CN102338766A - 一种用于双酚a检测的电化学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于双酚A检测的电化学传感器，属于电化学分析检测技术领域。本发明还公开了该电化学传感器的制备方法以及在实样中检测双酚A的应用。本发明将-环糊精接枝到碳纳米管表面，可以很容易将其分散在二次蒸馏水中，将该分散液滴加在玻碳电极上，蒸干溶剂即得到敏感膜与玻碳电极构建的电化学传感器。该电化学传感器测定双酚A灵敏度高，稳定性好，检测低限达到1×10-9mol/L。

Description

一种用于双酚A检测的电化学传感器

技术领域

本发明涉及一种检测双酚A的电化学传感器及其制备方法和应用。

背景技术

双酚A(Bisphenol A，BPA)是一种酚类环境雌激素，是生产聚碳酸酯(PC)及环氧树脂(EP)的主要原料。人群暴露剂量的双酚A会对机体产生一定的影响，主要包括生殖系统、胚胎发育、中枢神经系统、肿瘤的发生等，即使痕量浓度的双酚A对人类生殖及后代生存能力也有负面影响。英国的一项研究(The Journal of the American Medical Association，2008，300：1303)显示，广泛存在于塑料制品包括婴儿奶瓶中的双酚A与糖尿病、心脏病发病率升高相关；美国国家环保局早已把双酚A作为重点列入优先控制污染物的黑名单中。因此，建立一种快速、灵敏、简便的双酚A检测方法意义重大。

双酚A的检测方法主要有色谱法、色质联用法、光谱法、极谱法、ELISA(酶联免疫吸附测定)法等，这些测试方法都需要昂贵的仪器且操作过程复杂。由于电化学方法具有灵敏度高、检测速度快、操作简便和成本低廉等特点，目前已有修饰电极用于双酚A检测，如多壁碳纳米管/金纳米粒子共修饰电极所构建的电化学传感器等。然而此类传感器依然存在稳定性较差、灵敏度不高等缺点，因此提高稳定性及灵敏度是研制新型电化学传感器关键之所在。

碳纳米管由于具有优良的导电性及电化学催化活性，而且碳纳米管奇异的电子特性和高的比表面积使得碳纳米管在电极反应中能够促进电子的转移，碳纳米管修饰的电极在生物化学方面已得到应用。但是碳纳米管性质非常稳定，不溶于水及其它有机溶剂，将其直接用于电化学传感器制备很困难。近期，人们先采用表面活性剂、聚合物辅助分散碳纳米管，而后用来修饰电极构建电化学传感器。然而，表面活性剂引入会影响电极的电化学行为，聚合物膜会阻碍底物在电极表面扩散，影响电化学传感器的检测效果。

β-环糊精(β-CD)内部空腔具有疏水性，腔外羟基具有亲水性。β-环糊精这种特殊的分子空洞结构能使许多分子进入其空腔，形成主-客体包结物。这一特性用于电极修饰，可以选择性富集分析底物，提高电化学传感器的选择性和灵敏度。但是直接用β-环糊精修饰电极时，会降低电极的导电性；同时会阻碍分析底物在电极表面扩散，导致电极界面阻抗大幅度增加。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种检测双酚A的电化学传感器；具有选择性高、灵敏度高、重现性好、稳定性好、成本低廉、操作简便等优点，并能长期保存。

本发明的另一目的旨在提供上述电化学传感器简单实用的制备方法及在检测双酚A中应用。

本发明为了克服单一碳纳米管或β-环糊精在修饰电极上的不足，将β-环糊精接枝到碳纳米管表面得到碳纳米管/β-环糊精复合物。

本发明的技术方案是：用于检测双酚A的电化学传感器，包括玻碳电极，玻碳电极表面吸附修饰有有由碳纳米管表面接枝β-环糊精构成复合物敏感膜。

碳纳米管表面接枝β-环糊精的接枝基团为-CONH(CH₂)₆NH-。

本发明优选的技术方案是：β-环糊精在碳纳米管上的接枝量为0.001-0.09mmol/g。

本发明的方案所具有的优势在于：

①碳纳米管聚集体可以被剥离成单根或小束，有效扩大了碳纳米管电催化面积；

②与物理吸附方法相比，本发明的复合物敏感膜可以控制β-环糊精接枝量，因而可以大幅度降低电极界面阻抗，加快电子传递过程；

③碳纳米管表面接枝的β-环糊精对分析底物具有选择性富集作用。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明通过大量的实验与研究所得到的电化学传感器，克服了单一碳纳米管或β-环糊精修饰电极的不足，将β-环糊精共价接枝到碳纳米管表面得到碳纳米管/β-环糊精复合物，用碳纳米管/β-环糊精复合物在二次蒸馏水中的分散液修饰电极得到新型电化学传感器，该传感器可以用来检测双酚A，检测灵敏度较高，达到1nmol/L。技术方案如下：

