鈷摻雜氮化碳傳感器電化學檢測牛奶中雙酚A

汪美鳳，王 娣，韋啟信*

（1.安慶師范大學 生命科學學院，安徽 安慶 246133；2.安慶師范大學 資源環境學院，安徽 安慶 246133）

雙酚A（Bisphenol A，BPA）即二酚基丙烷，是合成聚碳酸酯和環氧樹脂的重要單體，普遍存在于罐頭食品包裝、飲料瓶和醫用材料中[1]。BPA易水解，可從制品中釋放并由食物鏈進入人體，能夠產生極強的雌激素效應，從而引起人體內分泌系統紊亂，對嬰幼兒發育造成不良影響，甚至有致癌風險[2-3]。因此，快速準確地檢測牛奶中雙酚A的含量對維護食品安全和保障人體健康具有重要意義。

食品中BPA常用的檢測方法有液相色譜法、氣相色譜-質譜法、高效液相色譜-質譜法和酶聯免疫吸附分析法等。但是，這些方法大多需要昂貴的儀器設備，且樣品前處理繁瑣、操作復雜耗時，不適合食品樣品的常規快速分析。近年來，分析快速、成本低、操作簡單的電化學傳感技術受到眾多研究者的關注。目前，碳基納米材料已被廣泛用于提高電化學檢測的傳感性[4]，其中石墨氮化碳（g-C3N4）作為一種SP2共軛體系的碳基半導體材料，其以結構穩定，成本低廉，無毒、易制備等優點而備受學者們關注。

目前，C3N4通常由各種含氮有機單體（如氰胺、三聚氰胺和雙氰胺等）高溫煅燒所制得，但是該方法制備的C3N4晶面結構雜亂，且具有較大的面間距，易出現嚴重的團聚現象，從而導致其存在結晶度差、反應位點少、電化學活性弱、應用潛力不足等客觀問題[5]。為了改善電化學檢測功能材料的塊狀結構并提升反應活性，本文制備了高活性過渡金屬Co摻雜的C3N4復合電極材料，并將其用于巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶中BPA含量的電化學檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶均購自安慶本地超市。主要化學試劑有CoCl2·6H2O分析純、乙醇、PBS緩沖溶、Nafion溶液、三聚氰胺分析純，以及超純水。

1.2 儀器與設備

主要的儀器設備有FA2204 電子天平（0.001 g，上海津平科學儀器有限公司）、SK2-2-10 馬弗爐（上海實嚴電爐廠）、ESCALAB250Xi X-射線光電子能譜儀（美國Thermo公司）、D/MAX2500VL/PC 轉靶X-射線衍射儀（日本理學株式會社）、LabRAM HR Evolution 拉曼光譜（HORIBA Jobin Yvon）、Nicolet IS50 iN10 傅里葉紅外光譜儀（Thermo Fisher）、Regulus 8230 FE-SEM（Hitachi）、JEM-2100F 場發射透射電子顯微鏡（日本電子）、CHI600E 電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）、HJ-1磁力攪拌器（金壇市白塔新寶儀器廠）、HPLC-1100 高效液相色譜儀（安捷倫）和Hypersil-ODS 反相柱（賽默飛）。

1.3 Co-C3N4復合材料的制備

在藍色透明玻璃試劑瓶中加入100.0 mL超純水，稱取0.17 g CoCl2·6H2O倒入藍色透明試劑瓶，在磁力攪拌器上攪拌5.0 min，再加入10.0 g三聚氰胺并攪拌8.0 h，然后將試劑瓶于65.0°C的干燥箱中干燥，直到瓶中物質由紅色變成藍色，烘干后用瑪瑙研缽研磨成粉末狀。取5.0 g 粉末放入氧化鋁坩堝中并將其放入管式爐，通氮氣10 min 以排凈管道中空氣，然后以5.0°C/min 加熱速度升溫至550.0°C，持續4.0 h，待冷卻完畢后取出坩堝，將其中塊狀材料研磨成粉末，并用酒精和超純水清洗3次，烘干備用[6]。

1.4 工作電極制備

玻碳電極（GCE）表面使用1.0 μm和0.05 μm的Al2O3拋光粉進行拋光，然后經無水乙醇和超純水超聲清洗，并自然晾干。取5.0 μL Co-C3N4分散液滴加到GCE 表面上，并室溫干燥2.0 h，然后滴加5.0 μL Nafion溶液，最終得到了Co-C3N4/GCE的修飾電極。

1.5 形貌結構表征

采用高分辨場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）來觀測樣品的形態和微觀結構，并對其表面元素分布進行分析（能譜EDS）；利用轉靶X-射線衍射儀來分析樣品的晶相結構；使用FTIR光譜來表征材料的官能團和化學鍵；使用拉曼光譜來確認Co-C3N4的骨架；通過X-射線光電子能譜研究樣品的元素組分和化學結構。

