双酚A和对硝基苯胺在化学修饰电极上的电化学行为及其测定

刘秋香, 杨　程，高翔云，张　琦，陈艳玲

(1.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210018;2.中国地质大学(武汉) 材料科学与化学工程学院,湖北 武汉 430074)

双酚A和对硝基苯胺在化学修饰电极上的电化学行为及其测定

刘秋香1, 杨程1，高翔云1，张琦1，陈艳玲2

(1.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210018;2.中国地质大学(武汉) 材料科学与化学工程学院,湖北 武汉 430074)

摘要：利用碳纳米管(MWNT)和壳聚糖(Chitosan)对电极进行修饰，并采用循环伏安法(CV)和交流阻抗法(EIS)对此修饰电极进行了表征，构建了测定双酚A和对硝基苯胺的电化学传感器，实现了同时测定双酚A和对硝基苯胺的新方法。研究表明，该修饰电极对双酚A和对硝基苯胺具有优异的电催化氧化作用，在pH=8.0的磷酸盐缓冲溶液中，双酚A和对硝基苯胺在该修饰电极上氧化峰电位分别为0.405 V和0.817 V，两者峰电位差达0.412 V。在最优实验条件下，用微分脉冲伏安法同时测定双酚A和对硝基苯胺，在5.0×10-7～1.0×10-4mol/L范围，双酚A的浓度与峰电流呈线性关系(r = 0.997 0)，检出限为2.0×10-7mol/L；对硝基苯胺浓度的线性范围为1.0×10-6～1×10-3mol/L(r = 0.996 0)，检出限为1.0×10-6mol/L。用于测定废水中的双酚A和对硝基苯胺，回收率为98.7%～103%。

关键词：双酚A；对硝基苯胺；壳聚糖；碳纳米管；修饰电极；微分脉冲伏安法

双酚A(Bisphenol A, BPA) 主要用于生产PC树脂和EP树脂，在婴幼儿食品器皿方面应用广泛。随着这些器皿的使用，残留会随食品而进入人体，对人体具有致畸变毒性，导致生育力下降，后代生存能力减弱，雌性化严重[1]。对硝基苯胺(p-Nitroaniline，PNA)作为染料、农药、医药中间体，应用于工程塑料、日用化学品的制造，在工业生产过程中产生高浓度的含苯胺类污染物的生产母液和洗涤废水，对周围环境产生严重污染。因此对PNA的检测与控制至关重要。目前，测定双酚A的方法有极谱法、气相色谱-质谱(GC-MS)法、液相色谱法、荧光法及 ELISA 法等[2-9]。废水中对硝基苯胺类化合物的测定通常采用分光光度法和液相色谱法[10-14]。这些方法多为BPA或PNA的单独测定方法，而且有的方法前处理过程非常复杂。由于电化学分析法具有灵敏度高、操作简单等优点，近年来被分析化学工作者广泛应用于生命科学、环境保护和食品行业等方面的分析测试中。化学修饰电极有其独特的优点，在电化学分析方法中应用十分普遍，其中作为修饰材料的碳纳米管(MWNT)是1991年被日本科学家Iijima发现的一种新型碳结构[8]，具有奇特的电化学性能、明显的量子效应、大的比表面积、高的稳定性以及良好的吸附特性等优点，其在电分析化学中的应用已经成为一个研究热点[15]。另一种修饰材料壳聚糖(Chitosan,CTS)来源于虾、蟹等甲壳类动物壳质的去乙酰化，是一种天然高分子，具有环境和生物共容性，分子内带有很多活性基团，因此被广泛用作修饰剂，最近作为电极材料已经广泛应用于分析测定领域[16-18]，不仅有利于环境保护，还能提高分析灵敏度。

