基于聚多巴胺包覆的Zr－MOF的电化学传感器对双酚A的检测

黄诗思，曾延波，杨义文，李 蕾*

（1. 浙江师范大学 化学与生命科学学院，浙江 金华 321000；2. 嘉兴学院 生物与化学工程学院，嘉兴市分子识别材料与传感技术重点实验室，浙江 嘉兴 314001）

双酚A（BPA）是一种常见的内分泌干扰物质，常用于制造环氧树脂和聚碳酸酯塑料等。食品级包装材料和婴儿用品也会用到BPA。BPA具有类似雌激素的特性，长期接触会影响生殖功能，造成青春期早熟，影响前列腺生长，甚至引发癌症［1－2］。所以，建立快速、准确、方便的BPA检测方法尤为重要。目前，BPA的检测方法主要有高效液相色谱－质谱联用法［3］、气相色谱－质谱联用法［4］、荧光光谱法［5］和电化学传感器［6－8］等。电化学传感器因具有仪器体积小、操作简单、响应快和灵敏度高等优点而用于BPA的检测［7］。

金属有机框架（MOFs）是由金属离子和有机配体形成的一类新型多孔功能材料，具有结构可调、比表面积大和孔隙率高的优异性能［9－10］，部分MOFs也具有良好的导电性，因此被用作基底材料以提高电化学传感器的导电性和灵敏度［11－12］。此外，在碱性溶液中，多巴胺（DA）可在碳纳米管［13］、氧化石墨烯［14］、二氧化钛［15］和金纳米粒子［16］材料上通过原位自发氧化聚合制备聚多巴胺（PDA）的载体复合材料。

本文利用多巴胺在碱性溶液中自聚合的特性，以配体4-羧基苯基卟啉的锆基金属有机框架（Zr－MOF）为载体材料合成聚多巴胺包覆的Zr－MOF复合材料（Zr－MOF－PDA），将其滴涂在玻碳电极表面，成功构建了高灵敏检测BPA的电化学传感器。利用红外光谱、热重分析、扫描电镜对Zr－MOF－PDA进行表征。采用循环伏安法、计时库仑法和差分脉冲伏安法研究修饰电极的电化学行为。考察了该电化学传感器对BPA的线性范围、检出限、选择性和干扰性，并将其用于河水、牛奶和塑料瓶中BPA的检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

PCN－223（H）（Zr－MOF，上海楷树化学科技有限公司）；盐酸多巴胺、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐（Tris－HCl）、氢氧化钠、聚醚酰亚胺、双酚A、2-硝基苯酚、苯酚、4-氯苯酚（阿拉丁试剂有限公司）；对苯二酚、2-硝基苯胺、4-硝基苯胺（Sigma公司）；联苯胺、邻苯二胺、2-萘胺、氢化双酚A（百灵威试剂有限公司）。用磷酸氢二钠（Na2HPO4）和磷酸二氢钠（NaH2PO4）配制成磷酸缓冲溶液（PBS，0.1 mol/L）。所用试剂均为分析纯；实验用水为二次水。

Hitachi S－4800扫描电子显微镜（日本日立公司），NEXUS470 红外光谱仪（美国热电尼高力公司），TGA/STA－309 热重分析仪（i国林赛斯公司）。CHI660D 电化学工作站（上海辰华仪器公司），直径为3 mm的玻碳电极（GCE），饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。

1.2 Zr－MOF－PDA及PDA的制备

在100 mL圆底烧瓶中加入10 mg Zr－MOF和30 mL水，超声20 min使其分散均匀后，加入30 mg 盐酸多巴胺和30 mL Tris－HCl缓冲液（10 mmol/L，pH 8.5），将混合溶液置于室温下搅拌12 h。用水洗涤并离心3次，30 ℃干燥过夜得到产物。PDA的合成步骤与Zr－MOF－PDA相同，只是不加入Zr－MOF。

1.3 Zr－MOF－PDA/GCE传感器的构建及其用于BPA检测

GCE 经抛光、晾干备用。3 mg Zr－MOF－PDA 分散于1 mL 聚醚酰亚胺（PEI）溶液（1%，质量分数，水配制），然后将5 μL 3 mg/mL Zr－MOF－PDA 溶液滴涂在GCE 表面制备Zr－MOF－PDA/GCE，室温下晾干构建Zr－MOF－PDA/GCE 传感器。其它传感器采用类似方法进行构建。将Zr－MOF－PDA/GCE浸入含BPA的PBS溶液（pH 9.0）中，吸附6 min后进行差分脉冲伏安（DPV）测定。

