多壁碳納米管修飾金膜塑料電極測(cè)定兒童用品中的壬基酚

李海玉，宗藝晶，白 樺，王 婉，呂 慶，王志娟，張 慶

(中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院，北京 100176)

壬基酚(4-Nonylphenol,NP)屬于酚類內(nèi)分泌干擾物，作為一種典型的外源性雌激素，可干擾人體正常的生殖系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等，甚至引發(fā)癌癥[1-3]。另外，它還是重要的精細(xì)化工原料，被廣泛用作塑料增塑劑、造紙助劑、日化用表面活性劑、紡織行業(yè)的整理劑等[4-5]。在兒童玩耍、觸摸、使用這些產(chǎn)品的過程中，壬基酚有可能遷移到兒童體內(nèi)。因此，對(duì)壬基酚的用量要嚴(yán)格控制。目前多個(gè)國(guó)家均出臺(tái)了相應(yīng)的法律法規(guī)來(lái)限制壬基酚的使用[6-7]。開發(fā)快速靈敏的方法對(duì)環(huán)境中痕量壬基酚進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義，傳統(tǒng)的壬基酚檢測(cè)方法有GC-MS[8-9]、HPLC[10-11]、HPLC-MS[12-13]、熒光法[14]、電化學(xué)法[15-17]等。相比于這些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，電化學(xué)具有快速靈敏，低成本，易于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)電化學(xué)傳感器的電極制備復(fù)雜且成本較高，氧化產(chǎn)物易使電極表面發(fā)生鈍化，無(wú)法用于目標(biāo)物的多次測(cè)量，被污染的電極清洗過程繁瑣。而可拋式工作電極不僅可以解決玻碳電極或金屬電極污染后難以處理的情況，還可以避免檢測(cè)多個(gè)樣本時(shí)的交叉干擾。

本文制備了一種基于多壁碳納米管和金納米粒子(MWCNTS/Au)修飾的可拋式電化學(xué)傳感方法，并將其應(yīng)用于壬基酚的直接電化學(xué)檢測(cè)，該可拋式電極采用普通的PET塑料作為電極基底，大大降低了電極的成本，采用的真空離子濺射技術(shù)，方便、快捷、重現(xiàn)性好、可批量化制備。該可拋式電極在塑料等實(shí)際樣品檢測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電化學(xué)檢測(cè)采用CS350電化學(xué)工作站(武漢科斯特公司)；濺射采用108Auto型真空濺射儀(英國(guó)Cressington公司)；表面結(jié)構(gòu)表征采用S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；方阻測(cè)定采用Cresbox 四探針電阻測(cè)試儀(日本NAPSON公司)；膜厚測(cè)定采用SE850高精度光譜橢偏儀(德國(guó)Sentech公司)；KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

壬基酚(NP，CAS：104-40-5,美國(guó)sigma公司)用無(wú)水乙醇配制成1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液；鄰苯二酚(CAS：120-80-9，純度98.5%)、對(duì)苯二酚(CAS：123-31-9，純度99%)、對(duì)硝基苯酚(CAS：100-02-7，純度99.5%)、對(duì)硝基苯胺(CAS：100-01-6，純度99.5%)均購(gòu)自德國(guó)Dr.Ehrenstorfer，用無(wú)水乙醇配成1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液；CuCl2(99.99%)購(gòu)自Aladdin；CaCl2(99.9%)購(gòu)自Alfa Aesar；ZnCl2(99.999%)、FeCl2(99.99%)、FeCl3(99.99%)、CoCl2(99.9%)、CrCl3(99.99%)均購(gòu)自Aldrich；多壁碳納米管水分散液(MWCNTs，外徑大于50 nm，長(zhǎng)度約10～20 μm，含量為9.4%(質(zhì)量比)購(gòu)自南京先豐納米材料科技有限公司，在后期實(shí)驗(yàn)中用去離子水進(jìn)一步稀釋至不同含量。PET塑料片(厚度0.2 mm，上海邱奇門文具有限公司)；金靶(純度大于99.99%，北京萊伯泰科儀器股份有限公司)；除另有說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)中所使用的化學(xué)品均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為電阻小于18.2 MΩ的去離子水(采用Milli-Q純水系統(tǒng)制備)。

