雙酚A在離子液體修飾碳糊電極上的電化學行為及測定

花小霞，鄭香麗，劉 珊，夏方詮，周長利*

（濟南大學化學化工學院，山東 濟南 250022）

雙酚A在離子液體修飾碳糊電極上的電化學行為及測定

花小霞，鄭香麗，劉 珊，夏方詮，周長利*

（濟南大學化學化工學院，山東 濟南 250022）

制備1-氰乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體修飾碳糊電極，研究雙酚A（bisphenol A，BPA）在離子液體修飾碳糊電極上的電化學行為。結果表明，在0.1 mol/L B-R緩沖液（pH 10.0）中，BPA在0.415 V處產(chǎn)生一良好的氧化峰，具有明顯的電催化增敏作用。BPA的氧化過程為伴隨有質子轉移的表面吸附控制的不可逆過程，其電極反應速率為0.32/s。建立了示差脈沖伏安法測定痕量BPA的方法，線性范圍為3.0×10-7～6.0×10-5mol/L，檢出限為5.0×10-8mol/L（RSN=3）。并將其用于奶瓶樣品中遷移BPA的測定，結果表明該傳感方法為直接電化學檢測BPA提供了一種新的思路。

離子液體；化學修飾電極；雙酚A；食品檢測

雙酚A（bisphenol A，BPA）是一種類雌激素，可對人類的生殖以及后代的生存能力產(chǎn)生負面影響[1]，長期接觸BPA對于腦部和心血管系統(tǒng)有很大的危害[2-5]。而作為一種添加劑，BPA普遍存在于罐頭包裝的內襯、飲料和食品的包裝袋及奶瓶中。因此建立一種快速、靈敏、簡便、準確檢測BPA的方法非常有意義。目前，許多技術已用于BPA的檢測，如：色譜及其聯(lián)用技術[6-9]、熒光分析法[10-11]、酶聯(lián)免疫分析法[12-13]等。但這些方法存在儀器設備昂貴、前處理復雜和線性范圍窄等缺陷。近年來，化學修飾電極由于其具有儀器簡單、低消耗、簡捷快速、靈敏度高、選擇性好和原位分析等優(yōu)點，獲得了廣泛應用[14-18]。Tu Xinman等[3]構建了基于多壁碳納米管/金納米粒子復合膜修飾的玻碳電極，檢測塑料中的BPA。利用帶有正電荷的表面活性劑的靜電吸附作用將帶負電荷的多壁碳納米管和金納米顆粒層層自組裝在玻碳電極表面。Poorahong等[5]采用聚苯胺納米棒/多壁碳納米管修飾的石墨電極檢測嬰兒奶瓶中的BPA。Zhou Jianqing等[12]用酶標記的BPA與目標物BPA競爭的方式，通過測定酶底物顯色強度來測定目標BPA的濃度。Niu Xiuli等[16]制備了多層石墨烯納米纖維/金納米粒子復合物修飾的玻碳電極，檢測奶瓶中BPA。針對BPA小分子，通常電極制備都比較復雜，同時納米材料的制備要求較高，酶的活性不易維持，實際應用效果也不盡如意。因此發(fā)展一種簡捷的電極修飾技術，建立快速、靈敏的測定方法成為研究重點。離子液體導電率高、電化學窗口寬、黏結性和機械性好的特點[19-20]，使其在電化學和電分析化學領域中具有較明顯的優(yōu)點，在修飾電極與傳感器中的應用也越來越引起人們的關注[21-23]。

本實驗組裝了離子液體1-氰乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（1-cyanoethyl-3-methylimidazolium hexafl uorophosphate，CMΙMPF6）離子液體碳糊修飾電極（ionic liquid carb on paste electrodes，ΙLCPE），研究了BPA在修飾電極上的電化學行為及其電極過程，建立了BPA靈敏快速的分析方法，應用于奶瓶中遷移BPA含量的測定，結果滿意。該工作為進一步研究功能化離子液體修飾電極在電分析化學中的應用，提供了良好的基礎。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

CMΙMPF6上海成捷化學有限公司；石墨粉（光譜純）、BPA（化學純），其他試劑均為分析純，實驗用水均為二次石英亞沸重蒸水。

ΙM6x電化學工作站 德國Zahner公司；CHΙ842C電化學分析儀 上海辰華儀器公司。

實驗使用三電極系統(tǒng)，碳糊電極或離子液體修飾碳糊電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲為對電極。

