雙酚A在納米羥基磷灰石修飾碳糊電極上的電化學(xué)行為及分析應(yīng)用

吳云華，殷 明

(1中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢430074;2中南民族大學(xué)藥學(xué)院，武漢430074)

雙酚A(BPA)是一種很重要的化工原料，用于生產(chǎn)環(huán)氧樹脂、聚碳酸酯和聚氧酚等，屬于環(huán)境激素，即使痕量的BPA也會(huì)對(duì)人類生殖及后代生存能力產(chǎn)生負(fù)面影響［1］.因此，需建立高效率檢測BPA的方法.

目前已報(bào)道的BPA檢測方法有液相色譜法、熒光法、極譜法及酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)等［2-5］.液相色譜和ELISA等方法雖靈敏度高，但儀器設(shè)備昂貴，檢測過程耗時(shí)，前處理較繁瑣.較之上述方法，電化學(xué)方法則因具有靈敏度高、分析速度快、儀器低廉、操作簡便及成本低廉等特性，目前已成為一種重要的分析手段.

近年，隨著化學(xué)修飾電極的迅速發(fā)展，化學(xué)修飾碳糊電極(CMCPEs)的應(yīng)用廣受關(guān)注，碳糊電極具有價(jià)格便宜、制造簡單、電位窗口寬、表面容易更新、敏感度高以及穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，深受電分析工作者的青睞［6］; 納 米 羥 基 磷 灰 石 (Nano-HAP， Nano-Ca10(PO4)6(OH)2)是生物活性陶瓷，立體化學(xué)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的多吸附位點(diǎn)使其廣泛用于催化領(lǐng)域［7］.目前，BPA在碳糊電極上電化學(xué)行為已見報(bào)道［8］，但Nano-HAP修飾碳糊電極測定BPA卻尚未見報(bào)道.

本文制備了納米羥基磷灰石修飾碳糊電極(Nano-HAP-CPE)，研究了BPA在pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中的電化學(xué)行為，并將其應(yīng)用于聚碳酸酯塑料瓶中BPA含量的測定.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

CHI660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司;采用三電極系統(tǒng):碳糊電極(CPE)為工作電極，鉑絲電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極).

雙酚A標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.1 mol/L，準(zhǔn)確稱取2.28 g BPA標(biāo)準(zhǔn)品，用無水乙醇溶解，用水定容至100 mL，并黑紙包妥于4℃陰暗處保存，用時(shí)逐級(jí)稀釋至所需濃度.

0.1 mol/L PBS(pH 7.0)緩沖溶液.

石墨粉(化學(xué)純)，硅油(分析純)，BPA和Nano-HAP購自Sigma公司，其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水.

1.2 CPE和Nano-HAP-CPE的制備

CPE電極制作:分別稱取1.00 g石墨粉和0.25 g石蠟油混合(質(zhì)量比4∶1)均勻后，裝入直徑為3 mm的碳糊電極，電極表面在硫酸稱量紙上磨平拋光;Nano-HAP-CPE電極制作相似于裸碳糊電極制作方法，其不同處為Nano-HAP與石墨粉按質(zhì)量比例混合.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將Nano-HAP修飾碳糊電極置于10 mL pH 7.0的PBS中，在空白溶液中循環(huán)伏安(CV)法掃描至基線穩(wěn)定，差分脈沖伏安(DPV)法掃描空白溶液，記錄0～0.8 V的DPV曲線，再于空白溶液中加入樣品溶液0.10 mL，再DPV掃描，記錄0～0.8 V的DPV曲線，通過扣除背景得到結(jié)果.每次測定后，用刀片小心刮去表面，重新制作新的Nano-HAP-CPE.

2 結(jié)果與討論

2.1 Nano-HAP-CPE的電化學(xué)行為特征

Nano-HAP-CPE的電化學(xué)行為以K3［Fe(CN)6］作為氧化還原探針，通過CV法進(jìn)行研究.圖1為CPE 和Nano-HAP-CPE 在1 mmol/L K3［Fe(CN)6］的0.1 mol/L KCl溶液中的CV圖.圖1曲線 a為裸CPE的CV曲線，有一對(duì)氧化還原峰，其氧化峰電位Epa=0.392 V，還原峰電位Epc= －0.130 V，峰電位差 ΔEp=0.520 V.圖 1 曲線 b 為 K3［Fe(CN)6］在Nano-HAP-CPE的CV曲線，其Epa=0.315 V，負(fù)移77 mV;Epc= －0.0290 V，正移101 mV;峰電位差ΔEp=0.344 V，且峰形較對(duì)稱，電極過程的可逆性提高很大，峰電流也顯著增大.由此表明Nano-HAP對(duì)K3［Fe(CN)6］的氧化還原有顯著促進(jìn)作用.

