rGO負載雙金屬Ce-Zn-BTC修飾電極檢測牛奶包裝中的壬基酚

黃迪惠，陳錦陽，郭巧萍，林謙，葉瑞洪*

1. 福建技術師范學院，福建省-印尼海洋食品聯合研發中心，近海流域環境測控治理福建省高校重點實驗室（福清 350300）；2. 福建師范大學（福州 350117）

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

在眾多的檢測手段中，電化學方法因其響應迅速、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]。金屬有機骨架（MOF）具有可調整的微孔尺度、極大的表面積和較多的催化位置的特點，使得其在許多領域都得到了實用化的研究和發展[10-13]。最近幾個研究顯示，與散裝的同類產品相比，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MOF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同效應，故其催化活性、選擇性、穩定性均優于單金屬MOF[16-18]。

由于MOF的導電性較差，rGO憑借自身具有更高的導電性能，作為一種獨特的導電添加劑出現在傳感器應用中[19-20]。在rGO薄膜中加入活性材料可以充分利用其電化學活性，進一步提高材料的電化學性能，使其在電化學實驗中具有更好的傳輸質量和更高的準確度[21-22]。此次研究致力于開發簡單、靈敏的電化學傳感器（Ce-Zn-BTC@rGO），并將其應用于食品相關方面的壬基酚的檢測。

1 試驗

1.1 試驗儀器與設備

BSA224S電子分析天平（北京儀聯四海科技有限公司）；KQ-400E超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公公司）；CHI600E電化學工作站、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場發射掃描電子顯微鏡（美國捷克FEI公司）。

1.2 試驗材料與試劑

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）；鐵氰化鉀（北京化工廠）。

1.3 材料的制備

對文獻[7]中的方法進行改進，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，經過超聲分散40 min，獲得均勻白色溶液，轉移至50 mL聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓釜，以5 ℃/min的速度加熱到120 ℃，隨后繼續反應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）有機配體組合成鈰-鋅雙金屬MOF（Ce-Zn-BTC），再將Ce-Zn-BTC與rGO復合制備了一種用于玻碳電極（GCE）的改性材料，利用兩者優良的協同效應，將復合材料Ce-Zn-BTC@rGO用于實現快速、高效地檢測牛奶包裝中的壬基酚。

圖1 試驗流程圖

將rGO與3種MOF按照一定的質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120 ℃恒溫加熱12 h。完成后把溶液進行離心，除掉上清液留下沉淀，然后加入蒸餾水進行洗濯。循環洗濯兩次后，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種復合材料。

取3種復合材料各1 mg，分別在5 mL的DMF中進行溶解，同時添加的10 μL Nafion作為穩定劑和抗干擾劑，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，方可進行下一步的試驗。

1.5 樣品的制備

從商店內隨機采購瓶裝牛奶，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，即可得實際樣品檢測時所需要的樣本溶液。

2 結果與討論

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壬基酚標準溶液中，加上一組空白溶液作為對照，通過差分脈沖伏安法（DPV）檢驗不同修飾材料的電化學性能，結果如圖2所示。

圖2 壬基酚對不同材料的循環伏安響應

通過比較發現，在Ce-Zn-BTC@rGO/GCE上的峰電流最為突出，這說明復合材料Ce-Zn-BTC@rGO具有較多的催化位點和較高的導電率，所以選擇它作為試驗所需要的改性材料。

2.1.2 電化學阻抗表征

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

圖3 不同材料的電化學阻抗光譜圖

2.1.3 XRD

試驗運用X射線衍射儀（XRD）來分析不同MOF材料的純凈度和結晶度。如圖4所示，合成的雙金屬材料與單金屬MOF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所表現出來的峰型較寬，因為它是體積較小且質構均勻的納米球形態[25]。對比Ce-Zn-BTC和Ce-Zn-BTC@rGO的XRD圖譜，兩個圖譜的結構具有極高的相似性，表明rGO對Ce-Zn-BTC本身結構的影響微乎其微。綜上所述，合成的MOF材料具有良好的結晶性和近似的晶體結構，并且rGO對材料的晶體結構幾乎沒有影響。

圖4 不同材料的X射線衍射圖

2.1.4 FESEM

利用場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）對合成的MOF材料進行了表征。如圖5所示，合成的雙金屬MOF使得Ce-BTC（A）與Zn-BTC（B）的孔洞特征相結合，Ce-Zn-BTC（C）呈現出均勻的納米球狀，相比單金屬MOF，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，提高傳輸質量和電荷輸送能力，使其在壬基酚檢測過程中表現優異[24]。

圖5 電鏡圖

2.2 試驗參數的優化

2.2.1 修飾層數的確定

電極表面修飾物劑量的不同，會影響試驗結果。如圖6所示，滴涂三層Ce-Zn-BTC@rGO復合材料為最佳的修飾層數。

圖6 修飾層數對峰電流的影響

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體系對電極穩定性和復合材料催化作用的影響，測定結果如圖7所示。在pH 7的情況下，試驗所測3種緩沖溶液中，電極在PBS中的電化學響應最為靈敏，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）。所以試驗所采用的緩沖溶液為PBS。

圖7 不同緩沖溶液的電化學響應

2.2.3 pH的影響

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

如圖8所示，試驗的最佳方案是選擇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的電化學響應

圖9 峰電位與pH的關系圖

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所涉及的質子和電子的轉移數量相同[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，進而提高檢測的靈敏度。從圖10（A）可以看出，0 V作為試驗的最佳累積電位。從圖10（B）可以看出，100 s為試驗的最優累積時間參數。

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。研究結果表明，在0.1～100 μmol/L的濃度范圍內，由Ce-Zn-BTC@rGO修飾的電極氧化峰電流的數值與壬基酚的濃度之間存在著線性關系。如圖12所示，其線性方程為ΔI=1.221 2+0.979 2C（R2=0.999 8）。

圖11 峰電流強度與摩爾濃度之間的關系圖

圖12 峰電流與摩爾濃度之間的線性關系圖

分析數據可得，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催化作用。綜上，Ce-Zn-BTC@rGO在電化學工作中可以用于對壬基酚的檢驗檢測。

2.4 抗干擾性

為了驗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作為干擾物進行試驗，如表1所示。試驗結果證明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 重現性和穩定性

為了考察該體系的重現性，在最優參數下平行制備了3支電極，對0.01 mmol/L的壬基酚進行測定。

如表2所示，每一支電極在連續掃描5次后，氧化峰電流沒有發生較大改變，試驗表明體系重現性良好。

表2 Ce-Zn-BTC@rGO測量壬基酚的穩定性

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）后進行穩定性的測試。試驗結果顯示，每一組電極的平均峰電流值結果相近，說明Ce-Zn-BTC@rGO復合材料在常溫下具有較為良好的穩定性。

2.6 加標回收試驗

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

表3 壬基酚在實際樣中的回收試驗

3 結論

試驗制備Ce-Zn-BTC@rGO復合材料，對GCE進行了改性，并將該電極作為檢驗壬基酚的電化學傳感器。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。試驗測得壬基酚在經由復合材料Ce-Zn-BTC@rGO修飾電極上的檢出限為0.06 μmol/L，在優化條件下，此改性電極在0.1～100 μmol/L的濃度范圍內，峰電流的數值與壬基酚的濃度呈現出良好的線性關系，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用于實際樣品的檢測。