趙永福，陳振林

(1.鄭州師范學(xué)院　化學(xué)化工學(xué)院，河南　鄭州　450044;2.賀州學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西　賀州　542899)

?

碳納米管修飾電極分子印跡傳感器的制備及其對氧樂果的測定

趙永福1*，陳振林2

(1.鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州450044;2.賀州學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州542899)

以氧樂果為模板分子，鄰苯二胺為功能單體，在碳納米管修飾的玻碳電極表面通過電聚合方法制成氧樂果分子印跡聚合物膜，用無水乙醇洗脫后制備出對氧樂果有特異響應(yīng)的電化學(xué)傳感器。通過循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗法對分子印跡傳感器的電化學(xué)性能進(jìn)行表征。以K3Fe(CN)6為探針，采用差分脈沖伏安法研究了該分子印跡傳感器的分析性能，建立了氧樂果的間接測定方法。結(jié)果表明，K3Fe(CN)6的相對峰電流與氧樂果濃度在1.0×10-7～2.0×10-6mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限為3.6×10-8mol/L。

分子印跡;氧樂果;多壁碳納米管;傳感器

氧樂果是一種常用的高效、廣譜性有機(jī)磷殺蟲劑，屬高毒殺蟲劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用。但其殘留會破壞生態(tài)環(huán)境，危害人類健康[1]。目前，氧樂果的檢測方法主要有氣相色譜法[2]、高效液相色譜法[3]、酶生物傳感器法[4-5]、化學(xué)發(fā)光法[6]等。雖然這些方法能較準(zhǔn)確地測定有機(jī)磷農(nóng)藥的含量，但其設(shè)備較為昂貴、處理分析樣品過程繁雜、不適于現(xiàn)場快速檢測。因此建立一種便捷且成本低的有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測新方法顯得尤為重要。

分子印跡(Molecular imprinting)技術(shù)是近年發(fā)展起來的基于分子識別理論的高選擇性分析方法，具有抗干擾能力強(qiáng)、親和性高、使用壽命長、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于電化學(xué)傳感器的制備，并用于氨基酸[7]、藥物[8-11]、興奮劑[12-13]及殘留毒物[14-16]等物質(zhì)的測定。碳納米管因其獨(dú)特的中孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和較好的導(dǎo)電性能及催化性能，常被用于改善電化學(xué)傳感器性能[17]。

本文采用多壁碳納米管修飾玻碳電極，并以原位電聚合的方式制備氧樂果分子印跡聚合膜，通過去除模板分子獲得氧樂果分子印跡傳感器，可實(shí)現(xiàn)對無電活性氧樂果的測定。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

RST5200F電化學(xué)工作站(鄭州世瑞思儀器科技有限公司);三電極體系:玻碳電極、碳納米管修飾電極(Ф=2 mm)、分子印跡電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對電極;KQ-100DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

氧樂果、敵敵畏、樂果、甲基對硫磷、殺螟硫磷標(biāo)準(zhǔn)品(純度均>98.0%，天津農(nóng)藥質(zhì)檢中心);多壁碳納米管(MWCNTs，南京吉倉納米科技有限公司);鄰苯二胺(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司)。其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1碳納米管修飾電極的制備玻碳電極經(jīng)0.05 μm的Al2O3粉打磨，再依次用30%的硝酸、乙醇(95%)及水超聲清洗3 min，最后在0.1 mol/L硫酸溶液中活化，室溫下自然晾干，備用。稱取10 mg 羧基化的CNTs加入10 mL N,N-二甲基甲酰胺，超聲20 min 后，得到分散均勻的CNTs懸浮液。將7 μL CNTs懸浮液滴加至處理過的玻碳電極表面，室溫下自然晾干，制得碳納米管修飾電極(CNTs -GCE)[8]。

1.2.2分子印跡傳感器的制備在含0.10 mmol/L氧樂果和10.0 mmol/L鄰苯二胺的醋酸-醋酸鈉緩沖液(ABS，pH 5.0)中，以CNTs-GCE 電極為工作電極，電位范圍為0～0.8 V ,掃描速度為50 mV/s 時(shí)，以循環(huán)伏安法聚合20 圈，得到嵌有氧樂果分子的聚鄰苯二胺及碳納米管修飾電極(OM-POPD-CNTs-GCE)。將該電極置于95%乙醇溶液中浸泡，去除聚合膜中的氧樂果，得到氧樂果分子印跡傳感器(MIP-POPD-CNTs -GCE)。

