沈樂逸,王明石,武才歡,吳萬成,李巍巍

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生態(tài)健康學(xué)院,浙江 杭州 310018)

鄰苯二甲酸酯(Phthalate Esters,PAEs)是一類人工合成的有機(jī)化合物,包括鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)等。其中DNOP是最重要的品種,常作為增塑劑和軟化劑應(yīng)用于塑料工業(yè),進(jìn)而遷移進(jìn)入環(huán)境中。該類物質(zhì)會干擾神經(jīng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的正常調(diào)節(jié),導(dǎo)致心血管、肝臟和內(nèi)分泌等疾病,危害人體健康。為此環(huán)境及食品中鄰苯二甲酸酯含量的檢測對保障生命健康至關(guān)重要[1]。

鄰苯二甲酸酯常用的檢測方法有分光光度法(UV)、高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、氣/質(zhì)聯(lián)用(GC/MS)、電化學(xué)分析法和新起的快速檢測法如熒光、膠體金顯色、化學(xué)發(fā)光和增強(qiáng)拉曼光譜法。傳統(tǒng)分析方法普遍存在樣品預(yù)處理繁瑣、需使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、檢測時間長和操作不便等缺點(diǎn)。因此建立一種快速、靈敏、簡單地對環(huán)境中鄰苯二甲酸酯的檢測方法研究具有重要意義[2-3]。

分子印跡聚合物(Molecular Imprinted Polymers,MIPs)是一類新穎的樣品富集材料。通常采用模板分子(Template Molecular)和功能單體(Functional Monomer)通過共價、非共價鍵相互作用,形成某種特定類型配合物;然后聚合反應(yīng)得到聚合物,再用適當(dāng)?shù)娜軇⒛０宸肿酉疵?。所得聚合物結(jié)合特異性的結(jié)構(gòu)點(diǎn)位,對模板分子的結(jié)構(gòu)空間、分子大小、官能團(tuán)等具有記憶能力,這樣就可以根據(jù)模板預(yù)定的分子或離子選擇性和高度識別性進(jìn)行特定分子或離子的識別。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于分子或離子的分離萃取、分析色譜和電化學(xué)分析等領(lǐng)域,發(fā)展趨勢良好[4-5]。

分子印跡電化學(xué)傳感器將分子印跡技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合,采用選擇性和識別性能高,實用性能強(qiáng)的分子印跡聚合物作為傳感器識別元件的敏感元件。該技術(shù)利用表面分子印跡,避免傳統(tǒng)MIPs存在的模板分子容易泄露的問題,有效降低干擾物等的影響,實現(xiàn)對目標(biāo)分子的高效快速分析。

石墨烯是一種新材料,特點(diǎn)是具有特別大的比表面積、快的電子傳遞速度、高導(dǎo)電性和優(yōu)良的生物相容性,已經(jīng)在電化學(xué)和新材料等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯片層之間存在較強(qiáng)的范德華力,容易團(tuán)聚,造成石墨烯應(yīng)用困難。常規(guī)石墨烯修飾電極的方法為表面涂載,該法修飾的石墨烯容易脫落,石墨烯層厚難控制度,影響傳感器的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性[6]。

Pan等[7]將磁性Fe3O4粒子與MIP進(jìn)行結(jié)合,制備合成的磁性分子印跡聚合物,成功用于水樣中2,4-DCP的檢測。王雅群等[8]采用表面分子印跡技術(shù)合成對四環(huán)素類抗生素具有特異性吸附性能的Fe3O4@SiO2@MIP核殼型納米復(fù)合材料,經(jīng)磁分離固相萃取-高效液相色譜(MSPE-HPLC)技術(shù),同時測定樣品中3種四環(huán)素類抗生素的殘留。肖海梅等[9]以磁性氧化石墨烯/MIL-101(Cr)復(fù)合材料為載體,以Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)為模板,多巴胺為功能單體,采用表面印跡技術(shù)成功制備一種對Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)具有高選擇吸附性能的磁性離子印跡聚合物。吸附動力學(xué)表明該磁性離子印跡聚合物對模板離子具有較快的吸附速率。

