翟江麗，張瑤瑤，周 寵，汪雁宏，李慶慶，鄧貝貝

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新型磺胺嘧啶分子印跡電化學(xué)傳感器的制備與性能研究

翟江麗，張瑤瑤，周 寵，汪雁宏，李慶慶，鄧貝貝

（唐山師范學(xué)院 化學(xué)系，河北 唐山 063000）

選用鄰氨基苯酚（OAP）為功能單體，磺胺嘧啶鈉（SD-Na）為單體模版分子，采用電聚合法在石墨烯修飾的電極上制得SD-Na分子印跡聚合膜，然后利用電流-時間掃描方法進行電誘導(dǎo)洗脫模板分子，得到留有SD-Na空穴的印跡電極。采用差分脈沖伏安法（DPV）、循環(huán)伏安法（CV）對傳感器性能進行研究。結(jié)果表明，SD-Na溶液的濃度在3.2×10-8mol?L-1～1.3×10-4mol?L-1范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，線性方程為=1.92 lg+33.15，相關(guān)系數(shù)R2=0.991 5，檢出限為2.0×10-9mol?L-1，傳感器呈現(xiàn)出良好的選擇性、重現(xiàn)性以及穩(wěn)定性，該方法用于肉、奶等樣品中磺胺含量的檢測，加標回收率為96.2%～100.7%。

石墨烯；磺胺嘧啶；電化學(xué)傳感器；分子印跡

石墨烯是一種只有單層原子厚度的石墨，具有二維的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]，比表面積和機械強度都很大，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)特性，在常溫下電子遷移率極高[2]，是電的良導(dǎo)體，因此將石墨烯修飾于電極表面可以極大地增強電化學(xué)傳感器的響應(yīng)信號，是一種極好電化學(xué)傳感材料。

近些年，隨著抗生素的發(fā)展，磺胺類藥物的臨床應(yīng)用逐漸減少，而且目前許多國家也將此類藥物列為動物飼養(yǎng)過程中被限制的藥物，因此，分離測定磺胺類藥物是食品以及制藥產(chǎn)業(yè)中質(zhì)量檢測的重要技術(shù)。傳統(tǒng)的技術(shù)大多采用高效液相色譜法[3]、氣相色譜法、光譜法[4]等來檢測其含量，但這些方法均存在一些缺陷，例如儀器設(shè)備昂貴、操作費時費力、靈敏度不高等。分子印跡技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種利用模版分子印跡空穴實現(xiàn)對特定的目標分子的特異性識別[5-6]，此類傳感器不僅表現(xiàn)出高度的選擇性而且不受其它物質(zhì)的干擾，抗干擾性極佳[7]。本工作采用石墨烯為增敏材料，以磺胺嘧啶鈉（SD-Na）為模板分子，鄰氨基苯酚（OAP）為功能單體，用電聚合法制成SD-Na分子印跡電化學(xué)傳感器來實現(xiàn)對磺胺嘧啶的含量檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LK2005型電化學(xué)工作站（天津市蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司），KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），PHSJ-5實驗室pH計（上海儀電科學(xué)儀器有限公司），F(xiàn)A2004N電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）石墨烯、N,N-二甲基甲酰胺、氯化鉀、鐵氰化鉀磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、檸檬酸、檸檬酸鈉、冰乙酸、乙酸鈉、磺胺嘧啶鈉、鄰氨基苯酚、甲醇、硫酸、乙腈、磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲惡唑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 分子印跡電極的制備

將玻碳電極用氧化鋁粉末在麂皮表面研磨拋光成鏡面后用水超聲清洗，紅外燈烘干。將1 mg?mL-1的石墨烯分散液10 μL分數(shù)次滴涂到準備好的電極表面，得到石墨烯修飾電極。將石墨烯修飾的玻碳電極置于0.5 mmol?L-1SD-Na和3 mmol?L-1OAP的混合液中，進行30次的CV循環(huán)掃描以電聚合得到SD-Na印跡電極。最后將此電極置于甲醇-0.5 mol?L-1H2SO4（體積比1:4）溶液中采用電流-時間掃描方法進行電誘導(dǎo)洗脫模板分子，得到留有SD-Na空穴的印跡電極。

