基于石墨烯的毒死蜱分子印跡電化學(xué)傳感器的制備及對毒死蜱的測定

譚學(xué)才等

摘 要 利用分子印跡技術(shù)，以馬來松香丙烯酸乙二醇酯為交聯(lián)劑，使用自由基熱聚合法在石墨烯修飾的玻碳電極表面合成毒死蜱（CPF）分子印跡聚合膜，制得了CPF分子印跡電化學(xué)傳感器。采用循環(huán)伏安法、線性掃描伏安法和電化學(xué)交流阻抗法等，考察了此CPF分子印跡膜的電化學(xué)性能。在最佳檢測條件下，傳感器的峰電流與CPF濃度在2.0×10 7～1.0×10 5 mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，線性方程為Ip （μA） =

7.1834-0.2424C（μmol/L），相關(guān)系數(shù)r2=0.9959，檢出限為6.7×10 8 mol/L（S/N=3）。構(gòu)建了CPF分子印跡電化學(xué)傳感器的動力學(xué)吸附模型，測得印跡傳感器的印跡因子β=2.59，結(jié)合速率常數(shù)k=12.2324 s。傳感器表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，并成功用于實際水樣和蔬菜樣品中CPF的測定，加標(biāo)回收率為94.1%～101.4%。

關(guān)鍵詞 毒死蜱； 石墨烯； 分子印跡聚合物； 電化學(xué)傳感器； 馬來松香丙烯酸乙二醇酯

1 引 言

毒死蜱（Chlorpyrifos，CPF）是一種有機磷殺蟲劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其在生態(tài)系統(tǒng)的殘留會通過食物鏈的富集作用轉(zhuǎn)移至人體，危害人體健康[1]。目前，檢測CPF的方法主要有色譜法[2～4]、酶聯(lián)免疫分析法（ELISA）[5]、伏安法[6]、酶生物傳感器[7～10]、紫外分光光度法[11]、分子印跡傳感器[12]等。這些方法雖然可以較準(zhǔn)確、靈敏地檢測CPF，但色譜法樣品前處理及操作過程繁瑣、儀器費用昂貴，ELISA法和酶生物傳感方法需使用對環(huán)境敏感的酶，伏安法易受復(fù)雜樣品基質(zhì)的干擾，紫外分光光度法受光（電）源的波動影響大，容易帶來較大誤差，因此，開發(fā)高選擇性、高靈敏度和快速檢測CPF的新方法具有重要的應(yīng)用價值。

分子印跡技術(shù)（Molecularly imprinted technique， MIT）是制備對特定目標(biāo)分子具有特異性識別能力的分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIP）的技術(shù)，在樣品的分離、富集、檢測和電化學(xué)傳感等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[13～15]。納米材料具有獨特的表面活性和電化學(xué)特性，用于電化學(xué)傳感界面可以加速電子傳遞速率、提高響應(yīng)靈敏度[16]。石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的納米材料，具有良好的導(dǎo)電性和催化活性，在提高電化學(xué)傳感器靈敏度的研究方面?zhèn)涫荜P(guān)注[17，18]。

新型交聯(lián)劑的合成以及利用納米材料增強檢測靈敏度是分子印跡電化學(xué)傳感器目前的研究熱點。本實驗采用自行合成的馬來松香丙烯酸乙二醇酯（EGMRA） 作為交聯(lián)劑，其具有三環(huán)菲骨架結(jié)構(gòu)，分子骨架大，天然無毒，用其合成的MIP具有機械性能好、耐熱性好等優(yōu)點[19，20]。本實驗以石墨烯為電極增敏材料，CPF為模板分子，EGMRA為交聯(lián)劑，采用自由基熱聚合法制備了CPF分子印跡聚合物，基于此構(gòu)建了檢測CPF的分子印跡電化學(xué)傳感器。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

PGSTAT128N電化學(xué)工作站（瑞士萬通公司）；DZF6020型真空干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）；SUPRA 55 sapphire 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國卡爾蔡司公司）；采用三電極系統(tǒng)，玻碳電極（GCE， =3.0 mm）為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極（ =1.0 mm）為對電極。

單層石墨烯粉末（XF001W， 南京先豐納米材料科技有限公司）；CPF分析標(biāo)準(zhǔn)品，辛硫磷分析標(biāo)準(zhǔn)品（阿拉丁試劑有限公司）；伏殺磷分析標(biāo)準(zhǔn)品（美國Accustandard公司）；馬來松香丙烯酸乙二醇酯（EGMRA，自制[21]），其它試劑均為分析純，實驗用水為超純水。

