双酚A在纳米羟基磷灰石修饰碳糊电极上的电化学行为及分析应用

吴云华，殷 明

(1中南民族大学生命科学学院，武汉430074;2中南民族大学药学院，武汉430074)

双酚A(BPA)是一种很重要的化工原料，用于生产环氧树脂、聚碳酸酯和聚氧酚等，属于环境激素，即使痕量的BPA也会对人类生殖及后代生存能力产生负面影响［1］.因此，需建立高效率检测BPA的方法.

目前已报道的BPA检测方法有液相色谱法、荧光法、极谱法及酶联免疫吸附法(ELISA)等［2-5］.液相色谱和ELISA等方法虽灵敏度高，但仪器设备昂贵，检测过程耗时，前处理较繁琐.较之上述方法，电化学方法则因具有灵敏度高、分析速度快、仪器低廉、操作简便及成本低廉等特性，目前已成为一种重要的分析手段.

近年，随着化学修饰电极的迅速发展，化学修饰碳糊电极(CMCPEs)的应用广受关注，碳糊电极具有价格便宜、制造简单、电位窗口宽、表面容易更新、敏感度高以及稳定性好的优点，深受电分析工作者的青睐［6］; 纳 米 羟 基 磷 灰 石 (Nano-HAP， Nano-Ca10(PO4)6(OH)2)是生物活性陶瓷，立体化学结构和独特的多吸附位点使其广泛用于催化领域［7］.目前，BPA在碳糊电极上电化学行为已见报道［8］，但Nano-HAP修饰碳糊电极测定BPA却尚未见报道.

本文制备了纳米羟基磷灰石修饰碳糊电极(Nano-HAP-CPE)，研究了BPA在pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中的电化学行为，并将其应用于聚碳酸酯塑料瓶中BPA含量的测定.

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

CHI660C电化学工作站(上海辰华仪器有限公司;采用三电极系统:碳糊电极(CPE)为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极).

双酚A标准溶液:0.1 mol/L，准确称取2.28 g BPA标准品，用无水乙醇溶解，用水定容至100 mL，并黑纸包妥于4℃阴暗处保存，用时逐级稀释至所需浓度.

0.1 mol/L PBS(pH 7.0)缓冲溶液.

石墨粉(化学纯)，硅油(分析纯)，BPA和Nano-HAP购自Sigma公司，其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水.

1.2 CPE和Nano-HAP-CPE的制备

CPE电极制作:分别称取1.00 g石墨粉和0.25 g石蜡油混合(质量比4∶1)均匀后，装入直径为3 mm的碳糊电极，电极表面在硫酸称量纸上磨平抛光;Nano-HAP-CPE电极制作相似于裸碳糊电极制作方法，其不同处为Nano-HAP与石墨粉按质量比例混合.

1.3 实验方法

将Nano-HAP修饰碳糊电极置于10 mL pH 7.0的PBS中，在空白溶液中循环伏安(CV)法扫描至基线稳定，差分脉冲伏安(DPV)法扫描空白溶液，记录0～0.8 V的DPV曲线，再于空白溶液中加入样品溶液0.10 mL，再DPV扫描，记录0～0.8 V的DPV曲线，通过扣除背景得到结果.每次测定后，用刀片小心刮去表面，重新制作新的Nano-HAP-CPE.

2 结果与讨论

2.1 Nano-HAP-CPE的电化学行为特征

Nano-HAP-CPE的电化学行为以K3［Fe(CN)6］作为氧化还原探针，通过CV法进行研究.图1为CPE 和Nano-HAP-CPE 在1 mmol/L K3［Fe(CN)6］的0.1 mol/L KCl溶液中的CV图.图1曲线 a为裸CPE的CV曲线，有一对氧化还原峰，其氧化峰电位Epa=0.392 V，还原峰电位Epc= －0.130 V，峰电位差 ΔEp=0.520 V.图 1 曲线 b 为 K3［Fe(CN)6］在Nano-HAP-CPE的CV曲线，其Epa=0.315 V，负移77 mV;Epc= －0.0290 V，正移101 mV;峰电位差ΔEp=0.344 V，且峰形较对称，电极过程的可逆性提高很大，峰电流也显著增大.由此表明Nano-HAP对K3［Fe(CN)6］的氧化还原有显著促进作用.

图1 铁氰化钾在裸CPE(a)和Nano-HAP-CPE(b)的CV图Fig.1 Cyclic voltammograms of 1 mmol/L K3［Fe(CN)6］at bare CPE(a)and Nano-HAP-CPE(b)