1.2.2 測定方法

測定在三電極系統(tǒng)中進行。以玻碳電極為工作電極，分別以甘汞電極和鉑電極作為參比電極和輔助電極。采用CV法對電極進行電化學(xué)表征以及實驗條件的優(yōu)化，采用DPV法來探究傳感器的線性范圍及性能，用計時電流法進行電誘導(dǎo)洗脫。循環(huán)伏安法電化學(xué)測量起始電位為-0.1 V，終止電位為0.6 V，掃描速率為50 mV?s-1。循環(huán)伏安法電聚合起始電位為-0.2 V，終止電位為1.3 V，掃描速率為50 mV?s-1。計時電流法恒定電位-0.2 V，持續(xù)時間360 s（優(yōu)化前），480 s（優(yōu)化后）。差分脈沖伏安法起止電位為-0.1 V～0.6 V、電位增量0.004 V、脈沖寬度0.05 V、脈沖幅度0.05 V、脈沖間隔0.1 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子印跡膜的電化學(xué)表征

將裸玻碳電極、石墨烯修飾電極、聚合后未洗脫電極和洗脫后的電極依次置于5 mmol?L-1K3[Fe(CN)6]（含1 mol?L-1KCl）溶液中進行CV掃描，如圖1所示。由圖可見，裸電極的氧化還原峰電流較大。這是因為在沒有對拋光電極做任何處理時，K3[Fe(CN)6]能在電極上發(fā)生自由的氧化還原反應(yīng)；石墨烯修飾電極的氧化還原峰電流最大是因為石墨烯是電的良導(dǎo)體，能極大地促進電子轉(zhuǎn)移，增強電極的響應(yīng)信號而導(dǎo)致峰電流要高于裸玻碳電極。聚合后未洗脫的電極則呈一條直線，沒有峰電流，這是由于電極表面形成了一層致密的聚合膜，此膜阻礙了K3[Fe(CN)6]分子到達電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，所以此時電極沒有響應(yīng)信號；洗脫后的比未洗脫的電流要高，這是由于洗脫過程中膜中的SD-Na分子會隨著洗脫液從膜中脫離出來，在電極上留下與SD-Na分子結(jié)構(gòu)和大小相同的空穴，此時K3[Fe(CN)6]分子可以通過這些空穴進入到電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，此時的峰電流會比未洗脫的情況大，但是由于聚鄰氨基苯酚導(dǎo)電性差，所以它的響應(yīng)信號要比裸電極小。

圖1 不同電極的循環(huán)伏安曲線

注：a. 石墨烯修飾電極；b. 裸電極；c. 洗脫后電極；d. 聚合后未洗脫電極

2.2 實驗條件的優(yōu)化

2.2.1 聚合電解質(zhì)

選取pH=5.5的檸檬酸-檸檬酸鈉、磷酸二氫鈉-磷酸氫二鈉以及醋酸-醋酸鈉緩沖溶液作為聚合液的溶劑，將石墨烯修飾電極分別置于每種聚合液中聚合，然后洗脫，將洗脫后的電極置于K3[Fe(CN)6]探針溶液中進行CV掃描，如圖2所示?？梢钥闯觯跈幟仕?檸檬酸鈉溶液中聚合的電極洗脫以后氧化還原峰電流最大，說明在此溶液中能夠更好地將鄰氨基苯酚聚合于電極表面，洗脫后留下更多的磺胺嘧啶分子的空穴使K3[Fe(CN)6]分子能夠到達電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。所以選擇檸檬酸-檸檬酸鈉作為聚合電解質(zhì)。

圖2 電極在不同聚合液中聚合洗脫后的循環(huán)伏安圖

注：a. 檸檬酸-檸檬酸鈉溶液；b. 磷酸二氫鈉-磷酸氫二鈉溶液；c. 醋酸-醋酸鈉緩沖溶液

2.2.2 聚合液的pH

圖3 電極在不同pH的聚合液中洗脫后的電流

分別在pH為3.0、4.0、5.0、5.5、6.0、6.6的檸檬酸-檸檬酸鈉聚合液中進行電聚，將洗脫后的電極置于探針溶液中進行CV掃描，結(jié)果如圖3所示。由圖可見，在pH從3.0增加到5.5過程中，電極的峰電流逐漸增大，而當pH從5.5增加到6.6時峰電流隨pH的增大逐漸減小，說明在電聚過程中H+參與了整個反應(yīng)，溶液酸性過強或堿性過強都可能導(dǎo)致大量的SD-Na分子不能聚合于電極表面，所以洗脫后的峰電流很小。pH=5.5時洗脫后的峰電流最大，所以選取聚合液的pH=5.5。

2.2.3 掃描圈數(shù)

