石墨烯/纳米钴增敏对特辛基苯酚印迹传感器研究

周必武+张朝晖+蒋映权

摘 要 以对特辛基苯酚为模板分子，吡咯为单体，采用电聚合法在一步电化学还原石墨烯/纳米钴修饰碳电极表面制备出高灵敏度和高选择性地检测对可特辛基苯酚的印迹电化学传感器。采用循环伏安法和差分脉冲伏安法等方法，对此印迹电极的电化学性能表征。结果表明，此印迹电化学传感器的响应电流与对特辛基苯酚浓度的负对数在1.01013～1.0 10 7mol/L范围内呈良好的线性关系（R2=0.987），检出限为3.7×1014 mol/L （S/N=3）。此印迹电化学传感器成功用于检测雨水、湖水、饮料等样品中的对特辛基苯酚，回收率达到92.4%～102.0%。

关键词 印迹电化学传感器； 对特辛基苯酚； 石墨烯； 纳米钴

1 引 言

对特辛基苯酚（p-（Tert-octyl）phenol， POP）是一种广泛用于制造油溶性酚醛树脂、表面活性剂、粘合剂和高聚物的抗氧化剂。饮料瓶和婴儿奶瓶等塑料制品和橡胶产品中存在的微量POP会潜在地危害使用者健康。研究表明，POP可导致雌性早熟、精子数量减少及质量下降等病症[1]。目前，POP的定量分析检测主要依靠气相色谱-质谱联用法、液相色谱-质谱联用法、高效液相色谱法和生物学方法等[2，3]。但是这些方法的样品前处理过程繁琐，所需仪器设备比较昂贵和检测时间比较长。而电化学传感器具有良好的灵敏度，操作简单，检测成本低，可在线检测等优点，尤其是近年来发展的分子印迹电化学传感器，兼具对目标分子的特异识别能力，现已广泛用于环境、生物和医疗领域的分析检测[4～7]。目前，还没有关于POP印迹电化学传感器的报道。

为了解决传统电化学传感器在高选择性和高灵敏度难以兼具的难题，研究者们已研制出基于纳米材料修饰的印迹电化学传感器[8～11]。但是大部分研究都是采用物理吸附方法将纳米材料修饰至电极表面，这导致电极表面纳米材料的稳定性和可重复性差。本研究先采用一步电化学还原法制备石墨烯/钴纳米颗粒修饰电极，再采用电化学聚合法制备对POP印迹电化学传感器。采用循环伏安法和脉冲伏安法对不同修饰电极的电化学性能进行表征，结果表明， 此印迹电化学传感器对POP具有高灵敏度和高选择性。此印迹传感器为环境水样及饮料中的POP的检测提供了一种高效、快速的新方法。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CH660B电化学工作站（上海辰华公司）；KQ-100E型超声清洗机；砂芯抽滤漏斗。电化学实验以铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极（SCE），修饰碳电极为工作电极的三电极体系进行。

冰醋酸、无水甲醇、吡咯、四丁基四氟硼酸铵（Bu4NBF4）、对特辛基苯酚（POP）、壬基酚（Nonylphenol， NP），购于阿拉丁试剂公司。双酚A（Bisphenol A， BPA）、四溴双酚A（Tetrabromobisphenol A， TBBPA）和四水乙酸钴 （Co（Ac）2· 2O） 均为分析纯，购于阿法埃莎试剂公司。实验用水为二次蒸馏水。5.0×103 mol/L K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6溶液、磷酸盐缓冲液（pH=6.8）、碳酸盐缓冲液（0.5 mol/L， pH 9.0）和氧化石墨烯（GO）均为自制。

2.2 实验方法

2.2.1 电极预处理 先将自制裸碳电极（7.0 mm × 3.5 mm）表面依次用金相砂纸进行抛光，然后用蒸馏水超声洗涤，干燥，备用。干净的裸电极采用循环伏安法在K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6溶液、磷酸盐缓冲液（pH=6.8）中，电位区间为

0.3 ～0.8 V，以50 mV/s的扫描速率循环扫描2圈，扫描后的电极用二次蒸馏水冲洗，干燥备用。

2.2.2 制备石墨烯/纳米钴修饰电极（Co-GP/CE） 参照文献[12]改进的制备方法，先将25.0 mg GO和62.3 mg Co（Ac）2· 2O分散于25.0 mL K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6-碳酸盐缓冲液（pH=9.0）中，超声5 min，使其形成稳定均匀的混合液。立即将裸电极浸入该混合液中，采用循环伏安扫描技术在0.6～1.5 V电位区间以25 mV/s扫描速率循环扫描5圈。电沉积后，用二次蒸馏水洗涤此电极，然后再在pH=6.8的PBS溶液中采用循环伏安法在0.3～0.8 V电位区间以50 mV/s速度扫描2次。扫描后，此电极用二次蒸馏水洗涤，即可得到石墨烯/纳米钴修饰电极（Co-GP/CE）。

