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尿中双酚A的膜修饰电极电化学法测定

2023-10-14 116 上传者：管理员

摘要：在实验室快速制备出新型纳米复合材料氢氧化铝/十六烷基三甲基溴化铵/活性炭[(Al(OH)3/CTAB/AC],并利用材料修饰电极建立差分脉冲伏安法(DPV)测定尿中双酚A的方法。方法利用离子表面活性剂的微乳体系一锅法制成Al(OH)3/CTAB/AC纳米复合材料，通过X射线衍射(XRD)、远红外光谱(FI-IR)和扫描电镜(SEM)技术对其形貌进行表征，再将材料滴涂于预先处理好的玻碳电极(GCE)上并研究双酚A在此修饰电极上的电化学行为，最后建立差分脉冲伏安法(DPV)快速检测尿中双酚A的方法。结果在最佳条件下，Al(OH)3/CTAB/AC/GCE表现出优异的电催化活性，双酚A的氧化峰电流与其浓度在1.0 nmol/L～55.0 nmol/L内成良好的线性关系(r2=0.996),检出限为0.2 nmol/L(S/N=3)。其用于检测尿样中双酚A的回收率为102.5%～103.8%。经验证，利用Al(OH)3/CTAB/AC/GCE测定尿中双酚A的方法具有良好的稳定性、选择性和重现性。结论与高效液相方法相比，此方法具有灵敏度极高、检测速度快、试剂简单环保的优点，可以推广用于大量尿液样品中双酚A的检测。

关键词：
内分泌干扰物
双酚A
差分脉冲伏安法
纳米材料
膜修饰电极
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双酚A(bisphenol A, BPA)是一种重要的内分泌干扰物，受到广泛重视。它能够通过扰乱内分泌系统，影响人体免疫功能，从而引发多种疾病，包括生殖功能障碍、肥胖、糖尿病和癌症[1],特别影响儿童的健康。BPA常用于制造以聚碳酸酯、环氧树脂为原材料的塑料制品，所以BPA可能大量存在于制造聚碳酸酯和环氧树脂的工人体内，同时也可能存在于矿泉水瓶、医疗器械及食品包装材料中，并通过溶解于液体而发生迁移污染，对人和环境造成严重危害[2]。但是，目前测定人生物样本中的BPA含量还存在一定困难，往往要克服样本量少，含量低等问题[3]。因此，亟待开发出灵敏度高且方便快速测定生物样本中BPA含量的方法。

检测BPA含量常用的分析方法包括紫外可见分光光度法、荧光光度法、液相色谱法、毛细管电泳法、气相色谱/质谱法、高效液相色谱/质谱法等[4]。这些方法虽具良好的灵敏度和选择性，但需要复杂的样品前处理过程或昂贵的大型仪器。电化学传感方法则拥有分析速度快、灵敏度高、仪器简单便携等特点，引起了越来越广泛的关注[5]。石墨烯、碳纳米管、贵金属粒子、量子点等材料已被用作测定BPA的修饰电极材料，但这些材料通常制备步骤复杂，且稳定性要求高[6,7]。本研究首先将植物源活性炭(activated carbon, AC)作为负载材料，制备氢氧化铝/十六烷基三甲基溴化铵/活性炭纳米复合材料[Al(OH)3/CTAB/AC],材料合成方法简单，原料廉价易获取，制备条件温和。将此金属纳米复合材料制备成电化学传感器用于BPA检测，研究Al(OH)3/CTAB/AC修饰电极的电化学活性，探讨了BPA的电化学行为，并成功用于测定尿中BPA含量。

1、材料与方法

1.1仪器与试剂

电化学工作站(CHI660E,中国上海辰华);X射线光电子能谱仪(ESCALab250,美国赛默飞世尔公司);场发射扫描电镜(SU8010,日本日立);红外光谱仪(Spectrum Two,美国珀金埃尔默);超声波清洗机(KQ-50D,中国苏州昆山);电子天平(ME204,瑞士梅特勒)。BPA(99%);十六烷基三甲基溴化铵(99%);偏铝酸钠(99%);萘酚溶液(20%);磷酸盐缓冲溶液(pH=7.2±0.1,0.01 mol/L);无水乙醇；无水甲醇等。所用试剂均为分析纯；实验所用水均为超纯水(美国Millipore公司)。

