莠去津分子印跡聚合物的合成及其在低檢出限離子選擇性電極中的應(yīng)用研究

高 奇，梁榮寧，秦 偉

（1.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所 中國科學(xué)院及山東省海岸帶環(huán)境過程重點(diǎn)實驗室，山東煙臺264003；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

均三嗪類除草劑莠去津又名阿特拉津，是目前產(chǎn)量最大的除草劑［1］。但莠去津具有類雌激素作用，可造成人類或動物染色體變異、生育率下降及后代發(fā)育畸形等嚴(yán)重后果［2－3］。隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，環(huán)境樣品中經(jīng)常有高濃度的莠去津被檢出［4］，因此開發(fā)環(huán)境樣品中莠去津的檢測方法具有重要的現(xiàn)實意義。

莠去津的測定方法主要有氣相色譜法（GC）［5］、高效液相色譜法（HPLC）［6］和免疫分析法（IA）［7－8］等。近年來，化學(xué)傳感器因操作簡單、攜帶方便、檢測快速，受到了廣泛關(guān)注。離子選擇性電極（ISE）是一類重要的化學(xué)傳感器，具有靈敏度高、選擇性好、操作簡單、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)分析、臨床化驗等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［9－11］。1997年，Pretsch等首次構(gòu)建了低檢出限聚合物膜離子選擇性電極，將離子選擇性電極的檢出限較傳統(tǒng)電極降低了6個數(shù)量級，達(dá)到10－12mol·L－1，掀起了低檢出限離子選擇性電極研究的新熱潮［12］。

分子印跡聚合物（MIP）是以特定目標(biāo)分子為模板，基于主客體相互作用而合成的對模板分子具有特異性識別能力的新型功能材料，具有選擇性高、穩(wěn)定性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［13－14］，是離子選擇性電極用于復(fù)雜基體檢測的理想離子載體。分子印跡電位法檢測莠去津已有報道，檢出限大多在10－5mol·L－1數(shù)量級左右［15］。作者利用分子印跡聚合物模板殘余的特點(diǎn)［16］，構(gòu)建了低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極，實現(xiàn)了對莠去津的高靈敏電位檢測。

1 實驗

1.1 原藥、試劑與儀器

莠去津原藥，山東濱農(nóng)科技有限公司。

α－甲基丙烯酸（MAA）、乙二醇雙甲基丙烯酸酯（EGDMA）、2，2′－偶氮二異丁腈（AIBN），Aldrich；高分子量聚氯乙烯（PVC）、鄰硝基苯辛醚（o－NPOE）、癸二酸二正辛酯（DOS）、鄰苯二甲酸二正辛酯（DOP）、四［3，5－二（三氟甲基）苯基］硼酸鈉（NaTFPB），Sigma－Aldrich公司；氯仿、甲醇、四氫呋喃（THF），上海國藥試劑有限公司；實驗用水為二次去離子水（18.2 MΩ·cm），Pall Cascada。MAA、EGDMA以及THF使用前真空蒸餾，其余試劑（均為分析純）直接使用。

0.001 mol·L－1的莠去津（pKa＝1.7）溶液用0.01mol·L－1HCl溶液配制，以保證溶液中莠去津以陽離子形式存在；其余濃度莠去津溶液均用0.01 mol·L－1HCl溶液逐級稀釋得到。

PXSJ－216型離子計，雷磁，上海精科；S－4800型冷場發(fā)射掃描電鏡，日本日立公司；DU－800型紫外可見分光光度計，美國Beckman公司；A20－315型恒濕干燥箱，昆山高強(qiáng)工業(yè)設(shè)備有限公司。

1.2 莠去津分子印跡聚合物的合成

首先量取2.17mmol莠去津和8.68mmol MAA溶于30mL乙腈中，避光放置1h；然后加入56.6 mmol EGDMA和130mg AIBN，通氮?dú)?0min以除去反應(yīng)溶液中的氧氣；最后將反應(yīng)容器在氮?dú)夥諊旅芊?，先?5℃油浴反應(yīng)0.5h，再在70℃油浴反應(yīng)24h。將所得到的白色固體顆粒分別用甲醇－乙酸（8∶2，體積比）和甲醇洗3次，即得莠去津分子印跡聚合物。

