基于聚多巴胺包覆的Zr－MOF的電化學傳感器對雙酚A的檢測

黃詩思，曾延波，楊義文，李 蕾*

（1. 浙江師范大學 化學與生命科學學院，浙江 金華 321000；2. 嘉興學院 生物與化學工程學院，嘉興市分子識別材料與傳感技術重點實驗室，浙江 嘉興 314001）

雙酚A（BPA）是一種常見的內分泌干擾物質，常用于制造環氧樹脂和聚碳酸酯塑料等。食品級包裝材料和嬰兒用品也會用到BPA。BPA具有類似雌激素的特性，長期接觸會影響生殖功能，造成青春期早熟，影響前列腺生長，甚至引發癌癥［1－2］。所以，建立快速、準確、方便的BPA檢測方法尤為重要。目前，BPA的檢測方法主要有高效液相色譜－質譜聯用法［3］、氣相色譜－質譜聯用法［4］、熒光光譜法［5］和電化學傳感器［6－8］等。電化學傳感器因具有儀器體積小、操作簡單、響應快和靈敏度高等優點而用于BPA的檢測［7］。

金屬有機框架（MOFs）是由金屬離子和有機配體形成的一類新型多孔功能材料，具有結構可調、比表面積大和孔隙率高的優異性能［9－10］，部分MOFs也具有良好的導電性，因此被用作基底材料以提高電化學傳感器的導電性和靈敏度［11－12］。此外，在堿性溶液中，多巴胺（DA）可在碳納米管［13］、氧化石墨烯［14］、二氧化鈦［15］和金納米粒子［16］材料上通過原位自發氧化聚合制備聚多巴胺（PDA）的載體復合材料。

本文利用多巴胺在堿性溶液中自聚合的特性，以配體4-羧基苯基卟啉的鋯基金屬有機框架（Zr－MOF）為載體材料合成聚多巴胺包覆的Zr－MOF復合材料（Zr－MOF－PDA），將其滴涂在玻碳電極表面，成功構建了高靈敏檢測BPA的電化學傳感器。利用紅外光譜、熱重分析、掃描電鏡對Zr－MOF－PDA進行表征。采用循環伏安法、計時庫侖法和差分脈沖伏安法研究修飾電極的電化學行為。考察了該電化學傳感器對BPA的線性范圍、檢出限、選擇性和干擾性，并將其用于河水、牛奶和塑料瓶中BPA的檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

PCN－223（H）（Zr－MOF，上?？瑯浠瘜W科技有限公司）；鹽酸多巴胺、三羥甲基氨基甲烷鹽酸鹽（Tris－HCl）、氫氧化鈉、聚醚酰亞胺、雙酚A、2-硝基苯酚、苯酚、4-氯苯酚（阿拉丁試劑有限公司）；對苯二酚、2-硝基苯胺、4-硝基苯胺（Sigma公司）；聯苯胺、鄰苯二胺、2-萘胺、氫化雙酚A（百靈威試劑有限公司）。用磷酸氫二鈉（Na2HPO4）和磷酸二氫鈉（NaH2PO4）配制成磷酸緩沖溶液（PBS，0.1 mol/L）。所用試劑均為分析純；實驗用水為二次水。

Hitachi S－4800掃描電子顯微鏡（日本日立公司），NEXUS470 紅外光譜儀（美國熱電尼高力公司），TGA/STA－309 熱重分析儀（i國林賽斯公司）。CHI660D 電化學工作站（上海辰華儀器公司），直徑為3 mm的玻碳電極（GCE），飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對電極。

1.2 Zr－MOF－PDA及PDA的制備

在100 mL圓底燒瓶中加入10 mg Zr－MOF和30 mL水，超聲20 min使其分散均勻后，加入30 mg 鹽酸多巴胺和30 mL Tris－HCl緩沖液（10 mmol/L，pH 8.5），將混合溶液置于室溫下攪拌12 h。用水洗滌并離心3次，30 ℃干燥過夜得到產物。PDA的合成步驟與Zr－MOF－PDA相同，只是不加入Zr－MOF。

1.3 Zr－MOF－PDA/GCE傳感器的構建及其用于BPA檢測

GCE 經拋光、晾干備用。3 mg Zr－MOF－PDA 分散于1 mL 聚醚酰亞胺（PEI）溶液（1%，質量分數，水配制），然后將5 μL 3 mg/mL Zr－MOF－PDA 溶液滴涂在GCE 表面制備Zr－MOF－PDA/GCE，室溫下晾干構建Zr－MOF－PDA/GCE 傳感器。其它傳感器采用類似方法進行構建。將Zr－MOF－PDA/GCE浸入含BPA的PBS溶液（pH 9.0）中，吸附6 min后進行差分脈沖伏安（DPV）測定。