1.2 方法

1.2.1 電極的制備

將石墨粉和離子液體混合（4∶1，m/m）后，取1 g混合物于研缽中，混勻。加入200 μL液體石蠟，充分研勻后裝入玻璃管（Φ=5 mm）中，壓緊，用銅絲作導線引出，另一端在稱量紙上拋光，制得ΙLCPE。不加入離子液體，同樣方法制得CPE。須更新表面時，將碳糊擠出2～3 mm后在稱量紙上拋光，洗凈即可。

1.2.2 BPA測定

準確移取一定量的伯瑞坦-羅比森緩沖溶液（Britton-Robinson buffer solution，B-R）（pH 10.0）于10 mL電解池中加入適量BPA標液。通氮除氧5 min后于-0.4 V處靜止30 s，以一定的掃描速度掃描至1.0 V，記錄伏安曲線。溫度控制在（25±0.5）℃，每次測試后將電極置入B-R緩沖液中重復循環(huán)掃描，直至不出峰。電極不使用時保存于二次水中。

2 結果與分析

2.1 修飾電極的電化學表征

圖1 裸電極（a）和離子液體修飾電極（b）的循環(huán)伏安曲線Fig.1 Cyclic voltammograms of ILCPE (a) and CPE (b)

在0.1 mol/L KCl溶液中，以鐵氰化鉀為電化學探針對修飾電極進行表征。由圖1可知，鐵氰化鉀在修飾電極（b）上氧化還原峰電流增加顯著，這說明離子液體具有明顯的催化增敏作用。電化學交流阻抗實驗如圖2和表1所示，Rs、Cd、Rct和Zw分別代表電解質溶液阻抗、雙層電容、電子轉移阻抗和瓦爾堡阻抗。其中修飾電極電子傳遞電阻Rct為1.019×104Ω/cm2，遠小于裸電極的2.103×106Ω/cm2，說明離子液體的存在能夠有效地提高導電效率，加快電子轉移速率。

圖2 裸電極（a）和離子液體修飾電極（b）電化學交流阻抗譜Fig.2 Electrochemical impedance spectroscopic (EIS) analysis of CPE (a) and ILCPE (b), Insert plot: equivalent circuit for fi tting the plots

表1 等效電路模擬數(shù)據(jù)Table1 Simulated data of equivalent circuit

2.2 BPA在修飾電極上的電化學行為

在0.1 mol/L B-R緩沖液（pH 10.0）中，加入1.0× 10-5mol/L BPA溶液，觀察其在電極上的循環(huán)伏安行為，如圖3所示。BPA在0.415 V處僅產(chǎn)生一氧化峰，其電極反應是一個完全不可逆過程。相比CPE，在ΙLCPE上的氧化峰電流顯著增加，說明離子液體的摻雜對BPA具有很好的催化增敏作用，大大提高了其測定靈敏度。

圖3 BPA在ILCPE（a）和CPE（b）上的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammograms of BPA at ILCPE (a) and CPE (b)

實驗表明掃描速度對氧化峰具有較大影響，隨著掃描速度的增加，峰電流逐漸升高。ip～v1/2曲線上翹，偏離線性，在40～120 mV/s之間，ip∝ v，表明電極過程主要受吸附控制。多重循環(huán)掃描實驗表明，第1圈掃描后峰電流快速降低，5 圈后峰電流不再變化（圖3B）。改變掃描前靜止時間ta、ip隨ta延長而升高，30 s后ip變化趨緩。這些均符合吸附性電極過程的特征。

掃描速度對BPA氧化峰電位也有影響，隨著掃描速度的增加氧化峰電位正移，Ep∝ lg v，其線性回歸方程為Epa=0.404＋0.120v（V/s）（R2=0.992）。對于一個受吸附控制且完全不可逆的電極過程，峰電位與掃描速度v的關系式可以由Laviron’s方程[24]表示：

式中：E0為標準電勢/V；R為標準氣體常數(shù)（8.314 J/K·mol）；T為Kelvin溫度/K；α為電子轉移系數(shù)；ks為電化學速率常數(shù)/（s－1）；F為法拉第常數(shù)（96 487 C/mol）；n為電子轉移數(shù)。

