CN103645228A - 检测双酚a的电化学传感器及制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测双酚A的电化学传感器及其制备方法与应用。该电化学传感器，包括玻碳电极；所述玻碳电极的表面由内至外依次为氨基化碳纳米管和聚谷氨酸膜；所述聚谷氨酸膜为由式I所示聚谷氨酸构成的膜。本发明将氨基化碳纳米管分散于有机溶剂中，将该分散液滴加到玻碳电极表面，蒸干溶剂，得到氨基化碳纳米管修饰的玻碳电极。该传感器在谷氨酸溶液中聚合得到聚谷氨酸薄膜和氨基化碳纳米管复合纳米材料修饰的玻碳电极所构筑的电化学传感器。该电化学传感器检测双酚A的灵敏度、稳定性优良，检测低限达0.02μmolL^-1，并可用于实际样品双酚A检测。

Description

检测双酚A的电化学传感器及制备方法与应用

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与应用。

背景技术

作为一种重要的化工原料，双酚A（BPA）在环氧树脂和聚碳酸酯塑料的生产中广泛应用。目前，在婴儿奶瓶、塑料饮料瓶、金属包装食品中已经发现双酚A的痕量存在。双酚A引起人们广泛关注的重要原因是因为其在体内及或体外均表现雌激素性质，成为内分泌干扰素，即使痕量亦会引发各种疾病，比如影响男性、女性的生殖器官发育，导致生殖功能紊乱，引起精子质量的下降、新生儿缺陷（Environmental HealthPerspective2007,115：80）。欧盟认为含双酚A奶瓶会诱发性早熟，从2011年3月2日起，禁止含生产化学物质双酚A(BPA)的婴儿奶瓶（R.B.Juliane,EU to Ban BisphenolA in Baby Bottles in2011,Reuters,2010）；中国卫生部等六部门也于2011年5月30日下达禁令，禁止双酚A用于婴幼儿奶瓶。因此，迫切需要建立一种灵敏度高、快速有效的检测双酚A的方法。

目前已经被实际应用的几种检测BPA的方法有：化学发光免疫分测定法、分子印记聚合物技术、电化学传感器、气相色谱法、液相色谱法及气/液质联用分析法。电化学方法具有检测速度快、方法简便等特点，另外BPA分子中有高电活性的酚羟基基团，因此已有修饰电极用于双酚A的检测的研究，如碳纳米管，量子点和纳米金等材料所构筑地电化学传感器。然而上述电化学传感器仍然存在选择性和稳定性较差、灵敏度不高等缺点，因此提高上述性能是研制新型电化学传感器的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测双酚A的电化学传感器及其制备方法与应用。

本发明提供的电化学传感器，包括玻碳电极；

所述玻碳电极的表面由内至外依次为氨基化碳纳米管和聚谷氨酸膜；

所述聚谷氨酸膜为由式I所示聚谷氨酸构成的膜：

所述式I中，n为1000-15000。

上述电化学传感器中，所述氨基化碳纳米管中，碳纳米管为多壁碳纳米管，是分散状的多层膜；

所述氨基化碳纳米管的厚度为15-150nm；外径为8-15nm；内径为2-4nm；长度为40-60μm，具体为50μm；

聚谷氨酸膜的厚度为1-10nm，具体为5nm；

所述聚谷氨酸膜的表观形态为网状。

聚谷氨酸是一种典型的合成氨基酸聚合物，其结构与生物高聚物模型非常相似，一个谷氨酸的氨基和另一个谷氨酸的羧基连接，形成尺寸可控的聚谷氨酸链，连接在氨基和羧基功能团之间的重复部分以及游离的质子化的羧基很容易沉积在电极表面。利用聚谷氨酸薄膜，可对肼、多巴胺、抗坏血酸及咖啡酸等进行检测。聚谷氨酸以纳米纤维形式存在，在玻碳电极表面呈现聚合网状形貌。这种结构在溶液中易膨胀，有利于与聚合物膜带相反离子的作用，对底物进行富集。提高电化学传感器的选择性和灵敏度。但是直接用聚谷氨酸修饰电极时，会降低电极的导电性。