2 结果与讨论

2.1 Zr－MOF－PDA的合成、电化学传感器的构建过程及DA的自聚合过程

图1为Zr－MOF－PDA的合成、电化学传感器的构建及DA的自聚合过程。首先在碱性条件下合成Zr－MOF－PDA 材料，然后将其滴涂在GCE 上制备Zr－MOF－PDA/GCE 传感器。DA 的自聚合过程中，DA 首先被氧化成醌式结构，然后醌式DA 通过1，4-迈克尔加成反应进行分子内环化得到更易氧化的5，6-二羟基吲哚啉，其发生氧化反应和分子内重排形成5，6-二羟基吲哚及其异构体，进一步发生聚合反应得到PDA。

图1 Zr－MOF－PDA的合成、电化学传感器的构建（A）及DA的自聚合过程（B）Fig.1 Preparation of Zr－MOF－PDA，construction of electrochemical sensor（A）and the self-polymerization process of DA（B）

2.2 红外光谱与热重分析（TG）

图2A 为Zr－MOF、PDA、Zr－MOF－PDA、BPA 和吸附BPA 后Zr－MOF－PDA 的红外光谱图。Zr－MOF 中3 440、1 797和1 605 cm－1分别为配体4-羧基苯基卟啉的O―H、C====O 和C====C 的伸缩振动峰。PDA 中3 442、1 629 和1 400 cm－1分别为多巴胺单体的O―H、C====C 和C―N 的伸缩振动峰。Zr－MOF－PDA 具备了Zr－MOF 和PDA 的特征峰，说明成功合成了Zr－MOF－PDA 复合材料。BPA 中3 423 和1 628 cm－1分别为O―H 和C====C 的伸缩振动峰。Zr－MOF－PDA 吸附BPA 后，导致3 417 和1 612 cm－1处的O―H和C====C伸缩振动峰有所增强。

图2 Zr－MOF（a）、PDA（b）、Zr－MOF－PDA（c）、BPA（d）和吸附BPA后Zr－MOF－PDA（e）的红外光谱图（A）；Zr－MOF（a）、PDA（b）、Zr－MOF－PDA（c）和吸附BPA后Zr－MOF－PDA（d）的热重分析图（B）Fig.2 Infrared spectra（A）of Zr－MOF（a），PDA（b），Zr－MOF－PDA（c），BPA（d）and Zr－MOF－PDA adsorbed BPA（e）；thermogravimetric analysis（B）of Zr－MOF（a），PDA（b），Zr－MOF－PDA（c）and Zr－MOF－PDA adsorbed BPA（d）

图2B 为Zr－MOF、PDA、Zr－MOF－PDA 和吸附BPA 后Zr－MOF－PDA 的热重分析图，4 种材料加热到1 000 ℃时的重量损失分别为36.08%、49.44%、48.89%和51.33%，Zr－MOF－PDA的重量损失处于Zr－MOF和PDA之间，表明Zr－MOF－PDA已成功合成。吸附BPA后的Zr－MOF－PDA的重量损失略大于Zr－MOF－PDA，说明Zr－MOF－PDA对BPA有吸附作用。

2.3 扫描电镜的表征

对Zr－MOF 和Zr－MOF－PDA 进行了扫描电镜（SEM）表征（图3），比较图3A 和B，两种材料均呈棒状，但Zr－MOF－PDA比Zr－MOF更宽，说明Zr－MOF表面包覆上PDA层。

图3 Zr－MOF（A）和Zr－MOF－PDA（B）的扫描电镜图Fig.3 SEM images of Zr－MOF（A）and Zr－MOF－PDA（B）

2.4 修饰电极的电化学行为研究

在10 mL 含5 mmol/L K3［Fe（CN））6］（0.1 mol/L KCl）的溶液中，采用循环伏安法（CV）研究了裸GCE、Zr－MOF/GCE、Zr－MOF－PDA/GCE 的电化学行为。从图4 可以看出Zr－MOF－PDA/GCE、Zr－MOF/GCE 和裸GCE 的氧化峰电流值分别为107.3、93.28 和77.51 μA，其中Zr－MOF－PDA/GCE 的氧化峰电流大于Zr－MOF/GCE，且材料修饰的电极氧化峰电流均大于裸GCE。表明Zr－MOF－PDA 具有较好的导电性，可加快电极表面［Fe（CN）6］3－/4－的扩散并促进其氧化还原反应。

