基于AuPd/MWCNT的双酚A电化学传感器

陈锦阳，黄迪惠，孙仲伟,，叶瑞洪，陈盛

（1.福建师范大学生命科学学院，福建福州 350117；2.福建技术师范学院a.近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室；b.食品软塑包装技术福建省高校工程研究中心，福建福清 350300）

双酚A，又名为2,2-双（4-羟基苯基）丙烷，常用作环氧树脂和聚碳酸酯等塑料制品的原材料[1-3]，而这些塑料广泛应用于食品包装和食品容器中，会随着溶剂迁移到食品中，从而使食品也可能含有双酚A[4-5].双酚A具有类雌性激素的作用，会对人体健康产生危害[6]，例如破坏内分泌、威胁性器官、致癌等[7].因此，有必要开发灵敏而简单的方法对双酚A进行测定.现已开发出许多检测双酚A的方法，如高效液相色谱法[8]，气相色谱-质谱法[9]，酶联免疫吸附测定法[10]，荧光光谱法[11].尽管这些方法具有出色的灵敏度和低检测限，但是某些因素（例如仪器昂贵、检测过程费时费力以及测试前的复杂预处理等）极大地限制了它们的开发.而电化学方法具有简单、廉价、灵敏度高、准确性好和分析时间短等优点，被广泛用于食品和环境分析中[12].

为了获得电化学检测双酚A的良好响应，采取一定的措施对电极进行修饰以提升其响应能力，是目前研究的热点.贵金属金（Au）和钯（Pd）纳米材料具有出色的光学、催化、导电和导热性能，常被用作电极修饰材料来提升电极响应能力，并且由于双金属纳米材料通常表现出比相应的单金属同类材料优越的许多特性.例如高催化活性和更好的抗失活性[13]，而且一些双金属材料在两个成分之间表现出协同作用[14]，其中AuPd双金属在催化领域得到广泛的研究[15].最后，用于固定住双金属电催化剂的合适碳载体材料也可以大大提高催化性能[16].由于多壁碳纳米管（MWCNT）的高比表面积、化学稳定性、高电导率和机械强度，成为了改善电子转移的优良载体材料[17-18].

文章开发了一种简便的一锅法制备AuPd双金属结合的羧基多壁碳纳米管（AuPd/MWCNT），进而构建了双酚A电化学传感器（AuPd/MWCNT/GCE），方案如图1所示.所构建的电化学传感器简单、有效、灵敏，具有检测双酚A的良好性能，可用于实际样品检测，并可扩展到环境和食品分析领域中其他电活性分子的检测.

1 实验

1.1 试剂与仪器

多壁碳纳米管(MWCNT)、HAuCl4、K2PdCl4、对硝基苯酚（P-Nitrophenol）、双酚A标准样品，购自阿拉丁试剂有限公司；萘烷全氟化物离子交换树脂(Nafion) ，购自Alfa Aesar；KCl、K3Fe(CN)6、Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O、MgCl2、K2SO4、NaNO3、NaNO2、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等均购自国药集团化学试剂有限公司；试剂均是分析纯等级；溶液使用的超纯水由超纯水纯化系统(Milli-Q MillIpore, 电阻18.2 MΩ)制备.

电化学工作站(CHI660E)，上海辰华仪器有限公司；精密pH计，PHS-3C，上海虹益仪器仪表有限公司；电恒温鼓风干燥箱，GZXGF101-3-BS-ll，上海跃进理疗机械有限公司；电子分析天平，赛多利斯科学仪器有限公司；KQ-250E超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司.

1.2 试剂溶液的制备

1×10-2mol/L 双酚A标准溶液是用无水乙醇溶解0.2283 g的双酚A标准品并定容至100 mL的容量瓶获得；用分析天平准确称取0.4115 g的铁氰化钾与1.86 g的氯化钾之后将它们放入烧杯中，用蒸馏水溶解，等到完全溶解后，定容到250 mL容量瓶中，获得包含0.1 mol·L-1KCl的5 mmol·L-1K3Fe(CN)6溶 液；用电子秤准确称量17.91 g Na2HPO4·12H2O和7.80 g NaH2PO4·2H2O分别置于两个小烧杯中，并搅拌溶解在蒸馏水中，分别移入250 mL容量瓶并定容，再用pH计准确调取pH=7.0，获得0.2 mol·L-1磷酸盐缓冲溶液（PBS）；羧基化的碳纳米管（MWCNT-COOH）参考文献方法[19]并进行改进，将多壁碳纳米管在浓硝酸中90℃下回流3 h冷却至室温后，将混合物过滤并用超纯水洗涤直至得到pH 7.0的滤液并冻干过夜获得.