1.6 純牛奶樣品BPA檢測

1.6.1 樣品預處理

取巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶各5.0 mL，分別加入10.0 mL無水酒精并超聲15.0 min，搖床搖勻10.0 min，再以10 000.0 r/min轉速離心10.0 min后過濾，收集濾液并用pH 7.0的PBS緩沖溶液定容至25 mL。

1.6.2 樣品BPA的檢測

利用上海辰華CHI660E工作站進行電化學檢測實驗。在所構建的三電極體系中，以Co-C3N4/GCE（0.096 cm2）為工作電極，Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對電極，且工作電極與對電極的間距為1.0 cm。測試過程利用線性掃描伏安方法（LSV），對不同牛奶BPA 樣品液進行檢測[7,15]。具體檢測條件：掃描電位0.0～1.0 V，掃速0.025 V/s，采樣間隔0.001 V；電解質均為0.1 mol/L的Na2SO4。

1.6.3 加標回收率檢測

分別往預處理過的純牛奶樣品中加入1.0 μmol/L、10.0 μmol/L、15.0 μmol/L和100.0 μmol/L的BPA標準液，配得不同濃度的BPA標準樣品工作液，對其開展加標回收率檢測實驗[8]。

2 結果與討論

2.1 電極形貌結構特性

電極如SEM圖1（a,b）所示，C3N4呈現塊狀結構，但鈷摻雜的Co-C3N4樣品出現了更多小片狀結構和孔隙，具有更大的比表面積，這是由于塊狀石墨氮化碳層間的堆疊是靠氫鍵連接，而在金屬摻雜過程中片層之間的氫鍵不能承受所施加的化學能從而達到剝離。從TEM圖1（c,d）可以看出，Co-C3N4樣品對電子束顯示出明顯的黑色陰影。與此同時，進行EDS能譜分析以確定其表面組成和元素分布，如圖1（e～h）所示，樣品元素分布均勻，Co-C3N4中Co信號強度為0.14%，氮含量為71.34%，意味著Co-C3N4暴露了很多Co位點，且具有較少氨基。

圖1 Co-C3N4電極形貌特性。（a,b）SEM；TEM（c,d）；（e）C、N、Co的EDS能譜；C(f)，N(g)，Co(h)單獨能譜

C3N4和Co-C3N4的XRD見圖2（a），其中兩者在2θ為13.0°和27.4°時各有兩個衍射峰，分別對應三-s-三嗪單元的層內重復堆積和類石墨材料的層間堆積，為（100）和（002）晶（JCPDS-87-1526）。與C3N4的XRD圖譜相比，摻雜Co后的Co-C3N4沒有顯著變化。此外，隨著C3N4中Co的摻入，（002）的峰強度降低且變得更寬，意味著Co-C3N4的結晶度隨著Co的摻入而降低[9]，并且引入的Co抑制了C3N4的熱聚合。另外，未觀察到其它衍射峰，同時圖1（c,d）的TEM也未觀察到可見顆?；蛎黠@的微晶結構，也說明了Co與C3N4的主體化學配位可能是以Co-N鍵的形式存在，故而進一步證明了Co摻雜成功。

圖2 C3N4和Co-C3N4表征。（a）XRD；（b）Raman；（c,d）FTIR

采用拉曼光譜來確認Co-C3N4骨架，如圖2(b)所示，在Co-C3N4樣品中可以檢測到屬于C3N4的一系列特征峰。其中，在707 cm-1和975 cm-1處的特征峰對應于三-s-三嗪的平面內彎曲和對稱N震動模式，而1 100 cm-1～1 700 cm-1處對應于無序石墨C-N 鍵振動，這表明C3N4基本框架在Co-C3N4中保持良好[10]。同時，使用FTIR 光譜來表征材料的官能團信息，如圖2(c)所示，C3N4和Co-C3N4樣品具有相同的光譜信息，可以證明兩者具有相同的結構信息，意味著其化學結構在Co 摻雜后沒有發生明顯變化。其中，3 000 cm-1～3 500 cm-1處的寬吸收帶可能歸因于未縮合氨基的N-H 鍵和材料吸附的H2O 分子拉伸振動[11]。出現在1 200 cm-1～1 620 cm-1的強吸收峰是C3N4骨架上碳氮雜環的C=N雙鍵、C-N單鍵的伸縮振動所造成，而808 cm-1處對應于三-s-三嗪單元的彎曲模式，同時該處的強吸收帶表明Co摻雜樣品發生了藍移現象，如圖2(d)所示[12]。

