鈷摻雜氮化碳傳感器電化學(xué)檢測牛奶中雙酚A

汪美鳳，王 娣，韋啟信*

（1.安慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.安慶師范大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，安徽 安慶 246133）

雙酚A（Bisphenol A，BPA）即二酚基丙烷，是合成聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂的重要單體，普遍存在于罐頭食品包裝、飲料瓶和醫(yī)用材料中[1]。BPA易水解，可從制品中釋放并由食物鏈進(jìn)入人體，能夠產(chǎn)生極強的雌激素效應(yīng)，從而引起人體內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂，對嬰幼兒發(fā)育造成不良影響，甚至有致癌風(fēng)險[2-3]。因此，快速準(zhǔn)確地檢測牛奶中雙酚A的含量對維護(hù)食品安全和保障人體健康具有重要意義。

食品中BPA常用的檢測方法有液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、高效液相色譜-質(zhì)譜法和酶聯(lián)免疫吸附分析法等。但是，這些方法大多需要昂貴的儀器設(shè)備，且樣品前處理繁瑣、操作復(fù)雜耗時，不適合食品樣品的常規(guī)快速分析。近年來，分析快速、成本低、操作簡單的電化學(xué)傳感技術(shù)受到眾多研究者的關(guān)注。目前，碳基納米材料已被廣泛用于提高電化學(xué)檢測的傳感性[4]，其中石墨氮化碳（g-C3N4）作為一種SP2共軛體系的碳基半導(dǎo)體材料，其以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成本低廉，無毒、易制備等優(yōu)點而備受學(xué)者們關(guān)注。

目前，C3N4通常由各種含氮有機(jī)單體（如氰胺、三聚氰胺和雙氰胺等）高溫煅燒所制得，但是該方法制備的C3N4晶面結(jié)構(gòu)雜亂，且具有較大的面間距，易出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其存在結(jié)晶度差、反應(yīng)位點少、電化學(xué)活性弱、應(yīng)用潛力不足等客觀問題[5]。為了改善電化學(xué)檢測功能材料的塊狀結(jié)構(gòu)并提升反應(yīng)活性，本文制備了高活性過渡金屬Co摻雜的C3N4復(fù)合電極材料，并將其用于巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶中BPA含量的電化學(xué)檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶均購自安慶本地超市。主要化學(xué)試劑有CoCl2·6H2O分析純、乙醇、PBS緩沖溶、Nafion溶液、三聚氰胺分析純，以及超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

主要的儀器設(shè)備有FA2204 電子天平（0.001 g，上海津平科學(xué)儀器有限公司）、SK2-2-10 馬弗爐（上海實嚴(yán)電爐廠）、ESCALAB250Xi X-射線光電子能譜儀（美國Thermo公司）、D/MAX2500VL/PC 轉(zhuǎn)靶X-射線衍射儀（日本理學(xué)株式會社）、LabRAM HR Evolution 拉曼光譜（HORIBA Jobin Yvon）、Nicolet IS50 iN10 傅里葉紅外光譜儀（Thermo Fisher）、Regulus 8230 FE-SEM（Hitachi）、JEM-2100F 場發(fā)射透射電子顯微鏡（日本電子）、CHI600E 電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）、HJ-1磁力攪拌器（金壇市白塔新寶儀器廠）、HPLC-1100 高效液相色譜儀（安捷倫）和Hypersil-ODS 反相柱（賽默飛）。

1.3 Co-C3N4復(fù)合材料的制備

在藍(lán)色透明玻璃試劑瓶中加入100.0 mL超純水，稱取0.17 g CoCl2·6H2O倒入藍(lán)色透明試劑瓶，在磁力攪拌器上攪拌5.0 min，再加入10.0 g三聚氰胺并攪拌8.0 h，然后將試劑瓶于65.0°C的干燥箱中干燥，直到瓶中物質(zhì)由紅色變成藍(lán)色，烘干后用瑪瑙研缽研磨成粉末狀。取5.0 g 粉末放入氧化鋁坩堝中并將其放入管式爐，通氮氣10 min 以排凈管道中空氣，然后以5.0°C/min 加熱速度升溫至550.0°C，持續(xù)4.0 h，待冷卻完畢后取出坩堝，將其中塊狀材料研磨成粉末，并用酒精和超純水清洗3次，烘干備用[6]。