2 結果與討論

2.1 Zr－MOF－PDA的合成、電化學傳感器的構建過程及DA的自聚合過程

圖1為Zr－MOF－PDA的合成、電化學傳感器的構建及DA的自聚合過程。首先在堿性條件下合成Zr－MOF－PDA 材料，然后將其滴涂在GCE 上制備Zr－MOF－PDA/GCE 傳感器。DA 的自聚合過程中，DA 首先被氧化成醌式結構，然后醌式DA 通過1，4-邁克爾加成反應進行分子內環化得到更易氧化的5，6-二羥基吲哚啉，其發生氧化反應和分子內重排形成5，6-二羥基吲哚及其異構體，進一步發生聚合反應得到PDA。

圖1 Zr－MOF－PDA的合成、電化學傳感器的構建（A）及DA的自聚合過程（B）Fig.1 Preparation of Zr－MOF－PDA，construction of electrochemical sensor（A）and the self-polymerization process of DA（B）

2.2 紅外光譜與熱重分析（TG）

圖2A 為Zr－MOF、PDA、Zr－MOF－PDA、BPA 和吸附BPA 后Zr－MOF－PDA 的紅外光譜圖。Zr－MOF 中3 440、1 797和1 605 cm－1分別為配體4-羧基苯基卟啉的O―H、C====O 和C====C 的伸縮振動峰。PDA 中3 442、1 629 和1 400 cm－1分別為多巴胺單體的O―H、C====C 和C―N 的伸縮振動峰。Zr－MOF－PDA 具備了Zr－MOF 和PDA 的特征峰，說明成功合成了Zr－MOF－PDA 復合材料。BPA 中3 423 和1 628 cm－1分別為O―H 和C====C 的伸縮振動峰。Zr－MOF－PDA 吸附BPA 后，導致3 417 和1 612 cm－1處的O―H和C====C伸縮振動峰有所增強。

圖2 Zr－MOF（a）、PDA（b）、Zr－MOF－PDA（c）、BPA（d）和吸附BPA后Zr－MOF－PDA（e）的紅外光譜圖（A）；Zr－MOF（a）、PDA（b）、Zr－MOF－PDA（c）和吸附BPA后Zr－MOF－PDA（d）的熱重分析圖（B）Fig.2 Infrared spectra（A）of Zr－MOF（a），PDA（b），Zr－MOF－PDA（c），BPA（d）and Zr－MOF－PDA adsorbed BPA（e）；thermogravimetric analysis（B）of Zr－MOF（a），PDA（b），Zr－MOF－PDA（c）and Zr－MOF－PDA adsorbed BPA（d）

圖2B 為Zr－MOF、PDA、Zr－MOF－PDA 和吸附BPA 后Zr－MOF－PDA 的熱重分析圖，4 種材料加熱到1 000 ℃時的重量損失分別為36.08%、49.44%、48.89%和51.33%，Zr－MOF－PDA的重量損失處于Zr－MOF和PDA之間，表明Zr－MOF－PDA已成功合成。吸附BPA后的Zr－MOF－PDA的重量損失略大于Zr－MOF－PDA，說明Zr－MOF－PDA對BPA有吸附作用。

2.3 掃描電鏡的表征

對Zr－MOF 和Zr－MOF－PDA 進行了掃描電鏡（SEM）表征（圖3），比較圖3A 和B，兩種材料均呈棒狀，但Zr－MOF－PDA比Zr－MOF更寬，說明Zr－MOF表面包覆上PDA層。

圖3 Zr－MOF（A）和Zr－MOF－PDA（B）的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of Zr－MOF（A）and Zr－MOF－PDA（B）

2.4 修飾電極的電化學行為研究

在10 mL 含5 mmol/L K3［Fe（CN））6］（0.1 mol/L KCl）的溶液中，采用循環伏安法（CV）研究了裸GCE、Zr－MOF/GCE、Zr－MOF－PDA/GCE 的電化學行為。從圖4 可以看出Zr－MOF－PDA/GCE、Zr－MOF/GCE 和裸GCE 的氧化峰電流值分別為107.3、93.28 和77.51 μA，其中Zr－MOF－PDA/GCE 的氧化峰電流大于Zr－MOF/GCE，且材料修飾的電極氧化峰電流均大于裸GCE。表明Zr－MOF－PDA 具有較好的導電性，可加快電極表面［Fe（CN）6］3－/4－的擴散并促進其氧化還原反應。