该敏感膜的制备方法是：将碳纳米管/β-环糊精复合物(即碳纳米管表面接枝β-环糊精复合物)加入到二次蒸馏水中，经超声分散得到其稳定分散液，将分散液滴加在玻碳电极上，溶剂挥发后即得敏感膜。

碳纳米管/β-环糊精复合物的制备方法是：先氧化碳纳米管，碳纳米管表面产生的羧基进一步转化为酰氯，然后与单-(6-己二胺基)-β-环糊精反应，在碳纳米管表面接枝β-环糊精，得到该电化学传感器的修饰材料。

所述的氧化是通过向碳纳米管中加入混酸、硝酸或双氧水进行氧化反应。

所述的混酸优选98％硫酸和65％硝酸按体积比3∶1混合。

上述碳纳米管/β-环糊精复合物中单-(6-己二胺基)-β-环糊精的制备方法是：在单-(6-对甲苯磺酰基)-β-环糊精的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中加入过量己二胺反应，反应完成后用丙酮沉降，沉降物用水-甲醇溶解，再用丙酮沉降，重复4-6次后经真空干燥即得单-(6-己二胺基)-β-环糊精。

上述单-(6-己二胺基)-β-环糊精的制法中，水与甲醇的最佳体积比为3∶1。

上述敏感膜的制法中，β-环糊精在碳纳米管上的接枝量在0.001-0.09mmol/g范围内。

上述敏感膜的制法中，碳纳米管/β-环糊精复合物水分散液的浓度为0.0005-0.005mg/L，单次修饰电极分散液的用量为2-20L。

本发明的碳纳米管/β-环糊精复合物制备反应式如下：

由结构式可以看出，β-环糊精与单壁碳纳米管以共价键结合，使其分散性得到大幅度提高。β-环糊精分子的空腔为疏水的，β-环糊精可以与其空腔内径相匹配的化合物形成包合物，是分子大小决定着渗入环糊精腔内客体分子的种类。该电化学传感器结合了单壁碳纳米管促进电极反应中电子传递的催化特性及β-环糊精的选择性富集作用，使其灵敏度更高。

本发明制备所述的用于双酚A检测的电化学传感器的最佳制备方案包括以下步骤：

(1)将单壁碳纳米管置于混酸(98％硫酸∶65％硝酸＝3∶1，体积比)溶液中于20℃氧化20h，然后水洗至中性并烘干，取氧化碳纳米管加入过量二氯亚砜回流24h后，减压蒸干二氯亚砜得到表面具有酰氯基团的单壁碳纳米管。

(2)制备单-(6-己二胺基)-β-环糊精：在单-(6-对甲苯磺酰基)-β-环糊精的DMF溶液中加入过量己二胺于75℃反应4h，用丙酮沉降，沉降物用水-甲醇溶解，再用丙酮沉降，重复5次后经50℃真空干燥72h即得到单-(6-己二胺基)-β-环糊精。

(3)将步骤(1)和(2)得到的酰氯化单壁碳纳米管和单-(6-己二胺基)-β-环糊精溶于DMF中，超声分散后在60℃搅拌反应72h。反应停止后过滤，所得产物反复用去离子水洗涤，真空干燥后即得单-(6-己二胺基)-β-环糊精修饰的单壁碳纳米管，即碳纳米管/β-环糊精复合物。

(4)将步骤(3)中得到的碳纳米管/β-环糊精复合物加入到二次蒸馏水中，然后用超声分散方法使其充分分散，得到稳定分散液，其中碳纳米管/β-环糊精复合物的浓度为0.0005-0.005mg/L。

(5)将步骤(4)中所述分散液滴涂于玻碳电极表面，溶剂挥发后得到覆有敏感膜的电化学传感器。

上述制备方法中，步骤(3)中β-环糊精在单壁碳纳米管表面的接枝量在0.001-0.09mmol/g范围内。

本发明的碳纳米管为单壁碳纳米管，由深圳纳米港技术有限公司制备，其性能参数为：纯度＞95％，直径为0.4-2nm，长度为10-20μm。

碳纳米管/β-环糊精复合物修饰玻碳电极的方法：

准确称取碳纳米管/β-环糊精复合物2mg，加入2mL二次蒸馏水，超声分散10min，得到稳定的碳纳米管/β-环糊精复合物分散液。将玻碳电极(GCE)依次用1.0、0.3μm的Al₂O₃浆抛光至镜面，每次抛光后先洗去表面污物，再移入超声水浴中清洗，每次2-3min，重复三次，最后依次用体积比1∶1乙醇溶液、1∶1HNO₃溶液、二次蒸馏水超声清洗，烘干。用移液枪移取一定量上述分散液滴加在玻碳电极表面，溶剂挥发即可。