龍芳等[10]以多巴胺為單體,通過電聚合方法在磁性石墨烯修飾碳電極表面研制一種對4-OP具有高靈敏和高選擇性的磁性印跡電化學(xué)傳感器,可應(yīng)用于自來水、雨水和湖水等實際樣品中4-OP的檢測。于壯壯等[11]以四環(huán)素為模板分子,4-氨基苯硫酚(4-ATP)為功能單體,在金納米粒子和石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合材料修飾的玻碳電極表面電聚合分子印跡膜,制備四環(huán)素(TC)分子印跡傳感器(MIPs/GQDs-AuNPs/GCE),該傳感器對四環(huán)素具有良好的電流響應(yīng)。

本項目研究制備磁性Fe3O4納米粒子摻雜石墨烯復(fù)合物,利用表面分子印跡技術(shù)與石墨烯復(fù)合材料相結(jié)合,通過電聚合技術(shù)構(gòu)建鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)分子印跡電化學(xué)傳感器,實現(xiàn)水環(huán)境中的DNOP快速響應(yīng)及高選擇性、高靈敏檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

石墨粉、鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二正辛酯和鹽酸多巴胺購自阿拉丁試劑有限公司,所有試劑均為分析純,實驗用水為超純水。

V3型電化學(xué)工作站(美國普林斯頓公司);高效液相色譜儀(美國Agilent 1200);氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Agilent6890-5973);超純水機(jī)(美國Millipore Direct-Q3);紫外-可見分光光度計(日本島津UV-1800)。

1.2 磁性石墨烯制備

采用改良的Hummer’s法制備氧化石墨烯(GO),然后采用熱溶劑法制備磁性石墨烯復(fù)合物。將8 g石墨粉和4 g KNO3混合,緩慢加入到120 mL濃硫酸的燒杯中,冰水浴控溫,同時調(diào)節(jié)攪拌速度,均勻攪拌30 min。分批緩慢向濃硫酸加入12 g KMnO4,同時避免反應(yīng)過于劇烈,始終讓體系完全處于冰水浴條件下,攪拌2 h。為了保證過程充分氧化,把上述燒杯放入40 ℃恒溫水浴鍋,保溫24 h。氧化結(jié)束,依次加入500 mL超純水和30 mL H2O2,攪拌均勻,放置4 h,超純水洗滌沉淀至中性,真空干燥制得GO。

氮?dú)獗Ｗo(hù)下,在四口圓底燒瓶中,將氧化石墨烯(100 mg)、FeCl2(200 mg)和FeCl3(300 mg)溶于200 mL蒸餾水中。緩慢滴加1 mol/L NaOH溶液,溶液的pH值至大于12。然后將混合物置于水浴恒溫鍋中加熱至80 ℃,機(jī)械攪拌1 h。反應(yīng)完畢,繼續(xù)通氮?dú)庵敝练磻?yīng)體系冷卻至室溫。將冷卻后的懸濁液倒入離心管中,10 000 r/min的離心機(jī)下離心10 min。得到的下層沉淀物即為磁性氧化石墨烯。

1.3 分子印跡電化學(xué)傳感器的制備

打磨拋光碳片,然后蒸餾水超聲清洗,干燥備用。使用電沉積技術(shù),將電極插入磁性氧化石墨烯分散體系中,在0～0.5 V掃描電位,以0.025 V/s速度循環(huán)掃描直到穩(wěn)定,得磁性石墨烯修飾電極。