上述电化学传感器也可为按照下述本发明提供的方法制备而得的产品。

本发明提供的制备上述电化学传感器的方法，包括如下步骤：

将氨基化碳纳米管的有机溶剂分散液滴加到玻碳电极上，所述有机溶剂挥发后得到表面覆盖氨基化碳纳米管的玻碳电极；

2）将步骤1）所得表面覆盖氨基化碳纳米管的玻碳电极于谷氨酸的磷酸盐缓冲溶液中进行电化学聚合3-10圈，得到所述传感器。

上述方法的步骤1）中，有机溶剂分散液中的有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和二氯乙烷中的至少一种；

所述有机溶剂分散液的浓度为0.5g﹒L^-1-2g﹒L^-1，具体为1g﹒L^-1；

所述滴加步骤中，有机溶剂分散液的滴加量为5-20μL，具体为5μL、10μL、20μL、5-10μL或10-20μL。

步骤2）中，磷酸盐缓冲溶液的pH值为6.0-8.0，具体为7.0；浓度为0.01-0.1mol/L；谷氨酸在所述磷酸盐缓冲溶液中的浓度为0.01-0.1mol/L，具体为0.02mol﹒L^-1、0.015mol﹒L^-1、0.1mol﹒L-1、0.015-0.1mol﹒L^-1或0.02-0.1mol﹒L^-1；pH值为6.0-8.0，具体为7.0；

所述电化学聚合步骤中，循环伏安电位扫描范围为-0.8-2V；扫描圈数为3-10圈，具体为3-6圈；循环伏安扫速为3-300mV﹒S^-1，具体为100mV﹒S^-1。

另外，上述本发明提供的电化学传感器在检测双酚A含量中的应用，也属于本发明的保护范围。

本发明克服了单一氨基化碳纳米管或聚谷氨酸修饰电极的不足，在电极上修饰氨化多壁碳纳米管后再聚合谷氨酸薄膜，将两者进行电极表面原位复合得到对双酚A具有复合催化氧化效果的修饰电极。

本发明具有的优势在于：

1）氨基化的碳纳米管分散性较好，有效扩大了碳纳米管的电催化面积；

2）氨基化碳纳米管表面聚合的聚谷氨酸对分析底物具有选择性富集作用。

3）该电化学传感器制备简便，检测灵敏度较高，检测低限达0.02μmolL^-1，可用于实际样品中双酚A测定，重现性好；稳定性好，传感器能在pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液稳定存放1个月。

附图说明

图1是不同的电极进行循环伏安扫描的循环伏安曲线。

图2是不同的电极进行阻抗扫描的阻抗图

图3为氨基化多壁碳纳米管和聚谷氨酸复合纳米材料修饰的玻碳电极分别在不同浓度双酚A溶液中的差分脉冲伏安曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

下述实施例中所用氨基化碳纳米管购自北京德科岛金科技有限公司，厚度为15-150nm，外径为8-15nm，内径为2-4nm，长度为50μm，重量5g，外径8-15nm，-NH₂含量0.45wt%，纯度＞95%（Raman），灰度＜0.5%，比表面积＞233m²/g，EC＞100s/cm；

实施例1

第一步，玻碳电极预处理：

(a)将玻碳电极依次用1.0μm、0.3μm和0.05μm的氧化铝粉末在抛光布上抛光至镜面；

(b)将玻碳电极在二次水中超声清洗两次，每次清洗2-5min，再烘干；

(c)将玻碳电极在0.1mol·L^-1的铁氰化钾溶液中，在-0.4和+0.7V之间进行循环伏安扫描，直到获得典型的循环伏安谱图，得到一个干净的玻碳电极。

第二步，电极表面修饰氨基化碳纳米管：

将氨基化碳纳米管分散于DMF中，超声分散，得到氨基化碳纳米管的DMF分散液，浓度为1g﹒L^-1；

将该分散液10μL滴加到第一步预处理后的干净的玻碳电极上，溶剂DMF挥发后得到表面覆盖氨基化碳纳米管的玻碳电极；

第三步，氨基化纳米管修饰电极表面聚合谷氨酸：

将第二步所得表面覆盖氨基化碳纳米管的玻碳电极于浓度为0.02mol﹒L^-1的谷氨酸的磷酸盐缓冲溶液（磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.1mol/L，pH值为7）中，在-0.8-2V电位进行电化学聚合，扫描圈数为6圈，循环伏安扫速为100mV﹒S^-1，得到本发明提供的电化学传感器。