1.4 工作電極制備

玻碳電極（GCE）表面使用1.0 μm和0.05 μm的Al2O3拋光粉進(jìn)行拋光，然后經(jīng)無水乙醇和超純水超聲清洗，并自然晾干。取5.0 μL Co-C3N4分散液滴加到GCE 表面上，并室溫干燥2.0 h，然后滴加5.0 μL Nafion溶液，最終得到了Co-C3N4/GCE的修飾電極。

1.5 形貌結(jié)構(gòu)表征

采用高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）來觀測樣品的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，并對其表面元素分布進(jìn)行分析（能譜EDS）；利用轉(zhuǎn)靶X-射線衍射儀來分析樣品的晶相結(jié)構(gòu)；使用FTIR光譜來表征材料的官能團(tuán)和化學(xué)鍵；使用拉曼光譜來確認(rèn)Co-C3N4的骨架；通過X-射線光電子能譜研究樣品的元素組分和化學(xué)結(jié)構(gòu)。

1.6 純牛奶樣品BPA檢測

1.6.1 樣品預(yù)處理

取巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶各5.0 mL，分別加入10.0 mL無水酒精并超聲15.0 min，搖床搖勻10.0 min，再以10 000.0 r/min轉(zhuǎn)速離心10.0 min后過濾，收集濾液并用pH 7.0的PBS緩沖溶液定容至25 mL。

1.6.2 樣品BPA的檢測

利用上海辰華CHI660E工作站進(jìn)行電化學(xué)檢測實驗。在所構(gòu)建的三電極體系中，以Co-C3N4/GCE（0.096 cm2）為工作電極，Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對電極，且工作電極與對電極的間距為1.0 cm。測試過程利用線性掃描伏安方法（LSV），對不同牛奶BPA 樣品液進(jìn)行檢測[7,15]。具體檢測條件：掃描電位0.0～1.0 V，掃速0.025 V/s，采樣間隔0.001 V；電解質(zhì)均為0.1 mol/L的Na2SO4。

1.6.3 加標(biāo)回收率檢測

分別往預(yù)處理過的純牛奶樣品中加入1.0 μmol/L、10.0 μmol/L、15.0 μmol/L和100.0 μmol/L的BPA標(biāo)準(zhǔn)液，配得不同濃度的BPA標(biāo)準(zhǔn)樣品工作液，對其開展加標(biāo)回收率檢測實驗[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極形貌結(jié)構(gòu)特性

電極如SEM圖1（a,b）所示，C3N4呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)，但鈷摻雜的Co-C3N4樣品出現(xiàn)了更多小片狀結(jié)構(gòu)和孔隙，具有更大的比表面積，這是由于塊狀石墨氮化碳層間的堆疊是靠氫鍵連接，而在金屬摻雜過程中片層之間的氫鍵不能承受所施加的化學(xué)能從而達(dá)到剝離。從TEM圖1（c,d）可以看出，Co-C3N4樣品對電子束顯示出明顯的黑色陰影。與此同時，進(jìn)行EDS能譜分析以確定其表面組成和元素分布，如圖1（e～h）所示，樣品元素分布均勻，Co-C3N4中Co信號強度為0.14%，氮含量為71.34%，意味著Co-C3N4暴露了很多Co位點，且具有較少氨基。