上述敏感膜的制备方法中，分散液的滴加量为2-20μL；超声分散法中，超声频率为50kHz，温度为25℃。

本发明上述技术方案中碳纳米管特别优选单壁碳纳米管。

本发明还提供上述技术方案得到的的电化学传感器用于检测双酚A。

图2是不同传感器在电化学探针铁氰化钾溶液中的循环伏安曲线，由图可见经过修饰后电极性能得到很大改善。

本碳纳米管/β-环糊精复合物修饰的电化学传感器可用于检测塑料制品中双酚A含量。本发明将碳纳米管的电化学催化性能和β-环糊精对双酚A的包结富集作用有机结合起来，实现了对双酚A的高灵敏度检测。测定双酚A的最优化条件：测定介质为磷酸缓冲溶液(pH＝8.0)；富集电位-0.2V；富集时间150s；扫描速度100mV s^-1。测定方法：1.循环伏安法，测定参数：电位扫描范围0.3-0.9V，扫描速度100mV s^-1。2.计时电流法，测定参数：工作电位0.54V。

图3是不同电化学传感器在含双酚A的磷酸缓冲溶液中的循环伏安曲线，A为碳纳米管/β-环糊精复合物修饰电极在含有双酚A的磷酸缓冲溶液中的循环伏安曲线，B为裸玻电极在含双酚A的磷酸缓冲溶液中的循环伏安曲线。由图可知，在裸玻电极上未发现明显的氧化峰，但是在碳纳米管/β-环糊精复合物修饰电极上-0.2V电压下富集150s后出现了显著氧化峰，由此表明，单壁碳纳米管具有促进电极反应中电子传递的催化特性，使得吸附在电极表面的双酚A与电极的电子交换速率加快，而且由于β-环糊精的疏水空腔对双酚A的选择性富集作用，使双酚A在该电化学传感器上能产生灵敏的电化学响应。

本发明的电化学传感器克服了单一用碳纳米管或β-环糊精修饰电极时存在的不足，所得到的电化学传感器具有选择性高、灵敏度高、重现性好、稳定性好、成本低廉、操作简便等优点，并能长期保存(稳定存放时间达14天)。

附图说明

图1为本发明电化学传感器的结构示意图；其中，1、玻碳电极的基底，2、敏感膜，3、电极引线，4、绝缘层。该电化学传感器是在玻碳电极的基底上吸附修饰有由碳纳米管表面接枝β-环糊精构成的复合物敏感膜，基底外部连有绝缘层，电极引线从基底处引出。

图2为本发明的修饰电极与裸玻电极在铁氰化钾溶液中的循环伏安曲线。

图3为本发明的不同电极在含双酚A的缓冲溶液中的循环伏安曲线。

图4为本发明的电化学传感器在加入相同浓度的双酚A时在不同pH值下的氧化峰电流大小的比较。由图可知，在pH＝8.0时峰电流达到最大值，所以选择8.0作为双酚A检测的最佳pH条件。

图5为本发明的电化学传感器在加入相同浓度的双酚A时在不同扫速下的循环伏安曲线及其线性关系。扫速在20-400mV/s范围内变化时，电流(I)随着扫速的增加呈线性上升，当扫速过高时，背景电流增大，峰形变宽，故选择测试最佳扫速为100mV/s。

图6为本发明的电化学传感器在检测双酚A时得到的氧化峰电流与浓度的线性关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐述。以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

实施例1

本发明的电化学传感器包括玻碳电极，在玻碳基底上涂覆有敏感膜。

本发明的电化学传感器的制备方法如下：

(1)制备单-(6-己二胺基)-β-环糊精：在5g单-(6-对甲苯磺酰基)-β-环糊精中加入10g己二胺和30mL精制的DMF于75℃下反应4h，用丙酮沉降，沉降物用10mL水-甲醇(体积比3∶1)溶解，再沉降-溶解，重复5次后经50℃真空干燥72h即得到单-(6-己二胺基)-β-环糊精。