2.2 實驗方法

2.2.1 石墨烯修飾玻碳電極的制備

在鹿皮上用0.05 μm的Al2O3粉末將玻碳電極拋光，依次用HNO3（1∶1， V/V）、無水乙醇和超純水超聲清洗5 min，待用。稱取5 mg的石墨烯粉末于小燒杯中，加入5 mL四氫呋喃（THF），超聲混勻，制得石墨烯分散液。在處理好的玻碳電極表面滴加2 μL石墨烯分散液，將電極置于60 ℃的真空干燥箱中1 h使溶劑完全揮發(fā)，制得石墨烯修飾電極（Graphene/GCE）。

2.2.2 印跡及非印跡電極的制備

取2 mL甲苯于小燒杯中，依次加入交聯(lián)劑EGMRA（0.4912 g， 0.4 mmol）、模板分子CPF（0.0351g， 0.1 mmol）、功能單體甲基丙烯酸（0.0344 g， 0.4 mmol）和引發(fā)劑偶氮二異丁腈（0.0160 g），超聲溶解。取2 μL此混合液滴涂到Graphene/GCE表面，靜置90 s使均勻成膜；然后將電極置于60 ℃真空干燥箱內(nèi)熱聚合5 h。非印跡電極的制備除不加CPF外，其余步驟同上。

2.2.3 電化學(xué)測試

循環(huán)伏安法：起始電位為0.5 V，電位范圍為

1.2～0.5 V，掃描速率為50 mV/s。線性掃描伏安法：起始電位為0.5 V，電位范圍為

1.2～0.5 V，掃描速率為50 mV/s。電化學(xué)交流阻抗法：頻率范圍為0.1～1.0×106 Hz，振幅為8 mV。

水樣：采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對自來水樣直接進行加標(biāo)回收測定。蔬菜樣品：將5.0 g研碎的蔬菜（油麥菜）放入離心管中，加入10 mL水，15 mL乙醇和100 μL內(nèi)標(biāo)溶液（2 mmol/L CPF），充分搖勻，離心6 min，取上清液用0.1 mol/L的KH2PO4K2HPO4溶液（pH=7.0）定容至100 mL，制得樣品溶液，測定并進行加標(biāo)回收測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 分子印跡膜的制備流程endprint

分子印跡聚合物的制備流程如圖1所示。首先CPF的吡啶基、磷硫雙鍵和甲基丙烯酸（MAA）中的羧基以氫鍵作用結(jié)合形成加合物；然后加入交聯(lián)劑（EGMRA）和引發(fā)劑偶氮二異丁腈（AIBN），使CPF和MAA聚合成高度交聯(lián)的分子印跡聚合物；最后采用適當(dāng)?shù)姆椒▽PF去除，聚合物膜內(nèi)便留下了與CPF空間結(jié)構(gòu)互補并能可逆結(jié)合CPF的“空穴”。

3.2 分子印跡膜的表征

3.2.1 分子印跡膜的掃描電鏡圖 圖2是不同電極的掃描電鏡圖。從圖2A可以看到石墨烯明顯的層狀結(jié)構(gòu)，非印跡電極（圖2B）和未洗脫的印跡電極（圖2C）表面覆蓋了一層致密膜，而在洗脫了CPF后的印跡電極（圖2D）表面可清晰地看到較多的印跡“空穴”。

3.2.2 分子印跡膜的電化學(xué)表征 圖3為不同電極的循環(huán)伏安圖。在含有CPF的底液中，因為CPF本身具有電活性，使其在裸電極（c）上出現(xiàn)了一個較大的還原峰，而具有致密表面結(jié)構(gòu)的非印跡膜阻礙了CPF向電極表面擴散，使電極（a）幾乎沒有還原峰出現(xiàn)。

去除CPF后的印跡電極（b）還原峰峰電流較裸電極（c）小，這是因為印跡膜表面含有大量與CPF分子形狀相匹配、大小合適并有相互作用功能基團的空穴，CPF在空穴中產(chǎn)生電化學(xué)響應(yīng)。修飾了石墨烯后的印跡電極（d）與電極（b）相比，還原峰電流增大了1.56倍，峰電位正移了0.149 V，表現(xiàn)出石墨烯良好的增敏與催化作用。

圖4為不同電極的電化學(xué)交流阻抗譜（EIS）。交流阻抗譜中高頻部分的半圓直徑對應(yīng)于電子轉(zhuǎn)移阻抗，如圖所示，裸電極（c）的阻抗值為465 Ω，而非印跡電極（a）的阻抗值為10624 Ω，這是因為非印跡膜致密的表面結(jié)構(gòu)阻礙了Fe（CN）3

6進入電極表面；與非印跡電極相比，印跡電極（b）阻抗值明顯降低到6498 Ω，這是因為去除CPF后，印跡膜表面產(chǎn)生了很多“空穴”，使Fe（CN）3

6進入電極表面的阻礙減??；而石墨烯修飾的印跡電極（d）阻抗為4744 Ω，較印跡電極（b）更小，說明修飾了石墨烯后的印跡電極表面電子轉(zhuǎn)移相對較容易，表現(xiàn)出了石墨烯良好的電催化活性。