根據(jù)Epa與ν的方程式外推法求出當v=0時，標準電勢E0=0.404 2 V，在依據(jù)Epa-lnν線性方程的斜率和截距計算得到αn=0.23及ks=0.32 s－1。

進一步研究溶液pH值對于BPA峰電流和峰電位的影響（圖4）。pH值從6.0增大到10.0，峰電流逐漸增加，而pH值從10.0到12.0，峰電流遞減。隨著溶液pH值的增加峰電位負移，并且在pH 6.0～12.0范圍內呈線性，線性回歸方程為Ep=0.939 8-0.056 79 pH（R2= 0.993 8）。根據(jù)方程d Ep/d pH=-2.303 mRT/（nF）[25]，可計算出參與氧化過程的質子數(shù)m=1.912≈2。

圖4 pH值對BPA氧化峰電流Ip和氧化峰電位Ep的影響Fig.4 Effects of pH on Ipand Epof 10 μmol/L BPA at ILCPE

2.3 分析應用

2.3.1 條件選擇

分別選取了不同pH值的B-R、磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffer saline，PBS）、NaAc-HAc等底液，發(fā)現(xiàn)離子液體修飾電極在NaAc-HAc、PBS緩沖溶液中峰形不對稱，在B-R緩沖液（pH 10.0）中峰形最好，其濃度在0.1～0.3 mol/L時峰電流最大。pH值影響結果表明，pH 10.0時，峰形好、峰電流最大。因此，實驗選擇0.1 mol/L，pH 10.0的B-R為底液?？疾旄患娢唬?0.1～0.1 V）對BPA氧化峰電流的影響，發(fā)現(xiàn)富集電位對峰電流影響不大。在0～30 s時，峰電流隨富集時間延長而增加，大于30 s后，峰電流不再有明顯變化。因此實驗選擇0 V富集電位，30 s為最佳富集時間。

2.3.2 線性范圍、檢出限

為提高靈敏度，采用差分脈沖伏安法對BPA進行測定，在最佳實驗條件下，BPA濃度在3.0×10-7～6.0× 10-5mol/L范圍內呈良好的線性關系（圖5），線性方程ip/μA=-0.131 6C＋2.122 1×10-6，（R2=0.999 3），檢測限為5×10-8mol/L（RSN=3）。

圖5 不同濃度BPA在修飾電極上的示差脈沖伏安圖Fig.5 Differential pulse voltammograms obtained at ILCPE in the solution of 0.1 mol/L B-R (pH 10.0) containing various concentrations of BPA

2.3.3 ΙLCPE修飾電極對BPA的選擇性

在含有1.0×10-5mol/L BPA溶液中，以測定相對誤差不大于5%為標準，做共存離子影響。實驗表明，大量的Cl-、、NO-3、K＋、Na＋、不干擾測定；500 倍的Cu2＋、Zn2＋、Mg2＋、Sn（Ⅳ）、Cd2＋、Mn2＋、Pb2＋、V3＋、Ga3＋；260 倍的Mo（Ⅵ）、Sb3＋；100 倍的硝基氯苯、酚類等有機分子等不干擾測定。這表明離子液體修飾碳糊電極用于實際樣品的測定具有較強的抗干擾能力。

2.3.4 ΙLCPE修飾電極對BPA的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

對4.0×10-5mol/L的BPA平行測定10 次，相對標準偏差為2.9%，說明離子液體修飾電極具有較好的重復性。將電極在常溫條件下保存3 周后，其靈敏度沒有發(fā)生明顯變化，說明該電極具有較好的穩(wěn)定性。

2.3.5 奶瓶樣品中BPA含量的測定

取奶瓶樣品用剪刀切成碎片，用二次水沖洗、干燥后稱取3.0 g碎片置于100 mL燒杯中，加入20.0 mL二次水，用保鮮膜密封，樣品超聲6 h，然后浸沒在70 ℃恒溫水浴中24 h，之后添加甲醇沉淀聚合物，最后過濾，取濾液到100 mL容量瓶中，以二次水定容。

移取適量上述試液于電解池中，以多次標準加入法測定，同時做樣品加標回收實驗。結果見表2。實驗測得回收率位于95.1%～100.1%之間，這說明該修飾電極可用于實際樣品中BPA的測定。