(2)将200mg干燥的单壁碳纳米管放置于100mL圆底烧瓶内，缓慢加入20mL混酸(98％的浓硫酸和65％的浓硝酸，体积比为3∶1)溶液，超声分散30min后转移到20℃油浴中恒温反应20h，然后用二次蒸馏水洗至中性并干燥。取20mg氧化的碳纳米管加入15mL氯化亚砜，20℃下超声分散30min。在反应温度为65℃回流反应24h后，减压蒸馏，除去过量的氯化亚砜，得到酰氯化的单壁碳纳米管。向上述反应体系中继续加入60mL精制的DMF和5.0g单-(6-己二胺基)-β-环糊精，超声分散后在60℃搅拌反应72h。停止反应后用0.2μm的聚四氟乙烯膜过滤，所得到产物反复用去离子水洗涤，真空干燥后得到表面接枝有单-(6-己二胺基)-β-环糊精的单壁碳纳米管，即碳纳米管/β-环糊精复合物。

(3)将2mg(2)中所制得的碳纳米管/β-环糊精复合物溶于2mL二次蒸馏水中，然后用超声分散的方法使其充分分散，得到碳纳米管/β-环糊精复合物分散液，该水分散液的浓度为0.001mg/L；

(4)取10μL(3)中所述分散液滴加到玻碳电极表面，溶剂挥发后得到覆有敏感膜的电化学传感器。

电化学测定在室温(25℃)下进行。该修饰电极先在10mL磷酸盐缓冲溶液(PBS，0.1mol/L，pH＝8.0)中通过循环伏安扫描10圈(电位扫描区间为0.1-0.9V)，直至循环伏安曲线稳定，然后加入一定量的双酚A溶液，在-0.2V处富集，在搅拌的情况下富集150s，富集完毕后溶液静止10s，在0.30-0.90V区间内用循环伏安法记录响应信号。每次测定完毕后，为了除去附着在电极表面的电化学反应产物，将电极放入空白底液中以100mV/s的扫描速度在0.1-0.90V区间内循环伏安法扫描10次，以除去电极吸附物便于进行连续测定。

用实施例1所得的电化学传感器对10^-8mol/L的双酚A进行检测，氧化峰电流为1.5μA

用本电化学传感器检测实样中双酚A含量，检测结果表明本电化学传感器对双酚A响应灵敏，应用前景广阔。

实施例2

将1mg所制得的碳纳米管/β-环糊精复合物溶于2mL二次蒸馏水中，然后用超声分散的方法使其充分分散，得到碳纳米管/β-环糊精复合物分散液，该水分散液的浓度为0.0005mg/L；

取20μL碳纳米管/β-环糊精复合物分散液滴加到玻碳电极表面，溶剂挥发后得到覆有敏感膜的电化学传感器。

用本实施例所得的电化学传感器对10^-8mol/L的双酚A进行检测，其氧化峰电流与实施例1相近。

实施例3

将10mg所制得的碳纳米管/β-环糊精复合物溶于2mL二次蒸馏水中，然后用超声分散的方法使其充分分散，得到碳纳米管/β-环糊精复合物分散液，该水分散液的浓度为0.005mg/L；

取2μL碳纳米管/β-环糊精复合物分散液滴加到玻碳电极表面，溶剂挥发后得到覆有敏感膜的电化学传感器。

用本电化学传感器对10^-8mol/L的双酚A进行检测，其氧化峰电流与实施例1相近。

实施例4

将200mg干燥的多壁碳纳米管放置于100mL圆底烧瓶内，缓慢加入20mL混酸(98％的浓硫酸和65％的浓硝酸，体积比为3∶1)溶液，超声分散30min后转移到20℃油浴中恒温反应20h，然后用二次蒸馏水洗至中性并干燥。取20mg氧化的碳纳米管加入15mL氯化亚砜，20℃下超声分散30min。在反应温度为65℃回流反应24h后，减压蒸馏，除去过量的氯化亚砜，得到酰氯化的多壁碳纳米管。向上述反应体系中继续加入60mL精制的DMF和5.0g单-(6-己二胺基)-β-环糊精，超声分散后在60℃搅拌反应72h。停止反应后用0.2μm的聚四氟乙烯膜过滤，所得到产物反复用去离子水洗涤，真空干燥后得到表面接枝有单-(6-己二胺基)-β-环糊精的多壁碳纳米管。取2mg分散到2mL超纯水中，取10μL修饰电极后，对10^-8mol/L的双酚A进行检测，氧化峰电流明显减小。