圖1 鐵氰化鉀在裸CPE(a)和Nano-HAP-CPE(b)的CV圖Fig.1 Cyclic voltammograms of 1 mmol/L K3［Fe(CN)6］at bare CPE(a)and Nano-HAP-CPE(b)

2.2 BPA的電化學(xué)行為

在pH 7的PBS溶液中，用 CV法比較了BPA在CPE和Nano-HAP-CPE電極上的電化學(xué)行為(見圖2插圖).在不含BPA的PBS溶液中，未觀察到裸CPE(a)的氧化還原峰，而在0.7 V附近則觀察到Nano-HAP-CPE電極(b)的一個(gè)氧化峰，電流較低，該氧化峰可能系Nano-HAP自身所引起的.BPA的電化學(xué)行為見圖2主圖，裸CPE(c)與Nano-HAPCPE(d)電極上均有一個(gè)氧化峰，氧化電位分別為0.465、0.468 V.而與裸 CEP 相比，BPA 在 Nano-HAP-CPE電極上的氧化電流顯著增大，原因?yàn)镹ano-HAP具有大的比表面積，對(duì)BPA有較強(qiáng)吸附能力和較高富集效率，增加了它在電極表面的濃度，使得氧化峰電流增強(qiáng).在循環(huán)掃描過程中，未觀察到還原峰，說明BPA在Nano-HAP-CPE電極上的電極反應(yīng)是一個(gè)完全不可逆過程.這與文獻(xiàn)報(bào)道相符［6-8］.BPA在CPE和Nano-HAP-CPE上的連續(xù)CV掃描特征見圖3.圖3中，BPA在裸CPE電極上氧化電流經(jīng)第2次循環(huán)電位掃描后完全消失，而在Nano-HAP-CPE電極上氧化電流則顯著降低但未完全消失，并隨掃描次數(shù)增加其氧化電流逐漸減小而氧化電位增加，最終趨于穩(wěn)定.造成該現(xiàn)象的原因是BPA生成的氧化產(chǎn)物在電極表面發(fā)生了吸附，覆蓋電極表面部分活性點(diǎn)位，影響了BPA在電極表面的電子交換，從而導(dǎo)致在以后掃描時(shí)的氧化電流大為降低.因此，本實(shí)驗(yàn)以第1圈的氧化峰電流作為測定信號(hào).

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

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.3.1 Nano-HAP 比例的選擇

取5%～70%不同質(zhì)量百分比的Nano-HAP/石墨粉與硅油混合制作CPE，在相同BAP濃度下，分別在0.1 mol/L PBS(pH7)的緩沖溶液中進(jìn)行線性掃描.實(shí)驗(yàn)表明:隨著 Nano-HAP的比例增大，BPA的氧化峰電流也隨之增大，且相應(yīng)的氧化電位發(fā)生正移.但0.7 V電位處的氧化雜峰也隨之增大.本實(shí)驗(yàn)選Nano-HAP/石墨粉質(zhì)量百分比為10%.

2.3.2 支持電解質(zhì)

在相同BAP濃度下，分別以0.1 mol/L NaCl、KCl、NaNO3、KNO3、K2SO4、Na2SO4、CH3COONa、CH3COOK和PBS溶液為支持電解質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).考察其對(duì)BAP峰電流Ipa的影響，結(jié)果表明:以0.1 mol/L PBS溶液測定BAP的支持電解質(zhì)，可得到最靈敏的測定信號(hào).

2.3.3 pH 值的影響

在pH 4～10范圍介質(zhì)pH對(duì)BPA氧化峰電流Ipa的影響見圖4a.當(dāng)pH值由4增至7時(shí)，BPA的氧化峰電流逐漸增大;當(dāng)pH值續(xù)由7增至10時(shí)，則氧化峰電流反而降低.考慮到檢測BPA的靈敏度，故選擇pH7為起始進(jìn)行測試.

