龍 娟， 胡成國

(生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點實驗室，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

作為一種重要的有機化工原料，雙酚A(BPA)在諸如塑料水瓶、食品包裝、熱敏紙等日常用品中都有廣泛的應(yīng)用。同時，BPA又是一種內(nèi)分泌干擾物，對生物體內(nèi)分泌系統(tǒng)會產(chǎn)生不利影響，長期暴露于BPA環(huán)境中對人體健康有著潛在的威脅[1 - 2]。目前，BPA的檢測方法主要有高效液相色譜法[3]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[4]、氣相色譜-質(zhì)譜法[5]、熒光法[6]、電化學(xué)傳感法[7]。其中，電化學(xué)分析方法因具有儀器設(shè)備簡單、易于微型化、分析速度快、靈敏度高等優(yōu)點，對于電活性物質(zhì)BPA的快速檢測有更好的應(yīng)用前景。

在使用電化學(xué)傳感器檢測BPA的過程中，由于其氧化產(chǎn)物易在電極表面形成聚合膜，導(dǎo)致電極表面的污染和鈍化，從而影響傳感器的可重復(fù)使用性。針對BPA檢測過程中電極的鈍化問題，常用的解決方法包括：對鈍化電極表面進行物理打磨[8]、在緩沖溶液中通過循環(huán)伏安法進行表面清洗[9 - 10]或者重新制備電極[11]。這些方法有的更新過程比較繁瑣，有的難以實現(xiàn)電極表面的完全更新，對電極的檢測靈敏度、可重復(fù)使用性和檢測成本都有一定影響。因此，發(fā)展表面可快速更新、能重復(fù)使用的新型電極的制備技術(shù)，對于解決電化學(xué)傳感器的鈍化問題、降低檢測成本具有重要意義。而末端可裁切薄膜電極的工作模式為克服電化學(xué)傳感器的污染和鈍化問題提供了一種新的思路[12]。

本研究先通過真空抽濾方法獲得均勻致密的碳納米管導(dǎo)電薄膜[13]，再用聚二甲基硅氧烷(PDMS)對其進行封閉處理，得到表面及內(nèi)部均被PDMS封閉的柔性碳納米管薄膜，將薄膜裁切端面作為電化學(xué)傳感界面，制備了一種可裁切型電化學(xué)傳感器，通過陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的協(xié)同增敏作用[14]，實現(xiàn)了BPA的快速靈敏檢測。通過對電極末端的簡單重復(fù)裁切，即可實現(xiàn)電極表面的快速更新和單個電極的多次重復(fù)使用，有效克服了電極表面污染和鈍化問題。該電化學(xué)傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，對BPA的響應(yīng)快速、檢出限低，能用于熱敏紙樣品中BPA的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電化學(xué)測試在CHI1040B電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)上進行，采用三電極系統(tǒng)：包括PDMS-MWCNTs工作電極、鉑絲對電極和飽和甘汞(SCE)參比電極。掃描電鏡(SEM)圖在SIGMA 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國，Zeiss)上獲得。

多壁碳納米管(MWCNTs，純度>95%,管徑10～20 nm)購自中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司。BPA和Triton X-100購自百靈威科技有限公司?；旌侠w維素脂濾膜(孔徑0.22 μm)和聚偏氟乙烯微孔濾膜(孔徑0.22 μm)購自上海新亞凈化材料廠。十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、對苯二酚、鄰苯二酚、對硝基苯酚、鄰氨基苯酚、對乙酰氨基酚和苯酚，均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。PDMS RTV 615為美國Momentive公司生產(chǎn)。BPA用無水乙醇配制成0.01 mol/L的儲備液，置于4 ℃下保存。磷酸鹽緩沖溶液(PBS,0.1 mol/L)由Na2HPO4和NaH2PO4按一定體積比混合制備，用1 mol/L HCl或NaOH溶液調(diào)節(jié)至所需pH值。所有試劑均為分析純。所有水溶液均使用18.2 MΩ·cm的超純水配制。