2　結(jié)果與討論

2.1MIP-POPD-CNTs-GCE制備條件的優(yōu)化

圖1　氧樂果存在時(shí)鄰苯二胺的聚合曲線Fig.1　Cyclic voltammograms for electropolymerization of o-phenylenediamine in the presence of 0.10 mmol/L omethoate acetate buffer(pH 5.0);scan rate:50 mV/s;sweep cycle:20

2.1.1鄰苯二胺在CNTs-GCE上的聚合存在模板分子氧樂果時(shí)，鄰苯二胺在CNTs-GCE上的電聚合曲線見圖1。由圖1可以看出，鄰苯二胺的電聚合過程不可逆，并且隨著掃描圈數(shù)的增加，鄰苯二胺在CNTs-GCE電極上逐漸生成導(dǎo)電性較差的聚合膜，阻礙了聚合時(shí)的電子傳遞，聚合速度降低，氧化峰電流減小。當(dāng)聚合20圈時(shí)，電流幾乎為零，表明此時(shí)聚合完成。

2.1.2洗脫液及洗脫時(shí)間的選擇研究了不同洗脫液對模板分子的去除效果，根據(jù)氧樂果的物理性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)分別使用40%甲醇、0.1 mol/L的NaOH、0.1 mol/L鹽酸、乙腈-水(體積比4∶1)及95%乙醇5種洗脫液對鑲嵌有氧樂果模板分子的聚合物進(jìn)行洗脫，根據(jù)洗脫后修飾電極在K3Fe(CN)6溶液中的峰電流大小判斷洗脫效果。結(jié)果表明，95%乙醇的洗脫效果較好，能迅速去除模板分子。

將OM-POPD-CNTs-GCE浸泡于95%乙醇溶液中進(jìn)行不同時(shí)間的洗脫后，取出電極，用水洗滌，洗脫后的電極置于K3Fe(CN)6溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。結(jié)果顯示，未經(jīng)洗脫的OM-POPD-CNTs-GCE電極的電化學(xué)活性很低，在K3Fe(CN)6中的峰電流很小;隨著浸泡時(shí)間的延長，由氧樂果溶出而留下的“空穴”逐漸增多，K3Fe(CN)6在電極表面的氧化還原電流逐漸增大;當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，K3Fe(CN)6的氧化還原電流不再變化，表明此時(shí)聚合膜中的氧樂果已全部溶出。因此確定模板分子的洗脫時(shí)間為20 min。

圖 2　不同電極在K3Fe(CN)6溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.2　Cyclic voltammograms of different electrodes in 0.01 mol/L K3Fe(CN)6 and 0.1 mol/L KCla.MIP-POPD-CNTs-GCE,b.OM-POPD-CNTs-GCE, c.CNTs -GCE;scan rate:50 mV/s;insert:electrochemical impedance spectra of 0.01 mol/L K3Fe(CN)6 and 0.1 mol/L KCl

2.2氧樂果分子印跡傳感器的表征

為證實(shí)氧樂果在膜中的印跡效應(yīng)，考察了不同電極(MIP-POPD-CNTs-GCE，OM-POPD-CNTs-GCE，CNTs-GCE)在0.01 mol/L K3Fe(CN)6溶液中的循環(huán)伏安圖(圖2)。結(jié)果表明，OM-POPD-CNTs-GCE上基本無電流響應(yīng)，表明其表面被致密的不導(dǎo)電聚合物膜所覆蓋，膜內(nèi)鑲嵌的氧樂果分子無電活性。氧樂果洗脫后，膜中留下了許多與模板分子結(jié)構(gòu)匹配的“空穴”，使K3Fe(CN)6得以到達(dá)電極表面進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此洗脫氧樂果后的MIP-POPD-CNTs-GCE上出現(xiàn)了明顯的氧化還原峰。但K3Fe(CN)6在MIP-POPD-CNTs-GCE上的電流小于在CNTs-GCE上的電流，表明MIP-POPD-CNTs-GCE表面除了氧樂果溶出而留下的印跡“空穴”外，電極的其余部分均被非電活性的聚鄰苯二胺膜所覆蓋。CNTs-GCE因CNTs的催化性能及較大的比表面積，使K3Fe(CN)6的氧化還原峰電流很大。