BPA的峰電位與pH關(guān)系見圖4b.在pH 4～10范圍，BPA峰電位隨pH值增大而負(fù)移，電位與pH存在線性關(guān)系Epa(V)= －0.05261pH+0.8492，相關(guān)系數(shù)為r=0.9922，當(dāng)pH逐漸增大時(shí)，氧化峰電位以52.61 mV/pH的速率負(fù)移，該值非常接近電子數(shù)和質(zhì)子數(shù)相等電化學(xué)反應(yīng)理論值(25℃時(shí)，為59 mV/pH)，因此說明BPA氧化過程中質(zhì)子參與反應(yīng)，而且質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等.

2.3.4 溶劑的選擇

由于BPA幾乎不溶于水，本實(shí)驗(yàn)選用了5種有機(jī)試劑作為BPA的溶劑，分別為甲醇、乙醇、異丙醇、乙腈和丙酮.在電位窗口0～1V內(nèi)，相同BAP濃度下以DPV法進(jìn)行分析，結(jié)果表明以甲醇和乙醇作為溶劑時(shí)，分別具有最高氧化峰電流和最低氧化電位.本實(shí)驗(yàn)選用乙醇作為BPA的溶劑.

2.3.5 掃速的影響

掃速在20～400 mV/s范圍的變化見圖5.由圖5知，BPA的氧化峰電流Ipa隨掃描速率v的增加而增大，當(dāng)掃速過高時(shí)，背景電流增大，峰形變寬，故選擇掃速為100 mV/s.掃描過程中發(fā)現(xiàn)Ipa與v成線性關(guān)系，線性方程Ipa(μA)=0.2382v+12.39(r=0.9935)說明BPA在此修飾電極上的氧化過程受吸附控制.

圖5 BPA在不同掃速下的CV安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of BPA at different scan rate

2.3.6 富集電位與富集時(shí)間

當(dāng) pH=7，0.1 mol/L PBS 溶液時(shí)，2.5 mol/L BPA在不同富集電位下，以相同測試條件進(jìn)行DPV法測試.結(jié)果見圖6.由圖6知，峰電流富集電位在－0.5 V時(shí)最大，測定選擇富集電位為－0.5V.

圖6 富集電位對(duì)BPA氧化峰流的影響Fig.6 Effect of accumulation potential on the oxidation peak current

不同的富集時(shí)間對(duì)峰電流的影響見圖7.隨富集時(shí)間增加峰電流升高.當(dāng)富集時(shí)間150 s時(shí)，峰電流最大，超過150 s峰電流反而下降，因此選擇150 s為富集時(shí)間.

圖7 富集時(shí)間對(duì)BPA氧化峰流的影響Fig.7 Effect of accumulation time on the peak current

3 BPA在Nano-HAP-CPE電極上的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3.1 電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)α

在0～1 V的電位窗口下，用 CV法研究了掃描速率(20～400 mV/s)對(duì)BPA電化學(xué)行為影響并得Epa-lnν關(guān)系，見圖8.其線性回歸方程Epa(V)=0.02029lnν+0.3725(r=0.9920) 根根據(jù) Laviron理論，峰電位和掃描速度遵循Epa=E0+(RT/anF)ln(RTk0/anF)+(RT/anF)lnν［11］.式中，a為電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，ν為掃速.由曲線斜率得RT/anF=0.02029(T=298，R=8.314，F(xiàn)=96480)，由此得an=1.26.前人實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于大多數(shù)體系，0.3 ＜a＜0.7，因而n=2，則有電荷轉(zhuǎn)移數(shù)a=0.63.

圖8 雙酚A氧化電位Epa與ln v的關(guān)系Fig.8 Plot for the oxidation peak potential Epa of BPA vs.ln v

3.2 有效表面積A，擴(kuò)散系數(shù)D和表面吸附濃度Γs

根據(jù)電位階躍計(jì)時(shí)電量法［12］:

