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基于碳基材料的四溴双酚A电化学检测方法构建及相关机理研究

赵强  
【摘要】:四溴双酚A(tetrabromobisphenolA,TBBPA)是目前使用量最大的溴化阻燃剂,被广泛用于多种工业产品中。TBBPA的大量使用造成了日益严重的环境污染问题。来自水、土壤、灰尘等的环境样本和来自人类的生物样本中都能够检测到TBBPA的存在。相关毒理学研究表明,TBBPA可以对人体的多个系统产生毒害作用,并被认为是潜在的致癌物质。因此,对TBBPA的环境污染状况开展有效的监测活动正受到越来越多的重视。传统的检测方法如液相色谱法、气相色谱法等通常具有前处理繁复、检测过程耗时长、检测费用昂贵等缺点,不利于及时掌握TBBPA的污染动态。电化学检测作为一种简便、快速、经济的检测方法,其特点正可以弥补传统检测方法的不足。在本论文中,我们通过选取合适的碳基材料,利用电化学传感装置对TBBPA的灵敏检测方法进行了研究,以期为应对TBBPA的环境污染问题提供合适的检测技术。主要内容包括如下:第一章功能化氮掺杂石墨烯在四溴双酚A电化学检测中的应用目的:对氮掺杂石墨烯进行功能化设计,以提高其在水相中的分散能力。建立以功能化氮掺杂石墨烯为敏感材料的TBBPA电化学检测方法。方法利用1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐对氮掺杂石墨烯进行表面亲水性修饰,并使用紫外-可见光谱、循环伏安法等对功能化氮掺杂石墨烯进行表征;建立基于功能化氮掺杂石墨烯的TBBPA电化学检测方法,并对检测参数进行优化。结果:通过π-π堆积作用,1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐成功将氮掺杂石墨烯均匀分散在水相中。经表面亲水性修饰的氮掺杂石墨烯片层之间存在一定的静电斥力,不仅阻止了材料的团聚沉淀,同时还改变了材料在电极表面的状态,提高了氮掺杂石墨烯修饰电极的电化学性能。表面带负电荷的氮掺杂石墨烯修饰层可以通过静电作用固定十六烷基三甲基溴化铵,继而在电极表面形成疏水区域,并通过疏水作用力吸附富集底物分子,实现电极对TBBPA响应的增敏。本方法对四溴双酚A检测的线性范围为0.01 μM~1 μM,基于三倍信噪比的检出限为9 nM。将该方法用于实际水样的测定,回收率:95.3%~109.8%。结论:成功实现了氮掺杂石墨烯的亲水性修饰,并基于此敏感材料建立了 TBBPA的电化学检测方法。该方法简单、快速、灵敏,并在TBBPA的环境监测方面具有第三章石墨相氮化碳掺杂碳糊电极在四溴双酚A电化学检测中的应用目的:鉴于碳糊电极具有制作简单、易于更新及重现性好等特点,构建石墨相氮化碳掺杂碳糊电极,建立快速灵敏的TBBPA检测方法。方法:将石墨相氮化碳与离子液体(N-丁基吡啶六氟磷酸盐)混入碳糊,制作成掺杂碳糊电极,并使用强阳离子聚电解质(聚二烯丙基二甲基氯化铵)对掺杂电极表面进行修饰;在优化的检测参数下,使用差分脉冲伏安法测定TBBPA。结果:石墨相氮化碳的类石墨结构使其能与石墨充分混合,减小了前者体相结构对电子传递的阻碍效应,同时其结构中带有孤对电子的氮原子增加了碳糊电极表面的活性位点,改善了碳糊电极的电化学性能。离子液体与石墨相氮化碳之间一定的应用前景。第二章石墨相氮化碳在四溴双酚A电化学检测中的应用目的:以石墨相氮化碳为敏感材料建立TBBPA电化学检测方法,研究并探讨石墨相氮化碳形貌、组成等因素对其电化学性能的影响,以及石墨相氮化碳对TBBPA电化学响应增敏的相关机理。方法:在不同温度(723 K、773 K、823 K和873 K)下合成石墨相氮化碳;利用傅氏转换红外光谱、拉曼光谱、热重分析、X光衍射能谱、X光电子能谱、电化学交流阻抗和计时库伦法等技术对不同合成温度下石墨相氮化碳产物的形貌、组成、结构等进行分析表征;构建石墨相氮化碳修饰玻碳电极,在优化的实验条件下,利用差分脉冲伏安法对TBBPA浓度进行测定。结果:发现合成温度影响了石墨相氮化碳产物的形貌、结构以及元素组成,并且形貌和分子结构中类石墨氮原子所占比例是影响石墨相氮化碳电化学性能的重要因素。尽管石墨相氮化碳传递电子能力较差,TBBPA在石墨相氮化碳修饰玻碳电极表面的氧化峰电流却有所提高,而且氧化峰电流增强幅度受缓冲液pH值的影响。推测其原因可能是石墨相氮化碳与TBBPA之间存在静电引力,因而提高 了TBBPA在石墨相氮化碳修饰电极表面的吸附量。将石墨相氮化碳修饰玻碳电极用于TBBPA的测定,线性范围为0.02 μM~1 μM,基于三倍信噪比的检出限为5 nM。同时,将该方法用于实际水样的测定,其结果与常规液相色谱法相一致。结论:绿色经济的石墨相氮化碳可以作为敏感材料用于建立TBBPA的电化学检测方法。同时,该检测方法表现出良好的实际应用潜力。存在π-π堆积和氢键等作用。基于两者的协同作用,掺杂电极对TBBPA的电化学响应得到了大幅度增强。而且,聚电解质携带的大量正电荷增加了底物在掺杂碳糊电极表面的吸附量,进一步提高了掺杂电极对TBBPA的响应电流。该方法检测TBBPA的线性范围为1 nM~30nM和30nM~500 nM,基于三倍信噪比的检出限为0.4 nM。同时,该方法成功用于实际水样的测定,加标回收率:85.9%~97.9%。结论:利用石墨相氮化碳和离子液体的结构特点以及经聚二烯丙基二甲基氯化铵修饰的电极表面与底物分子间的静电引力,建立了快速灵敏的TBBPA电化学检测方法,并成功用于实际样品的测定。


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