2.2 BPA的电化学行为

在pH 7的PBS溶液中，用 CV法比较了BPA在CPE和Nano-HAP-CPE电极上的电化学行为(见图2插图).在不含BPA的PBS溶液中，未观察到裸CPE(a)的氧化还原峰，而在0.7 V附近则观察到Nano-HAP-CPE电极(b)的一个氧化峰，电流较低，该氧化峰可能系Nano-HAP自身所引起的.BPA的电化学行为见图2主图，裸CPE(c)与Nano-HAPCPE(d)电极上均有一个氧化峰，氧化电位分别为0.465、0.468 V.而与裸 CEP 相比，BPA 在 Nano-HAP-CPE电极上的氧化电流显著增大，原因为Nano-HAP具有大的比表面积，对BPA有较强吸附能力和较高富集效率，增加了它在电极表面的浓度，使得氧化峰电流增强.在循环扫描过程中，未观察到还原峰，说明BPA在Nano-HAP-CPE电极上的电极反应是一个完全不可逆过程.这与文献报道相符［6-8］.BPA在CPE和Nano-HAP-CPE上的连续CV扫描特征见图3.图3中，BPA在裸CPE电极上氧化电流经第2次循环电位扫描后完全消失，而在Nano-HAP-CPE电极上氧化电流则显著降低但未完全消失，并随扫描次数增加其氧化电流逐渐减小而氧化电位增加，最终趋于稳定.造成该现象的原因是BPA生成的氧化产物在电极表面发生了吸附，覆盖电极表面部分活性点位，影响了BPA在电极表面的电子交换，从而导致在以后扫描时的氧化电流大为降低.因此，本实验以第1圈的氧化峰电流作为测定信号.

图2 双酚A在裸CPE和Nano-HAP-CPE的CV图Fig.2 Cyclic voltammograms of BPA at bare CPE and Nano-HAP-CPE

2.3 实验条件的优化

2.3.1 Nano-HAP 比例的选择

取5%～70%不同质量百分比的Nano-HAP/石墨粉与硅油混合制作CPE，在相同BAP浓度下，分别在0.1 mol/L PBS(pH7)的缓冲溶液中进行线性扫描.实验表明:随着 Nano-HAP的比例增大，BPA的氧化峰电流也随之增大，且相应的氧化电位发生正移.但0.7 V电位处的氧化杂峰也随之增大.本实验选Nano-HAP/石墨粉质量百分比为10%.

2.3.2 支持电解质

在相同BAP浓度下，分别以0.1 mol/L NaCl、KCl、NaNO3、KNO3、K2SO4、Na2SO4、CH3COONa、CH3COOK和PBS溶液为支持电解质进行实验.考察其对BAP峰电流Ipa的影响，结果表明:以0.1 mol/L PBS溶液测定BAP的支持电解质，可得到最灵敏的测定信号.

2.3.3 pH 值的影响

在pH 4～10范围介质pH对BPA氧化峰电流Ipa的影响见图4a.当pH值由4增至7时，BPA的氧化峰电流逐渐增大;当pH值续由7增至10时，则氧化峰电流反而降低.考虑到检测BPA的灵敏度，故选择pH7为起始进行测试.

BPA的峰电位与pH关系见图4b.在pH 4～10范围，BPA峰电位随pH值增大而负移，电位与pH存在线性关系Epa(V)= －0.05261pH+0.8492，相关系数为r=0.9922，当pH逐渐增大时，氧化峰电位以52.61 mV/pH的速率负移，该值非常接近电子数和质子数相等电化学反应理论值(25℃时，为59 mV/pH)，因此说明BPA氧化过程中质子参与反应，而且质子数和电子数相等.

2.3.4 溶剂的选择

由于BPA几乎不溶于水，本实验选用了5种有机试剂作为BPA的溶剂，分别为甲醇、乙醇、异丙醇、乙腈和丙酮.在电位窗口0～1V内，相同BAP浓度下以DPV法进行分析，结果表明以甲醇和乙醇作为溶剂时，分别具有最高氧化峰电流和最低氧化电位.本实验选用乙醇作为BPA的溶剂.

2.3.5 扫速的影响

扫速在20～400 mV/s范围的变化见图5.由图5知，BPA的氧化峰电流Ipa随扫描速率v的增加而增大，当扫速过高时，背景电流增大，峰形变宽，故选择扫速为100 mV/s.扫描过程中发现Ipa与v成线性关系，线性方程Ipa(μA)=0.2382v+12.39(r=0.9935)说明BPA在此修饰电极上的氧化过程受吸附控制.

图5 BPA在不同扫速下的CV安图Fig.5 Cyclic voltammograms of BPA at different scan rate

2.3.6 富集电位与富集时间

当 pH=7，0.1 mol/L PBS 溶液时，2.5 mol/L BPA在不同富集电位下，以相同测试条件进行DPV法测试.结果见图6.由图6知，峰电流富集电位在－0.5 V时最大，测定选择富集电位为－0.5V.

图6 富集电位对BPA氧化峰流的影响Fig.6 Effect of accumulation potential on the oxidation peak current

不同的富集时间对峰电流的影响见图7.随富集时间增加峰电流升高.当富集时间150 s时，峰电流最大，超过150 s峰电流反而下降，因此选择150 s为富集时间.

