rGO负载双金属Ce-Zn-BTC修饰电极检测牛奶包装中的壬基酚

黄迪惠，陈锦阳，郭巧萍，林谦，叶瑞洪*

1. 福建技术师范学院，福建省-印尼海洋食品联合研发中心，近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室（福清 350300）；2. 福建师范大学（福州 350117）

壬基酚是一种环境激素，即使是微量也会对人体的健康和生殖功能产生很大的影响[1-5]。现有研究显示，壬基酚由于生物富集，对人体内分泌系统和免疫系统会造成破坏作用，并且还具有一定的致癌性[6-7]，所以对食品中壬基酚进行检测具有重要意义。

在众多的检测手段中，电化学方法因其响应迅速、选择性好、灵敏度高、所需仪器价廉、操作简便等而倍受青睐[8-9]。金属有机骨架（MOF）具有可调整的微孔尺度、极大的表面积和较多的催化位置的特点，使得其在许多领域都得到了实用化的研究和发展[10-13]。最近几个研究显示，与散装的同类产品相比，MOF纳米颗粒能够使得MOF的性能得到显著提高，从而具有更高的催化活性[14]。双金属MOF包含两种不同的金属离子[15]。由于其金属离子的配比以及不同金属离子间的协同效应，故其催化活性、选择性、稳定性均优于单金属MOF[16-18]。

由于MOF的导电性较差，rGO凭借自身具有更高的导电性能，作为一种独特的导电添加剂出现在传感器应用中[19-20]。在rGO薄膜中加入活性材料可以充分利用其电化学活性，进一步提高材料的电化学性能，使其在电化学实验中具有更好的传输质量和更高的准确度[21-22]。此次研究致力于开发简单、灵敏的电化学传感器（Ce-Zn-BTC@rGO），并将其应用于食品相关方面的壬基酚的检测。

1 试验

1.1 试验仪器与设备

BSA224S电子分析天平（北京仪联四海科技有限公司）；KQ-400E超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公公司）；CHI600E电化学工作站、CHI104（d=3 mm）玻碳电极（工作电极）、CHI150甘汞电极（参比电极）、CHI115铂电极（对电极）：上海辰华仪器有限公司；pHS-3C pH计（上海三信有限公司）；DHG-9076A烘箱（上海昕仪仪器仪表有限公司）；BIO-DL（10～5 000 μL）真空干燥箱（赛默飞世尔科技有限公司）；HH-6恒温水浴锅（江苏科析仪器有限公司）；UltimalV X射线衍射仪（XRD）（日本Rigaku科技有限公司）；Nova Nano SEM 230场发射扫描电子显微镜（美国捷克FEI公司）。

1.2 试验材料与试剂

rGO、壬基酚、全氟磺酸型聚合物（Nafion）、四溴双酚A、对硝基苯酚、对特辛基苯酚、双酚S（阿拉丁试剂公司）；硝酸亚铈、硝酸锌、H3BTC、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、无水乙醇、氯化镁、氯化钾、碳酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、柠檬酸、磷酸、硼酸、醋酸（国药集团）；铁氰化钾（北京化工厂）。

1.3 材料的制备

对文献[7]中的方法进行改进，制备Ce-BTC。将10.0 mL DMF和20.0 mL无水乙醇超声混合，加入0.10 mmol硝酸亚铈和0.40 mmol H3BTC，经过超声分散40 min，获得均匀白色溶液，转移至50 mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜，以5 ℃/min的速度加热到120 ℃，随后继续反应12 h，通过离心洗涤，在60 ℃恒温真空干燥10 h，收集白色固体材料Ce-BTC。

按照上述的合成方法，制备Zn-BCT和Ce-Zn-BTC。如图1所示，通过溶剂热合成的方法，将铈-锌双核金属与1, 3, 5-苯三甲酸（H3BTC）有机配体组合成铈-锌双金属MOF（Ce-Zn-BTC），再将Ce-Zn-BTC与rGO复合制备了一种用于玻碳电极（GCE）的改性材料，利用两者优良的协同效应，将复合材料Ce-Zn-BTC@rGO用于实现快速、高效地检测牛奶包装中的壬基酚。

图1 试验流程图

将rGO与3种MOF按照一定的质量比例溶解于蒸馏水后再超声0.5 h，而后将材料移入高压水热釜中，放置于烘箱内120 ℃恒温加热12 h。完成后把溶液进行离心，除掉上清液留下沉淀，然后加入蒸馏水进行洗濯。循环洗濯两次后，将沉淀置于真空干燥箱中60 ℃干燥12 h以上，即得到Ce-BTC@rGO、Zn-BTC@rGO、Ce-Zn-BTC@rGO这3种复合材料。

