雙酚A電化學檢測方法的研究進展

王 亞，顧婷婷

(遼寧科技大學化學工程學院，鞍山 114051)

雙酚A(BPA)是聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂等材料的組成成分[1-2]。嬰兒奶瓶、餐具等聚碳酸酯產(chǎn)品以及玻璃瓶金屬蓋上的涂層、飲料罐內(nèi)部涂層等環(huán)氧樹脂產(chǎn)品中均含有BPA[3-4]。BPA 是一種環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，具有弱雌激素活性[5-6]。當含BPA 的材料所處環(huán)境溫度過高或偏堿性時，材料中的BPA 會釋放出來，通過食物、水等途徑進入人體[7-9]。人類或其他哺乳動物若長期暴露于BPA 環(huán)境中，會對大腦、甲狀腺、生殖器官的功能產(chǎn)生影響，還可能引發(fā)肥胖癥、乳腺癌等疾病[10-13]。近年來，許多國家制定了相關(guān)規(guī)定來限制聚碳酸酯等材料中BPA 的含量:2011年歐盟規(guī)定與食品相關(guān)材料中BPA 的限值為2.63×10－6mol·L－1，同年我國衛(wèi)生部等部門規(guī)定了BPA 在食品包裝材料中的限值為2.19×10－7mol·L－1[14]。

對BPA 含量進行快速、有效的檢測變得越來越重要。目前，BPA 的常規(guī)檢測方法有高效液相色譜法[15-16]、氣相色譜-質(zhì)譜法[17]以及拉曼光譜法[18]等。

高效液相色譜法分辨率高、靈敏度高、重現(xiàn)性好，但需要的儀器設(shè)備較昂貴，對操作者的要求較高[19]；采用氣相色譜-質(zhì)譜法檢測BPA 時，為了提高檢測靈敏度，需要對BPA 進行衍生化，增加分析時間[19-20]；拉曼光譜法對樣品的破壞小，可對樣品進行快速檢測，但目前處于發(fā)展階段[21]。另一方面，電化學方法由于具有成本低、靈敏度高、分析速率快、設(shè)備簡單且便于攜帶等優(yōu)點越來越受到關(guān)注，近年來不少學者利用電化學方法對BPA 進行了研究[22-27]。

本文介紹了電化學方法檢則BPA 的原理，并重點討論了BPA 的直接電化學檢測方法和間接電化學檢測方法。

1 電化學方法檢測BPA的原理

根據(jù)檢測原理不同，電化學方法檢測BPA 可分為兩類:一是直接電化學方法檢測BPA，其檢測電信號由BPA 本身氧化產(chǎn)生；二是間接電化學方法檢測BPA，其檢測電信號是通過其他電活性物質(zhì)間接產(chǎn)生。

由于其結(jié)構(gòu)中含有酚羥基，BPA 在0.6～0.7 V(vs.Ag/AgCl)時可以在裸電極上失去兩個電子氧化為醌，同時產(chǎn)生電化學信號，從而實現(xiàn)BPA 的電化學檢測。直接電化學檢測BPA 修飾電極的制備簡單，對BPA 的電化學響應(yīng)速率快，能夠長期穩(wěn)定的檢測。

間接電化學檢測BPA 主要是通過亞甲基藍、二茂鐵等電活性物質(zhì)的電化學信號變化來間接反映BPA 的含量。當BPA 擴散到固定在電極表面的敏感元件時，這兩者特異性識別的相互作用通過電活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成電信號，從而間接檢測BPA。間接電化學檢測BPA 所用的敏感元件能在復雜的體系中對BPA 產(chǎn)生響應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性，可降低檢出限，提高檢測的靈敏度。

2 檢測BPA的電化學方法

2.1 直接電化學檢測方法

BPA 在裸電極檢測時氧化產(chǎn)生的電信號較弱，不利于其低含量檢測。近年來納米材料、金屬有機骨架材料、離子液體、酞菁和生物材料等各種材料被用于裸電極表面修飾，提高了BPA 直接電化學檢測性能。

2.1.1 納米材料

納米材料由于具有高的比表面積和良好的導電性，被用于電極表面修飾，可極大提高直接電化學方法檢測BPA 的靈敏度[28-32]。常用的修飾納米材料有金屬納米材料、碳納米管、石墨烯以及復合型納米材料等。

