石墨烯/納米鈷增敏對特辛基苯酚印跡傳感器研究

周必武+張朝暉+蔣映權

摘 要 以對特辛基苯酚為模板分子，吡咯為單體，采用電聚合法在一步電化學還原石墨烯/納米鈷修飾碳電極表面制備出高靈敏度和高選擇性地檢測對可特辛基苯酚的印跡電化學傳感器。采用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法等方法，對此印跡電極的電化學性能表征。結果表明，此印跡電化學傳感器的響應電流與對特辛基苯酚濃度的負對數在1.01013～1.0 10 7mol/L范圍內呈良好的線性關系（R2=0.987），檢出限為3.7×1014 mol/L （S/N=3）。此印跡電化學傳感器成功用于檢測雨水、湖水、飲料等樣品中的對特辛基苯酚，回收率達到92.4%～102.0%。

關鍵詞 印跡電化學傳感器； 對特辛基苯酚； 石墨烯； 納米鈷

1 引 言

對特辛基苯酚（p-（Tert-octyl）phenol， POP）是一種廣泛用于制造油溶性酚醛樹脂、表面活性劑、粘合劑和高聚物的抗氧化劑。飲料瓶和嬰兒奶瓶等塑料制品和橡膠產品中存在的微量POP會潛在地危害使用者健康。研究表明，POP可導致雌性早熟、精子數量減少及質量下降等病癥[1]。目前，POP的定量分析檢測主要依靠氣相色譜-質譜聯(lián)用法、液相色譜-質譜聯(lián)用法、高效液相色譜法和生物學方法等[2，3]。但是這些方法的樣品前處理過程繁瑣，所需儀器設備比較昂貴和檢測時間比較長。而電化學傳感器具有良好的靈敏度，操作簡單，檢測成本低，可在線檢測等優(yōu)點，尤其是近年來發(fā)展的分子印跡電化學傳感器，兼具對目標分子的特異識別能力，現已廣泛用于環(huán)境、生物和醫(yī)療領域的分析檢測[4～7]。目前，還沒有關于POP印跡電化學傳感器的報道。

為了解決傳統(tǒng)電化學傳感器在高選擇性和高靈敏度難以兼具的難題，研究者們已研制出基于納米材料修飾的印跡電化學傳感器[8～11]。但是大部分研究都是采用物理吸附方法將納米材料修飾至電極表面，這導致電極表面納米材料的穩(wěn)定性和可重復性差。本研究先采用一步電化學還原法制備石墨烯/鈷納米顆粒修飾電極，再采用電化學聚合法制備對POP印跡電化學傳感器。采用循環(huán)伏安法和脈沖伏安法對不同修飾電極的電化學性能進行表征，結果表明， 此印跡電化學傳感器對POP具有高靈敏度和高選擇性。此印跡傳感器為環(huán)境水樣及飲料中的POP的檢測提供了一種高效、快速的新方法。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CH660B電化學工作站（上海辰華公司）；KQ-100E型超聲清洗機；砂芯抽濾漏斗。電化學實驗以鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極（SCE），修飾碳電極為工作電極的三電極體系進行。

冰醋酸、無水甲醇、吡咯、四丁基四氟硼酸銨（Bu4NBF4）、對特辛基苯酚（POP）、壬基酚（Nonylphenol， NP），購于阿拉丁試劑公司。雙酚A（Bisphenol A， BPA）、四溴雙酚A（Tetrabromobisphenol A， TBBPA）和四水乙酸鈷 （Co（Ac）2· 2O） 均為分析純，購于阿法埃莎試劑公司。實驗用水為二次蒸餾水。5.0×103 mol/L K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6溶液、磷酸鹽緩沖液（pH=6.8）、碳酸鹽緩沖液（0.5 mol/L， pH 9.0）和氧化石墨烯（GO）均為自制。

2.2 實驗方法

2.2.1 電極預處理 先將自制裸碳電極（7.0 mm × 3.5 mm）表面依次用金相砂紙進行拋光，然后用蒸餾水超聲洗滌，干燥，備用。干凈的裸電極采用循環(huán)伏安法在K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6溶液、磷酸鹽緩沖液（pH=6.8）中，電位區(qū)間為

0.3 ～0.8 V，以50 mV/s的掃描速率循環(huán)掃描2圈，掃描后的電極用二次蒸餾水沖洗，干燥備用。

2.2.2 制備石墨烯/納米鈷修飾電極（Co-GP/CE） 參照文獻[12]改進的制備方法，先將25.0 mg GO和62.3 mg Co（Ac）2· 2O分散于25.0 mL K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6-碳酸鹽緩沖液（pH=9.0）中，超聲5 min，使其形成穩(wěn)定均勻的混合液。立即將裸電極浸入該混合液中，采用循環(huán)伏安掃描技術在0.6～1.5 V電位區(qū)間以25 mV/s掃描速率循環(huán)掃描5圈。電沉積后，用二次蒸餾水洗滌此電極，然后再在pH=6.8的PBS溶液中采用循環(huán)伏安法在0.3～0.8 V電位區(qū)間以50 mV/s速度掃描2次。掃描后，此電極用二次蒸餾水洗滌，即可得到石墨烯/納米鈷修飾電極（Co-GP/CE）。