1.2 工作電極的制備

將PET塑料板裁成指定大小(長(zhǎng)40 cm，寬32 cm，不大于濺射儀的樣品臺(tái)尺寸)。去除兩邊的膜后置于真空離子濺射儀內(nèi)濺射一層納米金膜(濺射真空度5 Pa，濺射時(shí)間40 s，濺射電流30 mA)；濺射后將鍍膜塑料片取出，裁剪成實(shí)驗(yàn)所需尺寸大小(長(zhǎng)32 mm，寬8 mm)，即得到Au/PET電極。然后，在Au/PET電極一端貼一層帶有5 mm圓孔的透明膠帶控制電極的反應(yīng)區(qū)域和絕緣區(qū)域。最后在圓孔區(qū)域滴涂10 μL 0.28%(m/m)的多壁碳納米管水分散液，置于40 ℃烘箱內(nèi)干燥15 min，即得到MWCNTs/Au/PET電極，其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖1A所示。

圖1 電極的結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖(A),以及Au/PET(B)和MWCNTs/Au/PET(C)表面的掃描電鏡圖

1.3 電化學(xué)檢測(cè)方法

所有電化學(xué)檢測(cè)均在0.05 mol/L磷酸緩沖溶液(pH 7.0，包含0.1 mol/L KCl)中進(jìn)行。測(cè)試采用三電極體系，多壁碳納米管修飾的可拋式電極為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極。采用線性掃描伏安(LSV)法測(cè)定，檢測(cè)條件如下：掃描速度為100 mV/s，電位掃描范圍為0.2 ～ 1.0 V，靜置時(shí)間為300 s。每次測(cè)定前，輔助電極和參比電極均用水沖洗干凈。

1.4 樣品的準(zhǔn)備

測(cè)定前，塑料樣品采用切割機(jī)粉碎成粒徑約1 mm的顆粒，稱取粉碎好的塑料樣品1.000 g置于三角瓶?jī)?nèi)，加入50 mL 0.05 mol/L磷酸緩沖溶液(pH 7.0，含0.1 mol/L KCl)，在70 ℃水浴48 h，過濾后作為待測(cè)遷移液。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極表征

圖2 Au/PET(曲線a和b)和MWCNTs/Au/PET電極(曲線c和d)的循環(huán)伏安圖

圖3 Au/PET和MWCNTs/Au/PET電極的阻抗譜圖

離子濺射是一種物理氣相沉積技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、沉積速度快、膜層致密的特點(diǎn)[18]。圖1B為金膜修飾電極(Au/PET)表面的SEM圖，從圖中可以看出濺射的金膜均勻且致密。通過Cresbox 四探針電阻測(cè)試儀和SE850高精度光譜橢偏儀分別測(cè)得金膜電極的電阻為29，金膜厚度為10 nm(濺射時(shí)間40 s，濺射電流30 mA)。多壁碳納米管材料具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能和良好的生物兼容性，能夠起到電催化，增大比表面積，加快電子傳遞速率等作用，其修飾電極(MWCNTs/Au/PET)的表面如圖1C所示，從圖中可以清楚地看到多壁碳納米管結(jié)構(gòu)。

圖4 MWCNTs/Au/PET電極在不同pH值電解液中的線性掃描伏安曲線

圖5 不同含量MWCNTs對(duì)測(cè)定壬基酚的影響

圖6 MWCNTs/Au/PET電極在不同質(zhì)量濃度壬基酚溶液中的線性掃描伏安曲線

另外，表征了壬基酚在Au/PET和MWCNTs/Au/PET電極上的循環(huán)伏安行為(圖2)。其中，曲線a為Au/PET電極在空白PBS緩沖液中的循環(huán)伏安曲線，可觀察到在0.95 V處有1個(gè)氧化峰，在0.53 V處有1個(gè)還原峰，均來(lái)自于電極表面Au的氧化還原；曲線b為Au/PET電極在壬基酚存在下的循環(huán)伏安曲線，此時(shí)在0.52 V處可觀察到壬基酚的氧化峰；曲線c為MWCNTs/Au/PET電極在空白PBS緩沖液中的循環(huán)伏安曲線，此時(shí)僅在0.53 V處觀察到Au的還原峰；曲線d為MWCNTs/Au/PET電極在壬基酚存在下的循環(huán)伏安曲線，可觀察到壬基酚的氧化峰的峰電位位移至0.67 V處。對(duì)比曲線b和d，可以看到多壁碳納米管的修飾提高了壬基酚的信號(hào)響應(yīng)，并改善了壬基酚的峰形。