圖1 Co-C3N4電極形貌特性。（a,b）SEM；TEM（c,d）；（e）C、N、Co的EDS能譜；C(f)，N(g)，Co(h)單獨能譜

C3N4和Co-C3N4的XRD見圖2（a），其中兩者在2θ為13.0°和27.4°時各有兩個衍射峰，分別對應(yīng)三-s-三嗪單元的層內(nèi)重復(fù)堆積和類石墨材料的層間堆積，為（100）和（002）晶（JCPDS-87-1526）。與C3N4的XRD圖譜相比，摻雜Co后的Co-C3N4沒有顯著變化。此外，隨著C3N4中Co的摻入，（002）的峰強度降低且變得更寬，意味著Co-C3N4的結(jié)晶度隨著Co的摻入而降低[9]，并且引入的Co抑制了C3N4的熱聚合。另外，未觀察到其它衍射峰，同時圖1（c,d）的TEM也未觀察到可見顆粒或明顯的微晶結(jié)構(gòu)，也說明了Co與C3N4的主體化學(xué)配位可能是以Co-N鍵的形式存在，故而進(jìn)一步證明了Co摻雜成功。

圖2 C3N4和Co-C3N4表征。（a）XRD；（b）Raman；（c,d）FTIR

采用拉曼光譜來確認(rèn)Co-C3N4骨架，如圖2(b)所示，在Co-C3N4樣品中可以檢測到屬于C3N4的一系列特征峰。其中，在707 cm-1和975 cm-1處的特征峰對應(yīng)于三-s-三嗪的平面內(nèi)彎曲和對稱N震動模式，而1 100 cm-1～1 700 cm-1處對應(yīng)于無序石墨C-N 鍵振動，這表明C3N4基本框架在Co-C3N4中保持良好[10]。同時，使用FTIR 光譜來表征材料的官能團(tuán)信息，如圖2(c)所示，C3N4和Co-C3N4樣品具有相同的光譜信息，可以證明兩者具有相同的結(jié)構(gòu)信息，意味著其化學(xué)結(jié)構(gòu)在Co 摻雜后沒有發(fā)生明顯變化。其中，3 000 cm-1～3 500 cm-1處的寬吸收帶可能歸因于未縮合氨基的N-H 鍵和材料吸附的H2O 分子拉伸振動[11]。出現(xiàn)在1 200 cm-1～1 620 cm-1的強吸收峰是C3N4骨架上碳氮雜環(huán)的C=N雙鍵、C-N單鍵的伸縮振動所造成，而808 cm-1處對應(yīng)于三-s-三嗪單元的彎曲模式，同時該處的強吸收帶表明Co摻雜樣品發(fā)生了藍(lán)移現(xiàn)象，如圖2(d)所示[12]。

通過X-射線光電子能譜分析可知，Co-C3N4中C/N為0.706，低于石墨氮化碳理論值（0.75）。Co-C3N4的C1s光譜有三個峰，見圖3(a)，分別對應(yīng)于284.8 eV的C-C峰、286.0 eV的C-N峰和288.1 eV的N=C-N峰[13]，其中，288.1 eV處的主峰為C3N4主鏈中存在的sp2碳，而284.8 eV處的小峰則歸屬于吸附在表面或任何sp3石墨化碳上的不定形碳。在N1s光譜圖3(b)中發(fā)現(xiàn)，樣品檢測到了3種典型的N形態(tài)，具體而言，398.5 eV處的峰歸屬于三嗪環(huán)中的sp2雜化氮（C=N-C）[14]，398.8 eV處峰歸屬于叔氮（C-(C)3），以及400.9 eV處峰歸屬于CN骨架中的表面氨基（C-NHx）。如圖3(c)所示，804.2 eV和786.3 eV分別為Co2p1/2和Co2p3/2的Co(II)峰值，另外，Co(II)元素在781.7 eV處以Co-N的形式與N原子配位，也證明了Co摻雜成功。

