基于碳納米管/分子印跡聚合物修飾電極對(duì)雙酚A的測(cè)定研究

杜春瑤 陳瑩瑩 詹偉玲 祝程鳳 李澤林 曾延波 李 蕾

(嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江嘉興314001)

雙酚A是一種環(huán)境內(nèi)分泌雌激素，它是生產(chǎn)塑料的重要原料之一，也用于生產(chǎn)農(nóng)藥、涂料、熱穩(wěn)定劑等精細(xì)化工產(chǎn)品，雙酚A的使用容易造成環(huán)境的污染。雙酚A對(duì)于人類健康具有一定的危害，雙酚A可能誘發(fā)生殖系統(tǒng)紊亂、兒童性早熟、糖尿病、癌癥等疾病[1]。因此，建立環(huán)境水中雙酚A的檢測(cè)方法具有重要意義。雙酚A的測(cè)定方法主要有液相色譜、氣相色譜、電化學(xué)傳感器法等[2-3]。電化學(xué)傳感器法具有靈敏度高、儀器簡(jiǎn)單、方法快捷等優(yōu)點(diǎn)，常用來(lái)作為雙酚A的測(cè)定方法。

分子印跡聚合物具有選擇性高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[4-5]，已經(jīng)被廣泛用于制備電化學(xué)修飾電極傳感器。本文結(jié)合碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)電性和分子印跡聚合物良好的選擇性，在碳納米管修飾的電極表面滴涂雙酚A分子印跡聚合物，制備了雙酚A分子印跡修飾電極的電化學(xué)傳感器，優(yōu)化了碳納米管濃度、分子印跡聚合物濃度、富集時(shí)間、pH等對(duì)傳感器的影響，將該分子印跡電化學(xué)傳感器應(yīng)用于嘉興南湖水、自來(lái)水、純凈水中雙酚A的含量測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AR323CN型電子分析天平 (奧豪斯儀器上海有限公司)，SK5210HP超聲波清洗器 (上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司)，STARTER 3C酸度計(jì) (奧豪斯儀器上海有限公司)，電化學(xué)工作站 (CHI660D，上海辰華儀器有限公司)，實(shí)驗(yàn)使用三電極裝置系統(tǒng)：修飾電極作為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極。

雙酚A (BPA)、4-乙烯基吡啶 (4-VP)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、偶氮二異丁腈 (AIBN)、二甲基甲酰胺(DMF)等購(gòu)自于阿拉丁試劑有限公司，其它試劑均購(gòu)自于阿拉丁試劑有限公司。0.1 M磷酸鹽緩沖溶液(PBS)使用KH2PO4和K2HPO4制備。實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。多壁碳納米管（CNT）購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，外徑大于 50 nm，長(zhǎng)度 10～20 μm，純度大于 99.9%，比表面積大于20 m2/g。

1.2 雙酚A分子印跡聚合物合成

雙酚A分子印跡聚合物采用自由聚合法進(jìn)行合成，將43.2 mg雙酚A 分散到 60.0 mL甲苯溶液中，再加入 92.4 μL 4-VP，超聲處理 30 min，再加入 160.0 μL EGDMA 和 40.0 mg AIBN，超聲分散均勻，在磁力攪拌下充入氮?dú)?5 min后密封處理，在65℃油浴中聚合反應(yīng)24 h。產(chǎn)物用溶液(V甲醇：V乙酸=9：1)進(jìn)行索氏提取4 h，除去模板分子后在60℃下真空干燥12 h，制備得到雙酚A分子印跡聚合物 (BPAMIPs)。在同樣制備條件下，除不加模板分子雙酚A外，制備非印跡聚合物 (BPA-NIPs)。

1.3 分子印跡電化學(xué)傳感器制備

玻碳電極在麂皮上用0.05 μM的Al2O3粉末拋光，依次用無(wú)水乙醇、二次水超聲清洗，在室溫下自然晾干。晾干后的玻碳電極表面滴加5μL 0.3 mg/mL的碳納米管DMF分散液，紅外燈下干燥40 min，溶劑揮發(fā)后即得到CNT/GCE修飾電極。