图7 富集时间对BPA氧化峰流的影响Fig.7 Effect of accumulation time on the peak current

3 BPA在Nano-HAP-CPE电极上的电化学动力学参数

3.1 电荷转移系数α

在0～1 V的电位窗口下，用 CV法研究了扫描速率(20～400 mV/s)对BPA电化学行为影响并得Epa-lnν关系，见图8.其线性回归方程Epa(V)=0.02029lnν+0.3725(r=0.9920) 根根据 Laviron理论，峰电位和扫描速度遵循Epa=E0+(RT/anF)ln(RTk0/anF)+(RT/anF)lnν［11］.式中，a为电荷转移系数，n为电子转移数，ν为扫速.由曲线斜率得RT/anF=0.02029(T=298，R=8.314，F=96480)，由此得an=1.26.前人实验证明，对于大多数体系，0.3 ＜a＜0.7，因而n=2，则有电荷转移数a=0.63.

图8 双酚A氧化电位Epa与ln v的关系Fig.8 Plot for the oxidation peak potential Epa of BPA vs.ln v

3.2 有效表面积A，扩散系数D和表面吸附浓度Γs

根据电位阶跃计时电量法［12］:

其中，A为工作电极有效表面积，c为底物浓度，D为扩散系数，Qads为法拉第容量.其他参数均有其固定值.采用计时库仑(CC)法测定BPA的D值(实验条件与 CV法相同).以 0.1 mmol/L［Fe3(CN)6］为模型化合物 (在 1.0 mol/L KCl溶液中其扩散系数D=7.6 × 10－6cm2/s［12］).由式(1)可知Q与2t1/2成线性关系(见图9).由图9插图知，Q与t1/2的斜率在 CPE(c)和 Nano-HAP-CPE(d)分别为2.40 ×10－6和 2.67 ×10－6.由此可求得裸CPE和Nano-HAP-CPE有效表面积分别为A=0.0397 cm2和A=0.0442 cm2.结果表明 Nano-HAPCPE电极的有效表面积较裸CPE电极大，因而可提高BPA吸附能力，从而导致增大BPA的氧化电流，降低检测限.

图9 铁氰化钾的CC图(扣除背景)Fig.9 Chronocoulomety of Fe3(CN)6 after background subtracted

基于公式(1)通过CC法得到BPA的扩散系数D和法拉第容量Qads.图10主图为双酚A在Nano-HAP-CPE上电量Q和时间t的关系图，通过扣除背景，电量与时间的平方呈现一定的线性关系(见图10插图)，求其斜率为8.79 ×10－6和Qads=3.49 ×10－7c.因此，当n=2，A=0.0442 cm2，c=0.100 mmol/L，D=5.12 ×10－5cm2/s，通过公式Qads=nFAΓS，可得 ΓS=4.30×10－11mol/cm2.

3.3 反应级数

由BPA氧化峰电流Ipa与其浓度关系，依据电化学动力学原理［13］以 lgIpa对 lgc作图 ，在 Nano-HAP-CPE电极上电催化氧化过程中lgIpa与lgc呈良好的线性关系，见图11.由图11知，线性方程lgIpa=0.5350lgc－3.174，相关系数r=0.9976，曲线斜率为0.5350，表明在0.1 mol/L PBS溶液中 BPA在Nano-HAP-CPE电极上电催化氧化为半级反应.

图10 双酚A的CC图(扣除背景)Fig.10 Chronocoulomety of BPA after background subtracted

图11 氧化峰电流的对数与BPA浓度对数的关系Fig.11 Plot between the dependence of lg I pa vs.lg cBPA

4 分析和应用

4.1 干扰及重现性

测定一些常见无机离子对BPA干扰实验的结果表明，1.25 × 10－3mol/L 的 Fe3+、Ca2+、Cu2+、Mg2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+、CL－、SO2－4、NO3－在1.25×10－5mol/L BPA溶液中基本不干扰BPA的测定.每次测定之后，用刀片小心移去电极末端用过的糊状物质，重新制作新的Nano-HAP-CPE电极，平行测定6次1×10－4mol/L BPA，相对标准偏差为1.86%，结果说明修饰电极有很好的重现性.

4.2 线性范围及检测限

用DPV法测定不同浓度BPA，并讨论了Ipa-cBPA关系.结果表明，其峰电流与BPA浓度在8.00×10－8～1.25×10－5mol/L 范围内呈线性关系(见图12).检测限为4.50 ×10－8mol/L.Ipa与浓c遵循Ipa(μ A)=0.05547cBPA(μmol/L)+0.008230，R=0.9984.

4.3 实际样品的测定及加标回收实验

图12 氧化峰电流与BPA浓度关系Fig.12 Plot for the oxidation peak current of BPA vs.cBPA

取聚碳酸酯塑料瓶，剪碎后烘干再准确称取11.00 g放于烧杯中，加150 mL二次蒸馏水，放入超声波仪器中超声30 min，再置于70℃的烘箱中，放置48 h，过滤2次后收集滤液，最后用去离子水定容［14］.在最佳实验条件下，用 DPV方法测量样品，然后进行加标回收实验.结果见表2.

表2 聚碳酸酯塑料瓶中BPA的测定Tab.2 Determination of BPA in plastic sample

5 结语

本文研究了BPA在Nano-HAP-CPE电极上的电化学行为，结果表明，该修饰电极能增强BPA在电极表面的电化学响应，基于此构建了简便、灵敏检测BPA的电化学方法，将该方法应用于聚碳酸酯塑料瓶中BPA的测定，结果令人满意.

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