印跡電化學(xué)傳感器對2,4-二氯苯氧乙酸的識別與檢測

趙 喆， 陶 溪， 方 楚， 謝祥祥， 王 寧， 闞顯文

(安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

印跡電化學(xué)傳感器對2,4-二氯苯氧乙酸的識別與檢測

趙 喆， 陶 溪， 方 楚， 謝祥祥， 王 寧， 闞顯文

(安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)為模板分子，鄰苯二胺為功能單體，采用電聚合法在玻碳電極表面合成印跡聚合物，得到印跡聚合物電化學(xué)傳感器.采用循環(huán)伏安法和差示脈沖伏安法對傳感器的性質(zhì)進行了表征.結(jié)果表明，該印跡傳感器對2,4-D表現(xiàn)出良好的特異性結(jié)合能力和識別能力，可從2,4-二氯苯酚、4-氯苯氧乙酸、苯氧乙酸、苦杏仁酸等結(jié)構(gòu)類似物中選擇性地識別模板分子.同時，該傳感器用于對2,4-D的靈敏檢測，響應(yīng)線性范圍為1.0×10-9-2.0×10-7mol/L，檢測限為1.8×10-10mol/L(S/N=3).

分子印跡聚合物；電化學(xué)傳感器；2,4-二氯苯氧乙酸；鄰苯二胺

分子印跡技術(shù)是采用人工方法合成的對模板分子有著特異性結(jié)合能力的聚合物的技術(shù).其原理為：首先，模板分子與功能單體間通過共價鍵、氫鍵、范德華力等作用力，形成復(fù)合物；然后，加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑，通過光、電、熱、化學(xué)反應(yīng)能等引發(fā)形成具有一定三維立體功能材料；最后，通過化學(xué)或物理方法把模板分子移除，留下的印跡空穴與模板分子在空間結(jié)構(gòu)、尺寸大小、官能團上互補，可以特異性結(jié)合模板分子，與自然系統(tǒng)中的生物識別系統(tǒng)類似，對模板分子具有特異性識別能力[1-6].此外，印跡聚合物還具有合成簡單，抗強酸、抗強堿、耐高溫等一系列的優(yōu)點.這些特性使得分子印跡聚合物在液相色譜法[7-8]，電色層分離法[9-10]，固相萃取法[11-12]和電化學(xué)傳感器[13-14]等方面得到了廣泛的應(yīng)用.

2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)是一種常用的除草劑，類似于生長素或其它植物生長調(diào)節(jié)劑，可刺激生長，影響植物代謝，但具有一定毒性，易殘留在植物表面，對人們的食品安全問題造成了嚴重的影響，因此，對2,4-D的分析檢測就顯得尤為重要[15-16].

電化學(xué)傳感器具有制備簡單、檢測靈敏快速等優(yōu)點，若以印跡聚合物為識別元件，將其修飾在電極表面，制備印跡電化學(xué)傳感器，必將賦予電化學(xué)傳感器很好的選擇性，并可同時實現(xiàn)對目標(biāo)分子的靈敏檢測.分子印跡聚合物電化學(xué)傳感器的制備方法，包括化學(xué)接枝[17-18]，軟光刻技術(shù)[19-20]，溶膠凝膠技術(shù)[21-23]和電聚合法[24-26]等.這些方法制備的分子印跡電化學(xué)傳感器性質(zhì)穩(wěn)定并且對模板分子具有親和性和選擇性.

本實驗中，我們將分子印跡技術(shù)和電化學(xué)傳感器相結(jié)合構(gòu)建了印跡電化學(xué)傳感器，實現(xiàn)了對2,4-D的識別和檢測，并采用循環(huán)伏安法和差示脈沖伏安法等電化學(xué)方法對制備的印跡傳感器的性質(zhì)進行了研究.

