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基于还原石墨烯/纳米银复合材料的电化学传感器测定双酚A
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关键词:
- 还原石墨烯/纳米银复合材料
- / 电化学检测
- / 双酚A
English
An Electrochemical Sensor for Determination of Bisphenol A Based on Reduced Graphene/Silver Nanoparticles Composites
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1. 引言
双酚A(Bisphenol A,BPA)是一类用于制造聚碳酸酯、环氧树脂等塑料产品的中间体,广泛存在于矿泉水瓶、医疗器械及食品包装等材料中[1, 2]。BPA是一种酸性内分泌干扰物,能扰乱人的内分泌系统,影响免疫功能,威胁胎儿和儿童的健康,并损害生殖系统,增加癌症的发病率[3]。当超过一定温度后,塑料包装中的BPA可以分散于溶液中进入人体,发生迁移污染,引发食品安全问题[4~6]。欧盟认为BPA可能会引起性早熟,从2011年3月2日起禁止生产含化学物质BPA的婴儿奶瓶。我国国家标准GB 14942-94规定蒸馏水中BPA的限量为0.05 mg/L。但是一些不良商家为了降低生产成本,仍会非法生产添加BPA的塑料/包装产品。因此,研究快速、高效监测BPA含量的方法很有必要。
目前常用的BPA分析方法包括紫外-可见分光光度法[7]、荧光分析法[8, 9]、液相色谱法[10]、毛细管电泳法[11, 12]、气相色谱-质谱法[13, 14]、高效液相色谱-质谱法[15]等。这些方法虽然具有较好的灵敏度和选择性,但大多需要耗时和复杂的样品前处理过程、昂贵和大型的实验设备。电化学传感方法具拥有分析速度快、灵敏度高、仪器简单便携的特点,因此研究更简便快捷、灵敏度高的电极修饰材料用于BPA的检测引起了越来越广泛的关注。孙金影等[16]制备了碳纳米纤维修饰碳糊电极,用于双酚A的高灵敏和高选择性电化学检测,用于环境水样中双酚A的检测具有较高的回收率。余辉等[17]制备了多壁碳纳米管修饰碳糊电极,研究双酚A在多壁碳纳米管修饰电极上的电化学行为,检出限为1.0×10-7mol/L。目前,测定双酚A的修饰电极材料多数为石墨烯、碳纳米管、贵金属粒子、量子点等材料,制备材料的途径通常较复杂,且对材料的稳定性要求也较高。
银纳米离子(Silver nanoparticles,AgNPs)具有较好的电催化活性,但分散性较差,在溶剂介质中容易发生团聚现象,难以发挥其作用[18, 19]。为了避免这一现象,常将银纳米粒子负载在其它材料表面研究银纳米粒子的催化活性。本研究首先制备氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)作为负载材料,以柠檬酸钠为还原剂,制备还原氧化石墨烯/银纳米粒子复合物(rGO/AgNPs),将其制备成电化学传感器,材料合成方法较简单,原料廉价易获取,制备条件较为温和。研究了rGO/AgNPs纳米复合材料修饰电极的电化学活性,探讨了BPA的电化学行为和氧化机理,并测定了食品接触材料中的BPA含量。
2. 实验部分
2.1 仪器与试剂
CHI-832b电化学工作站(上海辰华仪器公司); AS3120B型超声波清洗器(天津奥特赛恩斯仪器公司); BSA-124-S型电子天平(德国赛利多斯公司); ESCALab250 X射线光电子能谱仪(美国赛默飞世尔公司); FEI Tecnai G2 Spirit透射电镜(荷兰FEI Philips公司)。
BPA(含量>99.0%,上海阿拉丁公司); 石墨粉(99.95%,5000目,上海阿拉丁公司); 硝酸银、硼砂、硼酸(天津大茂化学试剂厂); 柠檬酸钠、无水乙醇、无水甲醇等(广州化学试剂厂)。所用试剂均为分析纯; 实验所用水均为超纯水(美国Millipore公司)。
2.2 rGO/AgNPs的制备