1.3 AuPd/MWCNT修饰材料的制备

按照图1方案示意图制备AuPd/MWCNT.首先，移取5 mL MWCNT-COOH和0.085 mL HAuCl4溶液加入到圆底玻璃瓶中，用磁力搅拌器搅拌1 h.然后接着添加0.08 mL K2PdCl4，放在室温处继续搅拌2 h.在洗涤和抽滤后，冷冻干燥，以获得AuPd/MWCNT复合材料.

准确称取10 mg的AuPd/MWCNT复合材料放入圆底烧瓶中，之后加入含0.2% Nafion的10 mL DMF，超声分散40 min，得到电极修饰液备用.

1.4 修饰电极的制备

玻碳电极（GCE）在修饰电极表面之前，将裸露GCE分别使用1.0、0.3和0.05 μm氧化铝粉浆小心地在抛光布上抛光以获得镜面表面.然后，将电极在丙酮、乙醇和水中超声清洗后通过氮吹干燥.通过循环伏安法（CV）在0.5 mol·L-1的H2SO4溶液中以100 mV·s-1的扫描速度在-1.0 ~1.0 V范围内对未修饰的GCE进行电化学活化.活化后的电极置于包含0.1 mol·L-1KCl的5.0 mmol·L-1K3Fe(CN)6溶 液中在-0.2 ~ 0.6 V之间的循环伏安法检测电极性能.然后将处理后的GCE用AuPd/MWCNT或MWCNT-COOH的不同纳米电极材料修饰，以构建用于检测双酚A的修饰电极.

1.5 电化学检测双酚A

实验使用传统三电极系统，其中修饰的GCE作为工作电极，铂丝电极作为辅助电极，并以饱和甘汞电极（3 mol·L-1KCl）作为参比电极.利用循环伏安法进行0.2 mol·L-1PBS（pH 7.0）中双酚A的电化学测定.CV测定是在0.2 ~ 0.8 V的扫描范围内以100 mV·s-1的扫描速率，2 s的静置时间进行.所有水溶液均为超纯水，所有实验均在室温下进行.

1.6 实际样品分析

牛奶瓶来自当地超市购买的瓶装牛奶.将瓶中牛奶倒出，加入pH=7.0的PBS作为牛奶模拟物，并在恒温45℃中水煮加热11天后取出做双酚A迁移实验.然后在优化的条件下根据上述步骤进行检测分析.此外，使用标准添加方法，分别移取0.2 、0.3、0.4 mL的1×10-2mol/L的双酚A标准溶液（pH=7.0）于50 mL容量瓶中，用瓶装牛奶瓶内已处理的PBS定容后，检测后计算回收率.

2 结果与分析

2.1 修饰电极的表征

循环伏安法是经常用于表征电极的方法.如图2显示在含有0.1 mol·L-1KCl的5.0 mmol·L-1K3Fe(CN)6溶液中分别在GCE（曲线c），MWCNT/GCE（曲线b），AuPd/MWCNT/GCE（曲线a）上的循环伏安图.用MWCNT（图2 b）和AuPd/MWCNT（图2 a）进行修饰后，峰值电流明显增加，并且 AuPd/MWCNT/GCE的氧化还原峰电流是最大的，其次是MWCNT电极，最小的是GCE裸电极.这是由于AuPd/MWCNT复合材料催化活性高，比表面积大，导电率高.研究表明AuPd双金属材料可以提高改良电子传输速率，提高碳纳米管对铁氰化钾溶液的电催化能力.