圖3 Co-C3N4的XPS圖譜。（a）C1s；（b）N1s；（c）Co2p

2.2 純牛奶樣品BPA檢測

為了考察所構(gòu)建的鈷摻雜氮化碳傳感器電極在食品檢測中的適用性，本文將該電極用于純牛奶BPA檢測，結(jié)果如表1所示，在巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶中均未檢出BPA。然后，向牛奶樣品中分別加入1.0 μmol/L、10.0 μmol/L、15.0 μmol/L和100.0 μmol/L的BPA標(biāo)準(zhǔn)品，對兩種預(yù)處理過的純牛奶樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濃度介于1.0～100.0 μmol/L的BPA加標(biāo)回收率達(dá)到81.86%～98.75%，且相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）僅為3.34%～3.57%。在相同測試環(huán)境下，與常規(guī)HPLC法相比具有更高的回收率，尤其是在更具實際樣品分析價值的低濃度范圍（0.0～15.0 μmol/L）。特別地，在BPA內(nèi)標(biāo)濃度為1.0 μmol/L的兩種牛奶樣品中，電化學(xué)檢測回收率高達(dá)98.75%，而HPLC則不能進(jìn)行有效檢測（無任何有效信號，BPA回收率為0.0%）；即使在高BPA濃度樣品中（100.0 μmol/L），EC檢測法依然保持了與HPLC相近的檢測效能。上述結(jié)果表明，基于Co-C3N4復(fù)合材料的電化學(xué)傳感器在BPA檢測中可靠性更高，有效檢測濃度范圍更寬，在低濃度區(qū)間亦具有有效的檢測性能。

表1 在EC和HPLC檢測體系中BPA的平均回收率（n=3）

與此同時，由于Co-C3N4電極材料具有較大的比表面積、充足的活性位點和優(yōu)異的電荷介導(dǎo)，使得BPA的電化學(xué)檢測靈敏度更高，在巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶樣品中的BPA檢出限分別達(dá)到了3.7 nmol/L和4.3 nmol/L（兩種空白樣品分別連續(xù)檢測10次，取S/N=3），意味著由Co-C3N4復(fù)合活性材料所構(gòu)建的電化學(xué)傳感器能夠滿足牛奶樣品實時、快速和高效的微痕量檢測需求[8]，同時具有操作簡便、成本低廉和維護(hù)方便等優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用潛能。

為了揭示鈷摻雜氮化碳電極傳感器的電化學(xué)檢測性能，本文采用線性掃描伏安法（LSV）對所做的加標(biāo)回收率實驗樣品進(jìn)行掃描測試，其條件為：電壓掃描范圍0～1.0 V、掃描速率0.025 V/s、采樣間隔0.001 V、電流靈敏度10-5A/V，以及電解質(zhì)為0.1 mol/L的Na2SO4。圖4是Co-N3N4/GCE修飾電極和不同加標(biāo)濃度的BPA在0.1 mol/L的Na2SO4中的伏安圖[15]，可知各樣品在約0.6 V處會出現(xiàn)明顯的氧化峰，說明該電極的BPA檢測靈敏度較高，且隨著BPA濃度的增加，純水體系和牛奶樣品的氧化峰所對應(yīng)的電流響應(yīng)值都降低，此外牛奶樣品電流趨勢基本與純水系統(tǒng)重合，說明BPA在兩介質(zhì)中的電化學(xué)檢測信號無明顯變化，意味著該傳感器抗干擾性強，適用于牛奶樣品BPA的檢測。

圖4 不同BPA濃度標(biāo)準(zhǔn)品的線性掃描伏安圖。（a）1.0 μmol/L；（b）10.0 μmol/L；（c）15.0 μmol/L；（d）100.0 μmol/L

3 結(jié)論

本文以三聚氰胺和CoCl2·6H2O為原料，通過高溫煅燒法成功制備了Co-C3N4復(fù)合材料，該材料樣品表面有更多小片狀結(jié)構(gòu)和孔隙，其Co信號強度是0.14%。Co摻雜提高了C3N4比表面積，且抑制了其熱聚合，但其基本框架保持良好，晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生顯著變化。與此同時，Co-C3N4/GCE修飾電極傳感器在巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶的BPA加標(biāo)回收率為81.86%～98.75%，且RSDs為3.34%～3.57%。與常規(guī)HPLC 法相比，在低濃度范圍內(nèi)（0.0～15.0 μmol/L）具有更高的回收率和靈敏度，BPA 檢出限可達(dá)3.7 nmol/L，抗干擾性強，說明鈷摻雜氮化碳傳感器適用于牛奶樣品BPA的電化學(xué)檢測。