進(jìn)一步考察了MIP-POPD-CNTs-GCE，OM-POPD-CNTs-GCE及CNTs-GCE 3種電極的電化學(xué)阻抗譜圖(EIS)，阻抗譜中高頻部分的半圓直徑對應(yīng)于電子轉(zhuǎn)移阻抗(圖2插圖)。與MIP-POPD-CNTs-GCE相比，OM-POPD-CNTs-GCE的阻抗較大，這是因?yàn)殍偳堆鯓饭肿拥挠≯E膜結(jié)構(gòu)阻礙了K3Fe(CN)6進(jìn)入電極表面;MIP-POPD-CNTs-GCE的阻抗值明顯降低，這是因?yàn)槿コ鯓饭笥≯E膜表面產(chǎn)生了很多“空穴”，使K3Fe(CN)6進(jìn)入電極表面的阻礙減小，表明洗脫氧樂果后的印跡傳感器表面生成了印跡“空穴”;CNTs-GCE電極(曲線c)的阻抗較印跡傳感器(曲線a)小，表明CNTs-GCE表面的電子轉(zhuǎn)移相對容易，CNTs表現(xiàn)出良好的催化活性。

2.3實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.3.1測試底液pH值的選擇氧樂果在堿性溶液中易分解，在酸性和中性環(huán)境中穩(wěn)定，故需在中性偏酸的介質(zhì)中進(jìn)行孵化。實(shí)驗(yàn)表明，在pH 5.0的酸性環(huán)境中進(jìn)行孵化測試時(shí)峰電流的變化最靈敏，因此，實(shí)驗(yàn)選用pH 5.0的ABS作為測試底液。

2.3.2孵化時(shí)間的選擇氧樂果為非電活性物質(zhì)，在-0.2～1.0 V范圍內(nèi)無氧化還原峰，故選擇K3Fe(CN)6為探針分子進(jìn)行氧樂果的測定。將一定濃度的氧樂果溶液加入到ABS 緩沖溶液(pH 5.0)中，攪拌均勻后，將MIP-POPD-CNTs-GCE置于氧樂果溶液中進(jìn)行孵化，取出，用水洗滌，置于K3Fe(CN)6溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。在孵化過程中氧樂果會通過氫鍵、疏水作用和空腔匹配作用等重新進(jìn)入膜內(nèi)與其結(jié)構(gòu)相匹配的“空穴”，使得電極表面的“空穴”減少。因此將經(jīng)氧樂果溶液孵化過的印跡電極再于K3Fe(CN)6溶液中掃描時(shí)，K3Fe(CN)6的峰電流下降。氧樂果濃度越大，電極表面聚合膜中的“空穴”被填補(bǔ)得越多，K3Fe(CN)6的峰電流越低。由此可建立氧樂果的分子印跡傳感器間接分析法。

氧樂果重新嵌入聚合膜中“空穴”的過程會受到溶液的傳質(zhì)阻力及聚合膜骨架阻力的影響。隨著孵化時(shí)間的延長，孵化后電極于K3Fe(CN)6中的峰電流逐漸下降。當(dāng)MIP-POPD-CNTs-GCE于含1.0×10-6mol/L 氧樂果的ABS 溶液中孵化20 min 時(shí)，繼續(xù)延長孵化時(shí)間，峰電流幾乎不再變化，表明氧樂果在印跡膜中已達(dá)到飽和。因此選擇最佳孵化時(shí)間為20 min。