取3种复合材料各1 mg，分别在5 mL的DMF中进行溶解，同时添加的10 μL Nafion作为稳定剂和抗干扰剂，超声40 min后即可得3种混合均匀的修饰材料，备用。

1.4 用不同材料修饰电极

使用移液枪移取8 μL的复合材料滴涂在处理好的GCE上，再置于干燥箱50 ℃烘干0.5 h。需要多层滴涂，则在每一层干燥后才滴涂下一层。待悬浊液完全干燥后将其取出冷却，方可进行下一步的试验。

1.5 样品的制备

从商店内随机采购瓶装牛奶，制备样本溶液。用pH 7的磷酸盐缓冲溶液装满牛奶罐子，于70 ℃水浴12 h，即可得实际样品检测时所需要的样本溶液。

2 结果与讨论

2.1 可行性

2.1.1 材料的选择

将Ce-BTC@rGO/GCE、Zn-BTC@rGO/GCE、Ce-Zn-BTC@rGO/GCE、rGO/GCE、GCE放置于用pH 7的PBS稀释的0.1 mmol/L壬基酚标准溶液中，加上一组空白溶液作为对照，通过差分脉冲伏安法（DPV）检验不同修饰材料的电化学性能，结果如图2所示。

图2 壬基酚对不同材料的循环伏安响应

通过比较发现，在Ce-Zn-BTC@rGO/GCE上的峰电流最为突出，这说明复合材料Ce-Zn-BTC@rGO具有较多的催化位点和较高的导电率，所以选择它作为试验所需要的改性材料。

2.1.2 电化学阻抗表征

试验采用电化学阻抗谱法（EIS）对改性材料进行分析。如图3所示，Ce-Zn-BTC@rGO/GCE曲线的直线部分数值是图中最大的，半圆弧度是最小的，表明在该电极上有大量的电荷转移[23]，即复合材料Ce-Zn-BTC@rGO具有更多的活性点和较高的电荷转移能力。所以，复合材料Ce-Zn-BTC@rGO的加入可以提高电极的导电性能和电荷转移能力。

图3 不同材料的电化学阻抗光谱图

2.1.3 XRD

试验运用X射线衍射仪（XRD）来分析不同MOF材料的纯净度和结晶度。如图4所示，合成的双金属材料与单金属MOF的XRD图谱在相同的角度之下具有相近的尖锐衍射峰。Ce-Zn-BTC所表现出来的峰型较宽，因为它是体积较小且质构均匀的纳米球形态[25]。对比Ce-Zn-BTC和Ce-Zn-BTC@rGO的XRD图谱，两个图谱的结构具有极高的相似性，表明rGO对Ce-Zn-BTC本身结构的影响微乎其微。综上所述，合成的MOF材料具有良好的结晶性和近似的晶体结构，并且rGO对材料的晶体结构几乎没有影响。

图4 不同材料的X射线衍射图

2.1.4 FESEM

利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）对合成的MOF材料进行了表征。如图5所示，合成的双金属MOF使得Ce-BTC（A）与Zn-BTC（B）的孔洞特征相结合，Ce-Zn-BTC（C）呈现出均匀的纳米球状，相比单金属MOF，它拥有更好的吸附壬基酚的能力，从而提高传感器的灵敏度[23]。观察图5（D），Ce-Zn-BTC纳米颗粒均匀生长在rGO层间，表明rGO的功能是作为纳米晶体生长的支撑和黏合剂，提高传输质量和电荷输送能力，使其在壬基酚检测过程中表现优异[24]。

图5 电镜图

2.2 试验参数的优化

2.2.1 修饰层数的确定

电极表面修饰物剂量的不同，会影响试验结果。如图6所示，滴涂三层Ce-Zn-BTC@rGO复合材料为最佳的修饰层数。

图6 修饰层数对峰电流的影响

2.2.2 缓冲溶液的选择

此外，在电极上存在着的溶液支撑电解质体系对电极稳定性和复合材料催化作用的影响，测定结果如图7所示。在pH 7的情况下，试验所测3种缓冲溶液中，电极在PBS中的电化学响应最为灵敏，峰形也较好，其次是三酸缓冲溶液（Acid 3，磷酸、硼酸和醋酸的混合溶液），最差的是柠檬酸缓冲溶液（SSC）。所以试验所采用的缓冲溶液为PBS。

