陳錦陽(yáng)，黃迪惠，葉瑞洪 , 陳 盛

(1.福建師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350119 2.福建技術(shù)師范學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院，福建 福清 350300；3.福建技術(shù)師范學(xué)院 食品軟塑包裝技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 福清 350300)

對(duì)特辛基苯酚（p-（tert-octyl）phenol，POP），化學(xué)式為C14H22O.湖水中的POP 是環(huán)境雌激素[1]中的一種，根據(jù)報(bào)告顯示，POP 可導(dǎo)致雌性早熟、精子數(shù)量銳減及質(zhì)量下降等病癥[2].POP 廣泛用于生產(chǎn)生活中[3]，特別是在表面活性劑、制造油溶性酚醛樹(shù)脂、抗氧化劑中，POP 作為抗氧化劑和表面活性劑應(yīng)用于塑料包裝材料和醫(yī)療用品等.POP 作為污染范圍最廣的一種烷基酚類物質(zhì)，被聯(lián)合國(guó)環(huán)境署列為27 種持久性有毒化學(xué)污染物之一.歐洲化學(xué)品管理局發(fā)布的公告已經(jīng)將POP 列入高度關(guān)注物質(zhì)的清單中[4].

目前，POP 的定量分析檢測(cè)主要依靠氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[5]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[6]、高效液相色譜法[7]等，這些方法雖然靈敏性高，但是前期處理方法耗時(shí)且復(fù)雜，儀器操作需要專業(yè)的人員操作，受到了時(shí)間和空間的限制.而電化學(xué)方法[8]，特別是結(jié)合了納米材料[9]以后，具有簡(jiǎn)單易行、靈敏度高、響應(yīng)速度快、儀器低廉且便攜等優(yōu)點(diǎn).近幾年，在很多的電極修飾材料中，碳納米管材料[10]以它獨(dú)特的多孔優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注.納米金（AuNPs）是一種特殊的生物傳感材料.金屬類的納米級(jí)材料都具有優(yōu)良的電催化性能，可用于燃料電池、電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域[11].AuNPs 具有良好的選擇性、靈敏性，能夠積極促進(jìn)電子的傳遞.AuNPs 比表面積大，導(dǎo)電性能好，能夠有效地放大電化學(xué)傳感器的信號(hào).在多壁碳納米管（MWCNT）的基礎(chǔ)上加入AuNPs，是為了減少多壁碳納米管發(fā)生團(tuán)聚，保持相對(duì)的活性，增加電極與被測(cè)物的反應(yīng)面積.事實(shí)上，使用多壁碳納米管和金屬納米粒子兩者的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行信號(hào)放大的電化學(xué)生物傳感器已經(jīng)有了一定的研究進(jìn)展[12-14].本實(shí)驗(yàn)以AuNPs 和MWCNT 復(fù)合的材料對(duì)玻碳電極進(jìn)行修飾而制備電化學(xué)傳感器，首次用于測(cè)定湖水中的POP，以期能夠提高檢測(cè)POP 的靈敏度.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑 MWCNT，南京先豐納米科技有限公司；HAuCl4、POP 和四溴雙酚A，阿拉丁試劑有限公司；氯化鉀、鐵氰化鉀、無(wú)水乙醇、十二水磷酸氫二鈉（Na2HPO4·12H2O）、二水合磷酸二氫鈉（NaH2PO4·2H2O）、硫酸銨、檸檬酸鈉、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；試劑均是分析純等級(jí)，實(shí)驗(yàn)用水均為超純水.

1.1.2 儀器 電化學(xué)工作站(CHI660E)，上海辰華儀器有限公司；三電極系統(tǒng)，玻碳電極(GCE)為工作電極，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極；精密pH 計(jì)（pHS-3C），上海虹益儀器儀表有限公司；電恒溫鼓風(fēng)干燥箱（GZX-GF101-3-BS-ll），上海躍進(jìn)理療機(jī)械有限公司；電子分析天平（BSA124S），北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；超聲波清洗器(KQ-250E)，昆山市超聲儀器有限公司.

1.2 溶液的配置

1.2.1 鐵氰化鉀溶液的配制 用分析天平準(zhǔn)確稱取0.411 5 g 的鐵氰化鉀與1.860 0 g 的氯化鉀之后將它們放入燒杯中，用蒸餾水溶解，等到完全溶解后，定容到250 mL 容量瓶中，獲得包含0.1 mol/L KCl 的5 mmol/L K3Fe(CN)6溶液.

