雙酚A具有內(nèi)分泌干擾性和致癌性[5]，歐美等多個(gè)國家和地區(qū)出臺了關(guān)于食品包裝材料、食品添加劑、器皿及容器中嚴(yán)禁使用雙酚 A 的法規(guī)[6]。目前，雙酚A的檢測方法主要有液相色譜法(LC)[7]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)[8]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)[9]、光譜分析法[10]和酶聯(lián)免疫分析法(ELISA)[11]等，這些方法對環(huán)境中雙酚A的測定靈敏度和準(zhǔn)確度較高，但樣品前處理較繁瑣，因此建立一種簡單快速檢測痕量雙酚A的方法具有十分重要的意義。

石墨烯材料中有可以自由移動(dòng)的電子，因此具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。此外，石墨烯的光學(xué)性能、比表面積、吸附性能、磁學(xué)性能等理化性質(zhì)優(yōu)良。近年來，基于石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)傳感器得到了廣泛應(yīng)用。Zheng等[12]合成了鉑/石墨烯-碳納米管復(fù)合材料(Pt/Gr-CNTs)，并制備了相應(yīng)的雙酚A電化學(xué)傳感器，其對BPA的檢出限為42 nmol/L。Niu等[13]使用石墨烯/金復(fù)合材料(AuNPs/SGNF)修飾玻碳電極，實(shí)現(xiàn)了對BPA的伏安法檢測，檢出限達(dá) 35 nmol/L。Zhang等[14]構(gòu)建了基于磁性納米顆粒/還原氧化石墨烯(MNPs-rGO/GCE)的BPA電化學(xué)傳感器，檢出限達(dá)17 nmol/L。但有些環(huán)境樣品中的BPA含量非常低(小于17 nmol/L),上述電化學(xué)傳感器不能滿足其測定要求。

鈀(Pd)屬于過渡金屬，是一種鉑系元素，常被用作催化劑和儲氫材料。此外，Pd還具有良好的電化學(xué)性能，可用于制備導(dǎo)電性能較好的高分子材料，已被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)領(lǐng)域[15]。還原氧化石墨烯摻雜Pd(rGO@Pd)作為一種新型的高分子材料，具有良好的導(dǎo)電性能，但目前關(guān)于rGO@Pd的雙酚A分子印跡電化學(xué)傳感器國內(nèi)外鮮有報(bào)道。本文利用rGO@Pd修飾的玻碳電極作為工作電極，制備了雙酚A分子印跡電化學(xué)傳感器，并使用掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜等對傳感器表面進(jìn)行分析；利用循環(huán)伏安法(CV)、差分脈沖伏安法(DPV)和電化學(xué)交流阻抗法對該傳感器的電化學(xué)性能進(jìn)行了考察。最后，將該分子印跡電化學(xué)傳感器應(yīng)用于實(shí)際樣品中雙酚A的測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI600E電化學(xué)工作站(上海辰華有限公司)；三電極體系：玻碳電極(Φ3 mm)為工作電極、甘汞電極為參比電極、鉑絲電極為輔助電極；pH計(jì)(上海雷磁pHS-3)；AUY120分析天平(日本島津公司)；5～25 μL移液槍(上海求精生化試劑儀器有限公司)；100～1 000 μL移液槍(Biohit公司)。

雙酚A(色譜純，阿拉丁試劑有限公司)；吡咯(Py，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；rGO@Pd(南京先豐納米材料科技有限公司)；乙腈(分析純，西隴化工股份有限公司)；N,N-二甲基甲酰胺(分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠)；高氯酸鋰、氫氧化鈉、氯化鉀(分析純，阿拉丁試劑有限公司)；無水乙醇、硫酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉(分析純，廣州化學(xué)試劑廠)；鐵氰化鉀(分析純，天津市廣成化學(xué)試劑有限公司)；其余試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1電極的預(yù)處理用0.05 μm的氧化鋁粉對玻碳電極進(jìn)行拋光，然后依次用2.0 mol/L硫酸、水、無水乙醇沖洗，待玻碳電極在5.0 mmol/L鐵氰化鉀溶液中循環(huán)伏安掃描穩(wěn)定，取出，用水沖洗干凈，晾干待用。

圖1 雙酚A分子印跡電極的制備過程Fig.1 Schematic representation of the preparation process of molecularly imprinted electrochemical sensor for BPA determination