將100 mg鄰苯二甲酸二正辛酯溶于30 mL乙醇中,加入5 mmol多巴胺,混合溶解。采用三電極體系,即采用Pt電極為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極,磁性石墨烯修飾電極為工作電極,利用多巴胺可自聚成膜且對基底極強(qiáng)的結(jié)合力,通過電聚合技術(shù)將DNOP直接印跡至磁性石墨烯修飾電極表面,制備DNOP分子印跡電化學(xué)傳感器。制備后的電極用乙腈∶乙酸溶液[V(乙腈)∶V(乙酸)=8∶2]浸泡30 min,去除模板分子。紫外光譜檢測無DNOP殘留。干燥即得磁性石墨烯修飾鄰苯二甲酸酯電化學(xué)傳感器。利用同樣方法,不加DNOP,制得非印跡磁性石墨烯修飾電化學(xué)傳感器。

1.4 電化學(xué)測試

使用V3型電化學(xué)工作站,采用三電極體系,將磁性石墨烯修飾鄰苯二甲酸酯電化學(xué)傳感器置于含有5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl的混合溶液中,進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)和電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試(掃描電位為-0.2～0.8 V,掃描速率為0.05 V/s)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同掃描速率對DNOP電極制備的影響

將修飾電極插入5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl的混合溶液中,采用循環(huán)伏安法(掃描電位為-0.2～0.8 V,掃描速率分別為0.01,0.025,0.05,0.1,0.2和0.4 V/s)分別進(jìn)行檢測,得到循環(huán)伏安曲線圖。研究發(fā)現(xiàn)隨著增加循環(huán)掃描的次數(shù),響應(yīng)峰電流逐漸下降?？梢酝茰y在電極制備過程中,DNOP模板分子被聚合物包裹并逐漸沉積在電極原位。并且隨著掃描次數(shù)的增加,電流減少到最后趨于穩(wěn)定,說明DNOP模板分子已成功修飾至電極表面。研究表明,過快的掃描,會導(dǎo)致電極表面膜粗糙,形狀不規(guī)則。而較慢的掃描速度和較多的循環(huán)次數(shù),結(jié)果造成膜過于致密。通過試驗得出最佳條件掃描電位是0～0.5 V,以0.025 V/s速度掃描12圈。這樣制得的DNOP電極穩(wěn)定性高,膜層厚度均勻,形態(tài)良好。

2.2 吸附時間對傳感器響應(yīng)的影響

不同的傳感器響應(yīng)時間差異大,為此研究了吸附時間對傳感器的影響。將制備好的傳感器插入500 nmol/L DNOP溶液中,采用循環(huán)伏安法來檢測目標(biāo)分子DNOP的電化學(xué)響應(yīng),每2 min記錄MIPs膜吸附DNOP前后對應(yīng)氧化峰的電流變化(ΔI),并作出ΔI與對應(yīng)DNOP濃度的關(guān)系曲線,結(jié)果如圖1所示?？梢缘贸?在0～10 min內(nèi),響應(yīng)電流逐漸增大,并在12 min后趨于穩(wěn)定。因此DNOP分子印跡電化學(xué)傳感器最佳吸附時間是12 min。

2.3 電化學(xué)分子印跡膜選擇性

配制5～100 μmol/L濃度系列的DNOP及鄰苯二甲酸酯干擾物DMP、DEP、DBP溶液,采用高靈敏度的DPV法分別用修飾膜印跡電極進(jìn)行樣品檢測。檢測液為5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl,吸附時間為12 min。所得峰電流變化值與對應(yīng)濃度關(guān)系如圖2所示。由圖2可知,分子印跡電化學(xué)傳感器對DNOP響應(yīng)電流值明顯高于其他鄰苯二甲酸酯干擾物,而相似物DMP、DEP、DBP只具有微弱的電流響應(yīng)。說明DNOP印跡膜電極空穴結(jié)構(gòu)具有的識別位點(diǎn),能夠與DNOP特異性吸附結(jié)合,從而表現(xiàn)出良好的選擇性。該電化學(xué)分子印跡膜和非印跡磁性石墨烯修飾電化學(xué)傳感器均表現(xiàn)對其他鄰苯二甲酸酯分子結(jié)合能力差,推測為物理吸附,這樣響應(yīng)電流就較小。綜合表現(xiàn)電化學(xué)分子印跡膜對DNOP具有高度識別性。

