黃迪惠，陳錦陽，郭巧萍，林謙，葉瑞洪*

1. 福建技術(shù)師范學(xué)院，福建省-印尼海洋食品聯(lián)合研發(fā)中心，近海流域環(huán)境測控治理福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（福清 350300）；2. 福建師范大學(xué)（福州 350117）

壬基酚是一種環(huán)境激素，即使是微量也會對人體的健康和生殖功能產(chǎn)生很大的影響[1-5]?，F(xiàn)有研究顯示，壬基酚由于生物富集，對人體內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)會造成破壞作用，并且還具有一定的致癌性[6-7]，所以對食品中壬基酚進(jìn)行檢測具有重要意義。

在眾多的檢測手段中，電化學(xué)方法因其響應(yīng)迅速、選擇性好、靈敏度高、所需儀器價廉、操作簡便等而倍受青睞[8-9]。金屬有機(jī)骨架（MOF）具有可調(diào)整的微孔尺度、極大的表面積和較多的催化位置的特點(diǎn)，使得其在許多領(lǐng)域都得到了實(shí)用化的研究和發(fā)展[10-13]。最近幾個研究顯示，與散裝的同類產(chǎn)品相比，MOF納米顆粒能夠使得MOF的性能得到顯著提高，從而具有更高的催化活性[14]。雙金屬M(fèi)OF包含兩種不同的金屬離子[15]。由于其金屬離子的配比以及不同金屬離子間的協(xié)同效應(yīng)，故其催化活性、選擇性、穩(wěn)定性均優(yōu)于單金屬M(fèi)OF[16-18]。

由于MOF的導(dǎo)電性較差，rGO憑借自身具有更高的導(dǎo)電性能，作為一種獨(dú)特的導(dǎo)電添加劑出現(xiàn)在傳感器應(yīng)用中[19-20]。在rGO薄膜中加入活性材料可以充分利用其電化學(xué)活性，進(jìn)一步提高材料的電化學(xué)性能，使其在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有更好的傳輸質(zhì)量和更高的準(zhǔn)確度[21-22]。此次研究致力于開發(fā)簡單、靈敏的電化學(xué)傳感器（Ce-Zn-BTC@rGO），并將其應(yīng)用于食品相關(guān)方面的壬基酚的檢測。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

BSA224S電子分析天平（北京儀聯(lián)四?？萍加邢薰荆?；KQ-400E超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公公司）；CHI600E電化學(xué)工作站、CHI104（d=3 mm）玻碳電極（工作電極）、CHI150甘汞電極（參比電極）、CHI115鉑電極（對電極）：上海辰華儀器有限公司；pHS-3C pH計（上海三信有限公司）；DHG-9076A烘箱（上海昕儀儀器儀表有限公司）；BIO-DL（10～5 000 μL）真空干燥箱（賽默飛世爾科技有限公司）；HH-6恒溫水浴鍋（江蘇科析儀器有限公司）；UltimalV X射線衍射儀（XRD）（日本Rigaku科技有限公司）；Nova Nano SEM 230場發(fā)射掃描電子顯微鏡（美國捷克FEI公司）。

1.2 試驗(yàn)材料與試劑

rGO、壬基酚、全氟磺酸型聚合物（Nafion）、四溴雙酚A、對硝基苯酚、對特辛基苯酚、雙酚S（阿拉丁試劑公司）；硝酸亞鈰、硝酸鋅、H3BTC、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、無水乙醇、氯化鎂、氯化鉀、碳酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、檸檬酸、磷酸、硼酸、醋酸（國藥集團(tuán)）；鐵氰化鉀（北京化工廠）。

1.3 材料的制備

對文獻(xiàn)[7]中的方法進(jìn)行改進(jìn)，制備Ce-BTC。將10.0 mL DMF和20.0 mL無水乙醇超聲混合，加入0.10 mmol硝酸亞鈰和0.40 mmol H3BTC，經(jīng)過超聲分散40 min，獲得均勻白色溶液，轉(zhuǎn)移至50 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜，以5 ℃/min的速度加熱到120 ℃，隨后繼續(xù)反應(yīng)12 h，通過離心洗滌，在60 ℃恒溫真空干燥10 h，收集白色固體材料Ce-BTC。