1 實驗設(shè)計

1.1試劑

1.3.1 印跡電化學(xué)傳感器的制備 鄰苯二胺(o-PD)(購于國藥化學(xué)試劑有限公司)，2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)，2,4-二氯苯酚(2,4-CA)，DL-苦杏仁酸(DL)，4-氯苯氧乙酸(4-CPA)，苯氧乙酸(PA)(以上幾種試劑均購于上海阿拉丁公司)，NaAc-HAc溶液(0.1mol/L，pH=5.2)實驗室用水均為二次蒸餾水.

1.2實驗儀器

CHI660C電化學(xué)工作站(上海辰化儀器公司 )，三電極系統(tǒng)(鉑絲電極作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極，修飾電極作為工作電極), 超聲清洗器(昆山有限公司).

1.3實驗步驟

我們制備的印跡傳感器過程如圖1所示：首先，將玻碳電極用0.30μm氧化鋁粉末進行拋光處理，并在乙醇和水中超聲清洗，在清洗過后放入[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中進行CV檢測，確定玻碳電極表面被清洗干凈；然后，將處理好的玻碳電極置入0.1mol/L pH=5.2 NaAc-HAc，5.0×10-3mol/L 2,4-D，0.02mol/L 鄰苯二胺溶液中進行電聚合電聚合；最后，將制備好的印跡傳感器放入乙醇溶液中洗脫除去模板分子.

作為對照實驗，在相同的條件制備了非印跡電化學(xué)傳感器，在聚合過程中不加入模板分子.

圖1 印跡電化學(xué)傳感器的制備示意圖Fig. 1 The schematic of preparation of molecularly imprinted electrochemical sensor.

1.3.2 電化學(xué)的測定 在本實驗中，我們用伏安法(CV)和差示脈沖伏安法(DPV)對制備的印跡傳感器進行了電化學(xué)性質(zhì)的表征.利用CV法對印跡傳感器的洗脫實驗進行研究；利用DPV法對印跡傳感器對模板分子的特異性識別、線性范圍和選擇性識別等性質(zhì)進行研究.

圖2 印跡電化學(xué)傳感器的聚合曲線Fig. 2 The CV curve of molecular imprinted polymer electrochemical sensor

2 結(jié)果與討論

2.1印跡電化學(xué)傳感器的制備

我們將清洗好的玻碳電極置入5.0×10-3mol/L 2,4-D，0.02mol/L 鄰苯二胺，0.1mol/L pH=5.2 NaAc-HAc的聚合液中進行20圈CV聚合以制備印跡電化學(xué)傳感器，電聚合曲線如圖2所示.從圖中我們可以很明顯的看出，開始掃描時，在0.33V出現(xiàn)了明顯的氧化峰，此為鄰苯二胺的氧化峰.隨著聚合圈數(shù)的增加，印跡傳感器在溶液中的峰電流越來越小，這可能是由于隨著電極表面2,4-D和鄰苯二胺的聚合，印跡聚合膜的厚度逐漸增加.而聚鄰苯二胺為非電活性物質(zhì)，隨著印跡聚合物膜的增厚，導(dǎo)電性越來越差，使得峰電流越來越小.

因2,4-D在選擇的電位窗口范圍內(nèi)不能被氧化或還原，所以我們選擇電活性探針[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-進行檢測，根據(jù)其電流變化來表征制備的印跡電化學(xué)傳感器的性能.

圖3 (A)印跡傳感器洗脫前后和 (B)非印跡傳感器洗脫前后在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中的CV曲線圖.Fig. 3 (A)the CV curves of MIP/GCE (a):before inserting in ethanol(b); (b)NIP/GCE(c)before inserting in ethanol (d)in [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- solution.