3.3 實驗條件的優(yōu)化

3.3.1 模板去除溶劑和時間的影響 采用線性掃描伏安法，利用K3[Fe（CN）6]為探針，分別考察了10 mL不同體積比乙酸甲醇溶液洗脫后的MIP/Graphene/GCE在CPF溶液中孵化前后的電流響應(yīng)。結(jié)果表明，隨著乙酸用量的增大，MIP/Graphene/GCE孵化后的電流值與孵化前相比變化不大，這可能是洗脫劑的酸性太強，破壞了聚合物膜的空間結(jié)構(gòu)，使得印跡膜不能很好地識別并結(jié)合CPF。而乙酸甲醇（1∶9，V/V）溶液既能很好地去除模板分子，同時又不破壞聚合物膜的空間結(jié)構(gòu)，孵化后的電流值與孵化前相比明顯減小。因此選擇用乙酸甲醇（1∶9， V/V）溶液作為洗脫劑。

將MIP/Graphene/GCE用乙酸甲醇（1∶9， V/V）溶液洗脫CPF，隨著洗脫時間的增加，CPF溶出，在電極表面留下的“空穴”增多，循環(huán)伏安掃描的峰電流越大。洗脫6 min后，峰電流趨于穩(wěn)定。因此最佳洗脫時間選擇6 min。

3.3.2 支持電解質(zhì)及底液pH的影響 采用線性掃描伏安法，分別考察了0.1 mol/L，pH=7.0 的HAcNaAc、KH2PO4K2HPO4、KCl、NH3·H2ONH4Cl、HCl等5種電解質(zhì)溶液對CPF響應(yīng)電流的影響。結(jié)果表明，在KH2PO4K2HPO4介質(zhì)中，CPF峰電流最大且峰形最好。考察了0.1 mol/L不同pH值的KH2PO4K2HPO4溶液對CPF響應(yīng)電流的影響，發(fā)現(xiàn)pH=7.0時，電流響應(yīng)最大，因此選擇0.1 mol/L，pH=7.0的KH2PO4K2HPO4溶液作為測定介質(zhì)。

3.3.3 掃描速率的影響

采用循環(huán)伏安法，考察了不同掃描速率下洗脫后的MIP/Graphene/GCE對CPF （ c=1.0×10 7 mol/L）峰電流。如圖5所示，在50～300 mV/s掃速范圍內(nèi)，CPF峰電流Ip與掃描速率v呈線性關(guān)系，線性方程為Ip（μA） =

0.51152-0.00486 v （mV/s），相關(guān)系數(shù)R2=0.993。說明電極反應(yīng)是受吸附控制的。當(dāng)掃描速率較高時，可以獲得較大的峰電流，但相應(yīng)的峰形較差。基于以上考慮，選擇50 mV/s作為最佳掃描速率。

3.3.4 孵化時間的選擇 將MIP/Graphene/GCE置于5.0×10 6 mol/L CPF溶液中孵化，以K3[Fe（CN）6]為探針，考察了孵化時間的影響。初始階段峰電流值隨孵化時間的延長而減小，120 s時峰電流值趨于穩(wěn)定，說明CPF填補印跡膜中的“空穴”達到平衡。因此最佳孵化時間選擇120 s。

3.4 分子印跡膜傳感器的分析特性

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Abstract Graphene and a novel crosslinker （ethylene glycol maleic rosinate acrylate） were used to prepare molecularly imprinted electrochemical sensors with high sensitivity. A molecular imprinting polymer （MIP） film was created on a graphenemodified glassycarbon electrode for determination of chlorpyrifos （CPF） using free radical polymerization method. The electrochemical properties of the MIP and nonimprinted polymer （NIP） sensors were investigated via cyclic voltammetry （CV）， linear sweep voltammetry， and electrochemical impedance spectroscopy （EIS）. The surface morphology of the imprinted film was characterized by scanning electron microscopy （SEM）. Under the optimal experimental conditions， the peak currents were proportional to the concentrations of chlorpyrifos in the range of 2.0×10 7-1.0×10 5 mol/L with a detection limit of 6.7×10 8 mol/L （S/N=3）. The linear equation was Ip （μA）=

7.1834-0.2424C （μmol/L） （R2=0.9959）. Adsorption model of the molecular imprinted sensor was investigated， and the measured imprinting factor β of the sensor was 2.59， with the binding rate constant k of 12.2324 s. The developed electrochemical sensor based on graphene modified electrode and molecularly imprinted polymer exhibited good repeatability and stability， and was successfully used to determine CPF in water and vegetable samples with recoveries from 94.1% to 101.1%.

Keywords Chlorpyrifos； Graphene； Molecularly imprinted polymer； Electrochemical sensor； Ethylene glycol maleic rosinate acrylate

（Received 27 August 2014； accepted 29 December 2014）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos. 21365004， 21065001）endprint