羌 越，陳 璐，張 靜

(常州大學(xué) 石油化工學(xué)院 食品學(xué)院,常州 213164)

雙酚A[2,2-雙(4-羥基苯基)丙烷,BPA]作為一種有機(jī)單體,可廣泛用于制造環(huán)氧樹脂,聚碳酸酯和聚苯乙烯樹脂等材料,常見于嬰兒奶瓶、食品和飲料容器以及熱敏紙等物品中,在使用過程中,BPA可能從這些塑料包裝遷移到食物中。BPA 是一種對人體有毒害作用的材料,不僅會影響機(jī)體的內(nèi)分泌系統(tǒng),還會增加患癌風(fēng)險[1-2]。因此,開發(fā)一種簡便、高靈敏、可有效測定BPA 含量的方法對于人類健康事業(yè)刻不容緩。

電化學(xué)法是一種能夠較好地測定BPA 含量的方法,具有操作簡便、費用低、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、線性范圍寬等優(yōu)點,其關(guān)鍵步驟是化學(xué)修飾電極的制備。目前,已經(jīng)有大量的新型功能性材料,如離子液體、氧化物納米材料、碳納米材料、貴金屬納米材料以及納米復(fù)合材料等,可用于制備化學(xué)修飾電極[3-9]。其中,金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)是由無機(jī)中心離子與有機(jī)配體通過配位鍵自組裝形成的材料,其性能優(yōu)異,已應(yīng)用于多種領(lǐng)域[10-11]。當(dāng)MOFs材料作為載體和催化劑修飾電極時,可用于檢測8-羥基脫氧鳥苷[12]、重金屬離子[13]、過氧化氫[14]等。本工作合成了一種具有木柴狀納米棒結(jié)構(gòu)的鈰-金屬有機(jī)骨架材料(Ce-MOFs),通過靜電吸附作用將陽離子聚合物聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)修飾的碳量子點(CDs)負(fù)載于Ce-MOFs上得到PDDA-CDs/Ce-MOFs復(fù)合物,將復(fù)合物滴涂在玻碳電極(GCE)表面構(gòu)建了基于PDDA-CDs/Ce-MOFs的修飾電極(PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE)用于牛奶樣品中BPA 含量測定的電化學(xué)方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI 660E 型電化學(xué)工作站;DF-101S 型水浴鍋;RE-201DRE-501型離心機(jī);TG16-WS型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;JEM-2100 型透射電子顯微鏡(TEM);SUPRA 55型掃描電子顯微鏡(SEM);玻碳電極(直徑3 mm)。

三電極體系:工作電極為PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE,對電極為鉑絲電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。

磷酸鹽緩沖溶液:用磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉配制0.1 mol·L－1的磷酸鹽緩沖溶液,pH 為7.0,用作支持電解質(zhì)。

BPA、六水合硝酸鈰、1,3,5-均苯三甲酸、乙醇、PDDA、乙二胺、檸檬酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氫氧化鈉、一氯代乙酸、鹽酸等試劑均為分析純;試驗用水為超純水;6種牛奶樣品均采購自當(dāng)?shù)爻小?/p>

1.2 儀器工作條件

1)富集條件 富集時間150 s,富集電位0.3 V。

2)差示脈沖伏安條件 掃描電位0.1～0.9 V,脈沖振幅50 m V,脈沖寬度50 ms。

1.3 試驗方法

1.3.1 Ce-MOFs的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[15]合成Ce-MOFs,具體方法為:稱取0.105 g 1,3,5-均苯三甲酸溶解在50%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液5 mL中,配制成0.1 mol·L－11,3,5-均苯三甲酸溶液。稱取0.217 g六水合硝酸鈰溶解在5 mL水中,配制成0.1 mol·L－1六水合硝酸鈰溶液。在劇烈攪拌條件下,將六水合硝酸鈰溶液逐滴加入到1,3,5-均苯三甲酸溶液中,并在60 ℃的水浴中靜置1 h。反應(yīng)完成后,以10 000 r·min－1轉(zhuǎn)速離心10 min,所得白色沉淀用水洗滌3次,然后在60 ℃下干燥,即得Ce-MOFs,備用。