2.2.3 印迹电极制备 取150.0 mg Bu4NBF4和100.0 mg POP（模板分子）溶于20 mL乙醇溶液中，再加入4 mmol吡咯，充分溶解。以Co-GP/CE为工作电极，采用三电极体系在0～0.8 V电位区间，在上述溶液中以50 mV/s的扫描速率循环扫描9圈。然后将印迹电极浸泡于甲醇-乙酸 （4∶1， V/V） 溶液中20 min，洗脱印迹膜中POP模板分子，即可得到印迹电化学传感器（MIP/Co-GP/CE）。

2.2.4 电化学检测 以修饰碳电极为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用三电极体系，在K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6-磷酸盐缓冲液（pH=6.8）中进行电化学行为表征。首先将制备的印迹电极分别浸泡在样品溶液10 min，然后在0.3～0.8 V电位区间内，采用差分脉冲伏安法以50 mV/s的速度扫描。每次检测后，电极浸泡于甲醇-乙酸 （4∶1， V/V） 溶液中20 min，洗脱印迹膜中POP模板分子。所有电化学检测均在室温下进行。

3 结果与讨论

3.1 POP印迹电化学传感器的制备及其电化学表征

石墨烯因其优异特性已在电化学等领域得到广泛研究和应用，但是大多数都采用涂覆法将石墨烯修饰在电极表面，这样的石墨烯修饰电极稳定性较差，重现性不好。静电吸附沉积法作为新的石墨烯修饰技术，因可将带负电荷的氧化石墨烯修饰到电极表面备受关注[13～15]。本研究先将氧化石墨烯与醋酸钴分散在碳酸盐缓冲液中， 形成稳定的分散液，然后采用电沉积技术使氧化石墨烯和Co2+一步电化学沉积至碳电极表面，从而制备出石墨烯/纳米钴修饰电极（Co-GP/CE）。endprint

在印迹电化学传感器常用的制备方法中， 以电聚合方法制备最简单，聚合膜容易在电极表面生成并稳定附着。本研究采用电聚合方法，以4.0 mmol吡咯为单体，100.0 mg POP为模板分子，Co-GP/CE为工作电极，在0～0.8 V电位区间以50 mV/s扫速进行循环伏安扫描9圈，结果见图1。随着扫描圈数逐渐增加，电流逐渐减小，这是因为POP分子与吡咯分子共沉积到电极表面，产生的吡咯聚合物将POP模板分子包覆。由于POP不具有电化学活性，从而降低了聚吡咯膜的电活性。循环扫描9圈后，电流趋于稳定，这表明电极表面已经完全被印迹膜包覆。将此印迹电极在甲醇-乙酸 （4∶1， V/V）中浸泡20 min，即可洗脱印迹膜中的模板分子POP。

将各修饰电极浸入5.0×103 mol/L K3Fe（CN）6-K4Fe（CN）6-磷酸盐缓冲液（pH=6.8）中，采用循环伏安法进行表征（图2）。与裸电极峰电流（图2a）相比，石墨烯修饰电极的电流（图2b）明显增大，这是因为石墨烯增强了电极的导电能力。石墨烯/纳米钴修饰电极的峰电流（图2c）明显高于石墨烯修饰电极的峰电流，表明钴纳米颗粒可进一步提高电极的导电能力，能够有效提高K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6分子的转移速率。图2d是未洗脱POP的印迹电极的循环伏安图，其峰电流最小；当POP洗脱后，该印迹电极的峰电流（图2e）明显增强，这是因为洗脱后形成了印迹孔穴，可以使K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6分子自由通过的孔穴。

3.2 溶液pH值及孵化时间对印迹电化学传感器的性能影响

配制一系列的磷酸盐缓冲液，考察pH值对此印迹电化学传感器的影响。由于POP不溶于水，先将的磷酸盐缓冲液中的差分脉冲伏安电化学行为。如图3A所示，随着溶液pH值从6.2增加到7.4时，印迹电化学传感器的峰电流逐渐减小，在pH=7.4的磷酸盐缓冲液中，此印迹电化学传感器的峰电流最小。当溶液的pH值从7.4增加到8.5时，峰电流快速增加。在pH 7.4时，由于氢键作用，此印迹电化学传感器结合较多的模板分子，印迹电化学传感器表现出最小的峰电流。因此本实验应选择pH=7.4的PBS溶液作为检测POP的背景溶液。