图4 裸GCE（a）、Zr－MOF/GCE（b）和Zr－MOF－PDA/GCE（c）的CV图Fig.4 CV curves of bare GCE（a），Zr－MOF/GCE（b），and Zr－MOF－PDA/GCE（c）

在10 mL 含5 mmol/L K3［Fe（CN））6］（0.1 mol/L KCl）的溶液中，研究电极的计时库仑曲线（图5A、B）。根据Q～t1/2的线性方程可知GCE、Zr－MOF/GCE、Zr－MOF－PDA/GCE的斜率分别为99.447、142.47 和107.4，通过Anson 公式［17］计算得到其对应的电极有效表面积分别为0.467、0.667、0.514 cm2。从计算结果可看出Zr－MOF/GCE的有效表面积最大，Zr－MOF－PDA/GCE 的有效表面积略小，可能是Zr－MOF 包覆上PDA 层后，表面的部分孔被覆盖，但两者的有效表面积均大于GCE，说明Zr－MOF－PDA具有较大的表面积，能增加对BPA的吸附量，从而增加Zr－MOF－PDA/GCE对BPA的检测灵敏度。

图5 裸GCE（a）、Zr－MOF－PDA/GCE（b）和Zr－MOF/GCE（c）的Q ～t图（A）以及Q ～t1/2图（B）Fig.5 Q ～t（A）and Q ～t1/2（B）plots of bare GCE（a），Zr－MOF－PDA/GCE（b）and Zr－MOF/GCE（c）

2.5 修饰电极对BPA的电化学响应

将裸GCE、Zr－MOF/GCE、PDA/GCE 和Zr－MOF－PDA/GCE 分别浸入含0.7 μmol/L BPA 的PBS溶液（pH 9.0）中，吸附6 min后进行DPV测定（图6）。可观察到BPA在修饰电极上产生氧化峰，其产生机理是由于BPA 的羟基失去两个氢质子后氧化成酮的缘故［18］。从图中可以看出Zr－MOF－PDA/GCE 对BPA 的DPV 电流响应最大，其响应电流值分别为PDA/GCE、Zr－MOF/GCE 和裸GCE 的1.6、2.0 和2.8倍，同样证明了Zr－MOF－PDA材料具有较好的导电性和大的有效表面积。

图6 GCE（a）、Zr－MOF／GCE（b）、PDA/GCE（c）和Zr－MOF－PDA／GCE（d）吸附0.7 μmol／L BPA后的DPV图Fig.6 DPV curves of GCE（a），Zr－MOF／GCE（b），PDA／GCE（c）and Zr－MOF－PDA／GCE（d）after adsorbing 0.7 μmol／L BPA

2.6 实验条件的优化

研究了Zr－MOF－PDA 质量浓度、吸附时间及缓冲液pH 值对BPA 在Zr－MOF－PDA/GCE 上DPV响应电流的影响。Zr－MOF－PDA的质量浓度从1 mg/mL 增至3 mg/mL，BPA 的响应电流持续增大，当Zr－MOF－PDA 的浓度大于3 mg/mL 后，峰电流呈下降趋势，因此选择Zr－MOF－PDA 的最优质量浓度为3 mg/mL。吸附时间在4 ～6 min 内，BPA 的响应电流随着时间的增大而增大，6 min 后电流值趋于平稳，选择6 min 为最佳吸附时间。pH值7.0 增至9.0 时，峰电流值不断增大，且在pH 9.0 时达到最大值；继续增大pH 值，峰电流反而减小，因此选择最佳pH值为9.0。

2.7 线性范围、检出限、重现性与稳定性

在最优实验条件下，采用DPV 法研究Zr－MOF－PDA/GCE 对不同浓度BPA 的响应信号。结果显示，BPA浓度在0.01～1.4 μmol/L范围内，其DPV 响应峰电流随着BPA 浓度的增加而增大，且两者之间呈良好的线性关系，线性方程为I（μA）=0.283 9C（μmol/L）+0.02，相关系数（r2）为0.993 6，BPA的检出限（S/N=3）为0.004 μmol/L（见图7）。将本方法与部分测定DPA 的电化学方法进行对比，该方法具有较高的灵敏度（见表1）。