通過X-射線光電子能譜分析可知，Co-C3N4中C/N為0.706，低于石墨氮化碳理論值（0.75）。Co-C3N4的C1s光譜有三個峰，見圖3(a)，分別對應于284.8 eV的C-C峰、286.0 eV的C-N峰和288.1 eV的N=C-N峰[13]，其中，288.1 eV處的主峰為C3N4主鏈中存在的sp2碳，而284.8 eV處的小峰則歸屬于吸附在表面或任何sp3石墨化碳上的不定形碳。在N1s光譜圖3(b)中發現，樣品檢測到了3種典型的N形態，具體而言，398.5 eV處的峰歸屬于三嗪環中的sp2雜化氮（C=N-C）[14]，398.8 eV處峰歸屬于叔氮（C-(C)3），以及400.9 eV處峰歸屬于CN骨架中的表面氨基（C-NHx）。如圖3(c)所示，804.2 eV和786.3 eV分別為Co2p1/2和Co2p3/2的Co(II)峰值，另外，Co(II)元素在781.7 eV處以Co-N的形式與N原子配位，也證明了Co摻雜成功。

圖3 Co-C3N4的XPS圖譜。（a）C1s；（b）N1s；（c）Co2p

2.2 純牛奶樣品BPA檢測

為了考察所構建的鈷摻雜氮化碳傳感器電極在食品檢測中的適用性，本文將該電極用于純牛奶BPA檢測，結果如表1所示，在巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶中均未檢出BPA。然后，向牛奶樣品中分別加入1.0 μmol/L、10.0 μmol/L、15.0 μmol/L和100.0 μmol/L的BPA標準品，對兩種預處理過的純牛奶樣品進行加標回收率檢測。結果發現，濃度介于1.0～100.0 μmol/L的BPA加標回收率達到81.86%～98.75%，且相對標準偏差（RSD）僅為3.34%～3.57%。在相同測試環境下，與常規HPLC法相比具有更高的回收率，尤其是在更具實際樣品分析價值的低濃度范圍（0.0～15.0 μmol/L）。特別地，在BPA內標濃度為1.0 μmol/L的兩種牛奶樣品中，電化學檢測回收率高達98.75%，而HPLC則不能進行有效檢測（無任何有效信號，BPA回收率為0.0%）；即使在高BPA濃度樣品中（100.0 μmol/L），EC檢測法依然保持了與HPLC相近的檢測效能。上述結果表明，基于Co-C3N4復合材料的電化學傳感器在BPA檢測中可靠性更高，有效檢測濃度范圍更寬，在低濃度區間亦具有有效的檢測性能。

表1 在EC和HPLC檢測體系中BPA的平均回收率（n=3）

與此同時，由于Co-C3N4電極材料具有較大的比表面積、充足的活性位點和優異的電荷介導，使得BPA的電化學檢測靈敏度更高，在巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶樣品中的BPA檢出限分別達到了3.7 nmol/L和4.3 nmol/L（兩種空白樣品分別連續檢測10次，取S/N=3），意味著由Co-C3N4復合活性材料所構建的電化學傳感器能夠滿足牛奶樣品實時、快速和高效的微痕量檢測需求[8]，同時具有操作簡便、成本低廉和維護方便等優勢，具有較好的應用潛能。

為了揭示鈷摻雜氮化碳電極傳感器的電化學檢測性能，本文采用線性掃描伏安法（LSV）對所做的加標回收率實驗樣品進行掃描測試，其條件為：電壓掃描范圍0～1.0 V、掃描速率0.025 V/s、采樣間隔0.001 V、電流靈敏度10-5A/V，以及電解質為0.1 mol/L的Na2SO4。圖4是Co-N3N4/GCE修飾電極和不同加標濃度的BPA在0.1 mol/L的Na2SO4中的伏安圖[15]，可知各樣品在約0.6 V處會出現明顯的氧化峰，說明該電極的BPA檢測靈敏度較高，且隨著BPA濃度的增加，純水體系和牛奶樣品的氧化峰所對應的電流響應值都降低，此外牛奶樣品電流趨勢基本與純水系統重合，說明BPA在兩介質中的電化學檢測信號無明顯變化，意味著該傳感器抗干擾性強，適用于牛奶樣品BPA的檢測。

圖4 不同BPA濃度標準品的線性掃描伏安圖。（a）1.0 μmol/L；（b）10.0 μmol/L；（c）15.0 μmol/L；（d）100.0 μmol/L

3 結論

本文以三聚氰胺和CoCl2·6H2O為原料，通過高溫煅燒法成功制備了Co-C3N4復合材料，該材料樣品表面有更多小片狀結構和孔隙，其Co信號強度是0.14%。Co摻雜提高了C3N4比表面積，且抑制了其熱聚合，但其基本框架保持良好，晶體結構沒有發生顯著變化。與此同時，Co-C3N4/GCE修飾電極傳感器在巴氏殺菌純牛奶和超高溫瞬時滅菌純牛奶的BPA加標回收率為81.86%～98.75%，且RSDs為3.34%～3.57%。與常規HPLC 法相比，在低濃度范圍內（0.0～15.0 μmol/L）具有更高的回收率和靈敏度，BPA 檢出限可達3.7 nmol/L，抗干擾性強，說明鈷摻雜氮化碳傳感器適用于牛奶樣品BPA的電化學檢測。