莠去津非分子印跡聚合物（NIP）的制備：除不加莠去津模板分子外，其余過程均相同。

1.3 低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極的制備

離子選擇性電極膜由離子載體（MIP或NIP）、親酯性陽離子交換劑（NaTFPB）、增塑劑（o－NPOE）和膜基體（PVC）制成。取5.4mg NaTFPB、27.36mg MIP或NIP、218.16mg o－NPOE和109.08mg PVC，溶于3.5mL THF中，攪拌4h。將澄清溶液倒入直徑為3.6cm的玻璃圓環(huán)中，室溫恒濕（18%）放置12h，得到莠去津分子印跡聚合物敏感膜。將所得敏感膜用打孔器切割成直徑為9mm的圓形切片，并用THF粘到PVC管頂端。電極內(nèi)充液和活化液均為0.01mol·L－1NaCl溶液，使用前活化36h。

1.4 電位檢測

以離子選擇性電極為指示電極、雙液接飽和甘汞電極為參比電極（0.1mol·L－1LiOAc溶液為鹽橋電解質(zhì)），利用離子計記錄所測電極電位。電位測定的原電池結(jié)構(gòu)如下：HgCl2，Hg｜KCl飽和溶液｜0.1mol ·L－1LiOAc溶液｜樣品溶液｜聚合物膜｜內(nèi)充液｜Ag，AgCl（3mol·L－1KCl）。

利用Debye－Hückel和Henderson公式對離子活度和液接電位進(jìn)行校正。

1.5 殘余莠去津含量測定

1.5.1 洗脫后分子印跡聚合物中殘余莠去津含量的測定

取100mg洗脫后的莠去津分子印跡聚合物，加入10mL甲醇中振蕩24h，60℃氮吹濃縮至1mL，采用HPLC法檢測洗脫后的分子印跡聚合物中殘余莠去津含量。

1.5.2 電極內(nèi)充液中莠去津含量的測定

取已活化好的電極內(nèi)充液10mL，用10mL二氯甲烷分2次萃取，合并萃取液。氮吹濃縮至干，用0.2 mL甲醇復(fù)溶，采用HPLC法分析莠去津含量（色譜條件參考國標(biāo)HJ 587－2010）。

2 結(jié)果與討論

2.1 莠去津分子印跡聚合物合成機(jī)理與表征

莠去津分子印跡聚合物的合成采用沉淀聚合法，其合成步驟如圖1所示。

圖1 莠去津分子印跡聚合物合成示意圖Fig.1 Synthetic diagram of atrazine MIP

莠去津與MAA通過非共價作用形成配合物，該配合物在交聯(lián)劑和引發(fā)劑的存在下通過熱引發(fā)自由基聚合反應(yīng)形成高交聯(lián)的剛性聚合物。聚合完成后，利用洗脫劑將目標(biāo)分子從聚合物體系中洗脫出來，從而形成與模板分子大小和形狀相匹配的立體空穴。這些空穴包含有精確排列的、與模板分子官能團(tuán)互補(bǔ)的功能基團(tuán)，即形成了對原模板具有特定識別能力的分子印跡聚合物。

采用掃描電子顯微鏡對所合成的莠去津分子印跡聚合物（MIP）和非分子印跡聚合物（NIP）顆粒的表觀形貌進(jìn)行表征，結(jié)果見圖2。

圖2 莠去津分子印跡聚合物（a）和非分子印跡聚合物（b）的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM Images of atrazine MIP（a）and atrazine NIP（b）

由圖2可知，莠去津分子印跡聚合物顆粒結(jié)構(gòu)粗糙、比表面積大，有利于分子識別的進(jìn)行；莠去津非分子印跡聚合物顆粒表觀形貌與莠去津分子印跡聚合物顆粒相似。

采用紅外光譜法對模板洗脫前后的莠去津分子印跡聚合物、莠去津非分子印跡聚合物進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。

圖3 莠去津分子印跡聚合物和非分子印跡聚合物的紅外吸收光譜Fig.3 Infrared absorption spectra of atrazine MIP and atrazine NIP

由圖3可知，3條譜線的主要吸收峰基本吻合，其中3 439cm－1處為MAA中O－H伸縮振動峰、2 990 cm－1處為飽和C－H的特征伸縮振動峰，1 160cm－1、1 637cm－1和1 730cm－1處分別為EGDMA的C－O－C、C＝C和C＝O伸縮振動峰。另外，莠去津分子印跡聚合物洗脫前在1 580cm－1處出現(xiàn)了莠去津的C＝N伸縮振動峰；而洗脫后此峰不明顯，表明莠去津模板分子已基本被洗脫。