1.2 PDMS-MWCNTs柔性薄膜的制備

MWCNTs薄膜的制備過程如下：將125 mg MWCNTs在5 mmol/L SDS溶液中超聲分散2 h，溶液靜置48 h后，收集上層均勻黑色溶液。取一定體積的MWCNTs分散液，采用真空抽濾方式在混合纖維素脂濾膜表面形成致密均勻的碳納米管膜，用大量超純水洗去多余的SDS，將得到的碳納米管薄膜置于60 ℃烘箱干燥2 h。將PDMS單體與交聯(lián)劑按10∶1的質(zhì)量比充分混合，待PDMS中氣泡完全消除后，均勻平鋪在PET塑料基底上，將抽濾有MWCNTs的薄膜面浸潤在PDMS中，80 ℃烘箱中固化3 h后，MWCNTs與PDMS形成新的復(fù)合薄膜，并能從混合纖維素脂濾膜上完整剝離，得到由PDMS和MWCNTs所組成的一面絕緣封閉、另一面導(dǎo)電的柔性薄膜。

1.3 可裁切PDMS-MWCNTs柔性薄膜電極的制備

將制備的PDMS-MWCNTs柔性薄膜裁成4×8 mm的條狀，在導(dǎo)電面的一側(cè)用導(dǎo)電銀膠粘接銅導(dǎo)線，待導(dǎo)電銀膠干燥后，用PDMS將裸露的導(dǎo)電銀膠部分及薄膜的整個導(dǎo)電面和四周進行絕緣封閉，于溫度80 ℃固化3 h后，得到表面完全絕緣封閉的PDMS-MWCNTs柔性薄膜電極。通過裁切薄膜末端，得到由碳納米管和PDMS所組成的導(dǎo)電端面，將其作為檢測電極，用于電化學(xué)測試。

1.4 電化學(xué)分析過程

將5.0 mL PBS(0.1 mol/L，pH=7.0) 加入到10.0 mL電解池中，于攪拌條件下，先后加入一定體積的CTAB和BPA的儲備液，待溶液混合均勻后，插入三電極，采用循環(huán)伏安法(CV)研究BPA在端面電極表面的電化學(xué)響應(yīng)行為，使用微分脈沖伏安法(DPV)優(yōu)化實驗條件，考察所制備的電化學(xué)傳感器對BPA的檢測靈敏度、線性范圍和檢測限。

2 結(jié)果與討論

圖1 MWCNTs薄膜(A、B)和PDMS-MWCNTs復(fù)合膜(C、D)的表面及端面掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM images of the surface(A) and cross section(B,C and D) of the MWCNTs film(A,B) and the PDMS-MWCNTs composite film(C,D)

2.1 PDMS-MWCNTs柔性薄膜電極的掃描電鏡表征

圖1是MWCNTs和PDMS-MWCNTs薄膜的正面及端面的掃描電鏡(SEM)圖。由圖1A、1B可知，通過真空抽濾的方法可以得到致密、均勻的碳納米管導(dǎo)電薄膜。由圖1C、1D可以看出，在制備過程中，未固化前的液態(tài)PDMS具有良好的流動性和浸潤性，能在碳納米管薄膜中均勻填充，從而在固化后與碳納米管形成致密均勻的復(fù)合薄膜(PDMS-MWCNTs)。這一方面使得碳納米管層與層之間的排列更為緊密，另一方面也增強了電極的柔韌性，保證了端面裁切操作的可行性和重現(xiàn)性。

2.2 PDMS-MWCNTs電極在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的電化學(xué)行為

圖2 PDMS-MWCNTs電極在0.1 mol/L PBS(a)和5.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-(b)中的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of the PDMS-MWCNTs electrode in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0)(a) and 0.1 mol/L KCl containing 5.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-(1∶1)(b) at a scan rate of 50 mV/s(Inset shows the amplified voltammograms of the electrode in 0.1 mol/L PBS)

圖2為PDMS-MWCNTs電極在0.1 mol/L PBS(圖2a)和5.0 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液(圖2b)中的循環(huán)伏安圖。可以看出，所制備的PDMS-MWCNTs端面電極具有較好的電化學(xué)行為，即在空白緩沖溶液中具有較小的背景和較平的基線。同時，該電極在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中得到近似S形的伏安曲線，說明所制備的端面電極具備微電極的性質(zhì)。