参照文献[20]的方法对石墨进行预氧化,用Hummers法将预氧化的石墨生成氧化石墨烯[21]。将3.82 g石墨粉缓慢加入30 mL浓H2SO4中,随后分别缓慢加入3.89 g K2S2O8和3.88 g P2O5,混合均匀,80℃下加热反应6.5 h; 待反应结束后,用水稀释并抽滤水洗,固体产物于60℃下真空干燥12 h,得到预氧化石墨粉2.91 g。
在冰浴条件下,将2.18 g预氧化石墨粉与6.81 g NaNO3混合,加入50 mL超纯水,超声分散均匀后,加入230 mL浓H2SO4并混合均匀,边搅拌边缓慢加入30.0 g KMnO4,于室温(20~23℃)搅拌反应1.5 h。随后,在反应体系中缓缓加入300 mL超纯水,并转移至98℃油浴锅中继续反应4 h,得到氧化石墨烯悬浮液。加入过量H2O2中和未参与反应的KMnO4,12000 r/min离心,水洗至上清液pH≈7。将得到的固体产物冷冻干燥24 h,得到氧化石墨烯(1.18 g)。
将30 mg氧化石墨烯和30 mg AgNO3分别超声分散于100 mL和50 mL超纯水中,超声20 min后,在沸水浴中加热至沸,快速加入30 mL 3%(m/V)柠檬酸钠溶液,搅拌反应20 min; 待反应完成后静置分层,弃去上层液体,剩余部分依次用乙醇、去离子水反复抽滤清洗,于50℃下真空干燥得到还原石墨烯/银纳米离子复合物(rGO/AgNPs)。采用X射线光电子能谱(XPS)和电镜对材料表面基团和形貌特征进行表征。
2.3 修饰电极的制备
在湿润的绒布上用0.05 μm Al2O3粉将直径3 mm的玻碳电极打磨抛光平滑,然后分别在50%(V/V)乙醇溶液和超纯水中超声清洗1 min,用超纯水冲洗电极。将6 μL rGO/AgNPs复合材料分散液滴加在电极表面,红外灯下烤干,制得rGO/AgNPs/GCE。
2.4 分析方法
电化学测试在CHI-832b电化学工作站上进行,采用三电极体系:工作电极为rGO/AgNPs/GCE,饱和甘汞电极为参比电极,铂丝电极为对电极。若无特殊说明,使用pH 1.98的Britton-Robinson(B-R)缓冲溶液作为测定BPA的支持电解质。优化实验条件后,预富集电位设置为0.7 V(参比电极为饱和甘汞电极),搅拌溶液条件下富集60 s,再静置5 s,然后记录0.5~1.3 V间的方波脉冲伏安曲线。测量0.86 V处的氧化峰电流作为BPA的响应信号。
2.5 样品的预处理
从当地超市购买不同品牌塑料瓶(聚碳酸酯材质)并进行编号, 分别装入200 mL 50%(V/V)乙醇溶液,超声处理6 h后,蒸干浓缩后的残余物,用甲醇溶解并定容至10 mL,作为分析样品。自来水、矿泉水各10 mL浓缩至100 μL,冰箱保存待分析。
3. 结果与讨论
3.1 rGO/AgNPs复合材料的表征
图 1A和图 1B分别为rGO和rGO/AgNPs的透射电镜表征图,从图 1A中明显可见rGO特征的层状结构; 图 1A中可见大量AgNPs均匀地负载在rGO的褶皱结构上,表明rGO/AgNPs复合物已成功合成。为了确定rGO/AgNPs复合物的组成,对材料进行了XPS测试。图 1C为rGO/AgNPs复合物的XPS总谱图,结果表明,C1s、Ag3d5、O1s信号的存在,对应的主峰位置分别在284.8、373.5和533.1 eV的峰对应C1s、Ag3d5和O1s[22~24],表明银纳米粒子通过非共价键合作用成功负载在还原石墨烯上。图 1D为C1s轨道的XPS拟合谱图,说明了石墨烯结构中C元素的存在状态,284.8 eV归属于C—C键,288.5 eV归属于C—O—C键。
图 1
图 1. GO (A)、rGO/AgNPs (B)的透射电镜图; rGO/AgNPs的XPS图谱(C)和C1s全谱(D)Figure 1. Transmission electron microscope (TEM) image of (A) graphene oxide (GO) and (B) rGO/silver nanoparticles (AgNPs), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) spectra (C) and C1s XPS spectra (D) of rGO/AgNPs3.2 rGO/AgNPs的电催化活性增强效应