進(jìn)一步采用HPLC法測得洗脫后莠去津分子印跡聚合物中殘余莠去津含量為2pmol·mg－1。

2.2 電極膜組分優(yōu)化

離子選擇性電極聚合物膜由MIP、NaTFPB、o－NPOE和PVC 4組分制成。其中：MIP為選擇性識別莠去津離子的離子載體；NaTFPB是陽離子交換劑，提供陰離子位點(diǎn)，通過異相電荷靜電吸引作用提高電極膜對待測離子的響應(yīng)；o－NPOE為增塑劑，可使離子載體與離子位點(diǎn)在膜中均勻分散，并促進(jìn)膜內(nèi)的離子遷移；PVC是高分子量的聚氯乙烯，構(gòu)成膜的基體部分，使有機(jī)液態(tài)膜具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。

考察電極膜組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）對電極響應(yīng)性能的影響，結(jié)果見表1。

表1 電極膜組成對莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極響應(yīng)性能的影響Tab.1 Effect of membrane constituents of the atrazine MIP－based ISE on its potential responsive performance

由表1可知，隨著電極膜中NaTFPB含量的增加，電極線性響應(yīng)范圍逐漸變寬；然而當(dāng)其含量超過1.5%時，電極的線性響應(yīng)范圍變窄。這可能是由于陰離子位點(diǎn)過多導(dǎo)致陽離子交換劑與陽離子之間的靜電作用加強(qiáng)，離子載體不能很好地發(fā)揮選擇性識別作用，導(dǎo)致電極的選擇性降低。隨著MIP含量的增加，電極的響應(yīng)線性范圍變寬；然而，當(dāng)其含量超過7.6%時，難以在有機(jī)膜相中完全分散，導(dǎo)致電極膜阻抗增加、電極響應(yīng)性能變差。此外，極性增塑劑o－NPOE（εr＝24）與非極性增塑劑DOS（εr＝4.8）或DOP（εr＝5.0）相比，電極的線性響應(yīng)范圍更寬、檢出限更低，原因可能是極性環(huán)境更利于作為離子載體的MIP發(fā)揮選擇性識別作用。綜上，最佳電極膜組成為：PVC 30.1%、o－NPOE 60.8%、NaTFPB 1.5%、MIP 7.6%。

2.3 活化條件的影響

傳統(tǒng)聚合物膜離子選擇性電極的檢出限一般都在微摩爾數(shù)量級，這是由于內(nèi)充液中主離子濃度較高而待測樣品溶液中主離子濃度較低，因而在內(nèi)充液與樣品溶液之間存在一定的濃度梯度，該濃度梯度的存在使得主離子通過電極膜相向樣品相擴(kuò)散，即產(chǎn)生所謂的主離子通量。這使得電極膜與液相界面層中主離子濃度較樣品相高出微摩爾數(shù)量級，在此情況下，樣品溶液中有低于微摩爾數(shù)量級的主離子存在時就難以被離子選擇性電極檢測出來。研究表明，減小膜內(nèi)側(cè)的主離子濃度可以顯著降低上述主離子通量從而降低電極檢出限［12，17－18］。本研究擬以低濃度的主離子溶液取代傳統(tǒng)高濃度的主離子溶液作為內(nèi)充液，構(gòu)建低檢出限聚合物膜離子選擇性電極。同時，考慮到作為載體的分子印跡聚合物具有模板殘余的特點(diǎn)，因而內(nèi)充液中不直接添加主離子，而是利用分子印跡聚合物釋放到內(nèi)充液中的低濃度主離子來降低內(nèi)充液主離子濃度。

比較不同內(nèi)充液對莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極響應(yīng)性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 內(nèi)充液對莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極響應(yīng)性能的影響Fig.4 Effect of inner filling solution on the potential responsive performance of the atrazine MIP－based ISE

由圖4可知，電極b和c與含有高濃度莠去津離子的電極a相比，能斯特線性響應(yīng)范圍更寬且檢出限更低，原因可能是由于高濃度內(nèi)充液的存在導(dǎo)致膜相進(jìn)入試液相的離子通量的產(chǎn)生，此離子通量的存在使得電極檢出限難以降低。另外，需要指出的是采用酸性內(nèi)充液的電極b的響應(yīng)性能較采用中性內(nèi)充液的電極c略差。這可能是由于，莠去津pKa值約為1.7，在酸性條件下分子印跡聚合物釋放的莠去津量增加，從而導(dǎo)致內(nèi)充液中莠去津離子濃度增大，進(jìn)而影響到電極檢出限。

