石墨烯/納米鈷增敏對(duì)特辛基苯酚印跡傳感器研究

周必武+張朝暉+蔣映權(quán)

摘 要 以對(duì)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(xué)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(cè)對(duì)可特辛基苯酚的印跡電化學(xué)傳感器。采用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法等方法，對(duì)此印跡電極的電化學(xué)性能表征。結(jié)果表明，此印跡電化學(xué)傳感器的響應(yīng)電流與對(duì)特辛基苯酚濃度的負(fù)對(duì)數(shù)在1.01013～1.0 10 7mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系（R2=0.987），檢出限為3.7×1014 mol/L （S/N=3）。此印跡電化學(xué)傳感器成功用于檢測(cè)雨水、湖水、飲料等樣品中的對(duì)特辛基苯酚，回收率達(dá)到92.4%～102.0%。

關(guān)鍵詞 印跡電化學(xué)傳感器； 對(duì)特辛基苯酚； 石墨烯； 納米鈷

1 引 言

對(duì)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(chǎn)品中存在的微量POP會(huì)潛在地危害使用者健康。研究表明，POP可導(dǎo)致雌性早熟、精子數(shù)量減少及質(zhì)量下降等病癥[1]。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、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、高效液相色譜法和生物學(xué)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(shè)備比較昂貴和檢測(cè)時(shí)間比較長。而電化學(xué)傳感器具有良好的靈敏度，操作簡單，檢測(cè)成本低，可在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是近年來發(fā)展的分子印跡電化學(xué)傳感器，兼具對(duì)目標(biāo)分子的特異識(shí)別能力，現(xiàn)已廣泛用于環(huán)境、生物和醫(yī)療領(lǐng)域的分析檢測(cè)[4～7]。目前，還沒有關(guān)于POP印跡電化學(xué)傳感器的報(bào)道。

為了解決傳統(tǒng)電化學(xué)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(xué)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(dǎo)致電極表面納米材料的穩(wěn)定性和可重復(fù)性差。本研究先采用一步電化學(xué)還原法制備石墨烯/鈷納米顆粒修飾電極，再采用電化學(xué)聚合法制備對(duì)POP印跡電化學(xué)傳感器。采用循環(huán)伏安法和脈沖伏安法對(duì)不同修飾電極的電化學(xué)性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明， 此印跡電化學(xué)傳感器對(duì)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(cè)提供了一種高效、快速的新方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

CH660B電化學(xué)工作站（上海辰華公司）；KQ-100E型超聲清洗機(jī)；砂芯抽濾漏斗。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行。

冰醋酸、無水甲醇、吡咯、四丁基四氟硼酸銨（Bu4NBF4）、對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 電極預(yù)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(jìn)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(xiàn)[12]改進(jìn)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(shù)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(xué)傳感器（MIP/Co-GP/CE）。

2.2.4 電化學(xué)檢測(cè) 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(jìn)行電化學(xué)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(nèi)，采用差分脈沖伏安法以50 mV/s的速度掃描。每次檢測(cè)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(xué)檢測(cè)均在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 POP印跡電化學(xué)傳感器的制備及其電化學(xué)表征