圖2 電化學(xué)分子印跡膜選擇性

2.4 傳感器性能研究

使用差分脈沖伏安法,對10～1 000 nmol/L濃度系列的DNOP溶液,使用分子印跡修飾電極進(jìn)行檢測。結(jié)果表明,隨著待測標(biāo)準(zhǔn)溶液中DNOP濃度的增加,分子印跡傳感器的DNOP響應(yīng)電流值(ΔI)也隨之增大。其中,在5×10-9～1×10-6mol/L濃度范圍內(nèi),DNOP濃度與響應(yīng)電流值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,見圖3。其線性方程為I(μA)=6.164 8+0.022 5c(nmol/L),相關(guān)系數(shù)R2=0.999 1,檢出限為0.635 nmol/L(S/N=3)。與常規(guī)分光光度法、高效液相色譜等檢測方法相比,本實驗研制的印跡傳感器具有低檢出限和高靈敏度。原因在于磁性石墨烯修飾鄰苯二甲酸酯電化學(xué)傳感器協(xié)調(diào)作用,增加MIPs對印跡分子的特異性識別能力作用。

圖3 DNOP濃度與峰電流差線性方程

使用最佳實驗條件,用電化學(xué)傳感器連續(xù)重復(fù)測定同一DNOP溶液10次,其峰電流的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.68%,說明分子印跡修飾電極有比較好的重現(xiàn)性;分子印跡修飾電極在實驗室存儲30 d后,使用最佳實驗條件測定同一DNOP溶液,發(fā)現(xiàn)電極性能基本不變,表明修飾電極較好穩(wěn)定性。

2.5 磁性石墨烯修飾印跡傳感器應(yīng)用于實際水樣分析

為了研究修飾電極實用價值,測試了分子印跡傳感器用于環(huán)境樣品校園湖水中DNOP的檢測。環(huán)境樣品處理過程如下:先將水樣離心,初步除去顆粒物,再用0.22 μm濾膜過濾,加入一定濃度的DNOP標(biāo)準(zhǔn)溶液獲得所需檢測液。循環(huán)伏安法掃描后,通過方程計算得到加標(biāo)回收實驗結(jié)果見表1,DNOP回收率為93.9%～105.2%,平行實驗間的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.8%～2.6%,均小于5%,說明本實驗方法有較高的準(zhǔn)確性。同時本檢測方法綠色簡便,無需有機(jī)溶劑前處理,減少試劑消耗、工作量和溶劑環(huán)境污染,該方法應(yīng)用前景廣泛。

表1 水樣中DNOP的加標(biāo)回收率(n=5)

3 結(jié)論

1)針對水環(huán)境中鄰苯二甲酸酯的檢測,開發(fā)磁性分子印跡電化學(xué)檢測器,解決目前檢測方法中樣品選擇性較差、吸附容量低、重復(fù)使用率低、溶劑量大、污染環(huán)境等缺點(diǎn)。

2)以DNOP為模板分子,多巴胺為聚合單體,采用電聚合技術(shù)將DNOP印跡至磁性石墨烯修飾電極表面,制備DNOP分子印跡電化學(xué)傳感器。最佳條件掃描電位是0～0.5 V,以0.025 V/s速度掃描12圈。

3)電化學(xué)研究表明,在5×10-9～1×10-6mol/L濃度范圍內(nèi),DNOP濃度與響應(yīng)電流值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。其線性方程為I(μA)=6.164 8+0.022 5c(nmol/L),相關(guān)系數(shù)R2=0.999 1,檢出限為0.635 nmol/L(S/N=3)。最佳吸附時間12 min。

4)分子印跡傳感器用于環(huán)境樣品校園湖水中DNOP的檢測,回收率為93.9%～105.2%,RSD為1.8%～2.6%,方法準(zhǔn)確性高。