三電極系統(tǒng)置于聚合溶液中，選取掃描次數(shù)分別為5、10、15、20、25、30、40以及50進行CV掃描電聚，然后將聚合完后的電極進行洗脫后置于K3[Fe(CN)6]探針溶液中進行掃描，峰電流大小如圖4所示。由圖可見，曲線顯示當聚合圈數(shù)為5和10時，洗脫后的峰電流很大?？赡苁钱斁酆祥_始時形成的聚合膜很薄很不穩(wěn)定，洗脫的過程中，聚合膜會被破壞掉，所以峰電流和裸電極差別不大。當聚合圈數(shù)從10增加到20時，膜變得越來越穩(wěn)定、越來越厚，所以峰電流呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。當圈數(shù)由20增加至30時，峰電流相應(yīng)增加，是因為隨聚合圈數(shù)的增多聚合到電極上的模板分子越來越多，洗脫后留下的空穴也越來越多，所以峰電流會逐漸升高。但是，當圈數(shù)再增加時，聚合膜已經(jīng)變得很厚很致密，導(dǎo)致很難將模板分子洗脫下來，峰電流又逐漸減小，所以選擇聚合圈數(shù)為30圈。

圖4 不同聚合圈數(shù)洗脫后的電流值

2.2.4 洗脫方法及洗脫液

實驗考察了兩種洗脫方法，即浸泡法和電洗脫法，洗脫后的峰電流如表1所示。

表1 洗脫后的電流值

由表1可以看出，兩種方法中電誘導(dǎo)洗脫的方式洗脫效果更好，這種方法以硫酸-甲醇作為洗脫劑時洗脫效果最好。這是因為磺胺嘧啶和鄰氨基苯酚之間采用氫鍵相連，磺胺嘧啶可以在硫酸溶液中穩(wěn)定存在，而硫酸-甲醇組成的洗脫液比其它洗脫液更容易破壞兩者之間的氫鍵，所以洗脫效果最佳。

2.2.5 誘導(dǎo)電位以及洗脫時間

將聚合后的電極分別置于洗脫液中，采用恒定電位為200 mV、100 mV、-100 mV、-200 mV以及-300 mV的電位進行電誘導(dǎo)洗脫，洗脫后將電極置于探針溶液中進行CV掃描，結(jié)果如表2所示。

表2 不同誘導(dǎo)電位洗脫后的電流值

圖5 不同洗脫時間的峰電流曲線

由表2可以看出，當對電極施加200 mV電位時洗脫效果很不理想，隨著電位減小直到負電位過程中洗脫效果越來越好。當電位為-300 mV時峰電流急劇變大，接近于裸電極，說明此時印跡膜已被破壞，所以選取洗脫電位為-200 mV。然后將電極置于洗脫液中在恒定電位為-200 mV的條件下探究洗脫時間對洗脫效果的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖可見，隨著洗脫時間的延長峰電流逐漸變大，8分鐘以后峰電流變化趨勢趨于平緩，說明洗脫8分鐘就可以將聚合于電極表面的SD-Na分子全部洗脫下來，所以選取洗脫時間為8分鐘。

2.2.6 模版分子孵化時間的選擇

將聚合洗脫后的電極置于0.05 mmol?L-1的SD-Na溶液中，浸泡一定時間后，置于K3[Fe(CN)6]探針溶液中進行CV掃描，結(jié)果如圖6所示。

圖6 電極在0.05 mmol?L-1 SD-Na溶液中吸附時間與電流值的關(guān)系曲線

由圖6可見，隨著浸泡時間的增加，電極的峰電流值逐漸變小。因為隨著浸泡時間的增加吸附于分子印跡電極上的SD-Na分子越來越多，空穴越來越少，導(dǎo)致探針分子越來越難在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)。7分鐘時峰電流不再發(fā)生變化，峰電流降到最小值，說明此時SD-Na分子已經(jīng)將電極上的空穴填滿達到飽和，所以選取孵化時間為7分鐘。

2.3 線性范圍和檢出限

在優(yōu)化的最佳實驗條件下，將電極聚合洗脫后置于K3[Fe(CN)6]探針溶液中采用差分脈沖法對電極進行掃描，此電流值記作0，然后將電極置于一系列的SD-Na溶液中浸泡7分鐘，再置于探針溶液中用差分脈沖法進行測定，此時的電流值記作1，將兩次的電流值做差得到Δ=0-1，每次浸泡測量電流值后都要進行洗脫以后再進行下一次的浸泡測量，如此重復(fù)測量所有配制的SD-Na溶液的洗脫后和浸泡后的電流差值，然后將Δ和-lg作圖得到關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖可見，在3.2×10-8～1.3×10-4mol?L-1范圍內(nèi)SD-Na溶液的響應(yīng)信號與其濃度間的線性關(guān)系