圖4 裸GCE（a）、Zr－MOF/GCE（b）和Zr－MOF－PDA/GCE（c）的CV圖Fig.4 CV curves of bare GCE（a），Zr－MOF/GCE（b），and Zr－MOF－PDA/GCE（c）

在10 mL 含5 mmol/L K3［Fe（CN））6］（0.1 mol/L KCl）的溶液中，研究電極的計時庫侖曲線（圖5A、B）。根據Q～t1/2的線性方程可知GCE、Zr－MOF/GCE、Zr－MOF－PDA/GCE的斜率分別為99.447、142.47 和107.4，通過Anson 公式［17］計算得到其對應的電極有效表面積分別為0.467、0.667、0.514 cm2。從計算結果可看出Zr－MOF/GCE的有效表面積最大，Zr－MOF－PDA/GCE 的有效表面積略小，可能是Zr－MOF 包覆上PDA 層后，表面的部分孔被覆蓋，但兩者的有效表面積均大于GCE，說明Zr－MOF－PDA具有較大的表面積，能增加對BPA的吸附量，從而增加Zr－MOF－PDA/GCE對BPA的檢測靈敏度。

圖5 裸GCE（a）、Zr－MOF－PDA/GCE（b）和Zr－MOF/GCE（c）的Q ～t圖（A）以及Q ～t1/2圖（B）Fig.5 Q ～t（A）and Q ～t1/2（B）plots of bare GCE（a），Zr－MOF－PDA/GCE（b）and Zr－MOF/GCE（c）

2.5 修飾電極對BPA的電化學響應

將裸GCE、Zr－MOF/GCE、PDA/GCE 和Zr－MOF－PDA/GCE 分別浸入含0.7 μmol/L BPA 的PBS溶液（pH 9.0）中，吸附6 min后進行DPV測定（圖6）。可觀察到BPA在修飾電極上產生氧化峰，其產生機理是由于BPA 的羥基失去兩個氫質子后氧化成酮的緣故［18］。從圖中可以看出Zr－MOF－PDA/GCE 對BPA 的DPV 電流響應最大，其響應電流值分別為PDA/GCE、Zr－MOF/GCE 和裸GCE 的1.6、2.0 和2.8倍，同樣證明了Zr－MOF－PDA材料具有較好的導電性和大的有效表面積。

圖6 GCE（a）、Zr－MOF／GCE（b）、PDA/GCE（c）和Zr－MOF－PDA／GCE（d）吸附0.7 μmol／L BPA后的DPV圖Fig.6 DPV curves of GCE（a），Zr－MOF／GCE（b），PDA／GCE（c）and Zr－MOF－PDA／GCE（d）after adsorbing 0.7 μmol／L BPA

2.6 實驗條件的優化

研究了Zr－MOF－PDA 質量濃度、吸附時間及緩沖液pH 值對BPA 在Zr－MOF－PDA/GCE 上DPV響應電流的影響。Zr－MOF－PDA的質量濃度從1 mg/mL 增至3 mg/mL，BPA 的響應電流持續增大，當Zr－MOF－PDA 的濃度大于3 mg/mL 后，峰電流呈下降趨勢，因此選擇Zr－MOF－PDA 的最優質量濃度為3 mg/mL。吸附時間在4 ～6 min 內，BPA 的響應電流隨著時間的增大而增大，6 min 后電流值趨于平穩，選擇6 min 為最佳吸附時間。pH值7.0 增至9.0 時，峰電流值不斷增大，且在pH 9.0 時達到最大值；繼續增大pH 值，峰電流反而減小，因此選擇最佳pH值為9.0。

2.7 線性范圍、檢出限、重現性與穩定性

在最優實驗條件下，采用DPV 法研究Zr－MOF－PDA/GCE 對不同濃度BPA 的響應信號。結果顯示，BPA濃度在0.01～1.4 μmol/L范圍內，其DPV 響應峰電流隨著BPA 濃度的增加而增大，且兩者之間呈良好的線性關系，線性方程為I（μA）=0.283 9C（μmol/L）+0.02，相關系數（r2）為0.993 6，BPA的檢出限（S/N=3）為0.004 μmol/L（見圖7）。將本方法與部分測定DPA 的電化學方法進行對比，該方法具有較高的靈敏度（見表1）。