按照上述的合成方法，制備Zn-BCT和Ce-Zn-BTC。如圖1所示，通過溶劑熱合成的方法，將鈰-鋅雙核金屬與1, 3, 5-苯三甲酸（H3BTC）有機(jī)配體組合成鈰-鋅雙金屬M(fèi)OF（Ce-Zn-BTC），再將Ce-Zn-BTC與rGO復(fù)合制備了一種用于玻碳電極（GCE）的改性材料，利用兩者優(yōu)良的協(xié)同效應(yīng)，將復(fù)合材料Ce-Zn-BTC@rGO用于實(shí)現(xiàn)快速、高效地檢測牛奶包裝中的壬基酚。

圖1 試驗(yàn)流程圖

將rGO與3種MOF按照一定的質(zhì)量比例溶解于蒸餾水后再超聲0.5 h，而后將材料移入高壓水熱釜中，放置于烘箱內(nèi)120 ℃恒溫加熱12 h。完成后把溶液進(jìn)行離心，除掉上清液留下沉淀，然后加入蒸餾水進(jìn)行洗濯。循環(huán)洗濯兩次后，將沉淀置于真空干燥箱中60 ℃干燥12 h以上，即得到Ce-BTC@rGO、Zn-BTC@rGO、Ce-Zn-BTC@rGO這3種復(fù)合材料。

取3種復(fù)合材料各1 mg，分別在5 mL的DMF中進(jìn)行溶解，同時添加的10 μL Nafion作為穩(wěn)定劑和抗干擾劑，超聲40 min后即可得3種混合均勻的修飾材料，備用。

1.4 用不同材料修飾電極

使用移液槍移取8 μL的復(fù)合材料滴涂在處理好的GCE上，再置于干燥箱50 ℃烘干0.5 h。需要多層滴涂，則在每一層干燥后才滴涂下一層。待懸濁液完全干燥后將其取出冷卻，方可進(jìn)行下一步的試驗(yàn)。

1.5 樣品的制備

從商店內(nèi)隨機(jī)采購瓶裝牛奶，制備樣本溶液。用pH 7的磷酸鹽緩沖溶液裝滿牛奶罐子，于70 ℃水浴12 h，即可得實(shí)際樣品檢測時所需要的樣本溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 可行性

2.1.1 材料的選擇

將Ce-BTC@rGO/GCE、Zn-BTC@rGO/GCE、Ce-Zn-BTC@rGO/GCE、rGO/GCE、GCE放置于用pH 7的PBS稀釋的0.1 mmol/L壬基酚標(biāo)準(zhǔn)溶液中，加上一組空白溶液作為對照，通過差分脈沖伏安法（DPV）檢驗(yàn)不同修飾材料的電化學(xué)性能，結(jié)果如圖2所示。

圖2 壬基酚對不同材料的循環(huán)伏安響應(yīng)

通過比較發(fā)現(xiàn)，在Ce-Zn-BTC@rGO/GCE上的峰電流最為突出，這說明復(fù)合材料Ce-Zn-BTC@rGO具有較多的催化位點(diǎn)和較高的導(dǎo)電率，所以選擇它作為試驗(yàn)所需要的改性材料。

2.1.2 電化學(xué)阻抗表征

試驗(yàn)采用電化學(xué)阻抗譜法（EIS）對改性材料進(jìn)行分析。如圖3所示，Ce-Zn-BTC@rGO/GCE曲線的直線部分?jǐn)?shù)值是圖中最大的，半圓弧度是最小的，表明在該電極上有大量的電荷轉(zhuǎn)移[23]，即復(fù)合材料Ce-Zn-BTC@rGO具有更多的活性點(diǎn)和較高的電荷轉(zhuǎn)移能力。所以，復(fù)合材料Ce-Zn-BTC@rGO的加入可以提高電極的導(dǎo)電性能和電荷轉(zhuǎn)移能力。