实施例5

取80mg的单壁碳纳米管在50mL 2.6mol/L的HNO₃中回流48h，抽滤后用超纯水洗至中性并干燥，取20mg氧化的碳纳米管加入15mL氯化亚砜，20℃下超声分散30min。在反应温度为65℃回流反应24h后，减压蒸馏，除去过量的氯化亚砜，得到酰氯化的单壁碳纳米管。向上述反应体系中继续加入60mL精制的DMF和5.0g实施例1中得到的单-(6-己二胺基)-β-环糊精，超声分散后在60℃搅拌反应72h。停止反应后用0.2μm的聚四氟乙烯膜过滤，所得到产物反复用去离子水洗涤，真空干燥后得到表面接枝有单-(6-己二胺基)-β-环糊精的单壁碳纳米管，取2mg分散到2mL超纯水中，取10μL修饰电极后，对10^-8mol/L的双酚A进行检测，氧化峰电流明显减小。

实施例6

取300mg的单壁碳纳米管在25mL氨水(25wt％)和H₂O₂(30wt％)的混合物中80℃下回流5h，抽滤后用超纯水洗至中性并干燥，取20mg氧化的碳纳米管加入15mL氯化亚砜，20℃下超声分散30min。在反应温度为65℃回流反应24h后，减压蒸馏，除去过量的氯化亚砜，得到酰氯化的单壁碳纳米管。向上述反应体系中继续加入60mL精制的DMF和5.0g实施例1中得到的单-(6-己二胺基)-β-环糊精，超声分散后在60℃搅拌反应72h。停止反应后用0.2μm的聚四氟乙烯膜过滤，所得到产物反复用去离子水洗涤，真空干燥后得到表面接枝有单-(6-己二胺基)-β-环糊精的单壁碳纳米管，取2mg分散到2mL超纯水中，取10μL修饰电极后，对10^-8mol/L的双酚A进行检测，氧化峰电流明显减小。

实施例7

制备单-(6-乙二胺基)-β-环糊精：在5g单-(6-对甲苯磺酰基)-β-环糊精中加入10g乙二胺和30mL精制的DMF于75℃下反应4h，用丙酮沉降，沉降物用10mL水溶解，再沉降-溶解，重复5次后经50℃真空干燥72h即得到单-(6-乙二胺基)-β-环糊精。

将实施例1中得到的酰氯化的单壁碳纳米管中加入60mL精制的DMF和5.0g单-(6-乙二胺基)-β-环糊精，超声分散后在60℃搅拌反应72h。停止反应后用0.2μm的聚四氟乙烯膜过滤，所得到产物反复用去离子水洗涤，真空干燥后得到表面接枝有单-(6-乙二胺基)-β-环糊精的单壁碳纳米管，取2mg分散到2mL超纯水中，取10μL修饰电极后，对10^-8mol/L的双酚A进行检测，氧化峰电流明显减小。

Claims (10)

1.一种用于检测双酚A的电化学传感器，包括玻碳电极，其特征在于：玻碳电极表面吸附修饰有由碳纳米管表面接枝β-环糊精构成的复合物敏感膜。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测双酚A的电化学传感器，其特征在于：碳纳米管表面接枝β-环糊精的接枝基团为-CONH(CH₂)₆NH-。

3.根据权利要求1所述的一种用于检测双酚A的电化学传感器，其特征在于：β-环糊精在碳纳米管上的接枝量为0.001-0.09mmol/g。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的电化学传感器，其特征在于：所述的碳纳米管为单壁碳纳米管。

5.权利要求1所述的一种用于检测双酚A的电化学传感器的制备方法，其特征在于：将碳纳米管表面接枝β-环糊精复合物加入到二次蒸馏水中，经超声分散得到其稳定分散液，将分散液滴加在玻碳电极上，溶剂挥发后即得到敏感膜；所述复合物的制备是：先氧化碳纳米管，碳纳米管表面产生的羧基经酰氯化后与单-(6-己二胺基)-β-环糊精反应，得到表面接枝了β-环糊精的碳纳米管。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的氧化是通过向碳纳米管中加入混酸、硝酸或双氧水反应；所述的碳纳米管单壁碳纳米管。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述单-(6-己二胺基)-β-环糊精的制备是：在溶有单-(6-对甲苯磺酰基)-β-环糊精的N，N-二甲基甲酰胺溶液中加入过量己二胺反应，反应完成后用丙酮沉降，沉降物用水-甲醇溶解，再用丙酮沉降，重复4-6次后经真空干燥即得。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：β-环糊精在碳纳米管上的接枝量在0.001-0.09mmol/g范围内。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是：敏感膜的制备中，复合物水分散液的浓度为0.0005-0.005mg/L，分散液在玻碳电极表面的滴加量为2-20μL。

10.权利要求1-9所制得的电化学传感器在实样中检测双酚A含量。

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