其中，A為工作電極有效表面積，c為底物濃度，D為擴(kuò)散系數(shù)，Qads為法拉第容量.其他參數(shù)均有其固定值.采用計(jì)時(shí)庫侖(CC)法測定BPA的D值(實(shí)驗(yàn)條件與 CV法相同).以 0.1 mmol/L［Fe3(CN)6］為模型化合物 (在 1.0 mol/L KCl溶液中其擴(kuò)散系數(shù)D=7.6 × 10－6cm2/s［12］).由式(1)可知Q與2t1/2成線性關(guān)系(見圖9).由圖9插圖知，Q與t1/2的斜率在 CPE(c)和 Nano-HAP-CPE(d)分別為2.40 ×10－6和 2.67 ×10－6.由此可求得裸CPE和Nano-HAP-CPE有效表面積分別為A=0.0397 cm2和A=0.0442 cm2.結(jié)果表明 Nano-HAPCPE電極的有效表面積較裸CPE電極大，因而可提高BPA吸附能力，從而導(dǎo)致增大BPA的氧化電流，降低檢測限.

圖9 鐵氰化鉀的CC圖(扣除背景)Fig.9 Chronocoulomety of Fe3(CN)6 after background subtracted

基于公式(1)通過CC法得到BPA的擴(kuò)散系數(shù)D和法拉第容量Qads.圖10主圖為雙酚A在Nano-HAP-CPE上電量Q和時(shí)間t的關(guān)系圖，通過扣除背景，電量與時(shí)間的平方呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系(見圖10插圖)，求其斜率為8.79 ×10－6和Qads=3.49 ×10－7c.因此，當(dāng)n=2，A=0.0442 cm2，c=0.100 mmol/L，D=5.12 ×10－5cm2/s，通過公式Qads=nFAΓS，可得 ΓS=4.30×10－11mol/cm2.

3.3 反應(yīng)級(jí)數(shù)

由BPA氧化峰電流Ipa與其濃度關(guān)系，依據(jù)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理［13］以 lgIpa對(duì) lgc作圖 ，在 Nano-HAP-CPE電極上電催化氧化過程中l(wèi)gIpa與lgc呈良好的線性關(guān)系，見圖11.由圖11知，線性方程lgIpa=0.5350lgc－3.174，相關(guān)系數(shù)r=0.9976，曲線斜率為0.5350，表明在0.1 mol/L PBS溶液中 BPA在Nano-HAP-CPE電極上電催化氧化為半級(jí)反應(yīng).

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

圖11 氧化峰電流的對(duì)數(shù)與BPA濃度對(duì)數(shù)的關(guān)系Fig.11 Plot between the dependence of lg I pa vs.lg cBPA

4 分析和應(yīng)用

4.1 干擾及重現(xiàn)性

測定一些常見無機(jī)離子對(duì)BPA干擾實(shí)驗(yàn)的結(jié)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溶液中基本不干擾BPA的測定.每次測定之后，用刀片小心移去電極末端用過的糊狀物質(zhì)，重新制作新的Nano-HAP-CPE電極，平行測定6次1×10－4mol/L BPA，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.86%，結(jié)果說明修飾電極有很好的重現(xiàn)性.

4.2 線性范圍及檢測限

用DPV法測定不同濃度BPA，并討論了Ipa-cBPA關(guān)系.結(jié)果表明，其峰電流與BPA濃度在8.00×10－8～1.25×10－5mol/L 范圍內(nèi)呈線性關(guān)系(見圖12).檢測限為4.50 ×10－8mol/L.Ipa與濃c遵循Ipa(μ A)=0.05547cBPA(μmol/L)+0.008230，R=0.9984.

4.3 實(shí)際樣品的測定及加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

圖12 氧化峰電流與BPA濃度關(guān)系Fig.12 Plot for the oxidation peak current of BPA vs.cBPA

取聚碳酸酯塑料瓶，剪碎后烘干再準(zhǔn)確稱取11.00 g放于燒杯中，加150 mL二次蒸餾水，放入超聲波儀器中超聲30 min，再置于70℃的烘箱中，放置48 h，過濾2次后收集濾液，最后用去離子水定容［14］.在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，用 DPV方法測量樣品，然后進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn).結(jié)果見表2.

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

5 結(jié)語

本文研究了BPA在Nano-HAP-CPE電極上的電化學(xué)行為，結(jié)果表明，該修飾電極能增強(qiáng)BPA在電極表面的電化學(xué)響應(yīng)，基于此構(gòu)建了簡便、靈敏檢測BPA的電化學(xué)方法，將該方法應(yīng)用于聚碳酸酯塑料瓶中BPA的測定，結(jié)果令人滿意.

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