1.3.2 PDDA-CDs的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[16]合成PDDA-CDs,具體方法為:將2.5 g檸檬酸和1.5 mL 乙二胺溶解在25 mL 水中,充分?jǐn)嚢杌旌?將混合溶液轉(zhuǎn)移到50 mL 聚四氟乙烯襯里的高壓釜中,在150℃下反應(yīng)6 h。將得到的淡黃色產(chǎn)物置于透析袋中,用水透析,2 h換一次水,共透析12次。透析完成后,將溶液旋蒸至近干,加丙酮進(jìn)行沉淀,并用乙醇洗滌沉淀3 次,在60 ℃下干燥成粉末。將2.5 g氫氧化鈉和2.5 g一氯代乙酸溶解于50 mL 水中,加入50 mg 上述粉末,在25 ℃水浴中超聲3 h后,用0.1 mol·L－1鹽酸溶液調(diào)節(jié)其pH 至7,用透析袋透析12 h,將溶液旋蒸至原體積一半,即可得到目標(biāo)CDs 溶液(2.0 g·L－1)。將2.0 mg PDDA 分散在1 mL 0.1 mol·L－1氯化鈉溶液中,得到2.0 g·L－1PDDA 溶液。將PDDA 溶液0.5 mL和2.0 g·L－1CDs溶液0.5 mL 攪拌混合,即可得到初始質(zhì)量濃度為2.0 g·L－1的PDDA-CDs溶液。

1.3.3 PDDA-CDs/Ce-MOFs的制備

稱取2.0 mg Ce-MOFs均勻分散在1.0 mL 水中,得到Ce-MOFs溶液的初始質(zhì)量濃度為2.0 g·L－1。加入1.0 mL的2.0 g·L－1PDDA-CDs溶液,室溫下超聲混合1 h,使PDDA-CDs通過靜電吸附作用負(fù)載在Ce-MOFs表面,以8 000 r·min－1的轉(zhuǎn)速離心10 min后,用水洗滌沉淀物數(shù)次,將其分散于水中。

1.3.4 修飾電極的制備

依次用0.3μm 和0.05μm 氧化鋁漿料拋光GCE,用水沖洗干凈后,依次在50%(體積分?jǐn)?shù))硝酸溶液、丙酮和水中超聲處理,在室溫下自然晾干。滴加2.0 g·L－1PDDA-CDs/Ce-MOFs 懸浮液4μL于處理好的電極表面,在室溫下自然晾干,得到PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE。同法制備 Ce-MOFs/GCE和PDDA-CDs/GCE。

1.4 樣品的測試

在20 mL支持電解質(zhì)磷酸鹽緩沖溶液中滴加5 mL牛奶樣品,超聲15 min,振蕩15 min,以10 000 r·min－1轉(zhuǎn)速離心20 min,吸取1 mL 中層的乳清溶液于25 mL容量瓶中,用磷酸鹽緩沖溶液稀釋至刻度,分取20 mL 溶液至25 mL 燒杯中,根據(jù)儀器工作條件,先對其中的BPA 進(jìn)行富集,平衡30 s后,采用差示脈沖伏安法對BPA 含量進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾材料的形貌表征

對修飾材料進(jìn)行了TEM 和SEM 表征,結(jié)果見圖1。

由圖1(a)可以看出:PDDA-CDs為球形,粒徑約為3 nm,分散性較好;由圖1(b)和圖1(c)可以看出,Ce-MOFs為較均勻的木柴狀納米棒結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的比表面積較大,有利于納米粒子和分析物的吸附;由圖1(d)可以看出,PDDA-CDs已均勻吸附在Ce-MOFs的表面,表明合成的PDDA-CDs/Ce-MOFs具有很好的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2.2 BPA在修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)

試驗分別采用GCE、PDDA-CDs/GCE、Ce-MOFs/GCE、PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE 富 集5.0μmol·L－1BPA 標(biāo)準(zhǔn)溶液后,對其進(jìn)行差分脈沖伏安測試,以考察不同電極對BPA 電化學(xué)響應(yīng)的效果(分別對應(yīng)圖2曲線1,2,3,4),對照組考察了不富集BPA 時PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE的電化學(xué)行為(曲線5),響應(yīng)結(jié)果見圖2。