1.2.2rGO@Pd修飾電極的制備稱取5.0 mg rGO@Pd，置于2.0 mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，超聲分散15 min后，取4.0 μL滴涂于玻碳電極表面，在紅外燈下烘干，即得rGO@Pd/GCE修飾電極。

1.2.3雙酚A分子印跡電極的制備制備過程如圖1所示，以雙酚A為模板分子，Py為聚合單體，LiClO4緩沖液為支持電解質(zhì)，用循環(huán)伏安法在rGO@Pd修飾電極上制備BPA分子印跡膜。聚合液含1.0 mmol/L BPA、 4.0 mmol/L Py和0.1 mol/L LiClO4。將電極置于聚合溶液中，在-0.2～0.8 V電位范圍內(nèi)，以 100 mV/s循環(huán)伏安掃描15圈。取出電極，于pH 10.0的磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行聚吡咯的過氧化處理。將電極置于2.0 mol/L H2SO4溶液中洗脫1 h，除去模板，即得BPA分子印跡電化學(xué)傳感器(MIP/rGO@Pd/GCE)。

按上述步驟不加模板分子(BPA)制備即得空白分子印跡電化學(xué)傳感器(NIP/rGO@Pd/GCE)。

1.3 檢測方法

利用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法對雙酚A分子印跡電極進(jìn)行考察，電流變化反映了雙酚A濃度的變化。在5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.1 mol/L KCl 的混合溶液中進(jìn)行檢測，采用三電極體系。循環(huán)伏安法的電位區(qū)間為-0.2～0.6 V，掃描速度為100 mV/s；差分脈沖伏安法的電位區(qū)間為0～0.5 V，脈沖寬度50 ms，幅度50 mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子印跡聚合膜的表征

2.1.1循環(huán)伏安法表征利用電聚合的方法制備電化學(xué)分子印跡傳感器。以吡咯為功能單體的電聚合過程中，在0.6～0.8 V電位區(qū)間內(nèi)，循環(huán)伏安電流隨著電位增大而增強(qiáng)。而自0.8 V回掃，未出現(xiàn)還原電流峰，說明聚合生成的物質(zhì)難以被還原。若聚合電位過大，聚合物將直接被過氧化，形成一層黑色的聚合膜，導(dǎo)致模板分子被包埋，電極靈敏度下降。將得到的聚合膜在pH 10.0的磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行過氧化處理，模板分子出現(xiàn)松動(dòng)，易于洗脫[16]。

圖2 不同電極的CV曲線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

電極過氧化后，需進(jìn)行洗脫和吸附實(shí)驗(yàn)，利用循環(huán)伏安法表征不同電極在K3[Fe(CN)6]溶液中的電化學(xué)行為，從而探究MIP/rGO@Pd/GCE的導(dǎo)電性能以及對BPA分子的識別性能。如圖2所示，裸電極(曲線a)的電信號放大效果比rGO修飾玻碳電極(曲線b)差，rGO@Pd修飾電極(曲線c)的響應(yīng)效果比rGO修飾電極(曲線b)好，說明rGO@Pd修飾玻碳電極具有較好的放大電化學(xué)信號的效果；曲線d是電聚合后形成的MIP/rGO@Pd/GCE的循環(huán)伏安曲線，平穩(wěn)的電流曲線說明修飾電極表面已被聚過氧化吡咯膜覆蓋，阻礙了電子的交流，因此電流幾乎為零；模板分子被洗脫之后，留下印跡分子三維“空穴”，有利于電子通過，產(chǎn)生較強(qiáng)的電化學(xué)電流(曲線e)。在5 nmol/L BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液中吸附30 min后，模板分子被吸附到三維“空穴”里，阻礙電子流通，峰電流有所下降(曲線f)。表明電極表面已成功制備出對BPA具有選擇性的分子印跡聚合膜。

2.1.2分子印跡傳感器的差分脈沖表征不同電極在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的DPV曲線如圖3所示,rGO@Pd修飾玻碳電極(曲線c)的電信號靈敏度高于裸電極(曲線a)和rGO修飾電極(曲線b)。曲線d是MIP/rGO@Pd/GCE吸附前的DPV曲線，此時(shí)模板分子未被吸附到“三維”空穴，響應(yīng)電流較洗脫前增大；該分子印跡膜電極在BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液中吸附30 min后的電流減小(曲線e)，證明該電極對模板分子BPA具有很強(qiáng)的吸附能力。曲線f和g分別為MIP和NIP電極洗脫前的DPV曲線，由于修飾電極表面被MIP聚合膜和NIP聚合膜覆蓋，阻礙了電極表面和溶液之間的電子交流，因而電極響應(yīng)很微弱。DPV表征結(jié)果表明BPA分子印跡電化學(xué)傳感器已被成功制備。