2.4氧樂果濃度與K3Fe(CN)6峰電流的關(guān)系

圖3　在含有不同濃度氧樂果底液中孵化后，MIP-POPD-CNTs-GCE在K3Fe(CN)6中的差分脈沖伏安圖Fig.3　Differential pulse voltammograms of imprinted sensor in 0.01 mol/L K3Fe(CN)6 after being incubated in different concentrations of omethoate insert：calibration curve of relative peak current versus omethoate concentration; concentration of omethoate(a-h):0，0.1，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 μmol/L

采用差分脈沖伏安法，測定了在不同濃度氧樂果溶液中孵化后，印跡傳感器在K3Fe(CN)6溶液中的電流響應(yīng)，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)氧樂果濃度逐漸增大時(shí)，K3Fe(CN)6的峰電流逐漸減小。定量測定時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用相對峰電流ΔI(ΔI=I0-I)描述峰電流的變化，I0為在無氧樂果的底液中孵化后測定的K3Fe(CN)6氧化峰電流，I為在含氧樂果的底液中孵化后測定的K3Fe(CN)6氧化峰電流。結(jié)果表明，隨著氧樂果濃度的增加，K3Fe(CN)6的相對峰電流ΔI逐漸增大，ΔI與氧樂果濃度在1.0×10-7～2.0×10-6mol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系(圖3插圖)，其線性方程為ΔI(μA)=0.169 7+14.13c(μmol/L)，r2=0.997 6。檢出限(S/N=3)為3.6×10-8mol/L。

2.5分子印跡傳感器的選擇性

為了驗(yàn)證傳感器的選擇性，選擇敵敵畏、甲基對硫磷、殺螟硫磷、樂果為干擾物質(zhì)，測量在相同實(shí)驗(yàn)條件下，MIP-POPD/CNTs/GCE 對 濃度均為1.0×10-6mol/L的氧樂果和各干擾物質(zhì)產(chǎn)生的 ΔI值。結(jié)果表明，敵敵畏、甲基對硫磷、殺螟硫磷對氧樂果的測定基本無干擾，這是因?yàn)樯鲜?種物質(zhì)與氧樂果的結(jié)構(gòu)差異較大，無法進(jìn)入分子印跡膜的“空穴”中;樂果在該印跡電極上有輕微響應(yīng)，這是因?yàn)闃饭姆肿咏Y(jié)構(gòu)及尺寸與氧樂果相近;因此，制備的印跡電極具有特異選擇性。

2.6實(shí)際樣品的測定

稱取剪碎的菠菜和小青菜各10.0 g, 用10.0 mL 甲醇振蕩提取5 min, 再加 10.0 mL甲醇振蕩提取 5 min, 合并提取液于25 mL容量瓶中，用甲醇定容，取適量提取液進(jìn)行測試。結(jié)果在樣品中未檢出氧樂果。對兩種蔬菜樣品進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)(n=5)，加標(biāo)濃度為0.50 mg/kg，菠菜和小青菜樣品的回收率分別為96%和98%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為2.7%和3.1%,該方法滿足實(shí)際分析的要求。

3　結(jié)　論

本文以氧樂果為印跡分子，采用原位電化學(xué)聚合方法于多壁碳納米管修飾電極上制備分子印跡聚合膜作為模擬受體,構(gòu)建了電化學(xué)傳感器界面。循環(huán)伏安及電化學(xué)阻抗的表征結(jié)果確證了分子印跡膜中“空穴”的存在。采用差分脈沖伏安法，以K3Fe(CN)6為探針分子實(shí)現(xiàn)了對氧樂果的間接測定，其線性范圍為1.0 ×10-7～2.0×10-6mol /L。該印跡傳感器的制備過程簡單，測定快速，具有良好的選擇性和靈敏度，為氧樂果殘留的檢測提供了新的有效途徑。

[1] Ji S J，Zhao L L，F(xiàn)eng H.FoodRes.Dev.(紀(jì)淑娟，趙麗麗，馮輝．食品研究與開發(fā))，2001，3：60-61．

[2] Qin G F，Li Y B，Chen Y，Sun Q Y，Zuo B，He F R，Shen N M，Ji G F，Ding G R.FoodRes.Int.，2015，72(6):161-167.

[3] Jardim A N O，Mello D C，Goes F C S，Junior E F F，Caldas E D.FoodChem.，2014，16：195-204.