圖1 修飾材料的TEM 和SEM 圖Fig.1 TEM and SEM images of modified materials

圖2 不同修飾電極對BPA 及對照組的電化學(xué)響應(yīng)Fig.2 Electrochemical response of the different modified electrodes to BPA and control group

由圖2可知:BPA 在GCE 上具有微弱的電化學(xué)響應(yīng),在0.53 V 左右出現(xiàn)一個小而穩(wěn)定的氧化峰,峰電流約為0.12μA,這是由BPA 中的羥基氧化成醌所致(曲線1);在PDDA-CDs/GCE 上,電化學(xué)響應(yīng)略微提高,峰電流約為0.28μA,表明PDDACDs對BPA 的氧化有一定的催化作用(曲線2);在Ce-MOFs/GCE上,峰電流是GCE 的20倍,這可歸因于Ce-MOFs優(yōu)良的電催化性能和較大的比表面積(曲線3);PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE對BPA 電化學(xué)響應(yīng)最好,峰電流約為GCE的25倍,這可歸因于PDDA-CDs和Ce-MOFs之間的良好的協(xié)同作用(曲線4);而未富集BPA 的PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE的空白電流較小,沒有出現(xiàn)明顯的BPA 氧化峰,說明該修飾電極具有較小的背景電流和較低的干擾(曲線5)。

綜上所述,PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE 對于BPA 有較高的電化學(xué)響應(yīng),能夠顯著提高GCE 對BPA 電化學(xué)催化能力。

2.3 修飾電極制備條件的選擇

2.3.1 PDDA-CDs溶液的初始質(zhì)量濃度

試驗考察了PDDA-CDs溶液質(zhì)量濃度為1.0～3.0 g·L－1時制備的PDDA-CDs/CE-MOFs/GCE對BPA 電化學(xué)響應(yīng)效果的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 PDDA-CDs溶液的初始質(zhì)量濃度對峰電流的影響Fig.3 Effect of initial mass concentration of PDDA-CDs solution on peak current

由圖3可知:當(dāng)PDDA-CDs溶液初始質(zhì)量濃度為1.0～2.0 g·L－1時,BPA 的氧化峰電流呈上升趨勢:而當(dāng)PDDA-CDs溶液的初始質(zhì)量濃度進(jìn)一步增大時,響應(yīng)電流下降。這可能是因為PDDA-CDs溶液的初始質(zhì)量濃度增加至2.0 g·L－1時,電化學(xué)位點較多,促進(jìn)了BPA 的氧化;而當(dāng)其質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加時,會使BPA 和電極表面之間的電子交換受阻。綜上,試驗選擇PDDA-CDs溶液的初始質(zhì)量濃度為2.0 g·L－1。

2.3.2 Ce-MOFs溶液的初始質(zhì)量濃度

試驗考察了Ce-MOFs溶液的初始質(zhì)量濃度為1.0～3.0 g·L－1時制備的PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE對BPA 電化學(xué)響應(yīng)效果的影響,結(jié)果見圖4。

圖4 Ce-MOFs溶液的初始質(zhì)量濃度對峰電流的影響Fig.4 Effect of initial mass concentration of Ce-MOFs solution on peak current

由圖4 可知:當(dāng)Ce-MOFs溶液的初始質(zhì)量濃度為1.0～2.0 g·L－1,修飾電極對BPA 的響應(yīng)電流逐漸增加;而當(dāng)Ce-MOFs溶液的初始質(zhì)量濃度進(jìn)一步增大時,響應(yīng)電流逐漸降低。這可能是由于較高初始質(zhì)量濃度的Ce-MOFs溶液阻止了BPA和電極表面之間的電子交換。因此,試驗選擇2.0 g·L－1Ce-MOFs 溶液制備PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE。

2.3.3 PDDA-CDs/Ce-MOFs懸浮液用量

試驗考察了PDDA-CDs/Ce-MOFs懸浮液用量為2～6μL時制備的修飾電極對BPA 電化學(xué)響應(yīng)效果的影響,結(jié)果見圖5。

圖5 PDDA-CDs/Ce-MOFs懸浮液用量對峰電流的影響Fig.5 Effect of amount of PDDA-CDs/Ce-MOFs suspension on peak current