图2 AuPd/MWCNT/GCE(a)、MWCNT/GCE(b)及GCE电极(c)在5.0 mmol K3Fe(CN)6溶液中的CV图

2.2 双酚A在不同电极上的循环伏安行为

图3显示了双酚A溶液中不同电极的CV图.电化学工作站设置参数为电位范围0.2 ~ 0.8 V，扫描速度0.1 V·s-1.可以看出双酚A在AuPd/MWCNT修饰电极以及GCE裸电极只有呈现氧化峰，说明双酚A是受扩散控制，并且是不可逆的氧化反应.显然，从图3可以知道双酚A 在 GCE裸电极（曲线c）上的电化学响应很微小，用MWCNT修饰电极测定双酚A时具有明显的催化活性，但是当用AuPd/MWCNT复合材料修饰电极测定双酚A时，具有更好的响应值，这是因为在MWCNT中加入AuPd纳米颗粒，可以极大提升该修饰电极对双酚A测定时的电氧化活性.此外，实验制得AuPd/MWCNT复合材料还具有连续性更好，比表面积更大，活性位点更多等优点，并且制备得到的AuPd/MWCNT具有良好的分散性能，因此可以作为优良的电极修饰材料.由于该AuPd/MWCNT复合材料的制备是同时将MWCNT和AuPd两种金属材料同时引入到电极表面，使得二者可以在电极表面产生良好的协同增效作用.因此，AuPd/MWCNT的催化协同累积效应和纳米材料比表面积的增加，使得AuPd/MWCNT/GCE的电化学氧化电流提高，对双酚A检测的敏感性更高.

图3 AuPd/MWCNT/GCE(a)、MWCNT/GCE(b)及GCE(c)在1×10-5 mol/L 双酚A溶液中的循环伏安图

2.3 扫描速率的影响

为了探讨双酚A在AuPd/MWCNT修饰电极上的氧化特性，通过CV进一步研究了扫描速率的影响.将电化学工作站参数设置电位范围0.2 ~ 0.8 V，扫描速率分别为20、40、60、80、100、150，200 mV·s-1测量所修饰的电极，结果如图4所示.由图可知，扫描速率在20~200 mV·s-1. 范围内，双酚A的氧化峰电流与扫描速率呈线性相关，其回归方程为I=6.439 6+0.226 5×V，线性相关系数R2=0.990 1.同时，随着扫描速率的增大，双酚A的氧化峰电流同时也在增大，说明双酚A在AuPd/MWCNT修饰电极表面的氧化是吸附控制过程[20].

图4 修饰电极不同扫描速率下在1×10-5 mol/L的双酚A的氧化峰电流之间的关系图

2.4 涂层的优化

由于双酚A在AuPd/MWCNT/GCE上的氧化是吸附控制的过程，因此制备和检测条件可能会影响检测性能.材料涂层是其中一个影响因素.实验通过修饰材料的滴涂层数考察AuPd/MWCNT修饰量对传感器的灵敏度和稳定性的影响.采用每次滴涂6 μL后30 min烘干再继续滴涂一层，总共滴涂6层.结果表明，1~3层时峰电流显著增加，而4~6层时却慢慢趋于平稳（见图5）.这是因为AuPd/MWCNT材料作为提供累积能力和电活性位点的物质，添加越多，就具有越高的电氧化性能.这说明，当滴涂层数太少电极表面不能涂满，但是滴涂量太多膜太厚，就会影响双酚A在膜内的质量传输[21].因此选择3层作为最优的滴涂条件.

图5 不同的AuPd/MWCNT涂层数对1×10-5 mol/L双酚A氧化峰电流的影响

2.5 pH的优化

缓冲溶液pH值也是影响检测性能的条件之一，本实验采取CV研究了缓冲溶液pH值在5.0 ~ 9.0范围内1.0×10-5mol/L的双酚A溶液电化学性能影响.由图6(a)可知，峰电流在pH值为5.0~7.0之间增大是由于氢离子（H+）参与了双酚A氧化反应，之后氧化峰下降，在pH=7.0时双酚A溶液中的氧化峰电流最大，取pH=7.0的双酚A缓冲溶液为最优.图6(b)当双酚A溶液pH从小增大时，氧化峰电位负迁移，表明AuPd/MWCNT材料可用于双酚A的定量分析.其线性回归方程为Ep=0.921 5-0.056 9×pH，线 性 相 关 系 数R2=0.990 3，基于3倍的信噪比（S/N=3）.根据 Nernst方程，说明电荷转移过程中参加反应的电子和质子数相同.与文献相似[13]，双酚A氧化遵循两个电子电极表面上转移.