取 1.5 mg BPA-MIPs 分散于 1 mL 0.5%的殼聚糖溶液 (0.1 M 醋酸)，得到 1.5 mg/mL 的 BPA-MIPs溶液，然后滴加 5 μL BPA-MIPs溶液到CNT/GCE修飾電極上，置于紅外燈下干燥30 min，制備得到雙酚A分子印跡修飾電極的電化學(xué)傳感器 (BPA-MIPs/CNT/GCE)。

1.4 測(cè)試儀器及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)使用三電極體系檢測(cè)裝置，修飾電極作為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極。將工作電極置于含有BPA的PBS 溶液(0.1 M，pH 8.0)中攪拌富集 5 min，用二次水洗凈晾干，再將工作電極置于10 mL空白PBS溶液中，進(jìn)行循環(huán)伏安和差分脈沖伏安法測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 BPA-MIPs/CNT的修飾電極對(duì)雙酚A的電化學(xué)行為

圖1為BPA-MIPs/CNT修飾電極(a曲線)、BPA-NIPs/CNT修飾電極(b曲線)在100 μM雙酚A溶液中的循環(huán)伏安行為。從圖1a所示，BPA-MIPs/CNT修飾電極在0.5 V附近有一個(gè)強(qiáng)的雙酚A氧化峰，同時(shí)沒(méi)有看到還原峰，說(shuō)明雙酚A在BPA-MIPs/CNT修飾電極上是完全不可逆的過(guò)程。圖1b呈現(xiàn)出BPA-NIPs/CNT修飾電極的雙酚A氧化峰，a的峰電流大于b的峰電流，同時(shí)相對(duì)a峰來(lái)說(shuō)，b峰的電位位置具有正移現(xiàn)象，說(shuō)明分子印跡聚合物對(duì)電極具有電催化的效果，這是由于分子印跡聚合物的識(shí)別位點(diǎn)產(chǎn)生的現(xiàn)象。所以選用BPA-MIPs/CNT修飾電極用于雙酚A的含量測(cè)定。

圖1 BPA-MIPs/CNT(a)和BPA-NIPs/CNT(b)修飾電極對(duì)100 μM雙酚A的循環(huán)伏安圖

2.2 條件的優(yōu)化

2.2.1 CNT 和 BPA-MIPs濃度的影響

對(duì)BPA-MIPs/CNT修飾電極的制備和測(cè)定條件進(jìn)行了優(yōu)化，考察了碳納米管(CNT)和BPA-MIPs濃度、pH、富集時(shí)間等影響條件，其中雙酚A的試驗(yàn)濃度為60.0 μM。首先考察CNT和BPA-MIPs濃度對(duì)差分脈沖伏安峰電流的影響。結(jié)果表明，CNT濃度低于0.3 mg/mL時(shí)，峰電流減小，這是CNT的減少導(dǎo)致電催化減弱；而當(dāng)濃度高于0.3 mg/mL時(shí)，由于電極表面膜過(guò)厚，阻礙了電流擴(kuò)散，導(dǎo)致峰電流減小。因此實(shí)驗(yàn)選擇CNT最佳濃度為0.3 mg/mL。

考察BPA-MIPs濃度對(duì)BPA響應(yīng)峰電流的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)濃度低于0.5 mg/mL時(shí)，有效印跡位點(diǎn)太少，響應(yīng)電流較小，而隨著B(niǎo)PA-MIP濃度增加，響應(yīng)電流變大；而濃度高于0.5 mg/mL，由于形成的膜太厚，影響了電子轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致響應(yīng)電路的降低。因此實(shí)驗(yàn)選擇BPA-MIPs的最佳濃度為 0.5 mg/mL。