图7 不同缓冲溶液的电化学响应

2.2.3 pH的影响

壬基酚的生物活性与pH息息相关，并且溶液的pH是影响电化学传感器性能的重要因素之一[26]。为此，试验对不同pH的磷酸盐缓冲溶液进行了考察。

如图8所示，试验的最佳方案是选择pH 7.5的PBS。同时，由图9可以看出，氧化峰电位与pH之间具有良好的线性关系，其线性方程为Y（V）=0.977 27-0.062 15X（R2=0.999 75）。

图8 不同pH的电化学响应

图9 峰电位与pH的关系图

方程的斜率值为0.062 15，接近于理论值（-0.059），表明在此改性电极上的反应所涉及的质子和电子的转移数量相同[22]。

2.2.4 累积电位和累积时间的影响

有效富集有利于提高壬基酚在电极表面的吸附量，进而提高检测的灵敏度。从图10（A）可以看出，0 V作为试验的最佳累积电位。从图10（B）可以看出，100 s为试验的最优累积时间参数。

图10 累积电位（A）和累积时间（B）对壬基酚峰电流的影响

2.3 线性范围及检出限

在上述最佳条件下，采用DPV法测定并计算由Ce- Zn-BTC@rGO修饰的电极用于检测壬基酚体系的工作曲线，如图11所示。研究结果表明，在0.1～100 μmol/L的浓度范围内，由Ce-Zn-BTC@rGO修饰的电极氧化峰电流的数值与壬基酚的浓度之间存在着线性关系。如图12所示，其线性方程为ΔI=1.221 2+0.979 2C（R2=0.999 8）。

图11 峰电流强度与摩尔浓度之间的关系图

图12 峰电流与摩尔浓度之间的线性关系图

分析数据可得，由Ce-Zn-BTC@rGO修饰电极的检出限为0.06 μmol/L，且电极峰电流值与壬基酚的浓度之间线性关系良好，由此表明Ce-Zn-BTC@rGO能够提高电极的性能和灵敏度，同时也对壬基酚起着有效的电化学催化作用。综上，Ce-Zn-BTC@rGO在电化学工作中可以用于对壬基酚的检验检测。

2.4 抗干扰性

为了验证材料对壬基酚的检测具有特异识别性，选取了几种同为酚类的物质作为干扰物进行试验，如表1所示。试验结果证明Ce-Zn-BTC@rGO具有一定的抗干扰能力，识别性高，能作为检测壬基酚的较好的电极修饰材料。

表1 Ce-Zn-BTC@rGO对壬基酚的特异识别性

2.5 重现性和稳定性

为了考察该体系的重现性，在最优参数下平行制备了3支电极，对0.01 mmol/L的壬基酚进行测定。

如表2所示，每一支电极在连续扫描5次后，氧化峰电流没有发生较大改变，试验表明体系重现性良好。

表2 Ce-Zn-BTC@rGO测量壬基酚的稳定性

在相同条件下制备5组电极，每组避光干燥保存不同时间（每组间隔12 h）后进行稳定性的测试。试验结果显示，每一组电极的平均峰电流值结果相近，说明Ce-Zn-BTC@rGO复合材料在常温下具有较为良好的稳定性。

2.6 加标回收试验

为检验该方法是否能应用到实际样品中，对马口铁内涂层材料迁移的壬基酚进行了回收试验，再对其含量进行加标检验测量。如表3所示，加标样品的回收率在84.5%～100.3%之间，是较为可观的，并且加标样品回收量的相对标准偏差在0.18%～0.33%之间，表明将此方法应用于实际样品中对于壬基酚的检验检测是切实可行的。

表3 壬基酚在实际样中的回收试验

3 结论

试验制备Ce-Zn-BTC@rGO复合材料，对GCE进行了改性，并将该电极作为检验壬基酚的电化学传感器。同时，采用DPV、CV和EIS对壬基酚在该电极上的电催化行为进行了探究。与Ce-BTC@rGO、Zn-BTC@rGO这两种材料相比，Ce-Zn-BTC@rGO对壬基酚在电极上的吸附和电催化氧化活性有更好的改善作用，从而使得峰型更好、峰电流大大提高。试验测得壬基酚在经由复合材料Ce-Zn-BTC@rGO修饰电极上的检出限为0.06 μmol/L，在优化条件下，此改性电极在0.1～100 μmol/L的浓度范围内，峰电流的数值与壬基酚的浓度呈现出良好的线性关系，加之有较低的检出限和较高的灵敏度，表明由Ce-Zn-BTC@rGO修饰的电极可以成功地应用于实际样品的检测。