本研究利用碳纳米管(MWNT)和壳聚糖(CTS)作为修饰材料，采用全氟辛基磺酰季碘化物(FC-134)新型分散剂分散MWNT和CTS，制备MWNT- FC-134- CTS(MFC)复合膜修饰电极，研究了BPA和PNA在此修饰电极上的电化学行为，建立了同时测定BPA和PNA的新方法。笔者将该方法应用到废水中BPA和PNA的测定，取得了较好的分析效果。

1实验部分

1.1仪器与试剂

CHI660电化学工作站(美国CH仪器公司)，IM6E型交流阻抗仪(PerkinElmer)，KQ-100DE型超声清洗器(昆山超声仪器公司)，电化学实验三电极系统：工作电极为修饰玻碳电极，参比电极为Ag/AgCl，辅助电极为铂丝。

线性碳纳米管(MWNT)(纯度>90%)，壳聚糖(CTS)(AR)，全氟辛基磺酰季碘化物(FC-134)(AR)，N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)(AR)，各种pH值的磷酸盐缓冲液，不同pH值的磷酸盐缓冲液，不同浓度的对硝基苯胺(PNA)(AR)，双酚A(BPA)(AR)溶液，乙醇为介质，置于4 ℃保存。其他试剂均为分析纯或优级纯，所用水为Milli-Q超纯水。某工厂水样取回过滤后，置于小烧杯中，避光密封1周。

1.2MFC修饰电极的制备

分别用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm Al2O3粉抛光玻碳电极至镜面后用水冲洗，再依次用1:1浓HNO3和无水乙醇，二次水各超声清洗5 min。按文献[19]制备得到MFC/GCE修饰电极。

1.3实验方法

在10 mL容量瓶中，加入适量的BPA和PNA的标准溶液，5.0 mL PBS溶液，用水定容，倒入电解池中，MFC/GCE玻碳电极(r = 4 mm)为工作电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极，搅拌下富集2 min，静置2 s，在0.2～1.2 V电位范围内微分脉冲或线性扫描；每次测定后，电极在空白缓冲溶液中循环伏安扫描20圈进行活化后，直至空白底液中无峰电流方可再次测定。

2结果与讨论

2.1MFC修饰电极的表征

采用交流阻抗法和循环伏安法对MFC/GCE表层修饰膜进行了表征(见图1)，以0.5 mmol/L Fe (CN)63-/4-作为氧化还原探针。

图1　不同修饰电极在值为0.5 mmol/L Fe (CN) 63-/4，

图2　在不同修饰电极在

2.2PNA 和BPA 在电极表面上的微分脉冲伏安特性

图3为1.0×10-5mol/L的PNA和BPA共存时，壳聚糖修饰电极(曲线a)、碳纳米管修饰电极(曲线b)、裸电极(曲线c)、MFC复合膜修饰电极(曲线d)上的微分脉冲伏安曲线。在裸电极上几乎没有响应，在CTS/GCE和MFC/GCE上PNA和BPA分别在0.850 V和0.405 V处出现明显的氧化峰，BPA的峰电位基本不变，PNA的峰电位在0.817 V，峰电流最大，说明MFC/GCE对二者的电化学催化氧化作用明显增强，对二者的选择性也有大幅度提高，说明壳聚糖和羧基化碳纳米管具有协同催化氧化效应，使二者峰电位相差0.412 V，无需分离，可进行同时测定。

图3　0.05 mmol/L BPA+PNA在不同

2.3PNA 和BPA 在修饰电极上的电化学行为

2.3.1支持电解质酸度的影响

通过改变支持电解质和支持电解质的酸度，采用微分脉冲法和循环伏安法对MFC修饰电极上的1.0×10-5mol/L PNA和BPA在不同类型电解质中进行扫描实验。分别考察PNA和BPA共存在氯化钾(pH值=7.0)、0.2 mol/L醋酸-醋酸钠(pH值=3.5～5.6)缓冲体系、Tris-盐酸、氯化铵-氨水、硼酸-盐酸缓冲体系(pH值=7.6～9.2)、0.2 mol/L硼酸-氢氧化钠缓冲体系(pH值=9.2～12.3)和0.2 mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH值=5.0～8.0)中的电化学响应，结果表明在0.2 mol/L磷酸盐缓冲溶液中，PNA和BPA峰形最好，峰电流最高。而且伴随pH值的变大，PNA和BPA的峰电位负移，峰电流也升高，故选择pH值=8.0磷酸盐作为底液，证明氢质子也参与了反应(见图4)。