由圖5可知:當(dāng)PDDA-CDs/Ce-MOFs懸浮液用量為4μL時,BPA 的氧化峰電流最大;而當(dāng)其用量進(jìn)一步增大時,修飾電極對BPA 的響應(yīng)電流下降,這可能因為過量的PDDA-CDs/Ce-MOFs會在GCE表面形成較厚的修飾膜,阻礙了BPA 和電極表面的電子交換,進(jìn)而影響到修飾電極的催化性能。所以,試驗選擇用4μL PDDA-CDs/Ce-MOFs懸浮液制備修飾電極。

2.4 儀器工作條件的選擇

2.4.1 富集時間

由于富集時間會影響修飾電極的靈敏度,試驗考察了富集時間為30～210 s時PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE對BPA 電化學(xué)響應(yīng)效果的影響,結(jié)果見圖6。

由圖6可知:當(dāng)富集時間為150 s時,響應(yīng)電流達(dá)到最大;繼續(xù)延長富集時間,響應(yīng)電流變化不大,說明修飾電極吸附的BPA 已趨于飽和。因此,試驗選擇的富集時間為150 s。

2.4.2 富集電位

試驗考察了富集電位為0～0.4 V 時PDDACDs/Ce-MOFs/GCE對BPA 電化學(xué)響應(yīng)效果的影響,結(jié)果見圖7。

圖7 富集電位對峰電流的影響Fig.7 Effect of enrichment potential on peak current

由圖7可知:氧化峰電流在富集電位為0.3 V時達(dá)到最大;進(jìn)一步增大富集電位,響應(yīng)電流下降。因此,試驗選擇富集電位為0.3 V。

2.4.3 支持電解質(zhì)酸度

支持電解質(zhì)的酸度對BPA 的氧化電流影響較大,試驗考察了支持電解質(zhì)pH 為5.0～9.0 時,PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE 對BPA 電化學(xué)響應(yīng)效果的影響,結(jié)果見圖8。

由圖8可知:當(dāng)支持電解質(zhì)的pH 為7.0時,氧化峰電流達(dá)到了最大值;pH 繼續(xù)增加,峰電流開始下降。這可能是由于BPA 的pKa為9.73,當(dāng)pH為7.0時,BPA 以未解離的疏水性分子形態(tài)存在,能夠有效富集在修飾電極表面,局部濃度提高,從而提高修飾電極對其的響應(yīng)靈敏度。因此,試驗選擇pH 7.0的0.1 mol·L－1磷酸鹽緩沖溶液作為支持電解質(zhì)。此外,試驗還考察了支持電解質(zhì)酸度對于BPA 氧化峰電位的影響,結(jié)果見圖9。

由圖9可知:BPA 氧化峰電位隨著pH 的增大向負(fù)電位方向發(fā)生偏移,兩者之間呈線性關(guān)系,線性回歸方程為Epa＝－0.060 70 pH＋0.944 0,相關(guān)系數(shù)為0.997 2,斜率(60.7 m V/pH)非常接近理論值(59 m V/pH),說明在修飾電極上發(fā)生的BPA 氧化是等量的電子與質(zhì)子參與的過程。

圖9 支持電解質(zhì)酸度對峰電位的影響Fig.9 Effect of acidity of supporting electrolyte on peak potential

2.5 掃描速率的影響

為了進(jìn)一步了解修飾電極的電化學(xué)行為,試驗采用循環(huán)伏安法考察了在掃描速率為50～200 m V·s－1時,PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE 對5.0μmol·L－1BPA 溶液的電化學(xué)響應(yīng),結(jié)果見圖10。

圖10 掃描速率對BPA 電化學(xué)行為的影響Fig.10 Effect of scanning rate on electrochemical behavior of BPA

由圖10可知:隨著掃描速率從50 m V·s－1增加到200 m V·s－1,氧化峰電流逐漸增加,且兩者呈很好的線性關(guān)系,線性回歸方程為Ipa＝0.038 00ν＋0.378 0,相關(guān)系數(shù)為0.998 3,說明BPA在修飾電極上的氧化過程是一個典型的吸附控制過程,同時說明該修飾電極可以很好催化氧化BPA;BPA 氧化峰電位隨著掃速的增大,向正電位方向偏移,且氧化峰電位與掃描速率的自然對數(shù)(lnν)之間呈線性關(guān)系,線性回歸方程為Epa＝0.028 80 lnν＋0.452 0,相關(guān)系數(shù)為0.999 5,依據(jù)能斯特方程公式(1):