表2 奶瓶中BPA含量的測定結果Table2 The results for determination of BPA in feeding bottles samples

3 結 論

本實驗制備了CMΙMPF6離子液體修飾碳糊電極，并以鐵氰化鉀做探針對其進行了表征。BPA在修飾碳糊電極上的行為表明，BPA的氧化機理為2電子2質子傳遞過程。離子液體可以提高導電性，降低極化電阻，促進了電子傳遞，具有催化增敏作用。構建了一種靈敏的檢測BPA的電化學方法，并將其用于奶瓶中遷移BPA的檢測，獲得了滿意的結果。

[1] LΙ W, SEΙFERT M, XU Y, et al. Comparative study of estrogenic potencies of estradiol, tamoxifen, bisphenol-A and resveratrol with two in vitro bioassays[J]. Environment Ιnternational, 2004, 30(3): 329-335.

[2] KANG J H, KONDO F, KATAYAMA Y. Human exposure to bisphenol A[J]. Toxicology, 2006, 226: 79-89.

[3] TU Xinman, YAN Liushui, LUO Xubiao, et al. Electroanalysis of bisphenol A at a multiwalled carbon nanotubes-gold nanoparticles modified glassy carbon electrode[J]. Electroanalysis, 2009, 21(22): 2491-2494.

[4] TAKEMURA H, MA J, SAYAMA K, et a1. In vitro and in vivo estrogenic activity of chlorinated derivatives of bisphenol A[J]. Toxicology, 2005, 207(2): 215-221.

[5] POORAHONG S, THAMMAKHET C, THAVARUNGKUL P, et al. Amperometric sensor for detection of bisphenol A using a pencil graphite electrode modifi ed with polyaniline nanorods and multiwalled carbon nanotubes[J]. Microchimica Acta, 2012, 176(1/2): 91-99.

[6] 丁紅春, 李建林, 徐逸云, 等. 嬰幼兒奶瓶中遷移雙酚A的高效液相色譜-電噴霧串聯(lián)質譜檢測方法研究化[J]. 化學分析計量, 2010, 19(5): 42-45.

[7] 江明, 林怡, 張江華, 等. 高效液相色譜法測定環(huán)境水中超痕量雙酚A[J]. 分析化學, 2006, 34(10): 1419-1422.

[8] GRUMETTO L, MONTESANO D, SECCΙA S, et al. Determination of bisphenol A and bisphenol B residues in canned pee led tom a toes by reversed-phase liquid chromatography[J]. Jour nal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(22): 1063 3-10637.

[9] CUNHA S C, FEMANDES J O. Assessment of bisphenol A and bisphenol B in canned vegetables and fruits by gas chromatography mass spectrometry after QuEChERS and dispersive liquid-liquid microextraction[J]. Food Control, 2013, 33(2): 549-555.

[10] WANG Xu, ZENG Hulie, WEΙ Yanlin, et al. A reversible fl uorescence sensor based on insoluble p-cyclodextrin polymer for direct determination of bisphenol A (BPA)[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2006, 114: 565-572.

[11] 王廣軍, 樊靜, 劉國光. 用溴酸鉀-丁基羅丹明B體系動力學熒光法測定雙酚A[J]. 分析科學學報, 2007, 23(4): 478-480.

[12] ZHOU Jianqing, ZHAO Suqing, ZHANG Jun, et al. An indirect competitive enzyme-linked immunosorbent assay for bisphenol-A based on the synthesis of a poly-L-lysine-hapten conjugate as a coating antigen[J]. Analytical Methods, 2013, 5(6): 1570-1576.

[13] JU Chunmei, XΙONG Youhua, CAO Aiz hong, et al. Development of a direct competitive en zyme-linked immunosorbent assay using a sensitive monoclonal antibody for bisphenol A[J]. Hybridoma, 2011, 30(1): 95-100.

[14] 張進, 徐嵐, 王亞瓊, 等. 基于分子印跡電聚合膜的雙酚A電化學傳感器[J]. 分析化學, 2009, 37(7): 1041-1044.

[15] MAZZOTTA E, MALΙTESTA C, MARGAPOTΙ E. Direct elec trochemical detection of bisphenol A at PEDOT-modifi ed glassy carbon electrodes[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2013, 405(11): 3587-3592.