我們將聚合好的傳感器用二次水清洗后，置入乙醇溶液中，將模板分子從印跡聚合物中洗脫出來，并用CV法在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中進行電化學(xué)表征，結(jié)果如圖3.我們可以很明顯地看出，相比較洗脫前，印跡傳感器在洗脫模板分子后在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中出現(xiàn)一對明顯的氧化還原峰，而非印跡傳感器則在洗脫前后并無明顯的變化.這個原因可能是印跡傳感器上的模板分子被乙醇成功洗脫除去，從而在電極表面形成了“印跡空穴”.這使得本來很難到達電極表面的探針分子通過“印跡空穴”到達了電極的表面，因此會出現(xiàn)一對明顯的鐵氰化鉀探針的氧化還原峰.作為對照實驗的非印跡傳感器由于沒有模板分子，因此在洗脫前后并無明顯的變化.

圖4 (A)印跡傳感器在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液(a)和含有1.5×10-8mol/L 2,4-D的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液(b)中的DPV響應(yīng)圖；(B)印跡傳感器和非印跡傳感器在不同模板分子濃度條件下的Δi-c曲線圖.Fig. 4 (A)The DPV curves of MIP/GCE in blank [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- solution (a)；the DPV curves of MIP/Au/GCE in [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- solution within 1.5×10-8mol/L2,4-D (b). (B)The Δi-c curve of different concentration of template molecules.

2.2印跡傳感器的特異性結(jié)合

為了探究制備的印跡傳感器對模板分子2,4-D的特異性結(jié)合能力，我們將印跡傳感器置入含有不同濃度模板分子的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中，利用DPV法對其進行電化學(xué)表征，結(jié)果如圖4所示.由圖4A可見，當(dāng)溶液中存在1.5×10-8mol/L 2,4-D時，探針電流較無模板分子時有顯著的降低.這是由于模板分子被吸附到印跡空穴中，阻礙了探針到達電極表面，電流減小.由圖4B可見，隨著模板分子濃度逐漸增大，探針溶液的峰電流在逐漸的減小.而探針在非印跡傳感器表面的電流沒有隨模板分子濃度的改變而發(fā)生明顯變化，這是由于非印跡傳感器表面沒有印跡空穴，探針分子始終無法達到電極表面造成的.由以上實驗現(xiàn)象可以得出結(jié)論：制備的印跡傳感器對模板分子具有良好的特異性結(jié)合能力.

2.3印跡傳感器的測定

作為電化學(xué)傳感器，應(yīng)對目標(biāo)物具有靈敏的檢測能力.為此，我們將印跡傳感器置于[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中，逐次加入一定濃度的2,4-D，然后進行DPV掃描，結(jié)果如圖5所示.隨著模板分子濃度的增加，印跡傳感器在探針溶液中的峰電流逐漸減小，當(dāng)模板分子的濃度高于2.0×10-7mol/L時，印跡傳感器在鐵氰化鉀探針溶液中的峰電流基本保持不變.插圖為檢測的校正曲線，可見，在1.0×10-9-2.0×10-7mol/L范圍內(nèi)，探針電流與模板分子濃度之間具有良好的線性關(guān)系，線性方程為I/A=85.69151·C/mol·L-1，相關(guān)系數(shù)為0.998，檢測限為1.8×10-10mol/L(S/N=3).由此，我們可以看出，制備的印跡傳感器對模板分子具有良好的電流響應(yīng)，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是由于當(dāng)探針溶液中的模板分子占據(jù)了分子印跡聚合物中的印跡空穴，阻礙了傳感器的電子傳遞，導(dǎo)致了其對探針檢測電流的減小.隨著溶液中模板分子的濃度逐漸增大，被占據(jù)的印跡空穴越來越多，當(dāng)模板分子的濃度達到一定值時，傳感器對模板分子的吸附達到飽和，此時，傳感器對探針的檢測電流值保持不變.