圖4 不同電極的阻抗譜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分子印跡傳感器的阻抗譜(EIS)表征交流阻抗法可以比較不同電極的電子傳遞速率[17]，電子傳遞阻抗Rct可用高頻區(qū)半圓的直徑表示。圖4顯示了不同電極在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的阻抗譜。洗脫前的MIP/rGO@Pd/GCE(曲線d)的Rct遠(yuǎn)大于裸電極(曲線a)和rGO@Pd修飾電極(曲線c)，說明分子印跡膜阻礙了電子傳遞，導(dǎo)致電極間電阻增大。洗脫模板分子后的阻抗(曲線e)減小，小于裸電極，說明分子印跡膜洗脫后留下空穴，形成利于電子傳遞的通道。分子印跡電極在BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液中吸附30 min后(曲線f)，其電子傳遞阻抗Rct增大，說明印跡膜上的部分空穴被模板分子填充，阻礙了電子傳遞。

圖5 rGO(a)和rGO@Pd(b)的紅外譜圖Fig.5 FT-IR spectra of rGO(a) and rGO@Pd(b)

2.2 rGO@Pd的紅外分析

紅外光譜基于化合物分子能選擇性吸收某些波長的紅外線，從而用于分析化合物官能團(tuán)的變化[18-19]。羥基(—OH)的紅外吸收波長位于～3 500 cm-1處，rGO(曲線a)在3 500 cm-1左右有1個(gè)較強(qiáng)的吸收峰(如圖5所示)，說明rGO中含有一定數(shù)量的羥基(—OH)。Pd與rGO上的羥基以配位形式結(jié)合后,羥基含量變少，導(dǎo)致rGO@Pd(曲線b)在3 500 cm-1左右的吸收峰強(qiáng)度變?nèi)?。紅外表征結(jié)果也證明了本文所使用的rGO@Pd材料的純度符合實(shí)驗(yàn)要求，可用于電化學(xué)傳感器的制備。

2.3 分子印跡聚合膜的形貌分析

本文通過電聚合的方法將分子印跡膜聚合到修飾電極表面，使其在電極表面形成聚合膜。對雙酚A分子印跡膜洗脫前后進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果顯示，洗脫前分子印跡膜在電極表面排列整齊、均勻(圖6A)；當(dāng)雙酚A分子印跡膜在2.0 mol/L H2SO4溶液中洗脫2 h后，模板分子被洗脫，膜表面留下許多三維“空穴”(圖6B)。

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.4.1rGO@Pd用量的確定用循環(huán)伏安法(CV)和差分脈沖伏安法(DPV)考察了rGO@Pd不同用量(0、2.0、4.0、8.0 μL)修飾電極的電流變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)rGO@Pd用量為4.0 μL時(shí)，rGO@Pd修飾電極的CV和DPV電流響應(yīng)均較高，因此rGO@Pd最佳用量為4.0 μL。

2.4.2模板分子與功能單體比例的確定模板分子(雙酚A)與功能單體(吡咯)的摩爾比直接影響電極的性能。實(shí)驗(yàn)對模板分子與功能單體的比例進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，隨著單體與模板摩爾比的增加，響應(yīng)電流呈先升高后下降的趨勢。當(dāng)單體與模板比例為4∶1時(shí)，洗脫后的響應(yīng)電流最大。單體用量較少時(shí)，聚合膜上的有效識別位點(diǎn)因交聯(lián)程度不足而減少，響應(yīng)電流減小;單體與模板的摩爾比過大時(shí)，模板分子用量減少，導(dǎo)致聚合膜洗脫后留下的BPA“空穴”較少，因而電化學(xué)電流減小。綜上所述，單體與模板分子最佳比例為4∶1。

2.4.3掃描圈數(shù)掃描圈數(shù)會影響聚合膜的厚度，從而影響其電流強(qiáng)度。通過掃描不同圈數(shù)制備不同厚度的聚合膜，在2.0 mol/L H2SO4溶液中洗脫2 h，對其洗脫效果進(jìn)行比較。結(jié)果顯示：聚合10圈所得的聚合膜較薄，洗脫時(shí)易脫落；聚合30圈時(shí)，模板分子易被聚合膜包埋，洗脫困難。當(dāng)聚合15圈時(shí)，所得聚合膜的厚度適宜，且響應(yīng)電流最大，因此實(shí)驗(yàn)選擇掃描15圈。