该电化学传感器包括玻碳电极；在玻碳电极的表面由内至外依次为氨基化的多壁碳纳米管和由式I所示聚谷氨酸（n为1000-15000）构成的网状聚谷氨酸膜；氨基化碳纳米管的厚度为15-150nm；外径为8-15nm；内径为2-4nm；长度为50μm；聚谷氨酸膜的厚度为5nm。

利用该实施例所得电化学传感器进行双酚A含量的检测，具体步骤如下：

将超市小票用分析天平称量5.0000g，剪成小碎片，加入40ml无水乙醇，在50℃的水浴中加热7h，放置浸泡14h，用PBS磷酸盐缓冲溶液（pH值为7.0）定容至50ml，以此为样品，将该实施例所得电化学传感器置于水样中，进行双酚A的富集和检测。

富集方法为计时电流法，富集电位为-0.4V，富集时间为350s；

富集完成后，采用差分脉冲伏安方法进行双酚A的检测，电位范围为0.2-0.8V，扫速为100mV﹒s^-1，测得该水样中双酚A的浓度为2.58μmol﹒L^-1。

最后按照如下操作进行样品加标回收实验：

样品加标回收的定义为：相同的样品取两份，其中一份加入定量的双酚A标准物质；两份溶液用该实施例所得电化学传感器进行分析，加标的一份所得的浓度结果减去未加标一份所得的浓度结果，其浓度差值同加入的标准物质的理论浓度之比即为样品加标回收率。对于其计算方法,给定的理论计算公式如下：

取三份同样超市小票样品溶液，分别加入双酚A标样1.00μmol﹒L^-1，再次进行差分脉冲伏安扫描，双酚A的平均回收率为96%。

图1是按照实施例1条件中不同的电极进行循环伏安扫描的循环伏安曲线，测定介质为磷酸盐缓冲溶液（pH=7.0）含10μmol﹒L^-1双酚A，电位范围扫描为0.2-0.9V，扫速为100mV﹒s^-1。

a曲线为空白电极的循环伏安图。

b曲线为第二步所得表面覆盖氨基化碳纳米管的玻碳电极的循环伏安图。

c曲线为聚谷氨酸修饰电极的循环伏安图。该电极制备过程为：把裸玻碳电极放置于含有0.02mol﹒L^-1谷氨酸的0.1mol﹒L^-1磷酸盐缓冲溶液（pH值7.0）中，在-0.8-2V进行电化学聚合，扫描5圈，扫速100mV﹒S^-1而得。

d曲线为该实施例所得氨基化碳纳米管和聚谷氨酸纳米复合材料修饰而得电化学传感器的循环伏安图。

由图可见，在裸玻碳电极上未发现明显的氧化峰，单独氨基化碳纳米管和单独聚谷氨酸修饰的电极对双酚A氧化具有催化作用，来源于碳纳米管具有促进电极反应中电子传递的催化特性和聚谷氨酸对双酚A的富集作用，是双酚A在单独氨基化碳纳米管和单独聚谷氨酸修饰的电极上产生灵敏的电化学响应。更重要的是，经过复合纳米材料修饰后电极对双酚A的电化学氧化峰电流增大，峰电位降低，表明复合材料对双酚A具有明显的协同催化作用。

图2是电极的阻抗扫描结果，测定介质为含有1.0mmol﹒L^-1K₃Fe(CN)₆的0.1mol﹒L^-1KCl溶液。

a曲线为空白电极的循环伏安图。

b曲线为第二步所得表面覆盖氨基化碳纳米管的阻抗扫描图。

c曲线为按实施例所得氨基化碳纳米管和聚谷氨酸纳米复合材料修饰而得电化学传感器的阻抗扫描图，该电极制备过程同图1。

阻抗图所示的是典型的Nyquist图也就是复平面图，横坐标代表电导组件（电阻电感电容）的总阻抗的实部，纵坐标代表虚部，半圆代表电化学反应（半圆半径大小代表电荷转移电阻），最后的那个直线是容差电阻。由图可见，在裸玻碳电极上，电子转移电阻约为300Ω，当修饰上碳纳米管以后，电子转移电阻显著变小，几乎看不到半圆的存在，这是由于碳纳米管良好的导电性和电子转移能力引起的。当在碳纳米管表面聚合谷氨酸以后，如红线所示，半圆弧度变大，对应的半径也变大，表明碳纳米管表面覆盖了一层导电性差的聚谷氨酸膜，导致K₃Fe(CN)₆在电极表面电子转移电阻变大。