图4　支持电解质的pH值对1×10-5 mol/L

相同条件下同浓度的BPA灵敏度比PNA约高1倍，这与BPA和PNA发生电化学反应的特定结构相关，而峰电流又与得失电子有关。对硝基苯胺在MFC上发生氧化反应，其中一个分子失去2个电子，并且有质子参加反应，两个分子结构上的氨基先偶氮化，产生联硝基对亚苯胺，然后氮原子脱离苯环，而对硝基苯胺进一步转化为氢醌式结构，最后有可能转化为对苯二酚。据文献推导BPA和PNA在MFC/GCE电极上的可能电化学反应分别为：

2.3.2扫速和富集时间对PNA和BPA的电化学行为影响

改变扫描速率，分别对1.0×10-5mol/L PNA和BPA溶液进行实验。结果表明，在10～600 mV/s范围内，随着扫速的增加，BPA和PNA的氧化峰电流随着扫描速度的增加而增加，其峰电位正移。当扫速过高时，背景电流增大，峰形变宽，故选择扫速为50 mV/s。

当扫速在10～600 mV/s范围内变化时，BPA的峰电流Ip随着ν的增加而增加，扫描过程中发现Ip与ν1/2成线性关系，线性方程Ip(μA)=-19.707 6+ 8.451 1ν1/2，R=0.998 0，且随着扫速增加，Ep与lnν成线性关系，线性方程Ep(V)=0.361 4+ 0.023 62lnν，R=0.998 7，对于扩散体系，可以得到1/2(RT/anF)=0.236 2， 则an值为0.602，对于大多数不可逆反应过程，0.3

用计时库仑法(见图5)计算了1.0×10-5mol/L PNA在电极表面的吸附量及扩散系数。根据方程[20]：

Q=2nFAcD1/2π1/2t1/2+Qads+Qd1

(1)

式中：Qads是由目标分子PNA引起的法拉第电容，Q为PNA参加电化学反应产生的电量，Qd1是双电层电容，n为反应中发生的电子转移数，A为电极表面积，F为法拉第常数，c为PNA的浓度，D为PNA的扩散系数。扣除双电层电容Qd1对空白溶液背景的影响后，由Q-t1/2直线的斜率可得到PNA的扩散系数D为1.114×10-4cm2/s，n=2, 截距为Qads=27.398 μC。由公式 (1)(n为电子数，F为法拉第常数，A=0.125 6 cm2)可以计算出电极表面PNA的吸附量为1.130×10-9mol/cm2。图5为PNA的计时电流曲线和电流强度与t1/2的关系图。

图5　1.0×10-5 mol/L PNA的计时库仑法曲线图

2.3.3电极稳定性和工作曲线

用循环伏安法和微分脉冲伏安法对PNA和BPA分别同时测定，对1×10-5mol/L PNA和BPA溶液进行10次平行测定，RSD分别为4.03%和4.13 %，表明该电极具有良好的重现性。每次测定后重新修饰电极，测定10次的相对标准偏差为5.43 %，峰电位和峰电流仍较为稳定，表明MFC/GCE具有良好的稳定性。在pH值为8.0的PBS 中，BPA 和PNA都表现出很好的DPV 响应，50 倍的BPA 不干扰PNA 的测定，当BPA 浓度增大到100 倍时，PNA的峰电流下降7.5 %，而峰电位不变。由此，利用MFC/GCE 可进行二者的同时测定，分别测定BPA和PNA(见图6和图7)。单独测定BPA和PNA时，BPA线性范围为2.5×10-7～1.0×10-4mol/L，检出限为1.0×10-8mol/L；PNA 的线性范围为1.0×10-6～1.0×10-3mol/L(r=0.996 0)，检出限为8.0×10-7mol/L。当二者进行同时测定时， BPA峰电流与浓度在5.0×10-7～1.0×10-4mol/L浓度范围内呈线性关系(r=0.997)，检出限为2×10-7mol/L；PNA 的线性范围为1.0×10-6mol/L～1.0×10-3mol/L(r=0.996 0)，检出限为1.0×10-6mol/L。