表1 本方法与其他测定BPA的电化学法对比Table 1 Comparison of this method with the other electrochemical methods for determination of BPA

图7 Zr－MOF－PDA／GCE对不同浓度BPA溶液的DPV响应曲线Fig.7 DPV curves of Zr－MOF－PDA／GCE to BPA solutions with different concentrations insert：calibration curve of Zr－MOF－PDA／GCE for detection of BPA；concentration of BPA（a－i）：0，0.01，0.04，0.08，0.1，0.4，0.7，1.0，1.4 μmol／L

用同一根Zr－MOF－PDA/GCE 连续7 次测定1.0 μmol/L BPA，其相对标准偏差（RSD）为3.7%。在4 ℃条件下，将Zr－MOF－PDA/GCE保存14 d后检测1.0 μmol/L BPA，其电流响应信号为初始电流信号的95.3%，表明Zr－MOF－PDA/GCE 具有很好的重现性和稳定性。

2.8 选择性与干扰性

为了研究Zr－MOF－PDA/GCE 对BPA 的选择性，对0.5 μmol/L BPA 和6 种类似物（2-硝基苯酚（2-NP）、邻苯二胺（OPD）、联苯胺（DAB）、氢化双酚A（HBPA）、苯酚（PN）和2-萘胺（2-NA））（结构式见图8A）分别进行测定。结果如图8B所示，相比其他类似物，Zr－MOF－PDA/GCE 对BPA 的电流响应最大，说明Zr－MOF－PDA/GCE 对BPA 具有较好的选择性，这是由于PDA 含有大量胺和儿茶酚官能团，对BPA有较强的氢键作用。

图8 BPA和类似物的结构式（A）及Zr－MOF－PDA/GCE对0.5 μmol/L BPA和类似物的DPV响应（B）Fig. 8 Structural formulas of BPA and its analogs（A），and DPV responses of Zr－MOF－PDA/GCE to 0.5 μmol/L BPA and its analogs（B）

进一步研究了部分常见的金属离子、非金属离子和有机物对Zr－MOF－PDA/GCE 检测0.01 μmol/L BPA 的影响。结果表明，1.0 μmol/L Na+、K+、Al3+、Mg2+、Ca2+、Cl－、SO2-4（BPA 浓度的100 倍），0.1 μmol/L 对苯二酚、4-氯苯酚、2-硝基苯胺和4-硝基苯胺（BPA 浓度的10 倍）对BPA 测定无影响。进一步说明Zr－MOF－PDA/GCE对BPA具有较好的选择性。

2.9 实际样品的检测

将Zr－MOF－PDA/GCE 用于嘉兴市京杭运河水、牛奶及塑料瓶3 种实际样品中BPA 的检测。河水样品经0.45 μm 滤膜过滤备用。牛奶样品取2 mL，加入2 mL 甲醇和6 mL PBS 缓冲溶液（pH 9.0），超声30 min 后离心除去白色沉淀，备用。塑料瓶样品称取1 g，剪碎后加入6 mL 甲醇将其浸没，50 ℃超声2 h，过滤塑料碎片得到待检测溶液。结果显示，每个样品平行测定5 次后均未检出BPA 的电化学信号。进一步采用标准加入法，计算回收率和RSD。测得方法的加标回收率为98.4%～103%，RSD 为3.4%～4.4%（见表2）。结果表明，Zr－MOF－PDA/GCE 传感器可应用于实际水样的检测。

表2 河水、牛奶及塑料瓶中BPA含量的测定（n=5）Table 2 Determination of BPA in river water，milk and plastic bottle（n=5）

3 结 论

本文以Zr－MOF为载体材料，利用多巴胺（DA）在碱性条件下的自聚合作用合成了Zr－MOF－PDA复合材料，构建了Zr－MOF－PDA/GCE 电化学传感器用于BPA 的高灵敏检测。结果表明Zr－MOFPDA/GCE 对BPA 具有较高的灵敏度和选择性，其对BPA 的检测线性范围为0.01～1.4 μmol/L，检出限（S/N= 3）为0.004 μmol/L。Zr－MOF－PDA/GCE 传感器已成功应用于河水、牛奶和塑料瓶中BPA 的检测。