交流阻抗譜分析也是有效表征修飾電極的手段之一。本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)Au/PET和MWCNTs/Au/PET電極在10 mmol/L鐵氰化鉀(含0.1 mol/L KCl)溶液中的阻抗譜圖進(jìn)行考察。如圖3所示，電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)在數(shù)值上等于阻抗譜半圓的直徑，即得到Au/PET和MWCNTs/Au/PET電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻值分別為38.0 Ω和55.2 Ω，表明金電極表面經(jīng)MWCNTs修飾后，表面阻抗稍微有所增加。這可能是由于MWCNTs表面修飾的—COOH帶負(fù)電荷，會(huì)與探針分子[Fe(CN)6]3-/4-發(fā)生靜電排斥作用，一定程度上阻礙了[Fe(CN)6]3-/4-的電子傳遞。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.2.1 電解液pH的優(yōu)化考察了不同pH值(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0)的緩沖溶液對(duì)檢測(cè)壬基酚的影響，結(jié)果如圖4所示。隨著pH值的增大，壬基酚的氧化峰電位逐漸降低，峰電流值的變化不明顯，其中pH值為6.5時(shí)峰電流值略大，且在酸性條件下酚類物質(zhì)相對(duì)更穩(wěn)定。因此，實(shí)驗(yàn)選取pH 6.5作為檢測(cè)壬基酚的最佳pH值。

2.2.2 多壁碳納米管修飾量的優(yōu)化制備多壁碳納米管修飾的金膜電極時(shí)，碳納米管的修飾量對(duì)檢測(cè)也非常重要。實(shí)驗(yàn)考察了采用不同含量(0.017 5%、0.035%、0.07%、0.14%、0.28%、0.56%)MWCNTs進(jìn)行電極修飾時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。如圖5所示，隨著MWCNTs修飾量的增加，壬基酚的峰電流先增加后減少，當(dāng)MWCNTs的含量為0.28%時(shí)，峰電流的強(qiáng)度最高。因此，實(shí)驗(yàn)選擇0.28%為MWCNTs的最佳修飾量。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線與線性范圍

在優(yōu)化條件下，考察了MWCNTs/Au/PET可拋式電極對(duì)不同質(zhì)量濃度壬基酚(0.05、0.1、0.5、1、2、5 mg/L)的線性掃描伏安曲線。結(jié)果如圖6所示，隨著壬基酚質(zhì)量濃度的增加，峰電流逐漸增加。在0.05～5 mg/L范圍內(nèi)，二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程為Ip(μA)=7.126C(mg/L)+25.35，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.998 7，其中，Ip為峰電流值，C為壬基酚的質(zhì)量濃度(mg/L)；方法的檢出限(S/N=3)為0.03 mg/L。進(jìn)一步考察了電極的重現(xiàn)性，每個(gè)質(zhì)量濃度平行測(cè)定6次，測(cè)得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于16%，表明電極的重現(xiàn)性較好。

2.4 抗干擾能力

2.5 實(shí)際樣品分析

應(yīng)用上述制備電極，在優(yōu)化條件下，采用線性掃描伏安法對(duì)市場(chǎng)上一些ABS塑料玩具和PC飲料瓶中的壬基酚遷移量進(jìn)行測(cè)定，均未檢出壬基酚。采取標(biāo)準(zhǔn)的添加方法計(jì)算回收率，測(cè)得回收率為92.0%～103%(見表1)，說(shuō)明該方法可用于實(shí)際樣品遷移量的測(cè)定。

表1 實(shí)際樣品中壬基酚的測(cè)定

3 結(jié) 論

本文采用普通的PET塑料作為電極基底，構(gòu)建了一種低成本的MWCNTs/Au/PET電極，并將其應(yīng)用于壬基酚的檢測(cè)。在優(yōu)化條件下，壬基酚在0.05～5 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，檢出限可達(dá)0.03 mg/L。將該電極進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際樣品的檢測(cè)，取得了滿意結(jié)果。