金君等[30]將納米氧化銅粒子修飾在玻碳電極表面，研究了BPA 在修飾電極上的電化學行為。與裸玻碳電極相比，BPA 在修飾電極上的氧化峰電流明顯增加，在優(yōu)化條件下采用差分脈沖伏安法對BPA 進行檢測，線性范圍為0.2×10－6～4×10－6mol·L－1，檢出限為5×10－8mol·L－1。馮志玲等[32]用循環(huán)伏安法研究BPA 在單壁碳納米管修飾電極上的電化學行為，發(fā)現(xiàn)相較之裸電極，BPA在修飾電極上的峰電流增大、氧化過電位降低，在優(yōu)化條件下峰電流與BPA 濃度在0.4×10－7～0.8×10－5mol·L－1內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限為2.3×10－9mol·L－1。彭瑩等[31]制備了石墨烯修飾電極，采用循環(huán)伏安法研究了BPA 的電化學行為，石墨烯修飾于電極表面能明顯增加BPA 的氧化峰電流，在最優(yōu)檢測條件下，峰電流與BPA 濃度在0.8×10－5～1.6×10－5mol·L－1內(nèi)呈線性關(guān)系。

由于不同納米材料之間有很好的電化學協(xié)同作用，文獻[4，33-34]研究了納米復合材料修飾電極用于檢測BPA。過渡金屬納米材料二硫化鉬具有大的表面積和強的吸附力，金納米棒具有比金納米粒子更高的比表面積，且顯示出更大的電場強度增強效果，因此WANG 等[4]制備二硫化鉬/金納米棒修飾的玻碳電極用于檢測BPA，BPA 的濃度在1×10－8～5×10－5mol·L－1內(nèi)與對應(yīng)的峰電流呈線性關(guān)系，檢出限為3.4×10－9mol·L－1。YANG 等[33]以二氧化鈦-碳化硅納米復合材料作為基底材料，通過在其上固定貴金屬鈀納米顆粒，制備了電化學傳感器應(yīng)用于BPA 的檢測中。碳化硅出色的吸附性能、二氧化鈦良好的催化活性以及鈀納米顆粒高的電導率之間的協(xié)同作用，明顯增強了BPA 氧化峰電流，在最優(yōu)檢測條件下，線性范圍為1×10－8～5×10－6mol·L－1，5×10－6～2×10－4mol·L－1，檢出限為4.3×10－9mol·L－1。于浩等[34]利用納米材料之間的協(xié)同作用，制備了金納米粒子-還原氧化石墨烯-多壁碳納米管復合納米材料，將其修飾于玻碳電極表面，研究了BPA 在修飾電極上的電化學行為。BPA 在該修飾電極上的峰電流相比于裸玻碳電極明顯增大，這是由于金納米粒子-還原氧化石墨烯-多壁碳納米管復合納米材料有效面積大，有利于金納米粒子分散均勻，從而對BPA 的電氧化過程具有更高的電化學活性，BPA 的線性范圍為5.0×10－9～1.0×10－7mol·L－1，1.0×10－7～2.0×10－5mol·L－1，檢出限為1.0×10－9mol·L－1。

2.1.2 新型材料

金屬有機骨架材料(MOF)由金屬離子和有機類似物組成，通過將有機和無機成分結(jié)合在一起而表現(xiàn)出獨特的性能，包括高的表面積、結(jié)構(gòu)可調(diào)以及具有裸露活性位點等[35]。HUANG 等[35]在多壁碳納米管(MWCNTs)傳統(tǒng)導電材料中添加了雙金屬Ce-Ni-MOF，以發(fā)揮其協(xié)同作用，提高電導率、比表面積和催化位點，BPA 的線性范圍為1×10－7～1×10－4mol·L－1，檢出限為7.8×10－9mol·L－1。

離子液體通常由有機陽離子和無機陰離子組成，具有高離子電導率和良好的生物相容性，被視為一種對環(huán)境無害的有機溶劑，可明顯增強電化學檢測的靈敏度和選擇性[36-37]。LIU 等[36]使用離子液體1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸酯和表面活性劑修飾電極用于檢測BPA，由于離子液體和表面活性劑之間的協(xié)同作用，該檢測具有較低的氧化峰電位(0.319 Vvs.SCE，SCE 為飽和甘汞電極)，線性范圍為2.19×10－7～3.28×10－5mol·L－1，檢出限為7.31×10－8mol·L－1。