2.3 BPA在PDMS-MWCNTs電極上的電化學(xué)行為

圖3是5.0×10-5mol/L BPA在PDMS-MWCNTs電極上的循環(huán)伏安行為。在該電極上，BPA只在0.51 V處出現(xiàn)一個明顯的氧化峰，表明BPA在電極上的反應(yīng)過程是一個不可逆的氧化過程?？梢钥闯觯S著循環(huán)伏安掃描次數(shù)的增加，BPA的氧化峰在第二圈時就完全消失(圖3A)，說明在BPA的檢測過程中，由于氧化產(chǎn)物在電極表面的沉積，對電極造成了嚴(yán)重的鈍化效應(yīng)，這一現(xiàn)象與文獻報道[15 - 16]相符。因此，在BPA的連續(xù)檢測過程中，需要對電極表面進行更新。對于PDMS-MWCNTs電極而言，通過簡單的末端切除方式可實現(xiàn)電極表面的快速更新和單支電極的多次重復(fù)使用。由圖3B可以看出，將PDMS-MWCNTs電極連續(xù)裁切三次后對同一濃度BPA進行測定，其氧化信號幾乎無變化，說明該末端裁切方式也具有較好的重現(xiàn)性。

圖3 BPA在PDMS-MWCNTs電極上的循環(huán)伏安圖Fig.3 (A) Multiple cyclic voltammograms of the PDMS-MWCNTs electrode in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) containing 5.0×10-5 mol/L BPA at a scan rate of 50 mV/s;(B) Cyclic voltammograms for triple measurements of BPA by cutting the fouled electrode surface.Inset shows the photos of PDMS-MWCNTs electrode before and after cutting

2.4 表面活性劑對BPA電化學(xué)行為的影響

通過微分脈沖伏安法研究了不同類型表面活性劑的加入對BPA在PDMS-MWCNTs電極上電化學(xué)行為的影響(圖4)?？梢钥闯?，表面活性劑的加入能在一定程度上增強BPA的氧化峰電流，并且CTAB的增敏作用最為明顯。由于CTAB通過疏水作用吸附在電極表面形成帶正電荷的膜，有效增強了帶負(fù)電荷的BPA在電極表面的吸附富集，因而對BPA的檢測靈敏度有極大的提高?？疾炝薈TAB濃度對BPA氧化電流的影響，在1.0×10-6～1.0×10-4mol/L濃度范圍內(nèi)，隨著CTAB濃度的增加，BPA的氧化峰電流不斷增加，然而背景電流也在增加。因此，使用高濃度CTAB不利于低濃度BPA的檢測，兼顧靈敏度和檢出限，CTAB的優(yōu)化濃度選擇為1.0×10-5mol/L。

2.5 緩沖溶液pH值對BPA電化學(xué)行為的影響

在1.0×10-5mol/L CTAB 存在下，采用微分脈沖伏安法考察了pH值對1.0×10-6mol/L BPA電化學(xué)行為的影響(圖5)。實驗結(jié)果表明，在pH=5.0～9.0范圍內(nèi)，BPA的氧化電流隨pH值的增加先增大后減小，并在pH=7.0時峰電流達到最大。因此，選擇pH=7.0的PBS作為BPA的檢測溶液。同時，研究了BPA的氧化峰電位與pH的關(guān)系，pH值從5.0到9.0的變化過程中，BPA的氧化峰電位(Ep)不斷向負(fù)方向移動，與pH滿足如下線性關(guān)系：Ep(V)=-0.056pH+0.867(R=0.998)。其線性回歸方程斜率值為-56 mV/pH，與能斯特方程理論值-57.6 mV/pH非常接近，表明相同數(shù)量的電子和質(zhì)子參與到BPA的電化學(xué)氧化過程中[16 - 18]。

圖4 BPA在含有不同表面活性劑的PBS中的微分脈沖伏安圖Fig.4 Differential pulse voltammograms of 1.0×10-6 mol/L BPA at the PDMS-MWCNTs electrode in the absence(a) and presence of 1.0×10-5 mol/L various surfactants(b,SDS;c,Triton X-100;d,CTAB)

圖5 表面活性劑CTAB存在下不同pH時BPA的微分脈沖伏安圖Fig.5 Differential pulse voltammograms of 1.0×10-6 mol/L BPA at the PDMS-MWCNTs electrode in 0.1 mol/L PBS(under different pH values:5.0,6.0,7.0,8.0,9.0) in the presence of 1.0×10-5 mol/L CTAB