1.2.2 POP 母液與子液的配制 稱取0.206 3 g 的POP，用無(wú)水乙醇超聲溶解，待徹底溶解后，再用無(wú)水乙醇定容到100 mL 的容量瓶中.使用時(shí)逐級(jí)稀釋濃度，用無(wú)水乙醇定容，完成1.0×10-3mol/L 的POP 母液的配置.接著，取0.5 mL 的1.0×10-3的POP 溶液置于50 mL 的容量瓶中，用磷酸鹽緩沖溶液進(jìn)行定容，獲得1.0×10-5mol/L 的POP 子液.

1.2.3 磷酸鹽緩沖溶液的配制 稱取17.910 0 g 的磷酸氫二鈉和7.802 5 g 的磷酸二氫鈉，分別放置在2 個(gè)潔凈的燒杯中，用蒸餾水進(jìn)行超聲溶解，再用蒸餾水定容到250 mL 的容量瓶中，獲得2 瓶濃度為0.2 mol/L 的磷酸氫二鈉溶液和磷酸二氫鈉溶液.然后將2 種溶液混合一起調(diào)節(jié)pH 值：先將500 mL 的燒杯超聲洗滌后干燥，然后在燒杯里將兩種溶液混合，并使用pH 計(jì)調(diào)節(jié)成實(shí)驗(yàn)需要的pH 值.

1.3 修飾電極材料的制備

1.3.1 MWCNT 電極液的制備 實(shí)驗(yàn)前，將所有的玻璃器皿，用王水（HCl∶HNO3=3∶1）浸泡過(guò)夜；使用前，再次用蒸餾水沖洗干凈，置于烘箱（110 ℃，約1 h）中，烘干待用.將MWCNT 在濃硝酸中90 ℃下回流3 h，冷卻至室溫后，將混合物過(guò)濾，并用超純水洗滌至濾液pH 值為7.0，然后放置冷凍，貯存于真空干燥箱12 h 得到黑色粉末狀的羧基化多壁碳納米管（MWCNT-COOH）[15]，稱取10 mg 加入10 mL N,N-二甲基甲酰胺分散成電極液.

1.3.2 AuNPs 電極液的制備 稱取1 g 的HAuCl4，用蒸餾水定容到50 mL 的容量瓶中得到HAuCl4母液；然后，吸取1.7 mL 的HAuCl4母液，并定容至100 mL 的容量瓶中，獲得1 mmol/L HAuCl4子液.將100 mL 的1 mmol/L HAuCl4在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中回流，等溫度達(dá)到120 ℃后開(kāi)始計(jì)時(shí)，10 min 后，將10 mL 38.8 mmol/L 檸檬酸鈉快速加入三口燒瓶中，再回流15 min 后，冷卻至室溫后，制成AuNPs 溶液[16]，并裝瓶，置于4 ℃冰箱避光保存.

1.4 玻碳電極的預(yù)處理

將玻碳電極在濕潤(rùn)的絨布上依次用0.3、0.05 μm 的氧化鋁粉進(jìn)行拋光，然后用蒸餾水超聲洗滌，干燥，待用.將裸玻碳電極置于鐵氰化鉀溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描，掃描范圍為0.2～0.6 V，掃描速度為100 mV/s，最終氧化峰和還原峰的電位差應(yīng)在90 mV 以下，否則要對(duì)電極進(jìn)行重新打磨，直到符合要求為止.

1.5 基于Au-MWCNT 傳感器的制備

用移液槍移取8.0 μL 的MWCNT 分散溶液滴涂在玻碳電極（經(jīng)過(guò)預(yù)處理的祼電極）的表面，放入烘箱中烘干30 min.待電極干燥后，再一次滴涂8.0 μL 的AuNPs 溶液在電極表面，再次放入烘箱中烘干30 min，制得Au-MWCNT 修飾于玻碳電極的傳感器.

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)測(cè)量條件的選擇

2.1.1 修飾材料的可行性分析 在預(yù)處理過(guò)的玻碳電極表面，分別滴涂MWCNT、Au-MWCNT 復(fù)合材料，用循環(huán)伏安法進(jìn)行分析檢測(cè)POP，結(jié)果見(jiàn)圖1.由圖可知，在裸電極（a）上，POP 的氧化峰為0.571 V，沒(méi)有還原峰.說(shuō)明這是一個(gè)非可逆氧化還原反應(yīng).滴涂了碳納米管的玻碳電極（b）與裸電極相比，電流變化有所增加，但在滴涂AuNPs 后的氧化峰明顯增大，電信號(hào)被放大，這是因?yàn)榧{米金是金屬材料，是良好的導(dǎo)電體，可以增大電子傳遞，使得碳納米管的電流響應(yīng)信號(hào)進(jìn)一步增大，滴涂了Au-MWCNT 的復(fù)合材料增強(qiáng)了POP 在電極上的電化學(xué)活性，提高了電極的靈敏度，說(shuō)明Au-MWCNT 修飾玻碳電極用于POP 測(cè)定的可行性.

