钴酞菁/组氨酸修饰碳糊仿生复合材料的电化学表征与结构分析：水介质中双酚A（BPA）的伏安法选择性检测

《Biomimetics》：Electrochemical Characterization and Structural Analysis of a Novel Cobalt Phthalocyanine/Histidine-Modified Carbon Paste Biomimetic Composite: Selective Voltammetric Determination of Bisphenol A in Aqueous Media

　　

双酚A（BPA）是一种内分泌干扰物，其水环境监测需要简便、低成本且灵敏的工具。在研究人员此前开发的锰酞菁传感器的基础上，研究人员报道了一种仿生碳糊电极（CPE），其由钴酞菁（CoPc）和L-组氨酸（L-His）修饰（CoPc-His-CPE），并考察了中心金属离子的作用。红外光谱、紫外-可见光谱（UV–Vis）和扫描电子显微镜（SEM）研究表明，组氨酸通过去质子化羧酸根（–COO?）与钴发生轴向配位。有效面积从裸碳糊电极的0.060 cm²增加到0.128 cm²，循环伏安法（cyclic voltammetry）和电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy）显示界面电子转移动力学加快。双酚A在吸附富集（Γ_ads ≈ 1.3 × 10^?10 mol cm^?2）后发生不可逆氧化。在优化的方波伏安法（square wave voltammetry）条件下（pH 7.4，0.1 mol L^?1 Na₂SO₄），响应在8 × 10^?8至4 × 10^?5 mol L^?1范围内呈线性，检测限为4.78 nmol L^?1（信噪比=3（SN）），相对标准偏差（RSD）为5.0%（n = 10）。在自来水、瓶装水、袋装水、水坝水和工业 effluent 水中回收率为91.1–106.4%，与高效液相色谱法（HPLC）结果一致。与锰类似物相比，钴具有相似的检测限和更高的吸附容量，而锰具有更宽的线性范围。

双酚A（BPA）是聚碳酸酯塑料、环氧树脂及某些阻燃剂的重要单体，广泛存在于食品包装、饮料容器与婴儿奶瓶中，可通过浸出进入食物与水体。作为外源性雌激素，BPA可与雌激素受体结合并扰乱内分泌稳态，其慢性或发育期暴露与生殖功能障碍、多囊卵巢综合征、生殖器畸形及激素依赖性癌症密切相关。然而，在布基纳法索等低收入和中等收入国家，工业废水与地表水中BPA浓度可达2–8 mg/L，而排放标准与专项监测基础设施仍十分不足。现有BPA检测方法如液相色谱-质谱联用（LC-MS）、高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）及酶联免疫吸附测定（ELISA）虽可靠灵敏，但依赖昂贵仪器、繁琐样品制备与维护，限制了其在资源有限或现场环境中的应用。碳糊电极（CPE）因制备简便、表面可更新及修饰多功能性而备受关注。酞菁类化合物作为可模拟氧化还原酶活性的平面大环配合物，具有优良化学稳定性。研究人员此前已报道锰酞菁-组氨酸修饰碳糊电极（MnPc-His-CPE）用于BPA检测，而替换中心金属是调控复合材料行为的有效途径。

研究人员综合运用扫描电子显微镜（SEM）与能量色散X射线光谱（EDX）考察电极表面形貌与元素组成，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）与紫外-可见光谱（UV–Vis）分析钴酞菁与组氨酸的轴向配位方式以及BPA与电极表面的相互作用。电化学界面表征采用循环伏安法（CV）与电化学阻抗谱（EIS）结合铁氰化钾探针进行；BPA氧化行为通过循环伏安法研究，吸附容量与扩散系数采用计时电量法（CC）测定。分析性能通过方波伏安法（SWV）评估。实际样品采自布基纳法索瓦加杜古的Kossodo与Gounghin工业区及Tanghin水坝，包括自来水、瓶装水、袋装水、水坝水与塑料制造废水，经标准加入法处理后以高效液相色谱法（HPLC）交叉验证。

*3.1. 修饰电极的表征*

SEM显示裸CPE石墨颗粒随机排列且结构疏松，CoPc-His-CPE表面则致密均匀。EDX证实修饰后出现钴（2.2 wt%）与氮（3.6 wt%）元素。FT-IR显示去质子化羧酸根对称伸缩振动峰由1420 cm^?1移至1415 cm^?1，芳伯胺N–H伸缩振动由2907 cm^?1移至2914 cm^?1，并出现479 cm^?1的ν(Co–O)振动带，表明组氨酸主要通过去质子化羧酸根与钴发生轴向Co–O配位。CV在2 mmol L^?1 K₃[Fe(CN)₆]/0.1 mol L^?1 KCl中显示CoPc-His-CPE的ΔE_p为74 mV，小于裸CPE的142 mV，呈准可逆行为。经Randles–?ev?ík方程计算，有效面积由裸CPE的0.0282 cm²增至CoPc-His-CPE的0.064 cm²。EIS显示R_ct由裸CPE的4.55 ± 0.15 kΩ降至CoPc-His-CPE的0.37 ± 0.04 kΩ，界面电子转移动力学显著改善。与MnPc-His-CPE相比，两者R_ct差异无统计学意义（Welch t检验，p = 0.18）。