为研究复合材料在电催化活性方面的增强效应,对比了在pH 1.98的B-R缓冲溶液中BPA在不同修饰电极上的CV和SWV曲线,如图 2所示。图 2A为50 μmol/L BPA在不同电极上的CV比较图,BPA的氧化峰电流在裸GCE(a)、GO/GCE(b)和rGO/AgNPs/GCE(c)上呈现逐渐增加的趋势,说明银纳米粒子和还原石墨烯的复合材料增强了BPA在电极上的电化学活性。由SWV的数据对比(图 2B)可知,rGO/AgNPs/GCE对BPA表现出较好的电催化活性,峰电流明显增强,提高了检测灵敏度。
图 2
图 2. 裸GCE(a)、GO/GCE(b)和rGO/AgNPs/GCE(c)电极的循环伏安图(CV)(A); 方波伏安图(SWV)(B)和计时库伦曲线(C)Figure 2. (A) Cyclic voltammograms (CV) of 50 μmol/L Bisphenol A (BPA) on different electrodes; (B) square wave voltammograms (SWV) of 8 μmol/L BPA on different electrodes; (C) plot of Q-t curves of different electrodes; Inset: plot of Q-t1/2 curves of different electrodes; bare glassy carbon electrode (GCE)(a), GO/GCE(b) and rGO/AgNPs/GCE(c)采用0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]作为探针分子,用计时库仑法研究了不同修饰电极的有效电极面积(图 2C)。其中,Init E(V) = 0.5,Final E(V) =0.25,Pulse width (s)=0.25,Step=1,Sample (s)=2.5×10-4。根据Anson方程[25]:
(1) 其中,c是底物浓度,D是扩散系数(在0.1 mol/L KCl溶液中,0.1 mmol/L K3[Fe(CN)6]的扩散系数是7.6 × 10-6 cm2/s),n为电子转移数,Qdl是可通过扣除背景消除的双电层电量,Qads为法拉第电量,A为玻碳电极表观面积,F为法拉第常数(F=96485 C/mol),π为圆周率常数,n为电子转移数。由图 2C可见,通过不同电极的Q-t1/2渐近曲线的斜率计算得出裸电极、GO/GCE和rGO/AgNPs/GCE的电极有效面积A值分别为0.10、0.25和0.35 cm2,结果表明,修饰过银纳米粒子的还原石墨烯具有更大的比表面积,进一步增强了BPA的富集效果,提高了BPA的检测灵敏度。
3.3 BPA的电化学反应机理
在pH 1.98的B-R缓冲溶液中,不同扫描速率下50 μmol/L双酚A在rGO/AgNPs/GCE的CV曲线见图 3。在双酚A的CV曲线上可观察到两个氧化峰,可能是由于双酚A在酸性溶液中有着两种不同的存在形式[26, 27],即电中性的双酚A分子和其酚盐形式的存在。随着扫描速率(v)从25 mV/s逐渐增加到400 mV/s,BPA的峰电流值(Ip)呈线性增加(图 3插图Ⅰ),且符合方程Ip=3.349+0.028v(r2=0.995),表明BPA在rGO/AgNPs/GCE上的氧化是吸附控制的过程。扫描速率对Ep的影响见图 3插图Ⅱ,Ep与v符合下列方程:
图 3
(2) 由于电极表面过程是受吸附控制的,Ep与v的关系保持下列方程:
(3) 其中,k0 为表面反应的标准速率常数,E0′为标准电极电位电位,α为BPA氧化的转移系数。按照方程(2),Ep对v表现为良好的线性关系,可从斜率0.028求得αn的值。假设α=0.5,可求得BPA的n≈2。所以,BPA的氧化过程是两电子参与的电极反应。
根据文献报道[27, 28],不同苯环上的两个酚羟基能在正电位发生两电子两质子的不可逆反应,因此BPA的氧化反应是由不同苯环上的两个酚羟基的氧化还原反应引起的,其电化学催化氧化BPA的反应方程式如下所示。
3.4 电化学检测BPA的分析性能