圖3 不同材料的電化學(xué)阻抗光譜圖

2.1.3 XRD

試驗(yàn)運(yùn)用X射線衍射儀（XRD）來分析不同MOF材料的純凈度和結(jié)晶度。如圖4所示，合成的雙金屬材料與單金屬M(fèi)OF的XRD圖譜在相同的角度之下具有相近的尖銳衍射峰。Ce-Zn-BTC所表現(xiàn)出來的峰型較寬，因?yàn)樗求w積較小且質(zhì)構(gòu)均勻的納米球形態(tài)[25]。對比Ce-Zn-BTC和Ce-Zn-BTC@rGO的XRD圖譜，兩個圖譜的結(jié)構(gòu)具有極高的相似性，表明rGO對Ce-Zn-BTC本身結(jié)構(gòu)的影響微乎其微。綜上所述，合成的MOF材料具有良好的結(jié)晶性和近似的晶體結(jié)構(gòu)，并且rGO對材料的晶體結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。

圖4 不同材料的X射線衍射圖

2.1.4 FESEM

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對合成的MOF材料進(jìn)行了表征。如圖5所示，合成的雙金屬M(fèi)OF使得Ce-BTC（A）與Zn-BTC（B）的孔洞特征相結(jié)合，Ce-Zn-BTC（C）呈現(xiàn)出均勻的納米球狀，相比單金屬M(fèi)OF，它擁有更好的吸附壬基酚的能力，從而提高傳感器的靈敏度[23]。觀察圖5（D），Ce-Zn-BTC納米顆粒均勻生長在rGO層間，表明rGO的功能是作為納米晶體生長的支撐和黏合劑，提高傳輸質(zhì)量和電荷輸送能力，使其在壬基酚檢測過程中表現(xiàn)優(yōu)異[24]。

圖5 電鏡圖

2.2 試驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 修飾層數(shù)的確定

電極表面修飾物劑量的不同，會影響試驗(yàn)結(jié)果。如圖6所示，滴涂三層Ce-Zn-BTC@rGO復(fù)合材料為最佳的修飾層數(shù)。

圖6 修飾層數(shù)對峰電流的影響

2.2.2 緩沖溶液的選擇

此外，在電極上存在著的溶液支撐電解質(zhì)體系對電極穩(wěn)定性和復(fù)合材料催化作用的影響，測定結(jié)果如圖7所示。在pH 7的情況下，試驗(yàn)所測3種緩沖溶液中，電極在PBS中的電化學(xué)響應(yīng)最為靈敏，峰形也較好，其次是三酸緩沖溶液（Acid 3，磷酸、硼酸和醋酸的混合溶液），最差的是檸檬酸緩沖溶液（SSC）。所以試驗(yàn)所采用的緩沖溶液為PBS。

圖7 不同緩沖溶液的電化學(xué)響應(yīng)

2.2.3 pH的影響

壬基酚的生物活性與pH息息相關(guān)，并且溶液的pH是影響電化學(xué)傳感器性能的重要因素之一[26]。為此，試驗(yàn)對不同pH的磷酸鹽緩沖溶液進(jìn)行了考察。

如圖8所示，試驗(yàn)的最佳方案是選擇pH 7.5的PBS。同時，由圖9可以看出，氧化峰電位與pH之間具有良好的線性關(guān)系，其線性方程為Y（V）=0.977 27-0.062 15X（R2=0.999 75）。

圖8 不同pH的電化學(xué)響應(yīng)

圖9 峰電位與pH的關(guān)系圖

方程的斜率值為0.062 15，接近于理論值（-0.059），表明在此改性電極上的反應(yīng)所涉及的質(zhì)子和電子的轉(zhuǎn)移數(shù)量相同[22]。

2.2.4 累積電位和累積時間的影響

有效富集有利于提高壬基酚在電極表面的吸附量，進(jìn)而提高檢測的靈敏度。從圖10（A）可以看出，0 V作為試驗(yàn)的最佳累積電位。從圖10（B）可以看出，100 s為試驗(yàn)的最優(yōu)累積時間參數(shù)。