酞菁(Pc)是一種人工合成的化合物，其結(jié)構(gòu)多樣、易于裁剪、穩(wěn)定性好，可與金屬元素配位形成配合物，可以有效提高電化學傳感器的性能[38]。KOYUN 等[39]利用新型銅酞菁復合物和良好導電性的碳納米管修飾鉛筆狀石墨電極，制備了BPA 新型電化學傳感器。BPA 氧化峰電流與其濃度在1.0×10－7～2.75×10－5mol·L－1內(nèi)線性相關(guān)，檢出限為1.89×10－8mol·L－1。

2.1.3 生物材料

生物材料具有分子特異識別能力，利用這一特性可以提高BPA 在電化學檢測過程中的選擇性。蔣曉華等[40]以單壁碳納米管作為電極基底材料固定脫氧核糖核酸(DNA)，構(gòu)建了DNA 電化學傳感器檢測BPA，由于DNA 的特定分子識別能力以及單壁碳納米管的電學特性和催化特性，該傳感器具有高靈敏度，氧化峰電流與BPA 濃度在1.0×10－8～2.0×10－5mol·L－1內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限為5.0×10－9mol·L－1。INROGA 等[41]使用具有葉子狀微觀結(jié)構(gòu)的金納米材料作為酪氨酸酶的載體，制備了用于BPA 檢測的高選擇性和高靈敏度的生物傳感器，該酶為BPA 的吸附創(chuàng)造了有利條件，BPA 的濃度在5×10－7～5×10－5mol·L－1內(nèi)呈線性，檢出限為7.7×10－8mol·L－1。

2.2 間接電化學檢測方法

2.2.1 電化學適配體傳感器

適配體是通過指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術(shù)(SELEX)得到的單鏈DNA 或核糖核酸(RNA)分子，其序列可人工選擇，也稱為化學抗體[2，42]。適配體具有高親和力和識別能力，已作為一種新興的識別元件用于電化學傳感器中以提高靈敏度和選擇性。電化學適配體傳感器通過將適配體與靶物質(zhì)之間特異性結(jié)合產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)化為電信號來實現(xiàn)對目標物的檢測[43]。由于其優(yōu)異的識別能力、良好的穩(wěn)定性以及低的檢出限，電化學適配體傳感器在BPA的電化學檢測中得到了關(guān)注[44-45]。

YU 等[44]利用BPA 特異性適體，構(gòu)建了單鏈DNA-亞甲基藍BPA 電化學適體傳感器。具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的適體被固定在低成本塑料電極上，作為生物識別元件和信號放大平臺，亞甲基藍作為信號探針插入到適體中。適體與BPA 的特異性識別導致DNA 構(gòu)象變化，插入的亞甲基藍釋放，從而降低了亞甲基藍的電化學響應(yīng)。在最優(yōu)試驗條件下，該傳感器的電化學響應(yīng)與BPA 濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系，檢出限為1.76×10－12mol·L－1。NAZARI等[45]利用羧基化的多壁碳納米管和殼聚糖復合物修飾玻碳電極，BPA 適配體互補鏈通過共價結(jié)合固定在修飾電極上。將5′端標記了二茂鐵基團的BPA 適配體與電極一起孵育，其與互補鏈相互作用，二茂鐵與電極之間電子傳遞，產(chǎn)生氧化還原信號。當BPA 存在時，其與適配體作用能力強，從而導致適配體離開電極表面，二茂鐵氧化還原電流降低。該電化學適配體傳感器可在2×10－10～2×10－9mol·L－1內(nèi)檢測BPA。

2.2.2 電化學酶傳感器

以酶作為生物識別元件的電化學酶傳感器的檢測原理是酶與目標物的特異性識別產(chǎn)生的信號通過換能器轉(zhuǎn)化為電信號輸出。BPA 含有的酚羥基可被酪氨酸酶等催化，其酶促反應(yīng)產(chǎn)物具有電化學活性，通過酶促反應(yīng)產(chǎn)物電化學信號與BPA 濃度之間的線性關(guān)系，可構(gòu)建電化學酶傳感器檢測BPA。