2.6 BPA電化學(xué)傳感器的分析性能

2.6.1線性范圍和檢測限在優(yōu)化實驗條件下，采用微分脈沖伏安法研究了所制備的電化學(xué)傳感器對BPA的分析檢測性能(圖6)。結(jié)果表明，BPA的氧化峰電流(Ip)與其濃度(cBPA)在0.05～0.5 μmol/L和0.5～12 μmol/L之間呈良好的線性關(guān)系，回歸方程分別為：Ip(nA)=3.337cBPA(μmol/L)+0.0344(R=0.996)和Ip(nA)=1.848cBPA(μmol/L)+0.9132(R=0.998)，檢測限為50 nmol/L。

圖6 (A)不同濃度BPA的微分脈沖伏安圖;(B)工作曲線Fig.6 (A) Differential pulse voltammograms for the PDMS-MWCNTs electrode in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) containing BPA(a-m correspond to 0,0.05,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,2.5,5,8,10 and 12 μmol/L) in the presence of 1.0×10-5 mol/L CTAB;(B) Calibration curves of BPA in the range of 0.05-0.5 μmol/L and 0.5-12 μmol/L(Inset shows the enlarged calibration plot at low concentrations.Error bars represent the standard deviation of triple measurements)

2.6.2重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和抗干擾能力用同一支電極對1.0×10-5mol/L BPA進行13次連續(xù)裁切檢測，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.4%(圖7)，同一條件下制備的8支電極對1.0×10-5mol/L BPA平行測量的RSD為5.2%，表明所制備的電極具有較好的重現(xiàn)性。將在1.0×10-6mol/L BPA中測定過的PDMS-MWCNTs電極置于室溫下避光保存一個月，再次對末端進行裁切，測定同一濃度BPA，其響應(yīng)信號變化在5%以內(nèi)，說明所制備的電極具有很好的穩(wěn)定性。

考察了常見酚類物質(zhì)對BPA檢測的干擾(圖8)。實驗結(jié)果表明，20倍的鄰苯二酚、對苯二酚、對硝基苯酚和鄰氨基苯酚、5倍的對乙酰氨基酚和同濃度的苯酚對1.0×10-6mol/L BPA的測定干擾較小(氧化峰電流變化在7%以內(nèi))。

圖7 單個電極重復(fù)裁切13次檢測1.0×10-5 mol/L BPA的微分脈沖伏安圖Fig.7 Defferential pulse voltammograms responses of 1.0×10-5 mol/L BPA in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) containing 1.0×10-5 mol/L CTAB at a single PDMS-MWCNTs electrode for thirteen measurements renewed by slicing

圖8 不同酚類物質(zhì)對BPA檢測的影響Fig.8 Effect of other phenols on the detection of 1.0×10-6 mol/L BPA in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) containing 1.0×10-5 mol/L CTAB.a. 1.0×10-6 mol/L BPA,b.a+2.0×10-5 mol/L catechol,c.a+2.0×10-5 mol/L hydroquinone,d.a+2.0×10-5 mol/L p-nitrophenol,e.a+2.0×10-5 mol/L o-aminophenol,f.a+5.0×10-6 mol/L paracetamol,g.a+1.0×10-6 mol/L phenol.Error bars represent the standard deviation of triple measurements.

2.7 實際樣品的檢測

將收集到的超市購物小票剪成細小的屑片，稱取400 mg碎紙屑于10 mL燒杯中，加入4 mL乙醇超聲提取1 h，避光放置12 h后，用0.22 μm聚偏氟乙烯微孔濾膜過濾，分別收集濾液，用乙醇定容至10 mL作為待測樣品。在優(yōu)化實驗條件下，將制備的PDMS-MWCNTs電極用于3種小票樣品中BPA含量的測定，計算加標(biāo)回收率(表1)。結(jié)果表明，該電極對實際樣品的加標(biāo)回收率在95%～105%之間，表明該方法對實際樣品具有較好的分析性能。

表1 不同類型超市購物小票中BPA的電化學(xué)測定(n=3)

3 結(jié)論

本文制備出一種可裁切的PDMS 基柔性碳納米管薄膜電極，并基于表面活性劑CTAB的增敏作用，構(gòu)建了新型的BPA電化學(xué)傳感器。通過對電極末端的裁切實現(xiàn)了電極表面的快速更新和單個電極的多次重復(fù)使用，有效克服了電極污染和鈍化對傳感器分析性能的影響。該傳感器成本低、制備過程簡單，對BPA具有良好的電化學(xué)響應(yīng)，其氧化峰電流與BPA濃度在0.05～0.5 μmol/L和 0.5～12 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，對實際樣品的測定回收率在95%～105%之間。