1.2方法

1.2.1材料制备

首先制备AC,先将花生壳洗净烘干打碎，置于坩埚中用马弗炉通氮气碳化，从25℃升温至200℃,保持30 min;然后500℃保持90 min。碳化产物冷却至室温后用0.1 mol/L盐酸溶液搅拌过夜，最后用纯水洗至pH>6,烘干密封保存。最后，将自制的AC、NaAlO2和CTAB以3:2:3比例在纯水中混合，并用NaOH调节至pH=8后连续超声12 h。最后，将制得的新型纳米材料Al(OH)3/CTAB/AC烘干备用。

1.2.2修饰电极制备

在湿润的绒布上用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6μl Al(OH)3/CTAB/AC复合材料分散液滴加在电极表面，红外灯下烤干，制得Al(OH)3/CTAB/AC/GCE。

1.2.3标准系列配制

准确称取适量BPA标准品，以甲醇溶解并定容，配制成0.01 mmol/L BPA标准储备液，于4℃保存备用。临用前用纯水稀释成0.1μmol/L的标准应用液。

1.2.4仪器条件

采用三电极体系：工作电极为Al(OH)3/CTAB/AC/GCE,饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。使用PBS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434 mV(参比电极为饱和甘汞电极),记录0.2 V～0.8 V间的差分脉冲伏安曲线。

1.2.5校准曲线

将0.1μmol/L的BPA标准应用液，用纯水稀释成1.0 nmol/L、10.0 nmol/L、15.0 nmol/L、30.0 nmol/L、45.0 nmol/L和55.0 nmol/L的标准系列溶液。在25 ml样品杯中各加入10 ml PBS溶液和10 ml标准溶液，搅拌均匀后插入电极检测。

1.2.6样品的采集、保存与测定

本地橡胶生产企业，用聚乙烯尿杯收集工人工作班末尿样50 ml,置4℃冰箱保存，2周内测定。取尿样10.0 ml加入样品杯中，同标准溶液测定操作，经标准曲线校准后得到尿液中BPA浓度。

2、结果

2.1材料表征

图1为纳米材料AC和Al(OH)3/CTAB/AC的X射线衍射(XRD)表征图，结果显示新合成的Al(OH)3/CTAB/AC纳米复合材料是一种单斜晶体的状态，属于P21/n组系，结果与JCPDSNo.33-0018索引[8]一致。通过图谱可知元素铝晶体成功得附载在AC上。通过谢勒方程(Dc=Kk/bcosh)[9],可以估算出晶体直径大约为29.0 nm。

图1 Al(OH)3/CTAB/AC的X射线衍射图

图2为AC和Al(OH)3/CTAB/AC的红外光谱(FT-IR)图，在AC的图谱上1 164 cm-1处出现的是C-O的吸收峰，1 612 cm-1处是对C=O的吸收峰。Al(OH)3/CTAB/AC的图谱显示，在646 cm-1和1 066 cm-1处分别是Al-和Al-O键的振动位置，这证实Al(OH)3成功附载在了AC基体上，而398 cm-1处出现的是C-N的吸收峰，可能由于材料中有CTAB,3 200 cm-1～3 500 cm-1处是-OH的振动位置，而1 417 cm-1处的吸收峰是O-H键的振动。图谱说明具有更多功能团的Al(OH)3/CTAB/AC纳米复合材料制备成功。

图2 Al(OH)3/CTAB/AC的红外光谱图

图3为AC和Al(OH)3/CTAB/AC的扫描电镜(SEM)图，结果显示AC为一种多孔隙结构的材料，但是表面粗糙，孔径大小不一。制得Al(OH)3/CTAB/AC材料表面因为Al元素晶体的填充和覆盖，使得表面更加平整，孔隙大小更加均匀。

图3 Al(OH)3/CTAB/AC的扫描电镜图

2.2 BPA在Al(OH)3/CTAB/AC/GCE上的电化学特性

将裸GCE和Al(OH)3/CTAB/AC/GCE放入含有20 nmol/L BPA混合液的电解池中进行差分脉冲伏安测试，结果如图4所示。BPA的氧化峰在400 mV～500 mV处，表明在这个范围内BPA的氧化峰电位得到了明显的分离，且电流值都得到了明显的增强。这说明Al(OH)3/CTAB/AC/GCE不仅具有良好的催化性能，还有良好的选择性。这可能是由于复合活化后，电极表面引入了含氮和含氧基团，形成分子间氢键，提高了电极性能，使得BPA大量在电极表面被催化氧化，电子传递能力增强[10]。