2.4.4富集時(shí)間洗脫后的MIP/rGO@Pd/GCE會留下特異性識別BPA分子的三維“空穴”。實(shí)驗(yàn)對富集時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)隨著富集時(shí)間的增加，BPA分子逐漸占據(jù)這些“空穴”，響應(yīng)電流逐漸降低。當(dāng)MIP/rGO@Pd/GCE在5 nmol/L BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液中吸附30 min時(shí)，響應(yīng)電流基本不變，表明此時(shí)印跡膜對模板分子的吸附達(dá)到飽和。因此，實(shí)驗(yàn)選取30 min為最佳富集時(shí)間。

2.5 線性范圍與檢出限

在優(yōu)化條件下，配制了一系列濃度的 BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別測定其在分子印跡聚合膜上的DPV曲線。結(jié)果表明BPA在1.0～10.0 nmol/L濃度范圍內(nèi)與電流變化值呈良好的線性關(guān)系，線性方程為ΔI=1 497.7c+8.551 7(r=0.997 7),檢出限(S/N=3)為0.1 nmol/L。

2.6 分子印跡膜的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，平行制備6支MIP/rGO@Pd/GCE，分別對5 nmol/L BPA溶液進(jìn)行測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.1%。使用同一支修飾電極對5 nmol/L BPA溶液平行測定6次，RSD為2.1%，表明此傳感器具有良好的重現(xiàn)性。將該傳感器置于-4 ℃的冰箱中保存，對其進(jìn)行電化學(xué)監(jiān)測4 d。4 d后的電流響應(yīng)值為初始值的91.9%，表明該電極具有良好的穩(wěn)定性。

2.7 選擇性研究

選擇性是體現(xiàn)MIP電極特異性和抗干擾能力的重要性能。本實(shí)驗(yàn)以5 nmol/L的BPA溶液為研究對象，分別添加KCl、NaH2PO4、苯酚、1,3-苯二酚等干擾物(無機(jī)鹽濃度均為5 mmol/L，BPA類似物濃度均為5 nmol/L)，考察不同干擾物對BPA響應(yīng)電流的影響。結(jié)果表明，上述無機(jī)鹽離子和1,3-苯二酚對BPA響應(yīng)電流的干擾較小(相對誤差小于6%)。苯酚對MIP電極的干擾較大，相對誤差為14.7%，對BPA含量測定有一定影響。由于苯酚和BPA的物理化學(xué)性質(zhì)存在一定差異，因此可以通過凝膠色譜、制備液相色譜或蒸餾法等除去樣品中的苯酚。

2.8 與其他電化學(xué)傳感器的比較

將本方法與其他傳感器方法進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。本傳感器具有較低的檢出限(0.1 nmol/L)，說明MIP/rGO@Pd/GCE具有很好的放大電信號的效果，能夠準(zhǔn)確靈敏地測定雙酚A的含量。

表1 不同電化學(xué)傳感器測定雙酚A的對比Table 1 Comparison of different electrochemical sensors for BPA determination

2.9 實(shí)際樣品的檢測

取不含BPA的空白自來水樣(肇慶市自來水公司生產(chǎn))，用稀鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)至中性，進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)水平為1.0、5.0、10.0 nmol/L，每個(gè)濃度平行測定3次。結(jié)果表明，空白水樣的加標(biāo)回收率為92.1%～108.0%，可見，雙酚A分子印跡電化學(xué)傳感器可用于實(shí)際樣品中雙酚A含量的測定。

3 結(jié) 論

本文制備了rGO@Pd修飾電極，并以此為工作電極制備BPA分子印跡傳感器用于實(shí)際樣品中BPA含量的檢測。該電極表現(xiàn)出良好的選擇性、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。在1.0～10.0 nmol/L濃度范圍內(nèi)，MIP/rGO@Pd/GCE對雙酚A表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)，該方法比文獻(xiàn)方法具有更低的檢出限。MIP/rGO@Pd/GCE已成功應(yīng)用于實(shí)際水樣中雙酚A的檢測，其在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有待于進(jìn)一步研究。