图3为该实施例所得电化学传感器分别在0.1、0.5、1、2、5和10μmol﹒L^-1的双酚A的磷酸盐缓冲溶液中-0.4V富集350s后，扫描所得的差分脉冲伏安曲线。

由图可知，富集后，电化学传感器上双酚A的氧化峰明显增大。关于检测限（limitof detection,LOD）的定义:在样品中能检出的被测组分的最低浓度（量）称为检测限，即产生信号（峰电流）为基线噪音标准差k倍时的样品浓度，一般为信噪比（S/N）3:1时的浓度，计算公式为：

D=3N/S

式中：N——噪音；S——检测器灵敏度；D——检测限

依据该线形曲线所计算的方法，该实施例所得电化学传感器对双酚A的检测限为0.02μmolL^-1。

实施例2

按照实施例1的步骤，仅将第二步所用分散液的用量由10μL替换为5μL；

第三步所用谷氨酸的浓度替换为0.1mol﹒L^-1，扫描圈数由6圈替换为3圈，得到本发明提供的电化学传感器。

该电化学传感器包括玻碳电极；在玻碳电极的表面由内至外依次为氨基化的多壁碳纳米管和由式I所示聚谷氨酸（n为1000-15000）构成的网状聚谷氨酸膜；氨基化碳纳米管的厚度为15-150nm；外径为8-15nm；内径为2-4nm；长度为50μm；聚谷氨酸膜的厚度为5nm。

利用该实施例所得电化学传感器进行双酚A的检测，具体步骤如下：

将PC卡片用二次水洗涤，液氮瓶减压液氮和吹风机吹干，分析天平称量5.0000g，剪成小碎片，加入40ml无水乙醇，在50℃的水浴中加热7h，放置浸泡14h，用PBS磷酸盐缓冲溶液（pH值为7.0）定容至50ml，以此为样品，将该实施例所得电化学传感器置于水样中，进行双酚A的富集和检测。

富集方法为计时电流法，富集电位为-0.4V，富集时间为350s；

富集完成后，采用差分脉冲伏安方法进行双酚A的检测，电位范围为0.2-0.8V，扫速为100mV﹒s^-1；

测得该水样中双酚A的浓度为0.87μmol﹒L^-1。

最后按照如下操作进行样品加标回收实验：取三份同样PC卡片样品溶液，分别加入双酚A标样1.00μmol﹒L^-1，再次进行差分脉冲伏安扫描，双酚A的平均回收率为105%。

实施例3

按照实施例1的步骤，仅将第二步中DMF分散液的浓度替换为0.7g﹒L^-1；

第三步中谷氨酸的磷酸盐缓冲溶液的浓度替换为0.015mol﹒L^-1，扫描圈数替换为10圈，得到本发明提供的的电化学传感器。

该电化学传感器包括玻碳电极；在玻碳电极的表面由内至外依次为氨基化的多壁碳纳米管和由式I所示聚谷氨酸（n为1000-15000）构成的网状聚谷氨酸膜；氨基化碳纳米管的厚度为15-150nm；外径为8-15nm；内径为2-4nm；长度为50μm；聚谷氨酸膜的厚度为5nm。

利用该实施例所得电化学传感器进行双酚A的检测，具体步骤如下：

将罐头包装用二次水洗涤，液氮瓶减压液氮和吹风机吹干，用分析天平称量5.0000g，剪成小碎片，加入40ml无水乙醇，在50℃的水浴中加热7h，放置浸泡14h，用PBS磷酸盐缓冲溶液（pH值为7.0）定容至50ml，以此为样品，将该实施例所得电化学传感器置于水样中，进行双酚A的富集和检测。