图4 20 nmol/L BPA在GCE和Al(OH)3/CTAB/ AC/GCE上的DPV图

2.3扫速对BPA检测的影响

在含有20 nmol/L BPA的PBS缓冲溶液中，在0.2 V～0.8 V电位内，探究了扫速对BPA在Al(OH)3/CTAB/AC/GCE上的电化学行为的影响，结果如图5所示，随着扫速的增加，BPA的峰电位正移，峰电流逐渐增大，且峰电流与扫速呈现出良好的线性关系，BPA的峰电流和扫速的线性方程分别为I(A)=0.019υ+0.05 (r2=0.999 5)。可知，BPA在电极表面上的反应均受吸附控制。

图5扫速对BPA在Al(OH)3/CTAB/AC/GCE上电化学效益的影响

2.4电化学法检测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，用电流影响小灵敏度高的差分脉冲伏安法(DPV)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Na2HPO4-柠檬酸缓冲液(pH 2.2～7.0)、硼酸-硼砂缓冲液(pH 7.4～9.0)、磷酸盐缓冲液(pH 6.5～8.0)中的电化学行为[11]。最终选择PBS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0.4 V增加到0.5 V时，峰电流逐渐增加，进一步增大富集电位，峰电流未见增加。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，这可能是由于长时间使电极钝化阻碍了目标物电子转移。此外，实验还探究了不同复合材料修饰量(3μl、5μl、6μl、8μl和10μl) Al(OH)3/CTAB/AC萘酚分散液对BPA检测电流的影响，当修饰量为6μl时，BPA的氧化峰电流值最大，响应灵敏。

2.5线性回归方程、相关系数及检出限

在优化的实验条件下，测定了不同浓度的BPA标准溶液的差分脉冲伏安响应信号，氧化峰电流与BPA浓度在1.0 nmol/L～55.0 nmol/L浓度内呈良好的线性关系：I(A)=0.022 3C+1.655 1(μmol/L)(图6),r2=0.996,检出限为0.2 nmol/L(S/N=3)。与文献报道[12,13,14,15]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，可以满足尿中BPA含量的测定，如表1所示。

2.6干扰实验

为了进一步探究Al(OH)3/CTAB/AC/GCE对BPA的特异性检测，在待测溶液中加入了一些可能对检测产生干扰的物质，并研究了BPA的峰电流的变化。在含有20 nmol/L BPA的PBS尿混合溶液中，分别加入1 mmol/L氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、葡萄糖、抗坏血酸、柠檬酸、对苯二酚和邻苯二酚[16]。结果显示，加入的干扰物对BPA的测定无显著干扰，峰电流变化相对于空白组<±5.4%,表明Al(OH)3/CTAB/AC/GCE有较强的选择性和抗干扰能力。为了考察本方法的重现性，对20 nmol/L BPA标准溶液，重复测定10次，相对标准偏差(RSD)为3.4%(n=10),表明此传感器具有良好的重现性。

2.7方法的精密度和准确度

取混合均匀的尿样，依本法测定尿样本底浓度后，添加BPA标准溶液，使加标量分别为10.0 nmol/L、25.0 nmol/L、50.0 nmol/L,每个浓度测定6次，测得平均浓度见表2,计算加标回收率为102.5%～103.8%。

图6尿中BPA含量测定的线性关系

表1电化学传感器法测定BPA含量方法性能比较

表2精密度(n=6)试验结果

2.8实际样本测定

将此方法实际用于尿样中BPA的分析测定。在10 ml的BPS缓冲液中加入10 ml尿样，然后搅拌60 s,静置5 s,测定DPV曲线。结果在所有尿样中(n=10)均检测出BPA(1.7 nmol/L～20.4 nmol/L),表明此纳米材料修饰传感器能够用于尿中BPA含量测定。

3、结论

制备了铝纳米颗粒均匀负载的Al(OH)3/CTAB/AC复合材料，以BPA为目标物，通过循环伏安法，对修饰电极Al(OH)3/CTAB/AC/GCE进行了研究。实验结果表明，制备的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。综上所述，经Al(OH)3/CTAB/AC纳米复合材料修饰的电化学传感器可用于BPA的高灵敏、快速检测。

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基金资助:杭州市医药卫生科技项目(A20200043,A20220757,A2 0 2 30954);

文章来源:谈思维,叶海朋,邵吉等.尿中双酚A的膜修饰电极电化学法测定[J].中国卫生检验杂志,2023,33(19):2327-2331.