[4] Oujji N B，Bakas I，Istamboulié G，Ihya A I，Elhabib A A，Régis R，Thierry N.FoodControl，2013，30(2):657-661.

[5] Sun X，Wang X Y.Biosens.Bioelectron., 2010, 25(12)：2611-2614.

[6] Li B X，He Y Z，Xu C L.Talanta，2007，72(1)：223-230.

[7] Ding Z Y，Li C Y，Song Q J.Chin.J.Anal.Chem.(丁照云,李春陽,宋啟軍.分析化學(xué))，2013，41(10)：1543-1548.

[8] Qi Y B，Liu Y，Song Q J.Chin.J.Anal.Chem.(齊玉冰，劉瑛，宋啟軍.分析化學(xué))，2011， 39(7)：1053-1057.

[9] Wang M J，Liu C L，Xie T P，Zhang X M，Zhang L，Yang Q.Chem.Res.Appl.(王茂君，劉成倫，謝太平，張曉敏，張柳，楊琦.化學(xué)研究與應(yīng)用)，2011，23(7)：888-892.

[10] Bougrini M，F(xiàn)lorea A， Criste C，Sandulescub R，Vocansonc F，Errachid A，Bouchikhie B，Barid N E，Nicole J R.FoodControl，2016，59：424-429.

[11] Han Q，Shen X，Zhu W Y，Zhu C H，Zhou X M，Jiang H J.Biosens.Bioelectron.，2016，79：180-186.

[12] Peng Y Y.J.Instrum.Anal.(彭友元.分析測試學(xué)報(bào))，2013，32(12)：1427-1432.

[13] Shang Z Y，Han C F，Song Q J.Chin.J.Anal.Chem.(商哲一，韓超峰，宋啟軍.分析化學(xué))，2014，42(6)：904-908.

[14] Liu H, Sun S X, Du R K, Gao B J.J.Instrum.Anal.(劉海，孫世雄，杜瑞奎，高保嬌.分析測試學(xué)報(bào))，2015，34(10):1126-1133.

[15] Zhao J，Li J P，Jiang F Y.Chin.J.Anal.Chem.(趙鈞，李建平，蔣復(fù)陽.分析化學(xué))，2009，37(8)：1219-1222.

[16] Zhang H C,Liu G Y,Shang J.Chin.J.Anal.Chem.(張洪才，劉國艷，商璟.分析化學(xué))，2012，40(1)：95-100.

[17] Guan H，F(xiàn)an L Z，Qiao S Y.J.Univ.Sci.Technol.Beijing(關(guān)慧，范麗珍，喬素燕.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào))，2011，33 (11)：1387-1390.

Preparation of Molecularly Imprinted Sensor for Determination of Omethoate Based on Carbon Nanotube Modified Electrode

ZHAO Yong-fu1*，CHEN Zhen-lin2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering，Zhengzhou Normal University，Zhengzhou450044，China;2. School of Chemistry and Biology Engineering，Hezhou University，Hezhou542899, China)

An electrochemical sensor for omethoate detection based on electropolymerized molecularly imprinted polymers(MIPs) was fabricated.The sensitive layer was prepared by electropolymerizingo-phenylenediamine(OPD) on a glassy carbon electrode modified with multi-walled carbon nanotube in the presence of template(omethoate) which could be removed by ethanol.The electrochemical properties of the molecularly imprinted sensor were characterized by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy(EIS).The analytical characteristics of the sensor was investigated by differential pulse voltammetry, and an indirect analytical method based on the medium of K3Fe(CN)6was established.The result showed that a linear relationship between concentration of omethoate and relative peak current change of K3Fe(CN)6was obtained in the range of 1.0×10-7-2.0×10-6mol/L, and the detection limit was 3.6×10-8mol/L.

molecular imprinting; omethoate; multi-walled carbon nanotube; sensor

2016-01-06；

2016-02-14

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019045)

趙永福，博士，副教授，研究方向：電分析化學(xué)、食品及藥物分析，Tel：0371-65502309， E-mail：zhaoyongfu2008@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.09.019

O657.1;S482.3

A

1004-4957(2016)09-1176-05