2.2.3 印跡電極制備 取150.0 mg Bu4NBF4和100.0 mg POP（模板分子）溶于20 mL乙醇溶液中，再加入4 mmol吡咯，充分溶解。以Co-GP/CE為工作電極，采用三電極體系在0～0.8 V電位區(qū)間，在上述溶液中以50 mV/s的掃描速率循環(huán)掃描9圈。然后將印跡電極浸泡于甲醇-乙酸 （4∶1， V/V） 溶液中20 min，洗脫印跡膜中POP模板分子，即可得到印跡電化學傳感器（MIP/Co-GP/CE）。

2.2.4 電化學檢測 以修飾碳電極為工作電極，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，采用三電極體系，在K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6-磷酸鹽緩沖液（pH=6.8）中進行電化學行為表征。首先將制備的印跡電極分別浸泡在樣品溶液10 min，然后在0.3～0.8 V電位區(qū)間內，采用差分脈沖伏安法以50 mV/s的速度掃描。每次檢測后，電極浸泡于甲醇-乙酸 （4∶1， V/V） 溶液中20 min，洗脫印跡膜中POP模板分子。所有電化學檢測均在室溫下進行。

3 結果與討論

3.1 POP印跡電化學傳感器的制備及其電化學表征

石墨烯因其優(yōu)異特性已在電化學等領域得到廣泛研究和應用，但是大多數都采用涂覆法將石墨烯修飾在電極表面，這樣的石墨烯修飾電極穩(wěn)定性較差，重現性不好。靜電吸附沉積法作為新的石墨烯修飾技術，因可將帶負電荷的氧化石墨烯修飾到電極表面?zhèn)涫荜P注[13～15]。本研究先將氧化石墨烯與醋酸鈷分散在碳酸鹽緩沖液中， 形成穩(wěn)定的分散液，然后采用電沉積技術使氧化石墨烯和Co2+一步電化學沉積至碳電極表面，從而制備出石墨烯/納米鈷修飾電極（Co-GP/CE）。endprint

在印跡電化學傳感器常用的制備方法中， 以電聚合方法制備最簡單，聚合膜容易在電極表面生成并穩(wěn)定附著。本研究采用電聚合方法，以4.0 mmol吡咯為單體，100.0 mg POP為模板分子，Co-GP/CE為工作電極，在0～0.8 V電位區(qū)間以50 mV/s掃速進行循環(huán)伏安掃描9圈，結果見圖1。隨著掃描圈數逐漸增加，電流逐漸減小，這是因為POP分子與吡咯分子共沉積到電極表面，產生的吡咯聚合物將POP模板分子包覆。由于POP不具有電化學活性，從而降低了聚吡咯膜的電活性。循環(huán)掃描9圈后，電流趨于穩(wěn)定，這表明電極表面已經完全被印跡膜包覆。將此印跡電極在甲醇-乙酸 （4∶1， V/V）中浸泡20 min，即可洗脫印跡膜中的模板分子POP。

將各修飾電極浸入5.0×103 mol/L K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6-磷酸鹽緩沖液（pH=6.8）中，采用循環(huán)伏安法進行表征（圖2）。與裸電極峰電流（圖2a）相比，石墨烯修飾電極的電流（圖2b）明顯增大，這是因為石墨烯增強了電極的導電能力。石墨烯/納米鈷修飾電極的峰電流（圖2c）明顯高于石墨烯修飾電極的峰電流，表明鈷納米顆粒可進一步提高電極的導電能力，能夠有效提高K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6分子的轉移速率。圖2d是未洗脫POP的印跡電極的循環(huán)伏安圖，其峰電流最小；當POP洗脫后，該印跡電極的峰電流（圖2e）明顯增強，這是因為洗脫后形成了印跡孔穴，可以使K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6分子自由通過的孔穴。

3.2 溶液pH值及孵化時間對印跡電化學傳感器的性能影響

配制一系列的磷酸鹽緩沖液，考察pH值對此印跡電化學傳感器的影響。由于POP不溶于水，先將的磷酸鹽緩沖液中的差分脈沖伏安電化學行為。如圖3A所示，隨著溶液pH值從6.2增加到7.4時，印跡電化學傳感器的峰電流逐漸減小，在pH=7.4的磷酸鹽緩沖液中，此印跡電化學傳感器的峰電流最小。當溶液的pH值從7.4增加到8.5時，峰電流快速增加。在pH 7.4時，由于氫鍵作用，此印跡電化學傳感器結合較多的模板分子，印跡電化學傳感器表現出最小的峰電流。因此本實驗應選擇pH=7.4的PBS溶液作為檢測POP的背景溶液。