石墨烯因其優(yōu)異特性已在電化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用，但是大多數(shù)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(xiàn)性不好。靜電吸附沉積法作為新的石墨烯修飾技術(shù)，因可將帶負(fù)電荷的氧化石墨烯修飾到電極表面?zhèn)涫荜P(guān)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(shù)使氧化石墨烯和Co2+一步電化學(xué)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(xué)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(jìn)行循環(huán)伏安掃描9圈，結(jié)果見圖1。隨著掃描圈數(shù)逐漸增加，電流逐漸減小，這是因?yàn)镻OP分子與吡咯分子共沉積到電極表面，產(chǎn)生的吡咯聚合物將POP模板分子包覆。由于POP不具有電化學(xué)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(jīng)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(jìn)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?yàn)槭┰鰪?qiáng)了電極的導(dǎo)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?？蛇M(jìn)一步提高電極的導(dǎo)電能力，能夠有效提高K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6分子的轉(zhuǎn)移速率。圖2d是未洗脫P(yáng)OP的印跡電極的循環(huán)伏安圖，其峰電流最??；當(dāng)POP洗脫后，該印跡電極的峰電流（圖2e）明顯增強(qiáng)，這是因?yàn)橄疵摵笮纬闪擞≯E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(shí)間對(duì)印跡電化學(xué)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(duì)此印跡電化學(xué)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(xué)行為。如圖3A所示，隨著溶液pH值從6.2增加到7.4時(shí)，印跡電化學(xué)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(xué)傳感器的峰電流最小。當(dāng)溶液的pH值從7.4增加到8.5時(shí)，峰電流快速增加。在pH 7.4時(shí)，由于氫鍵作用，此印跡電化學(xué)傳感器結(jié)合較多的模板分子，印跡電化學(xué)傳感器表現(xiàn)出最小的峰電流。因此本實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇pH=7.4的PBS溶液作為檢測(cè)POP的背景溶液。

為了探討最佳孵化時(shí)間，提高印跡電極對(duì)POP的響應(yīng)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(cè)其電化學(xué)性能（圖3B）。當(dāng)孵化時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，印跡電極的響應(yīng)峰電流逐漸減小且趨于穩(wěn)定，這表明此印跡電極吸附達(dá)到最大，因此印跡電極最佳孵化時(shí)間確定為10 min。

3.3 印跡電化學(xué)傳感器的響應(yīng)校準(zhǔn)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(xué)響應(yīng)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(jìn)行電位掃描，檢測(cè)結(jié)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(xué)活性，隨著濃度增加，不導(dǎo)電的POP占據(jù)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(dǎo)致響應(yīng)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(nèi)，以響應(yīng)電流為印跡傳感器對(duì)空白溶液的響應(yīng)峰電流與待測(cè)POP溶液的響應(yīng)峰電流差值）為縱坐標(biāo)，濃度的負(fù)對(duì)數(shù)（

pop）為橫坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見圖4插圖，峰電流與其濃度的負(fù)對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系，其線性方程為：

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

3.4 印跡電化學(xué)傳感器的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

本實(shí)驗(yàn)選擇3種與對(duì)特辛基苯酚結(jié)構(gòu)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(duì)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(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示。添加各干擾物的響應(yīng)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?yàn)槿苫雍蛯?duì)特辛基苯酚的化學(xué)結(jié)構(gòu)很相似，從而導(dǎo)致壬基酚和對(duì)特

重現(xiàn)性和穩(wěn)定性是印跡電化學(xué)傳感器的重要性質(zhì)。采用DPV探討8根相同方法制作的印跡電極對(duì)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(xué)行為，每根電極檢測(cè)5次，取平均值，得出8根印跡電極的響應(yīng)峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為3.8%，表明此方法制備的印跡電化學(xué)傳感器具有良好的重現(xiàn)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(gè)月后，其對(duì)1.0×10

10 mol/L POP的響應(yīng)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(yīng)用

將此印跡電化學(xué)傳感器用于檢測(cè)自來水、湖水和飲料樣品中對(duì)特辛基苯酚（POP）的含量。選用紅茶，飲料，礦泉水、吉首大學(xué)風(fēng)雨湖的湖水和實(shí)驗(yàn)室的自來水作為檢測(cè)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?jù)需要，添加標(biāo)準(zhǔn)溶液配制不同濃度的POP加標(biāo)溶液。然后將每個(gè)樣品溶液平行檢測(cè)5次，取其平均值，計(jì)算回收率。由表1可見，此印跡傳感器對(duì)POP的檢測(cè)具有良好的靈敏度和選擇性能，回收率達(dá)92.4%～102.0%。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合電沉積技術(shù)，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(duì)于對(duì)特辛基苯酚具有高選擇性和高靈敏度的印跡電化學(xué)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(dǎo)電能力，提高了對(duì)目標(biāo)物的電化學(xué)響應(yīng)性能，檢出限達(dá)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(duì)特辛基苯酚的含量檢測(cè)，回收率達(dá)92.4%～102.0%。

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