圖10 累積電位（A）和累積時間（B）對壬基酚峰電流的影響

2.3 線性范圍及檢出限

在上述最佳條件下，采用DPV法測定并計算由Ce- Zn-BTC@rGO修飾的電極用于檢測壬基酚體系的工作曲線，如圖11所示。研究結(jié)果表明，在0.1～100 μmol/L的濃度范圍內(nèi)，由Ce-Zn-BTC@rGO修飾的電極氧化峰電流的數(shù)值與壬基酚的濃度之間存在著線性關(guān)系。如圖12所示，其線性方程為ΔI=1.221 2+0.979 2C（R2=0.999 8）。

圖11 峰電流強(qiáng)度與摩爾濃度之間的關(guān)系圖

圖12 峰電流與摩爾濃度之間的線性關(guān)系圖

分析數(shù)據(jù)可得，由Ce-Zn-BTC@rGO修飾電極的檢出限為0.06 μmol/L，且電極峰電流值與壬基酚的濃度之間線性關(guān)系良好，由此表明Ce-Zn-BTC@rGO能夠提高電極的性能和靈敏度，同時也對壬基酚起著有效的電化學(xué)催化作用。綜上，Ce-Zn-BTC@rGO在電化學(xué)工作中可以用于對壬基酚的檢驗(yàn)檢測。

2.4 抗干擾性

為了驗(yàn)證材料對壬基酚的檢測具有特異識別性，選取了幾種同為酚類的物質(zhì)作為干擾物進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果證明Ce-Zn-BTC@rGO具有一定的抗干擾能力，識別性高，能作為檢測壬基酚的較好的電極修飾材料。

表1 Ce-Zn-BTC@rGO對壬基酚的特異識別性

2.5 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

為了考察該體系的重現(xiàn)性，在最優(yōu)參數(shù)下平行制備了3支電極，對0.01 mmol/L的壬基酚進(jìn)行測定。

如表2所示，每一支電極在連續(xù)掃描5次后，氧化峰電流沒有發(fā)生較大改變，試驗(yàn)表明體系重現(xiàn)性良好。

表2 Ce-Zn-BTC@rGO測量壬基酚的穩(wěn)定性

在相同條件下制備5組電極，每組避光干燥保存不同時間（每組間隔12 h）后進(jìn)行穩(wěn)定性的測試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，每一組電極的平均峰電流值結(jié)果相近，說明Ce-Zn-BTC@rGO復(fù)合材料在常溫下具有較為良好的穩(wěn)定性。

2.6 加標(biāo)回收試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該方法是否能應(yīng)用到實(shí)際樣品中，對馬口鐵內(nèi)涂層材料遷移的壬基酚進(jìn)行了回收試驗(yàn)，再對其含量進(jìn)行加標(biāo)檢驗(yàn)測量。如表3所示，加標(biāo)樣品的回收率在84.5%～100.3%之間，是較為可觀的，并且加標(biāo)樣品回收量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.18%～0.33%之間，表明將此方法應(yīng)用于實(shí)際樣品中對于壬基酚的檢驗(yàn)檢測是切實(shí)可行的。

表3 壬基酚在實(shí)際樣中的回收試驗(yàn)

3 結(jié)論

試驗(yàn)制備Ce-Zn-BTC@rGO復(fù)合材料，對GCE進(jìn)行了改性，并將該電極作為檢驗(yàn)壬基酚的電化學(xué)傳感器。同時，采用DPV、CV和EIS對壬基酚在該電極上的電催化行為進(jìn)行了探究。與Ce-BTC@rGO、Zn-BTC@rGO這兩種材料相比，Ce-Zn-BTC@rGO對壬基酚在電極上的吸附和電催化氧化活性有更好的改善作用，從而使得峰型更好、峰電流大大提高。試驗(yàn)測得壬基酚在經(jīng)由復(fù)合材料Ce-Zn-BTC@rGO修飾電極上的檢出限為0.06 μmol/L，在優(yōu)化條件下，此改性電極在0.1～100 μmol/L的濃度范圍內(nèi)，峰電流的數(shù)值與壬基酚的濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，加之有較低的檢出限和較高的靈敏度，表明由Ce-Zn-BTC@rGO修飾的電極可以成功地應(yīng)用于實(shí)際樣品的檢測。