富集方法为计时电流法，富集电位为-0.2V，富集时间为200s；

富集完成后，采用差分脉冲伏安技术进行检测，电位范围为0.2-0.8V，扫速为100mV﹒s^-1，测得该水样中双酚A的浓度为0.52μmol﹒L^-1。

最后按照如下操作进行加标回收实验：取三份同样罐头包装样品溶液，分别加入双酚A标样1.00μmol﹒L^-1，再次进行差分脉冲伏安扫描，双酚A的平均回收率为108%。

实施例4：

按照实施例1的步骤，仅将第二步DMF分散液的浓度替换为2g﹒L^-1，用量替换为20μL；

第三步扫描圈数替换为3圈，得到本发明提供的电化学传感器。

该电化学传感器包括玻碳电极；在玻碳电极的表面由内至外依次为氨基化的多壁碳纳米管和由式I所示聚谷氨酸（n为1000-15000）构成的网状聚谷氨酸膜；氨基化碳纳米管的厚度为15-150nm；外径为8-15nm；内径为2-4nm；长度为50μm；聚谷氨酸膜的厚度为5nm。

利用该实施例所得电化学传感器进行双酚A的检测，具体步骤如下：

将PVC食品包装袋用二次水洗涤，液氮瓶减压液氮和吹风机吹干，用分析天平称量5.0000g，剪成小碎片，加入40ml无水乙醇，在50℃的水浴中加热7h，放置浸泡14h，用PBS磷酸盐缓冲溶液（pH值为7.0）定容至50ml，以此为样品，将该实施例所得电化学传感器置于水样中，进行双酚A的富集和检测。

富集方法为计时电流法，富集电位为-0.5V，富集时间为350s；富集完成后，采用差分脉冲伏安技术进行检测，电位范围为0.2-0.8V，扫速为100mV﹒s^-1，测得水样中双酚A的浓度为1.55μmol﹒L^-1。

最后按照如下操作进行加标回收实验：取三份同样PVC食品包装袋样品溶液，，分别加入双酚A标样1.00μmol﹒L^-1，再次进行差分脉冲伏安扫描，双酚A的平均回收率为107%。

Claims (8)

1.一种电化学传感器，包括玻碳电极；

所述玻碳电极的表面由内至外依次为氨基化碳纳米管和聚谷氨酸膜；

所述聚谷氨酸膜为由式I所示聚谷氨酸构成的膜：

所述式I中，n为1000-15000。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述氨基化碳纳米管中，碳纳米管为多壁碳纳米管。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述氨基化碳纳米管的厚度为15-150nm；外径为8-15nm；内径为2-4nm；长度为40-60μm，具体为50μm；

聚谷氨酸膜的厚度为1-10nm，具体为5nm；

所述聚谷氨酸膜的表观形态为网状。

4.根据权利要求1-3任一所述的传感器，其特征在于：所述传感器为按照权利要求5-7任一所述方法制备而得。

5.一种制备权利要求1-3任一所述传感器的方法，包括如下步骤：

1）将氨基化碳纳米管的有机溶剂分散液滴加到玻碳电极上，所述有机溶剂挥发后得到表面覆盖氨基化碳纳米管的玻碳电极；

2）将步骤1）所得表面覆盖氨基化碳纳米管的玻碳电极于谷氨酸的磷酸盐缓冲溶液中进行电化学聚合，得到所述传感器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中，有机溶剂分散液中，有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、DMSO和二氯乙烷中的至少一种；

所述有机溶剂分散液的浓度为0.5g﹒L^-1-2g﹒L^-1，具体为1g﹒L^-1；

所述滴加步骤中，有机溶剂分散液的滴加量为5-20μL。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述步骤2）中，磷酸盐缓冲溶液的pH值为6.0-8.0，具体为7.0；谷氨酸在所述磷酸盐缓冲溶液中的浓度为0.01-0.1mol/L，具体为0.02mol/L；

所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.01-0.1mol/L；

所述电化学聚合步骤中，循环伏安电位扫描范围为-0.8-2V；

扫描圈数为3-10圈，具体为6圈；

循环伏安扫速为3-300mV﹒S^-1，具体为100mV﹒S^-1。

8.权利要求1-4任一所述电化学传感器在检测双酚A含量中的应用。

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