图6　同时改变PNA(5×10-8～1×10-5mol/L)和BPA

图7　修饰电极在不同浓度BPA的循环伏安响应

2.4干扰试验

2.5 样品测定

在优化实验条件下进行双酚A和对硝基苯胺样品测定。取电镀工厂废水，在3支10 mL容量瓶中，分别加入不同量的双酚A和对硝基苯胺的标准液，加废水定容制成加标试样，分别用微分脉冲伏安方法测定废水样品和加标后废水样品，测定结果见表1。

表1　废水中对硝基苯胺和双酚A的测定(n=5)

3结论

采用壳聚糖-碳纳米管修饰电极(MFC/GCE)研究了环境激素双酚A(BPA)和对硝基苯胺(PNA)在pH值为8.0的磷酸缓冲溶液中的电化学行为，并探讨了其电极过程机理。研究表明：BPA 和PNA都表现出很好的DPV 响应，BPA 的峰电位Ep=0.405 V，PNA的峰电位Ep=0.817 V，建立了用MFC/GCE对双酚A和对硝基苯胺同时测定的新方法，此电极对双酚A和对硝基苯胺具有较强的催化氧化作用，有很好的稳定性和重复使用性，实验表明可用于废水中二者的同时测定。

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(责任编辑：张凯兵)

Simultaneous Determination of Bisphenol A and p-Nitroaniline Based on Chitosan-FC134-MWNT Film Modified Electrode

Liu Qiuxiang1, Yang Chen1, Gao Xiangyun1,Zhang Qi1, Chen Yanlin2

(1.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210018,China;2.FacultyofMaterialScienceandChemicalEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

Abstract：An electrochemical sensing platform (MFC/GCE) was developed based on the composite of multi-walled carbon nano-tubes (MWNT) and chitosan (CTS), which was characterized by electrochemical impedance spectroscopy. The electrochemical behaviors and the simultaneous detection of Bisphenol A (BPA) and p-Nitroaniline (PNA) were studied by cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. The results indicated that this modified electrode exhibited excellent electrocatalytic activity towards the oxidation of BPA and PNA. BPA and PNA showed two well-defined oxidation peaks at 0.405 V and 0.817 V at the modified electrode in pH 8.0 PBS buffer solution. The oxidation peaks of BPA and PNA were separated at 412 V. Under the optimal conditions, the linear response of BPA was between 5.0×10-7mol/L and 1.0×10-4mol/L(r=0.997 0); the detection limit was 2.0×10-7mol/L; the linear response of PNA was between 1.0×10-6mol/L and 1.0×10-3mol/L(r=0.996 0), and the detection limit was 1.0×10-6mol/L. The MFC/GCE revealed good sensitivity, selectivity and stability for simultaneous determination of BPA and PNA. The method has been applied to the simultaneous detection of BPA and PNA in waste water with the recovery of 98.7% to 103%.

Key Words：bisphenol A (BPA); p-Nitro-aniline (PNA);chitosan (CTS); multi-walled carbon nano-tubes (MWNT); modified electrode; differential pulse voltammetry (DPV)

收稿日期：2016-03-11

作者简介：刘秋香(1982-)，女，湖北孝感人，江苏省地质调查研究院工程师，硕士。

中图分类号：O658

文献标志码：A

文章编号：2095-4824(2016)03-0010-06

杨程(1983-)，男，江苏淮安人，江苏省地质调查研究院工程师，硕士。