*3.2. BPA在修饰电极上的电化学行为*

CV研究表明BPA在三种电极上均产生单一不可逆氧化峰。相对裸CPE（E_p,a = +0.506 V），CoPc-CPE使峰电位负移至+0.474 V，引入L-His后进一步负移至+0.454 V，累积负移52 mV。研究人员提出三协同效应：组氨酸的σ给电子特性使Co(II/III)氧化还原电位负移；五配位Co(III)中心通过轴向Co(III)···HO–BPA作用促进BPA预富集；L-His通过稳定Co(III)Pc–His中间体降低氧化态自由能。FT-IR显示BPA富集后ν(Co–O)保留，表明BPA通过π–π堆积及酚羟基与钴中心的强氢键或配位作用吸附；氧化后出现1709 cm^?1的C=O伸缩振动峰，ν(Co–O)消失。UV–Vis中，CoPc-His-BPA三元体系在约555 nm处出现新峰，归属于Co→BPA电荷转移，表明BPA通过酚氧轴向配位，Co(III)Pc-His呈六配位构型。据此提出EC′催化机理：组氨酸轴向配位诱导Co(II)→Co(III)氧化；预富集时两个Co(III)Pc-His单元通过酚氧与BPA桥接；化学步骤中各酚氧向相邻Co(III)中心转移一个电子生成醌式结构并释放两个质子；随后Co(II)Pc-His在电极表面重新氧化为Co(III)Pc-His，释放两个电子形成阳极峰电流。

*3.3. BPA检测分析参数优化*

支持电解质筛选表明Na₂SO₄因提供最高峰电流和最低峰电位而被选中，最佳浓度为0.1 mol L^?1。CoPc-His修饰剂负载量在6% (w/w)时氧化峰电流最大（38.9 ± 0.4 μA）。pH实验表明峰电流在pH 7.4时最大，E_p–pH斜率为-46 ± 7 mV/pH，结合Nernst方程确定为m = n = 2的两电子两质子过程。扫描速率实验显示log(I_pa)–log(ν)斜率为0.89，表明过程受扩散与吸附混合控制，以吸附为主。富集电位优化为+0.200 V，富集时间优化为120 s。

*3.4. 电极反应电化学参数测定*

计时电量法（CC）测得CoPc-His-CPE有效面积为0.128 ± 0.006 cm²，约为裸CPE（0.060 ± 0.002 cm²）的两倍。BPA吸附容量（Γ_ads）约为1.3 × 10^?10 mol cm^?2，表观扩散系数（D_app）为(1.55 ± 0.09) × 10^?5 cm² s^?1，标准异相电子转移速率常数（k_s）为0.46–0.79 s^?1。与MnPc-His-CPE相比，CoPc-His-CPE的吸附容量显著更高，而D_app与k_s差异无统计学意义。

*3.5. 分析性能*

SWV检测BPA的线性范围为8 × 10^?8至4 × 10^?5 mol L^?1，检测限为4.78 nmol L^?1（信噪比=3）。重复测量10次的RSD为5.0%，电极在4°C储存15天后保持初始响应的94.0%。对100倍过量常见无机离子的抗干扰实验显示信号变化均小于4.24 ± 0.30%。在布基纳法索五种实际水样中回收率为91.1–106.4%，与HPLC结果一致。与MnPc-His-CPE相比，两者检测限相近，但钴基传感器吸附容量更高，锰基传感器线性范围更宽。

*3.6. 中心金属离子效应*

研究人员通过直接比较阐明中心金属离子的作用。在裸电极-电解质界面水平上，两种金属中心的R_ct与有效C_dl差异无统计学意义，表明界面本征导电性和有效面积更多依赖于L-His修饰的碳糊基质而非金属种类。在BPA特异性电催化层面，CoPc-His-CPE因Co(III)的空d_z2轨道通过给体O(BPA)→Co(III)配位驱动更强BPA结合而表现出更高吸附容量；MnPc-His-CPE则提供更宽的线性范围。因此，中心金属离子并非中性旁观者，而是在同一反应序列内主要调控吸附步骤：钴有利于通过更强BPA结合进行预富集，锰则提供更宽线性范围。轴向L-His配位而非金属中心身份，是该家族传感器中分析物识别的关键设计要素。

本研究表明，CoPc与L-His结合的碳糊电极可作为BPA传感的简易仿生平台，光谱证据指向通过去质子化羧酸根实现Co–O结合，Co–N结合不能排除，两种结合模式可能共存。在该构型中，BPA被保持在两个CoPc-His单元之间，通过涉及两个电子和两个质子的Co(III)/Co(II)催化循环（EC′机理）被氧化。与锰类似物的比较澄清了金属中心的作用：两种金属在亚铁氰化物探针下的电荷转移电阻在统计上无法区分；钴有利于更强的BPA吸附，锰则提供更宽的线性范围，两者均达到纳摩尔级检测限。轴向L-His配位而非金属中心身份是该家族传感器中分析物识别的关键设计要素，金属的选择允许在更强BPA吸附与更宽线性范围之间进行调节。尚存局限包括仅对无机离子进行了选择性评估，表面活性物质、腐殖质及天然有机物的影响尚需进一步研究。

**研究结论**

本研究表明，将钴酞菁与L-组氨酸结合的碳糊电极可作为双酚A传感的简易仿生平台，其中轴向L-组氨酸配位提供了钴中心周围的催化环境。光谱证据指向通过去质子化羧酸根实现钴-氧结合；钴-氮结合不能排除，两种结合模式可能共存，该问题有待远红外测量解决。在该构型中，双酚A被保持在两个钴酞菁-组氨酸单元之间，通过涉及两个电子和两个质子的钴(III)/钴(II)催化循环（EC′机理）被氧化，与观察到的吸附控制响应一致。与锰类似物的比较澄清了金属中心的作用：两种金属在亚铁氰化物探针下的电荷转移电阻在统计上无法区分；钴有利于更强的双酚A吸附，锰则提供更宽的线性范围，两者均达到纳摩尔级检测限。轴向L-组氨酸配位而非金属中心身份似乎是该家族传感器中分析物识别的关键设计要素，而金属的选择允许在更强双酚A吸附（钴）和更宽线性范围（锰）之间进行调节。