为了探讨最佳孵化时间，提高印迹电极对POP的响应灵敏度，将印迹修饰电极浸泡在1.0 × 10 10 mol/L POP溶液中分别孵化2，3，5，8，10，14和20 min，然后再检测其电化学性能（图3B）。当孵化时间达到10 min时，印迹电极的响应峰电流逐渐减小且趋于稳定，这表明此印迹电极吸附达到最大，因此印迹电极最佳孵化时间确定为10 min。

3.3 印迹电化学传感器的响应校准曲线

采用差分脉冲伏安法考察印迹电极在浓度分别为1.0 × 10 7， 1.0 × 10 8， 1.0 × 10 9， 1.0 × 10 10， 1.0 × 10 11， 1.0 × 10 12和1.0 × 10 13 mol/L的POP乙醇溶液中的电化学响应性能。以5.0 × 10 3 mol/L的3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6为探针，采用DPV法，在0.3～0.8 V电位区间进行电位扫描，检测结果见图4A。随着POP浓度增加，其峰电流逐渐降低，这是由于POP没有电化学活性，随着浓度增加，不导电的POP占据的印迹孔穴多，阻碍了K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6穿透到石墨烯/纳米钴修饰电极表面，7， 1.0 × 10 8， 1.0 × 10 10， 1.0 × 10 11， 1.0 × 1012 and 1.0 × 10 13 mol/L， respectively）； inset： the calibration curve

导致响应峰电流随着POP浓度的增加而降低。在1.0 × 10 13～1.0 × 10 7 mol/L范围内，以响应电流为印迹传感器对空白溶液的响应峰电流与待测POP溶液的响应峰电流差值）为纵坐标，浓度的负对数（

pop）为横坐标，建立标准曲线，结果见图4插图，峰电流与其浓度的负对数呈良好的线性关系，其线性方程为：

R（mA）=0.091+1.28lgC（mol/L）（R2=0.987）。当信噪比S/N=3时，可计算出该印迹电化学传感器对POP的检出限为3.71014 mol/L。

3.4 印迹电化学传感器的选择性、稳定性和重现性

本实验选择3种与对特辛基苯酚结构相似物壬基酚、双酚A和四溴双酚A为竞争物，探讨此石墨烯/纳米钴修饰对特辛基苯酚印迹传感器的选择性。在含1.0×1010 mol/L POP或加入1.0×10 9 mol/L的各干扰物的5.0×10 3 mol/L K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6的磷酸盐缓冲液（pH=7.4）中，以POP印迹电极为工作电极进行差分脉冲伏安检测，结果如图5所示。添加各干扰物的响应电流（

IR）较只有POP的值均有增加，且加有干扰物壬基酚的IR增加最为明显，而其它两种扰物的

R增加值很小，这是因为壬基酚和对特辛基苯酚的化学结构很相似，从而导致壬基酚和对特

重现性和稳定性是印迹电化学传感器的重要性质。采用DPV探讨8根相同方法制作的印迹电极对5.0 10 mol/L K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6的磷酸盐缓冲液（pH=7.4）中1.0×1010 mol/L POP的电化学行为，每根电极检测5次，取平均值，得出8根印迹电极的响应峰电流的相对标准偏差（RSD）为3.8%，表明此方法制备的印迹电化学传感器具有良好的重现性。将3根采用相同方法制备的印迹传感器在4℃下保存一个月后，其对1.0×10

10 mol/L POP的响应电流为原来的98.5%，没有明显减小，表明此印迹传感器较好的稳定性。endprint

3.5 应用

将此印迹电化学传感器用于检测自来水、湖水和饮料样品中对特辛基苯酚（POP）的含量。选用红茶，饮料，矿泉水、吉首大学风雨湖的湖水和实验室的自来水作为检测样品。将这些水样采用微孔滤膜过滤，置于冰箱中保存备用。根据需要，添加标准溶液配制不同浓度的POP加标溶液。然后将每个样品溶液平行检测5次，取其平均值，计算回收率。由表1可见，此印迹传感器对POP的检测具有良好的灵敏度和选择性能，回收率达92.4%～102.0%。

4 结 论

本研究结合电沉积技术，在一步电沉积石墨烯/纳米钴颗粒修饰电极表面成功制备出对于对特辛基苯酚具有高选择性和高灵敏度的印迹电化学传感器。电极表面修饰的钴纳米和石墨烯能有效增大传感器表面积和导电能力，提高了对目标物的电化学响应性能，检出限达3.7 × 10

14 mol/L （S/N=3）。此传感器成功用于自来水、湖水和饮料样品中对特辛基苯酚的含量检测，回收率达92.4%～102.0%。

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