优化了实验条件(包括电解液、富集电位、富集时间、材料修饰量等),以氧化峰的电流信号强度作为考察依据,并选择灵敏度高、速度快的SWV作为检测方法。考察了电极上BPA在不同支持电解质下的响应信号,包括0.2 mol/L NaAC-HAC缓冲液(pH 2.6~5.8)、硼酸-硼砂缓冲液(pH 7.4~9.0)、Na2HPO4-NaH2PO4缓冲液(pH 6.5~8.0)、Na2HPO4-柠檬酸缓冲液(pH 2.2~7.0)、B-R缓冲液(pH 1.81~11.92)和浓度均为0.1 mol/L HCl、H2SO4、HClO4溶液中的电化学行为。最终选择pH 1.98的B-R缓冲溶液作为测定BPA的支持电解质。富集电位对峰电流的影响实验结果表明,当富集电位从0.3 V增加到0.7 V时,峰电流逐渐增加; 进一步增大富集电位,峰电流未见明显增加。富集时间对峰电流也具有较大影响,当富集时间为60 s时峰电流达到最大; 继续延长富集时间,峰电流反而有所降低,这可能是因为长时间富集使电极表面生成了电化学活性差的物质,导致电极钝化并阻碍目标物电子转移。此外,还探究了不同复合材料修饰量(3、5、6、8和10 μL)对BPA电流的影响,当修饰量为6 μL时,BPA的氧化峰电流值最大,响应灵敏。
在优化的实验条件下,测定了不同浓度的BPA标准溶液的方波伏安响应信号,氧化峰电流与BPA浓度在0.1~40.0 μmol/L范围内呈良好的线性关系: I(μA)=(0.211±0.005)+(0.368±0.087)C(μmol/L)(图 4),r2=0.996,检出限为50.7 nmol/L(S/N=3)。与文献报道的检测BPA的电化学传感器相比,本传感器具有较宽的线性范围和较低的检出限,如表 1所示。
图 4
表 1
表 1 本方法与其它电化学方法的比较Table 1. Comparison of the proposed method with other electrochemical methods based on different matrices电极
Electrodes测定方法
Methods线性范围
Linear range
(μmol/L)检出限
Detection limit
(μmol/L)参考文献
Ref.MWNTs/Au/paper electrode LSV 0.88~87.4 0.13 [29] MWCNTs-Au/GCE ECL 0.25~100 0.08 [30] CTS/GR/CPE LSV 1~70
70~10000.1 [31] CNFs/CPE DPV 0.8~50 0.1 [16] MWCNTs/CPE DPV 0.5~20 0.1 [17] rGO/AgNPs/GCE SWV 0.1~40.0 0.05 本工作This work LSV, linear sweeping voltammetry; ECL, Electrochemiluminescence; DPV, differential pulse voltammetry 3.5 选择性分析
为了研究传感器的选择性,在5 μmol/L BPA标准溶液中添加不同种类和含量的常见干扰物或结构相似物质,考察对BPA测定的干扰情况。结果表明,2000倍的Na+、Cl-、K+、NO3-、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Fe3+、葡萄糖、柠檬酸、酒石酸、蔗糖和果糖,1500倍的Ca2+,1000倍的Al3+,50倍的抗坏血酸,50倍的对苯二酚及邻苯二酚,对BPA的测定无显著性干扰(电流改变值小于±8%),表明此电化学传感器具有良好的选择性。为了考察本方法的重现性,对5 μmol/L BPA标准溶液,重复测定10次,RSD=2.8%(n=10),表明此传感器具有良好的重现性。
3.6 实际样品分析
为了研究此传感器的实际应用能力,将其应用于实际环境和塑料样品中BPA的分析测定。在5 mL pH 1.98的B-R缓冲液中加入100 μL样品,然后搅拌富集60 s并静置5 s,测定SWV曲线。结果表明,某品牌聚碳酸酯材质塑料瓶检测出BPA,而自来水和矿泉水未检测出BPA。对自来水和矿泉水中进行加标回收实验,BPA的回收率为91.7%~102.9%(表 2),满足痕量分析要求,表明此传感器具有良好的实用性。
表 2
编号
No.测得值
Found
(μmol/L)加入值
Added
(μmol/L)平均回收率
Mean recovery
(%)RSD
(%,n=5)塑料瓶1
Bottle 12.9±0.03 2.0
4.091.7 3.3 塑料瓶