圖5 (A)印跡電化學(xué)傳感器在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中對2,4-D的DPV響應(yīng)曲線圖(插圖為印跡電化學(xué)傳感器在1.0×10-9mol/L-2.0×10-7mol/L的校正曲線圖)Fig. 5 The DPV curves of MIP/GCE in [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-solution within different concentration of 2,4-D.(Insert is the calibration curve)

圖6 印跡傳感器的選擇性Fig. 6 Selectivity of the sensor

2.4印跡傳感器的識別能力

為了探究印跡傳感器對模板分子的選擇性識別能力，我們選取了2,4-CA、DL、4-CPA和PA四種結(jié)構(gòu)類似物進行選擇性實驗.我們在探針溶液中分別加入濃度為1.5×10-8mol/L的結(jié)構(gòu)類似物，采用DPV技術(shù)記錄探針的電流信號.經(jīng)過比較，可發(fā)現(xiàn)，印跡傳感器對模板分子2,4-D的響應(yīng)電流值最大，干擾物的電流響應(yīng)相對較小.而且，每一種物質(zhì)在非印跡傳感器表面的電流響應(yīng)均較小，充分說明我們制備的印跡傳感器對模板分子2,4-D具有良好的選擇性識別能力.

2.5印跡傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

為探究印跡傳感器的重現(xiàn)性，我們將傳感器置于模板分子濃度為1.5×10-8mol/L的探針溶液中，結(jié)合DPV掃描，記錄電流值；然后用乙醇洗脫除去結(jié)合的模板分子，再置于模板分子的探針溶液中結(jié)合并檢測電流值.如此反復(fù)，進行了20次DPV檢測并比較了每次印跡傳感器對模板分子的響應(yīng)電流值.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我們制備的印跡傳感器對相同濃度的模板分子檢測的響應(yīng)電流值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.87%.在印跡傳感器對模板分子檢測的穩(wěn)定性實驗中，我們采用不同時間間隔(1天、5天、10天、30天)用印跡傳感器對含有相同濃度(1.5×10-8mol/L)2,4-D的探針溶液進行DPV檢測，并計算在加入模板分子前后，探針電流的變化值及計算四次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.4%，由此說明我們制備的印跡電極具有良好的穩(wěn)定性.

3 結(jié)論

本實驗中，我們以鄰苯二胺為功能單體，2,4-D作為模板分子，制備了一種新型的印跡電化學(xué)傳感器.實驗中，通過CV法和DPV法等對印跡傳感器的電化學(xué)性質(zhì)進行了表征.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制備的印跡傳感器對模板分子具有良好的特異性結(jié)合能力，能從結(jié)構(gòu)類似物中選擇性得識別模板分子.該傳感器用于對模板分子的檢測，線性范圍為1.0×10-9-2.0×10-7mol/L，檢測限為1.8×10-10mol/L (S/N=3).此外，制備的印跡傳感器具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，為以后的實際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ).

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ImprintedPolymerElectrochemicalSensorfor2,4-DRecognitionandDetermination

ZHAO Zhe, TAO Xi, FANG Chu, XIE Xiang-xiang, WANG Ning, KAN Xian-wen

(College of Chemistry and Materials Science, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

In this work, the molecular imprinting electrochemical sensor (MIP/GCE)was fabricated by electroplymerizing o-phenylenediamine in the presence of 2,4-dichlorobenzene oxygen ethanoic acid (2,4-D)on galssy carbon electrode (GCE)surface. The sensor was characterized by Cyclic voltammetry (CV)and Differential pulse voltammetry (DPV). The results demonstrated that the sensor had a good specific rebinding capacity to the template molecule. Under the optimized conditions, a good linear range of the sensor to the 2,4-D was 1.0×10-9-2.0×10-7mol/L, with a limit detection of 1.8×10-10mol/L(S/N=3). Meanwhile, the sensor could selectively recognize template molecule from its structural analogues.

molecularly imprinted polymers; electrochemical sensor; 2,4-D; o-phenylenediamine

2014-04-24

國家自然科學(xué)基金青年項目(21005002)資助.

通訊作者：闞顯文(1975-)，女，安徽黃山市人，教授，博士.

趙喆，陶溪，方楚，等.印跡電化學(xué)傳感器對2，4-二氯苯氧乙酸的識別與檢測[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，37(4)：352-356.

O65

A

1001-2443(2014)04-0352-05