LIU 等[46]使用甘蔗衍生的生物炭納米顆粒作為信號增強劑，酪氨酸酶作為生物敏感元件，制備了電化學酶傳感器用于BPA 的靈敏檢測。BPA 可被酪氨酸酶催化，生成多元酚和鄰醌。其中鄰醌具有電化學活性，可以進一步還原，其在電極表面產(chǎn)生的還原電流信號與BPA 濃度呈正比。由于生物炭納米顆粒的高導電性，在優(yōu)化的條件下，BPA 的線性范圍為0.2×10－7～1.0×10－5mol·L－1，檢出限為3.18×10－9mol·L－1。SIDWABA 等[47]制備了電化學錳過氧化物酶生物傳感器用于檢測BPA，其中錳過氧化物酶可在很寬的酸度內(nèi)催化氧化各種酚類。通過納米復合材料(包括導電聚苯胺、聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化鈦納米顆粒)對玻碳電極進行修飾，并將錳過氧化物酶固定在電極上保持酶的活性。電流響應(yīng)與BPA 濃度在2×10－10～1.2×10－9mol·L－1內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限為1.7×10－10mol·L－1。

2.2.3 電化學分子印跡傳感器

分子印跡技術(shù)是利用人工方法合成專一結(jié)合目標物的分子印跡聚合物(MIP)的技術(shù)[48]。該技術(shù)將特定功能單體與目標物混合，通過共價作用或者非共價作用為目標物提供量身定做的結(jié)合位點，再加入交聯(lián)劑將功能單體聚合即可形成MIP。目標物去除后，MIP形成與目標物特異性結(jié)合的位點空穴，使其具有優(yōu)異的選擇性[49-50]。電化學分子印跡傳感器是將分子印跡技術(shù)應(yīng)用于電化學傳感器，制備具有特定空穴的聚合膜修飾電極用于目標分子的特異性選擇和檢測[51-52]。由于其成本低、易于制備，且耐熱、耐酸和而堿，電化學分子印跡傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注，并將其用于BPA 的檢測中[51-54]。

李玲玲等[52]以納米金為增敏材料，BPA 為模板分子，[Fe(CN)6]4－/3－為信號探針，制備了BPA 納米金-二氧化鈦凝膠電化學分子印跡傳感器，其線性范圍為1.0×10－8～1.0×10－5mol·L－1，檢出限為0.6×10－8mol·L－1。CHAI等[54]以硫堇作為信號探針構(gòu)建了電化學分子印跡傳感器來檢測BPA。當溶液中存在BPA 時，BPA 與分子印跡聚合膜特異性識別，填充了聚合膜中的部分空穴，阻礙了電子傳遞，使得硫堇的氧化還原峰電流降低，其降低程度與BPA 濃度呈正比。BPA 的線性范圍為8.0×10－8～1.0×10－4mol·L－1，檢出限為3.8×10－8mol·L－1。

電化學方法間接檢測BPA 具有高特異性、高靈敏度等優(yōu)點。但是，酶、適體等生物識別元件容易受到溫度、酸度等條件的影響，對試驗的要求較高，限制了其在復雜環(huán)境中的檢測。

3 結(jié)語和展望

長期處于BPA 環(huán)境下，對人類及其他哺乳動物的危害嚴重，故如何快速、簡便、有效地檢測環(huán)境中的BPA 越來越重要。電化學方法由于其操作簡單、快速、靈敏、價格低廉等特點，受到了越來越多的關(guān)注。今后電化學方法檢測BPA 的主要發(fā)展方向為:進一步研究現(xiàn)有的納米材料，對其性能進行優(yōu)化，降低其在電化學檢測BPA 中的局限性，以便將其工業(yè)化；電化學適配體傳感器中核酸適配體的篩選和驗證需要進一步探索，使其逐漸成熟，以便能大批量應(yīng)用于BPA 的檢測中；電化學酶傳感器需要著力研究如何提高酶的活性、傳感器的穩(wěn)定性，使其對檢測條件的要求降低，能在一些特殊環(huán)境下實現(xiàn)BPA 的檢測；電化學分子印跡傳感器中分子印跡聚合物的制備過程以及制備所需條件需要進一步的探索，而且它的識別效果還未達到生物受體的專一度，提高其識別能力也具有重要意義。