2.1.2 修飾材料的涂層數(shù)量的優(yōu)化 取5 根預(yù)處理完成的玻碳電極，分別對(duì)電極進(jìn)行滴涂1～5 層的復(fù)合材料，每一層滴涂完成放入烘箱干燥后再滴涂下一層.待滴涂完成后，在掃描范圍為0.2～0.8 V，pH 為7.0 的磷酸鹽緩沖溶液，室溫的條件下，用電化學(xué)工作站，將復(fù)合電極置于1.0×10-5mol/L 的POP 子液中進(jìn)行掃描測(cè)定.

由圖2 可見(jiàn)，當(dāng)Au-MWCNT 修飾材料層數(shù)從1 層增加到3 層時(shí)，峰電流逐漸增加，但從3 層到5層時(shí)，峰電流又隨著修飾材料層數(shù)（n）的增加而降低.涂層數(shù)為3 層時(shí)，峰電流達(dá)到最大.因此，峰電流的變化與修飾材料的層數(shù)有關(guān)，層數(shù)太厚，不利于POP 電極反應(yīng)的電荷傳遞.最佳修飾的層數(shù)為3 層.

圖2 不同Au-MWCNT 納米材料層數(shù)對(duì)1.0×10-5 mol/L POP 氧化峰電流的影響

2.1.3 緩沖溶液pH 值的優(yōu)化 在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，最常用的緩沖溶液是磷酸鹽緩沖溶液[17]，故本實(shí)驗(yàn)亦采用磷酸鹽緩沖溶液.實(shí)驗(yàn)使用修飾了3 層復(fù)合材料的玻碳電極為工作電極，分別考察了POP 在pH 值為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5 的0.2 mol/L 的磷酸鹽緩沖溶液中的電化學(xué)行為，結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3(a)可見(jiàn)，峰電流隨著pH 值的增大而增大.在pH 值 為7.0 時(shí)POP 的峰電流達(dá)到了最大值.之后，峰電流呈減小趨勢(shì).故本文所有實(shí)驗(yàn)均選擇在pH 值為7.0 的磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行.在圖3(b)中，Ep（V）=0.957 3-0.058pH，R2=0.993 9，斜率為-0.058，根據(jù)以下關(guān)系式：Ep=Ep -RT/F (m/n) pH[16]，表明POP 的電化學(xué)測(cè)試過(guò)程是一個(gè)氧化過(guò)程.因此POP 的電化學(xué)氧化是一個(gè)失質(zhì)子的過(guò)程，并且質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)與電子轉(zhuǎn)移數(shù)相同，這表明電極反應(yīng)過(guò)程有質(zhì)子參與.

圖3 （a）峰電流(I)與pH 值之間的關(guān)系;（b）峰電位(Ep)和pH 值之間的關(guān)系

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

在最佳條件下，即涂層數(shù)為3 層、pH 7.0 的磷酸鹽緩沖溶液、掃描速度為100 mV/s、掃描范圍為0.2～0.8 V，考察了不同POP 溶液濃度下（1.0×10-6、2.0×10-6、4.0×10-6、6.0×10-6、8.0×10-6、1.0×10-5mol/L）POP 的峰電流并制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見(jiàn)圖4(a).工作曲線如圖4（b），POP 溶液的濃度在1.0×10-6～1.0×10-5mol/L 范圍內(nèi)與峰電流（I）呈線性關(guān)系，其線性回歸方程為ΔI=5.069+1.280C，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 9，線性關(guān)系良好.經(jīng)計(jì)算得出最低檢出限（3S/N）為9.61×10-8mol/L.