為了探討最佳孵化時間，提高印跡電極對POP的響應靈敏度，將印跡修飾電極浸泡在1.0 × 10 10 mol/L POP溶液中分別孵化2，3，5，8，10，14和20 min，然后再檢測其電化學性能（圖3B）。當孵化時間達到10 min時，印跡電極的響應峰電流逐漸減小且趨于穩(wěn)定，這表明此印跡電極吸附達到最大，因此印跡電極最佳孵化時間確定為10 min。

3.3 印跡電化學傳感器的響應校準曲線

采用差分脈沖伏安法考察印跡電極在濃度分別為1.0 × 10 7， 1.0 × 10 8， 1.0 × 10 9， 1.0 × 10 10， 1.0 × 10 11， 1.0 × 10 12和1.0 × 10 13 mol/L的POP乙醇溶液中的電化學響應性能。以5.0 × 10 3 mol/L的3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6為探針，采用DPV法，在0.3～0.8 V電位區(qū)間進行電位掃描，檢測結果見圖4A。隨著POP濃度增加，其峰電流逐漸降低，這是由于POP沒有電化學活性，隨著濃度增加，不導電的POP占據的印跡孔穴多，阻礙了K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6穿透到石墨烯/納米鈷修飾電極表面，7， 1.0 × 10 8， 1.0 × 10 10， 1.0 × 10 11， 1.0 × 1012 and 1.0 × 10 13 mol/L， respectively）； inset： the calibration curve

導致響應峰電流隨著POP濃度的增加而降低。在1.0 × 10 13～1.0 × 10 7 mol/L范圍內，以響應電流為印跡傳感器對空白溶液的響應峰電流與待測POP溶液的響應峰電流差值）為縱坐標，濃度的負對數（

pop）為橫坐標，建立標準曲線，結果見圖4插圖，峰電流與其濃度的負對數呈良好的線性關系，其線性方程為：

R（mA）=0.091+1.28lgC（mol/L）（R2=0.987）。當信噪比S/N=3時，可計算出該印跡電化學傳感器對POP的檢出限為3.71014 mol/L。

3.4 印跡電化學傳感器的選擇性、穩(wěn)定性和重現性

本實驗選擇3種與對特辛基苯酚結構相似物壬基酚、雙酚A和四溴雙酚A為競爭物，探討此石墨烯/納米鈷修飾對特辛基苯酚印跡傳感器的選擇性。在含1.0×1010 mol/L POP或加入1.0×10 9 mol/L的各干擾物的5.0×10 3 mol/L K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6的磷酸鹽緩沖液（pH=7.4）中，以POP印跡電極為工作電極進行差分脈沖伏安檢測，結果如圖5所示。添加各干擾物的響應電流（

IR）較只有POP的值均有增加，且加有干擾物壬基酚的IR增加最為明顯，而其它兩種擾物的

R增加值很小，這是因為壬基酚和對特辛基苯酚的化學結構很相似，從而導致壬基酚和對特

重現性和穩(wěn)定性是印跡電化學傳感器的重要性質。采用DPV探討8根相同方法制作的印跡電極對5.0 10 mol/L K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6的磷酸鹽緩沖液（pH=7.4）中1.0×1010 mol/L POP的電化學行為，每根電極檢測5次，取平均值，得出8根印跡電極的響應峰電流的相對標準偏差（RSD）為3.8%，表明此方法制備的印跡電化學傳感器具有良好的重現性。將3根采用相同方法制備的印跡傳感器在4℃下保存一個月后，其對1.0×10

10 mol/L POP的響應電流為原來的98.5%，沒有明顯減小，表明此印跡傳感器較好的穩(wěn)定性。endprint

3.5 應用

將此印跡電化學傳感器用于檢測自來水、湖水和飲料樣品中對特辛基苯酚（POP）的含量。選用紅茶，飲料，礦泉水、吉首大學風雨湖的湖水和實驗室的自來水作為檢測樣品。將這些水樣采用微孔濾膜過濾，置于冰箱中保存?zhèn)溆谩８鶕枰砑訕藴嗜芤号渲撇煌瑵舛鹊腜OP加標溶液。然后將每個樣品溶液平行檢測5次，取其平均值，計算回收率。由表1可見，此印跡傳感器對POP的檢測具有良好的靈敏度和選擇性能，回收率達92.4%～102.0%。

4 結 論

本研究結合電沉積技術，在一步電沉積石墨烯/納米鈷顆粒修飾電極表面成功制備出對于對特辛基苯酚具有高選擇性和高靈敏度的印跡電化學傳感器。電極表面修飾的鈷納米和石墨烯能有效增大傳感器表面積和導電能力，提高了對目標物的電化學響應性能，檢出限達3.7 × 10

14 mol/L （S/N=3）。此傳感器成功用于自來水、湖水和飲料樣品中對特辛基苯酚的含量檢測，回收率達92.4%～102.0%。

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