=1.92 lg+33.15，2=0.991 5，

檢出限為2.0×10-9mol?L-1（S/N=3），靈敏度為1.92 μA（mol?L-1)-1，該結(jié)果要優(yōu)于文獻[7]。

圖7 濃度與峰電流的關(guān)系曲線

2.4 傳感器的性能

2.4.1 傳感器的選擇性

圖8 印跡電極在不同溶液中濃度與響應(yīng)值的關(guān)系曲線

選取SD-Na分子的結(jié)構(gòu)類似物磺胺二甲基嘧啶（SM2）和磺胺甲噁唑（SMZ）作對比。分別配制0.032 μmol?L-1、0.128 μmol?L-1、0.512 μmol?L-1、2.048 μmol?L-1和8.192 μmol?L-1的5個濃度的磺胺嘧啶鈉、磺胺二甲嘧啶和磺胺甲噁唑溶液，在最佳實驗條件下，按2.3的方法進行測試，結(jié)果如圖8所示。由圖可見，電極對SD-Na溶液的響應(yīng)值明顯高于另外兩種溶液，表明磺胺二甲基嘧啶和磺胺甲惡唑不影響電極對SD-Na的測定，可見該電極對模版分子SD-Na具有很好的選擇性。

2.4.2 傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

配制0.128 μmol?L-1的SD-Na溶液，將洗脫后的電極置于此溶液中浸泡7分鐘，用差分脈沖法測量洗脫后以及浸泡后的電流差值，將此電極在此溶液中如此循環(huán)測量8次，數(shù)據(jù)列于表3。

表3 電極重現(xiàn)性的測量數(shù)據(jù)

由表可見，8次測定結(jié)果的相對標準偏差（RSD）為1.01%，說明此傳感器的重現(xiàn)性良好。將此電極放置一周后，在相同條件下再次測量，響應(yīng)信號降為原來的93.0%，第二周后響應(yīng)信號為原來的92.5%。

2.4.3 回收率

表4 實際樣品回收率測定

取市售的豬肉（肉泥）、雞肉（肉泥）和牛奶各2 g于10 mL的離心管中，各加入5 mL的乙腈提取液，將離心管置于超聲清洗儀中超聲震蕩20 min后將離心管轉(zhuǎn)移至離心機中，以4 000 r?s-1的轉(zhuǎn)速離心15分鐘后將上清液分離出來，再于剩余的殘渣中繼續(xù)加入5 mL乙腈重復(fù)提取一次，合并兩次的上清液待用。在最佳實驗條件下將上述三種樣品的提取液進行加標測定[8-9]。將洗脫后的電極置于加標溶液中浸泡7分鐘，再將電極置于K3[Fe(CN)6]探針溶液中采用差分脈沖法進行掃描，測出洗脫后及浸泡后的電流差值，計算回收率。每種濃度的溶液平行測定3次，結(jié)果如表4所示。由表可見，樣品的平均回收率在96.2%～100.7%，說明此傳感器的準確度良好。

3 結(jié)論

本文用石墨烯分散液來修飾玻碳電極極大增強了傳感器的響應(yīng)信號，以鄰氨基苯酚為功能單體，通過其與模板分子磺胺嘧啶的相互作用，采用電聚合方式將模板分子成功地修飾到電極表面，制備出了磺胺嘧啶分子印跡電化學(xué)傳感器，實現(xiàn)了傳感器對模板分子的特異性識別功能。該電極的靈敏度高、抗干擾性強、使用壽命長，能夠?qū)⑵溆糜趯前粪奏さ臏y定。

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Prepartion and Characterization of Molecularly Imprinted Electrochemical Sensor Based on Graphene for Sulfadiazine

ZHAI Jiang-li, ZHANG Yao-yao, ZHOU Chong, WANG Yan-hong, LI Qing-qing, DENG Bei-bei

(Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

Based on graphene modified electrode, sulfadiazine Molecularly Imprinted Electrochemical sensor was prepared. Using Oaminophenol as a functional monomer and SD-Na as a template, synthesis of SD-Na polymer film by electropolymerization. The experimental conditions and the performance of the sensor were studied by cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. The concentration of SD-Na showed good linear relationships with the response peak current in the range of 3.2×10-8~1.3×10-4mol·L-1, with correlation coefficients of2＝0.991 5, the limits of detection for SD-Na was 2.0×10-9mol?L-1(S/N＝3). The sensor exhibits good selectivity, reproducibility and stability. The developed method is applied to determination of sulfadiazine in meat, milk and other samples with recoveries of 96.2%~100.7%.

graphene; sulfadiazine; electrochemical sensor; molecular imprint

O657.1

A

1009-9115(2018)06-0025-06

10.3969/j.issn.1009-9115.2018.06.005

唐山師范學(xué)院科學(xué)研究基金項目（2017C05）

2018-06-06

2018-08-24

翟江麗（1981-），女，河北唐山人，碩士，講師，研究方向為分析化學(xué)。

（責(zé)任編輯、校對：琚行松）