圖4 （a）不同濃度下的POP 循環(huán)伏安圖（1→6，1.0×10-6、2.0×10-6、4.0×10-6、6.0×10-6、8.0×10-6、1.0×10-5 mol/L）;（b）峰電流與POP 濃度之間的關(guān)系

2.3 Au-MWCNT 傳感器的抗干擾性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

2.3.1 抗干擾性 在最佳測(cè)定條件下，將加入干擾物前后待測(cè)樣品的氧化峰電流進(jìn)行比較.干擾物為相似物[四溴雙酚A（TBBPA）]和常見(jiàn)的干擾離子（K+、Cl-、Na+、CO32-、(NH4)+、SO42-）.POP 的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為1.0×10-5mol/L，分別向該標(biāo)液加入1.0×10-3mol/L 的KCl、NaCO3、(NH4)2SO4干擾物以及TBBPA（2.0×10-5mol/L），分別進(jìn)行分析檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 抗干擾試驗(yàn)

如表1，POP 在復(fù)合電極上的電流均不受兩倍的相似物TBBPA 和100 倍的干擾離子K+、Cl-、Na+、CO32-、(NH4)+、SO42-的影響.復(fù)合材料修飾的玻碳電極對(duì)POP 的氧化峰基本沒(méi)有變化.說(shuō)明了Au-MWCNT傳感器具有良好的抗干擾能力.

2.3.2 重現(xiàn)性 取一根經(jīng)過(guò)復(fù)合材料修飾過(guò)的電極，在1.0×10-5mol/L 的POP 的磷酸鹽緩沖溶液中，連續(xù)測(cè)定6 次，結(jié)果見(jiàn)圖5（圖5 中：N 為測(cè)定次數(shù)）.由圖5 可知，所測(cè)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD=3.0%）小于5.0%，由此說(shuō)明了該復(fù)合電極體系的重現(xiàn)性良好.

圖5 測(cè)定次數(shù)與峰電流的關(guān)系

2.3.3 穩(wěn)定性 同一修飾電極在放置了一段時(shí)間后，若能保持在初始測(cè)定電流信號(hào)的90%以上，表明該電極具有良好的穩(wěn)定性.最佳條件下，將相同方法制備的Au-MWCNT 修飾玻碳電極分別放置0、13、26、39、52、68、78 h 后進(jìn)行測(cè)定POP 的峰電流，結(jié)果見(jiàn)圖6.放置了3 d 后的電極測(cè)定1.0×10-5mol/L 的POP磷酸鹽緩沖溶液，其峰電流會(huì)隨之變小，這主要因?yàn)樾揎椓薃u-MWCNT 的電極表面上的膜會(huì)形成均一且穩(wěn)定的沉積物從而改變了電極的性能，使得測(cè)定的電流下降，78 h 的峰電流是初始濃度峰電流的95%，說(shuō)明了該修飾材料的穩(wěn)定性良好.

圖6 傳感電極放置時(shí)間與POP 峰電流之間的關(guān)系

2.4 實(shí)際樣檢測(cè)

Au-MWCNT 修飾玻碳電極應(yīng)用于實(shí)際水樣中POP 的測(cè)定，實(shí)際水樣來(lái)自福建技術(shù)師范學(xué)院的濕地公園中的湖水.將采回的水樣用微孔濾膜進(jìn)行過(guò)濾，置于冰箱保存?zhèn)溆?純水樣中沒(méi)有顯示POP 的信號(hào)，因此通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)加入法來(lái)獲得回收率，檢測(cè)方法的可行性，向?qū)嶋H樣品加入低、中、高濃度（6.0×10-6，8.0×10-6，1.0×10-5mol/L）的POP 溶液，在最佳條件下，測(cè)量峰電流，用加標(biāo)回收法測(cè)得樣品中POP 的含量.由表2 可知，POP 的回收率在96.8%～101.3%之間.由此可見(jiàn)，Au-MWCNT 修飾材料對(duì)POP 有好的選擇性和靈敏性，該復(fù)合材料具有良好的實(shí)用性能，可用于實(shí)際樣品的測(cè)定.

表2 實(shí)際樣加標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了Au-MWCNT 修飾電極的電化學(xué)傳感器，并用于測(cè)定湖水中的POP.當(dāng)涂層數(shù)為3 層，pH 值為7.0，掃描速度為100 mV/s 時(shí)，Au-MWCNT 電化學(xué)傳感器對(duì)POP 具有最大的電化學(xué)響應(yīng).在最佳條件下，采用循環(huán)伏安法測(cè)定，結(jié)果表明POP 濃度與氧化峰電流的濃度在1×10-6～1×10-5mol/L 范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，最低檢出限（3S/N）為9.61×10-8mol/L；Au-MWCNT 電化學(xué)傳感器表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及抗干擾性；加標(biāo)回收率為96.8%～101.3%，方法可行.該實(shí)驗(yàn)將MWCNT 和AuNPs 的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，用其復(fù)合材料構(gòu)建的電化學(xué)傳感器成功應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境中水樣的測(cè)定，也為檢測(cè)POP 提供了一條新的思路和方法.