表1 本方法與其他測定BPA的電化學法對比Table 1 Comparison of this method with the other electrochemical methods for determination of BPA

圖7 Zr－MOF－PDA／GCE對不同濃度BPA溶液的DPV響應曲線Fig.7 DPV curves of Zr－MOF－PDA／GCE to BPA solutions with different concentrations insert：calibration curve of Zr－MOF－PDA／GCE for detection of BPA；concentration of BPA（a－i）：0，0.01，0.04，0.08，0.1，0.4，0.7，1.0，1.4 μmol／L

用同一根Zr－MOF－PDA/GCE 連續7 次測定1.0 μmol/L BPA，其相對標準偏差（RSD）為3.7%。在4 ℃條件下，將Zr－MOF－PDA/GCE保存14 d后檢測1.0 μmol/L BPA，其電流響應信號為初始電流信號的95.3%，表明Zr－MOF－PDA/GCE 具有很好的重現性和穩定性。

2.8 選擇性與干擾性

為了研究Zr－MOF－PDA/GCE 對BPA 的選擇性，對0.5 μmol/L BPA 和6 種類似物（2-硝基苯酚（2-NP）、鄰苯二胺（OPD）、聯苯胺（DAB）、氫化雙酚A（HBPA）、苯酚（PN）和2-萘胺（2-NA））（結構式見圖8A）分別進行測定。結果如圖8B所示，相比其他類似物，Zr－MOF－PDA/GCE 對BPA 的電流響應最大，說明Zr－MOF－PDA/GCE 對BPA 具有較好的選擇性，這是由于PDA 含有大量胺和兒茶酚官能團，對BPA有較強的氫鍵作用。

圖8 BPA和類似物的結構式（A）及Zr－MOF－PDA/GCE對0.5 μmol/L BPA和類似物的DPV響應（B）Fig. 8 Structural formulas of BPA and its analogs（A），and DPV responses of Zr－MOF－PDA/GCE to 0.5 μmol/L BPA and its analogs（B）

進一步研究了部分常見的金屬離子、非金屬離子和有機物對Zr－MOF－PDA/GCE 檢測0.01 μmol/L BPA 的影響。結果表明，1.0 μmol/L Na+、K+、Al3+、Mg2+、Ca2+、Cl－、SO2-4（BPA 濃度的100 倍），0.1 μmol/L 對苯二酚、4-氯苯酚、2-硝基苯胺和4-硝基苯胺（BPA 濃度的10 倍）對BPA 測定無影響。進一步說明Zr－MOF－PDA/GCE對BPA具有較好的選擇性。

2.9 實際樣品的檢測

將Zr－MOF－PDA/GCE 用于嘉興市京杭運河水、牛奶及塑料瓶3 種實際樣品中BPA 的檢測。河水樣品經0.45 μm 濾膜過濾備用。牛奶樣品取2 mL，加入2 mL 甲醇和6 mL PBS 緩沖溶液（pH 9.0），超聲30 min 后離心除去白色沉淀，備用。塑料瓶樣品稱取1 g，剪碎后加入6 mL 甲醇將其浸沒，50 ℃超聲2 h，過濾塑料碎片得到待檢測溶液。結果顯示，每個樣品平行測定5 次后均未檢出BPA 的電化學信號。進一步采用標準加入法，計算回收率和RSD。測得方法的加標回收率為98.4%～103%，RSD 為3.4%～4.4%（見表2）。結果表明，Zr－MOF－PDA/GCE 傳感器可應用于實際水樣的檢測。

表2 河水、牛奶及塑料瓶中BPA含量的測定（n=5）Table 2 Determination of BPA in river water，milk and plastic bottle（n=5）

3 結 論

本文以Zr－MOF為載體材料，利用多巴胺（DA）在堿性條件下的自聚合作用合成了Zr－MOF－PDA復合材料，構建了Zr－MOF－PDA/GCE 電化學傳感器用于BPA 的高靈敏檢測。結果表明Zr－MOFPDA/GCE 對BPA 具有較高的靈敏度和選擇性，其對BPA 的檢測線性范圍為0.01～1.4 μmol/L，檢出限（S/N= 3）為0.004 μmol/L。Zr－MOF－PDA/GCE 傳感器已成功應用于河水、牛奶和塑料瓶中BPA 的檢測。