式中:E0為BPA 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位;k s為標(biāo)準(zhǔn)速率常數(shù);n為電子轉(zhuǎn)移數(shù);ν是掃描速率;T是熱力學(xué)溫度(298 K);R為氣體常數(shù)(8.314 J·Kmol－1);F為法拉第常數(shù)(96 485 C·mol－1);α是轉(zhuǎn)移速率常數(shù),無量綱,對于不可逆的反應(yīng),α通常取0.5。

根據(jù)氧化峰電位與掃描速率的線性方程中的斜率可以求出公式(1)中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n為1.84,表明BPA 在修飾電極上的電催化氧化過程是兩個電子和兩個質(zhì)子參與轉(zhuǎn)移的過程,這與文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[17]的報道結(jié)果一致。

2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按照儀器工作條件對0.01～50μmol·L－1的BPA 標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測定,以BPA 的濃度為橫坐標(biāo),其對應(yīng)的氧化峰電流為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示:BPA 的濃度與其對應(yīng)的氧化峰電流分別在0.01～5.0μmol·L－1和5.0～50μmol·L－1內(nèi)呈線性關(guān)系,線性回歸方程分別為y＝0.748 0x＋0.149 9和y＝0.088 30x＋3.339,相關(guān)系數(shù)分別為0.998 7,0.998 3。

以3倍的信噪比(S/N)計算檢出限(3S/N),所得結(jié)果為2.2 nmol·L－1。

2.7 重復(fù)性和穩(wěn)定性

按照儀器工作條件對5.0μmol·L－1BPA 標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行6次重復(fù)測定,測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為4.6%,表明該修飾電極擁有良好的重復(fù)性。

將制備好的修飾電極在278 K 條件保存,每7 d測試1次,7 d后和28 d后,修飾電極對BPA 的響應(yīng)電流分別降為初始電流的96.8%和95.4%,表明修飾電極具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

2.8 干擾試驗

以5.0μmol·L－1BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液為測試對象,試驗考察了一些可能存在的潛在干擾物質(zhì),如K＋、Cu2＋、Mg2＋、Fe3＋、Cl－、雙酚B、雙酚F、鄰氨基苯酚、鄰硝基苯酚和對硝基苯酚對BPA 測定結(jié)果的干擾。結(jié)果表明:50倍濃度的K＋、Cl－、SO42－、鄰氨基苯酚、鄰硝基苯酚,30倍濃度的Cu2＋、Fe3＋、對硝基苯酚和等濃度的雙酚B、雙酚F 對修飾電極對BPA 測定結(jié)果的干擾的絕對值均小于5%。

2.9 樣品分析

按照1.4 節(jié)試驗方法對6 種牛奶樣品進(jìn)行測定,每種樣品平行測定5次,結(jié)果見表1。

表1 樣品分析結(jié)果(n=5)Tab.1 Analytical results of samples(n=5)

由表1 可知:6 種牛奶樣品均不含BPA,BPA測定值的RSD 為2.1%～4.2%,BPA 的回收率為97.4%～105%,表明該方法具有良好的精密度和準(zhǔn)確度,能夠滿足實際樣品中BPA 的檢測。

2.10 方法比對

將本方法與其他已報道的相關(guān)方法進(jìn)行了比對,結(jié)果見表2。

表2 方法比對Tab.2 Comparison of method

由表2可知:本方法具有較寬的線性范圍以及 較低的檢出限,說明采用PDDA-CDs/Ce-MOFs/GCE具有較好的電催化性能。

本工作合成了球形納米粒子PDDA-CDs和具有木柴狀納米棒結(jié)構(gòu)的Ce-MOFs兩種復(fù)合物,通過靜電吸附作用將兩者修飾在GCE表面,構(gòu)建了修飾電極測定牛奶中BPA含量的電化學(xué)方法。制備的修飾電極具有較好的電催化性能、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性以及抗干擾能力,可用于實際樣品中BPA含量的測定。