2.2.2 pH 和富集時(shí)間的影響

考察pH和富集時(shí)間對(duì)BPA響應(yīng)電流的影響，其中雙酚A的試驗(yàn)濃度為60.0 μM。結(jié)果顯示，當(dāng)PBS的pH為8.0時(shí)，峰電流值最大，故選擇pH為8.0作為支持電解質(zhì)。同時(shí)，考察富集時(shí)間對(duì)BPA響應(yīng)電流的影響。結(jié)果顯示，富集時(shí)間為5 min時(shí)，響應(yīng)電流達(dá)到穩(wěn)定，故選擇5 min作為BPA-MIPs/CNT修飾電極最佳的富集時(shí)間。

2.3 線性關(guān)系、檢出限與電極重現(xiàn)性

在最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件下，基于差分脈沖伏安法采用BPA-MIPs/CNT修飾電極對(duì)雙酚A進(jìn)行測(cè)定，峰電流與雙酚A濃度在0.1～100.0 μM內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為0.5 μM(S/N=3)。峰電流與濃度遵循如下關(guān)系：I(μA)=0.0422C(μM)+0.0666(R=0.9998)。

按實(shí)驗(yàn)方法對(duì)5.0 μM雙酚A溶液進(jìn)行連續(xù)8次平行測(cè)定，峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.23%，電極在室溫下保存14天對(duì)雙酚A的催化氧化性能變?yōu)樵瓉?lái)的95.6%，說(shuō)明電極具有良好的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。

2.4 干擾試驗(yàn)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，研究一些無(wú)機(jī)離子和有機(jī)化合物對(duì)雙酚A測(cè)定的干擾，允許干擾量是該量引起峰電流大小改變?cè)凇?%范圍內(nèi)。結(jié)果表明在濃度為 5.0 μM 雙酚 A 溶液中，100 倍的 K+、Na+、NH4-、NO3-、、Cl-對(duì)測(cè)定沒(méi)有干擾，30 倍的 Ca2+,Mg2+對(duì)測(cè)定沒(méi)有干擾,35倍的尿酸、抗壞血酸、甲醇和乙醇對(duì)測(cè)定沒(méi)有干擾。結(jié)果表明，MIPs-MWNPE傳感器具有較好的選擇性，測(cè)定干擾較小。

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定

BPA-MIPs/CNT修飾電極應(yīng)用于實(shí)際水樣中雙酚A的測(cè)定，實(shí)際水樣包括嘉興南湖水、自來(lái)水、純凈水等，純凈水購(gòu)自嘉興財(cái)康純凈水廠，平行測(cè)定5次，實(shí)際水樣中沒(méi)有雙酚A的電流響應(yīng)，因此通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)加入法獲取回收率，檢測(cè)方法的可行性。如表1所示，此方法的回收率在 96.1%～105.2%， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在 3.2%～4.1%。 因此，BPA-MIPs/CNT修飾電極電化學(xué)傳感器可用于實(shí)際水樣中雙酚A的測(cè)定，結(jié)果滿意。

表1 實(shí)際水樣中雙酚A含量的測(cè)定

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了分子印跡聚合物/碳納米管的修飾電極電化學(xué)傳感器，并將其用于雙酚A的測(cè)定。當(dāng)碳納米管濃度為0.3 mg/mL，分子印跡聚合物濃度為 0.5 mg/mL，富集時(shí)間為5 min，pH為 8.0，分子印跡修飾電極對(duì)雙酚A具有最大的電化學(xué)響應(yīng)。在最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件下，采用差分脈沖伏安法對(duì)雙酚A進(jìn)行測(cè)定，峰電流與雙酚A濃度在0.1～100.0 μM 內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為 0.5 μM(S/N=3)。 最后，BPA-MIPs/CNT修飾電極電化學(xué)傳感器成功應(yīng)用于嘉興南湖水、自來(lái)水、飲用水中的雙酚A含量測(cè)定。

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