進(jìn)一步采用液相色譜法測定電極內(nèi)充液中莠去津含量，發(fā)現(xiàn)電極內(nèi)充液為0.01mol·L－1NaCl溶液時其中莠去津含量為1.97×10－10mol·L－1。

2.4 電極實時響應(yīng)曲線（圖5）

圖5 低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極實時響應(yīng)曲線（內(nèi)插圖為電極電位響應(yīng)校正曲線）Fig.5 Dynamic potential response of the atrazine MIP－based ISE with a lower detection limit（Inset shows the calibration curve of the electrode）

由圖5可知，莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極對莠去津離子呈現(xiàn)出優(yōu)異的電位響應(yīng)性能。在最佳電極膜組成及適合內(nèi)充液存在下，電極的線性響應(yīng)范圍為1.0×10－7～1.0×10－3mol·L－1，能斯特響應(yīng)斜率為53.9mV·decade－1，表明莠去津呈一價陽離子響應(yīng)，這與已有文獻(xiàn)［15，19］報道一致。進(jìn)一步實驗表明電極的檢出限為1.9×10－8mol·L－1，較傳統(tǒng)電極降低了近2個數(shù)量級［15］。

2.5 電極選擇性

采用分別溶液法對電極的電位選擇性系數(shù)進(jìn)行測定［20］，結(jié)果如表2所示。

表2 低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極對干擾離子的電位選擇性系數(shù)（n＝3）Tab.2 Potentiometric selectivity coefficient for the atrazine MIP－based ISE（n＝3）

表2 低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極對干擾離子的電位選擇性系數(shù)（n＝3）Tab.2 Potentiometric selectivity coefficient for the atrazine MIP－based ISE（n＝3）

注：括號中為莠去津非分子印跡聚合物膜離子選擇性電極的選擇性系數(shù)。

干擾離子 lg KpotI，J 干擾離子 lg KpotI，J Na＋ －5.25（－4.36）Mg2＋K＋ －4.50（－3.17）H＋－7.04 Zn2＋－5.94－7.19 Ca2＋ －6.68

由表2可知，低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極對常見干擾離子具有良好的選擇性，對Na＋、K＋、H＋、Mg2＋、Zn2＋、Ca2＋的選擇性系數(shù)lg分別為－5.25、－4.50、－5.94、－7.04、－7.19和－6.68，而莠去津非分子印跡聚合物膜離子選擇性電極對Na＋、K＋的選擇性系數(shù)lg分別為－4.36和－3.17。表明，分子印跡聚合物膜電極比非分子印跡聚合物膜電極具有更高的選擇性，這也進(jìn)一步證明了分子印跡方法的有效性。

2.6 自來水樣品分析

首先將自來水樣品用HCl溶液酸化至pH＝2.0，再用低檢出限分子印跡聚合物膜電極測定其中莠去津的含量，計算加標(biāo)回收率，結(jié)果如表3所示。

表3 自來水樣品中莠去津含量的檢測Tab.3 Determination of atrazine content in tap water spiked

由表3可知，自來水樣品分析的莠去津加標(biāo)回收率為92%～105%，說明莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極具有較高的可靠性。

3 結(jié)論

構(gòu)建了一種低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極，優(yōu)化的電極膜組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為PVC 30.1%、o－NPOE 60.8%、NaTFPB 1.5%、MIP 7.6%，篩選適宜的電極內(nèi)充液為0.01mol·L－1NaCl溶液，制得的電極在1.0×10－7～1.0×10－3mol· L－1的濃度范圍內(nèi)對莠去津離子呈能斯特響應(yīng)，響應(yīng)斜率為53.9mV·decade－1，檢出限為1.9×10－8mol ·L－1。該電極具有成本低、操作簡單、響應(yīng)時間短、易于現(xiàn)場監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，可實現(xiàn)對莠去津陽離子的高靈敏度、高選擇性快速檢測，已成功用于自來水樣品中莠去津含量的檢測，在環(huán)境水質(zhì)分析方面具有良好的應(yīng)用前景。

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