[16] NΙU Xiuli, YANG Wu, WANG Guoying, et al. A novel electrochemical sensor of bisphenol A based on stacked graphene nanofibers/ gold nanoparticles composite modified glassy carbon electrode[J]. Electrochimica Acta, 2013, 98(1): 167-175.

[17] PORTACCΙO M, DΙ T D, ARDUΙNΙ F, et al. A thionine-modified carbon paste amperometric biosensor for catechol and bisphenol A determination[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2010, 25(9): 2003-2008.

[18] DEJMKOVA H, HOUSKOVA L, BAREK J, et al. Utilization of carbon paste electrodes for the voltammetric determination of chlortoluron[J]. Electroanalysis, 2013, 25(6): 1529-1534.

[19] ANDERSON J L, ARMSTRONG D W, WEΙ G T. Ιonic liquids in analytical chemistry[J]. Analytical Chemistry, 2006, 78(9): 2892-2902.

[20] MUSAMEH M M, KACHOOSANGΙ R T, COMPTON R G. Ιonic liquid-carbon composite glucose biosensor[J]. Analytical Chemistry, 2008, 133(1): 133-138.

[21] ZHOU Changli, LΙU Zhen, DONG Yanming, e t al. Electrochemical behavior of O-nitrophenol at hexagonal mesoporous silica modif ied carbon paste electrodes[J]. Ele ctroanalysis, 2009, 21(7): 853-858.

[22] MALEKΙ N, SAFAVΙ A, TAJABADΙ F. High-performance carbon composite electrode based on an ionic liquid as binder[J]. Analy tical Chemistry, 2006, 78(11): 3820-382 6.

[23] ZHANG Jing, LEΙ Jianping, LΙU Yiyin, et al. Highly sensitive amperometric biosensors for phenols based on poly aniline-ionic liquid-carbon nanofi ber comp osite[J]. Biosensors a nd Bioelectr onics, 2009, 24(7): 1858-1863.

[24] LAVΙRO E. General expression of the linear potential sweep voltammogram in the case of diffusionl ess electroch emical systems[J]. Journal of Ele ctroanalytical Chemistry, 1979, 101(1): 19-28.

[25] 丁世家, 張祖訓. 線性變位極譜法研究(ⅩⅤ)-銅-L-腎上腺素配位吸附波[J]. 高等學?；瘜W學報, 1991, 12( 5): 5 98-601.

Electrochemical Behavior and Determination of Bisphenol A at Carbon Paste Electrode Modifi ed with Ionic Liquid

HUA Xiaoxia, ZHENG Xiangli, LIU Shan, XIA Fangquan, ZHOU Changli*
(College of Chemistry and Chemical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China)

Ιn this work, a 1-cyanoethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (CMΙMPF6) modified ionic liquid carbon paste electrode (ΙLCPE) was fabricated. The electrochemical behavior of bisphenol A (BPA) at the ΙLCPE electrode was studied in detail. Ιn 0.1 mol/L B-R buffer solution (pH 10.0), a well-defi ned anodic peak was produced at 0.415 V. The ΙLCPE electrode showed good catalytic activity and sensitizing effect on the oxidation of BPA in the B-R solution. The investigation of the electrode process indicated that the electrochemical oxidation of BPA was an irreversible process with a controlled adsorption, and that protons participated in the electrode reaction process. The corresponding electrochemical rate constant (ks) was 0.32/s. The limit of detection and the linear range of BPA concentration against oxidation peek current were 5.0×10-8mol/L (RSN= 3) and 3.0×10-7-6.0×10-5mol/L, respectively. Differential pulse voltammetry has been applied to the determination of microamounts of BPA in feeding bottle samples with satisfactory results.

ionic liquid; chemically modifi ed electrode; bisphenol A; food detection

S859.84

A

1002-6630（2015）22-0152-04

10.7506/spkx1002-6630-201522028

2015-02-09

山東省自然科學基金項目（ZR2009BM034）；國家自然科學基金青年科學基金項目（21077044）

花小霞（1990—），女，碩士研究生，研究方向為電化學分析、食品檢測。E-mail：1543378020@qq.com

*通信作者：周長利（1965—），男，教授，博士，研究方向為電化學分析、食品檢測。E-mail：chm_zhoucl@ujn.edu.cn