Bottle 23.3±0.02 3.0
6.0102.9 3.8 塑料瓶
Bottle 33.4±0.05 2.0
4.090.6 4.5 自来水
Tap water未检出ND 0.7
1.4101.9 4.9 矿泉水
Mineral water未检出ND 0.9
1.892.7 1.7 4. 结论
制备了银纳米颗粒均匀负载的rGO/AgNPs复合材料,以BPA为目标物,通过循环伏安法和方波脉冲伏安法,对基于rGO/AgNPs复合材料的修饰电极进行了研究。实验结果表明,制备的rGO/AgNPs电化学传感器具有良好的选择性和较强的抗干扰能力,BPA的富集时间仅需60 s; 同时,对BPA的电化学检测具有较高的灵敏度和较宽的检测范围,方法的线性范围为0.1~ 40 μmol/L,检出限为50.7 nmol/L(S/N=3);实际水样中BPA的加标回收率91.7%~102.9%。构建的基于还原石墨烯/银纳米颗粒复合材料的电化学传感器可用于BPA的高灵敏、快速检测。
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图 2 裸GCE(a)、GO/GCE(b)和rGO/AgNPs/GCE(c)电极的循环伏安图(CV)(A); 方波伏安图(SWV)(B)和计时库伦曲线(C)
Figure 2 (A) Cyclic voltammograms (CV) of 50 μmol/L Bisphenol A (BPA) on different electrodes; (B) square wave voltammograms (SWV) of 8 μmol/L BPA on different electrodes; (C) plot of Q-t curves of different electrodes; Inset: plot of Q-t1/2 curves of different electrodes; bare glassy carbon electrode (GCE)(a), GO/GCE(b) and rGO/AgNPs/GCE(c)
表 1 本方法与其它电化学方法的比较
Table 1. Comparison of the proposed method with other electrochemical methods based on different matrices
电极
Electrodes测定方法
Methods线性范围
Linear range
(μmol/L)检出限
Detection limit
(μmol/L)参考文献
Ref.MWNTs/Au/paper electrode LSV 0.88~87.4 0.13 [29] MWCNTs-Au/GCE ECL 0.25~100 0.08 [30] CTS/GR/CPE LSV 1~70
70~10000.1 [31] CNFs/CPE DPV 0.8~50 0.1 [16] MWCNTs/CPE DPV 0.5~20 0.1 [17] rGO/AgNPs/GCE SWV 0.1~40.0 0.05 本工作This work LSV, linear sweeping voltammetry; ECL, Electrochemiluminescence; DPV, differential pulse voltammetry 表 2 BPA在实际样品中的加标回收实验结果
Table 2. Detection and recovery of BPA in plastic bottle samples
编号
No.测得值
Found
(μmol/L)加入值
Added
(μmol/L)平均回收率
Mean recovery
(%)RSD
(%,n=5)塑料瓶1
Bottle 12.9±0.03 2.0
4.091.7 3.3 塑料瓶
Bottle 23.3±0.02 3.0
6.0102.9 3.8 塑料瓶
Bottle 33.4±0.05 2.0
4.090.6 4.5 自来水
Tap water未检出ND 0.7
1.4101.9 4.9 矿泉水
Mineral water未检出ND 0.9
1.892.7 1.7 -
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