图6 (a)氧化峰电流与pH值之间的关系； (b)氧化峰电位和pH值之间的关系

2.6 双酚A测定的线性范围、检出限

采用CV考察标准曲线的线性和检出限，图7(a)显示了在最佳条件下，AuPd/MWCN/GCE对不同浓度双酚A溶液从低到高的CV曲线.图7(b)证实了在2~10 μmol/L范围内，峰值电流随双酚A浓度的增加而增加，其线性回归方程为ΔI=6.941+0.204 7×C，线性相关系数R2=0.996 5.线性范围为2~10 μmol/L，检出限为57.7 nmol/L.结果表明AuPd/MWCN /GCE对双酚A检测的响应较好.根据美国环境保护署的数据，每人每天对双酚A的最大耐受浓度为0.05 μg/mL[7]，与表1中许多报道的双酚A检测方法相当.低检测限和高灵敏度归因于双酚A对AuPd/MWCN的吸附积累，以及AuPd双金属和MWCNT在放大信号下的协同催化作用的结果.因此，所构建的电化学传感器可以满足要求并且可靠用于实际样品中的双酚A检测.

表1 不同修饰电极测定双酚A的性能比较

图7 (a)不同浓度的双酚A（2、4、6、8、10 μmol/L)的循环伏安图；(b)峰电流与双酚A浓度之间的关系

2.7 AuPd/MWCN/GCE的性能分析

实验研究了重复性，稳定性和抗干扰性，以评估传感器的性能.在优化条件下，连续五次双酚A的氧化峰电流影响值的相对标准偏差（RSD）均在3.6%范围内.将电极置于室温下分别保存1t、2t、3t后对1×10-5mol/L 双酚A溶液重新测定，其相对标准偏差（RSD）均在4.5%范围内.说明此修饰电极具有较好的稳定性和重现性.如表2采用CV测定干扰离子对AuPd/MWCNT/GCE的影响，对8种干扰物质Mg2+、Cl-、K+、SO42-、Na+、NO2-、NO3-离子以及P-Nitrophenol溶液在1×10-5mol/L的双酚A溶液中测定.如表2，在浓度分别为1×10-2mol/L的MgCl2溶液、8×10-3mol/L K2SO4溶液、8×10-3mol/LNaNO3溶液、8×10-3mol/L NaNO2溶 液、8×10-5mol/L P-Nitrophenol溶液中，这些干扰物质的RSD均小于5 %，说明AuPd/MWCNT/GCE具有很好的选择性.因此，AuPd/MWCNT/GCE在双酚A的检测中表现出良好的分析性能.

表2 双酚A浓度为1×10-5 mol/L时共存物质的测定影响

2.8 实际样品检测分析

通过测定瓶装牛奶瓶中迁移出的双酚A的氧化峰电流，以此来研究实际样品回收率，分析AuPd/MWCNT/GCE对实际样品的可行性.检测数据如表3所示.由表3可知，直接测量牛奶瓶的双酚A为0.00，说明此包装符合标准，再将它们分别添加4、6、8 μmol/L的双酚A磷酸缓冲溶液，发现相对标准偏差均在5%以内，加标回收率在93.9%～98.8%范围.经对照实验，表明所构建的基于AuPd/MWCNT/GCE的电化学传感器是具有实际应用价值的，检测结果可靠、高效和准确.

3 结论

通过用制备的复合材料AuPd/MWCNT修饰玻碳电极的表面，开发了用于测定双酚A的新型电化学传感器AuPd/MWCNT/GCE .所构建的传感器通过利用AuPd双金属纳米结构的叠加效应，并结合MWCNT优异的吸附性能而显示出对双酚A检测的良好催化性能.在最优条件下，所构建的传感器的电化学反应与双酚A浓度呈线性关系，双酚A的浓度范围在2 ~10 μmol/L，检出限为57.7 nmol/L（S/N=3）.结果表明，基于AuPd/MWCNT的双酚A电化学传感器检测出的双酚A具有线性范围宽、检出限低、选择性能好和长期的稳定性等特点，在食品和环境检测领域具有良好的应用前景.