鄰苯二酚分子印跡傳感器的制備及其電化學(xué)性能研究

管習(xí)文，李欣怡，張金枝，鄒其超，柴仕淦

(有機化工新材料湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(湖北大學(xué))，有機功能分子合成與應(yīng)用教育部重點實驗室(湖北大學(xué))，湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖北 武漢 430062)

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鄰苯二酚分子印跡傳感器的制備及其電化學(xué)性能研究

管習(xí)文，李欣怡，張金枝，鄒其超，柴仕淦

(有機化工新材料湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(湖北大學(xué))，有機功能分子合成與應(yīng)用教育部重點實驗室(湖北大學(xué))，湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖北 武漢 430062)

摘要：以丙烯酸(AA)為功能單體，鄰苯二酚為模板分子，硅氧烷為交聯(lián)劑，溶液聚合法制備鄰苯二酚分子印跡電化學(xué)傳感器.通過對聚合物膜親水性和小分子率進(jìn)行表征，并以差分脈沖伏安法(DPV)研究交聯(lián)劑種類、用量，單體比例以及測試條件等對傳感器性能的影響.最佳實驗條件下，該鄰苯二酚電化學(xué)傳感器在2.0×10-92.0×10-5mol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，線性方程為Ip=0.080 17c+0.587 89 (R2=0.998 9)，檢測限為6.24×10-10mol/L (S/N=3).另外，在人血清樣品和自來水樣品中具有較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，且抗干擾能力強，具有一定的實用價值.

關(guān)鍵詞：分子印跡；丙烯酸；鄰苯二酚；硅氧烷；電化學(xué)傳感器

0引言

隨著人們對分析方法精準(zhǔn)度要求的提高和分子印跡技術(shù)迅速的發(fā)展，將分子印跡技術(shù)用于化學(xué)分子[10-11]和生物分子[12-13]的富集和分離測定具有重要的意義.通過分子印跡聚合物對模板分子的特異性識別能力和捕獲能力，將模板分子印跡在分子印跡聚合物(MIP)上可以避免在復(fù)雜的環(huán)境樣品或生物樣品中同類型化合物對目標(biāo)分子的測試干擾.

本文中將分子印跡技術(shù)的特異識別性和電化學(xué)法高靈敏度性能相結(jié)合，通過丙烯酸上的羧基官能團和模板分子酚羥基氫鍵結(jié)合，聚合交聯(lián)得鄰苯二酚分子印跡電化學(xué)傳感器，然后通過DPV對傳感器的電化學(xué)行為進(jìn)行研究和優(yōu)化，希望得到線性良好，檢測限更低的傳感器.

1實驗部分

1.1實驗原料丙烯酸(AA)，丙烯酸丁酯(BA)，甲基丙烯酸(MAA)，甲基丙烯酸甲酯(MMA)，正硅酸乙酯(TEOS),甲基三乙氧基硅烷(M-TEOS)，3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，偶氮二異丁腈(AIBN)，冰醋酸，無水乙醇，鄰苯二酚，雙酚A，間苯二酚，對苯二酚，苯酚，對硝基苯酚，分析純；去離子水(實驗室自制).

1.2實驗儀器電化學(xué)工作站(CHI600C，上海辰華儀器公司)；測試采用常規(guī)的三電極體系：玻碳電極(Φ=3 mm)及其修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極(上海羅素科技有限公司)作為參比電極和鉑電極(武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司)作為輔助電極.

1.3鄰苯二酚分子印跡電化學(xué)傳感器的制備將一定質(zhì)量比的反應(yīng)單體，AIBN和無水乙醇于78.5 ℃溶液聚合制備得15%的聚和物溶液，然后將上述所得溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%)與鄰苯二酚乙醇溶液(20 mmol/L)，以及硅氧烷交聯(lián)劑以一定的體積比常溫攪拌均勻得到分子印跡聚合物溶液；取7 μL印跡聚合物溶液滴涂于拋光好的玻碳電極表面，修飾交聯(lián)固化完全，最后于洗脫液中洗脫除去鄰苯二酚得到鄰苯二酚電化學(xué)傳感器.

1.4聚合物性能測試將聚合物溶液(15%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))和交聯(lián)劑以一定的體積比混合均勻，于稱量瓶中干燥、交聯(lián)固化完全，觀察其成膜性能.然后將聚合物置于去離子水中浸泡24 h后，用濾紙迅速吸干表面的水分，最后將聚合物干燥，準(zhǔn)確稱重.其吸水率和小分子率按照文獻(xiàn)[14]測定.

2結(jié)果與討論

2.1單體和交聯(lián)劑比例用量對聚合物吸水率和小分子率的影響傳感器在水性環(huán)境中對目標(biāo)物的探測，必需具有一定的親和性能和膜穩(wěn)定性能.在本實驗中，各聚合物溶液均具有良好的成膜性能.與相同量的交聯(lián)劑混合均勻后，如圖1 A所示，聚合膜的吸水率和小分子率(用20指代)隨著AA量的增加而增加.以AA/BA為6∶4為基準(zhǔn)，從圖1 B，C可知，當(dāng)部分AA或BA單體被MAA或MMA替換后，聚合膜的親水性能和小分子率有一定的下降.如圖1B，加入MMA或減少BA用量后，聚合膜玻璃化溫度增高，硬度增大，但其親水性能下降，耐溶劑性能增強，小分子率也下降；如圖1C，隨著AA或BA用量下降，聚合膜親水性下降，且硬度增大，耐溶劑性能增強，小分子率也隨之下降.而圖1D中，隨著KH-560∶M-TEOS比例的增大，聚合膜親水性能和小分子率也隨之下降.由圖1E明顯可以看出，當(dāng)單獨以TEOS，KH-550或M-TEOS為交聯(lián)劑時，聚合膜的吸水率和小分子率較高，而單獨以KH-560為交聯(lián)劑時，其吸水率和小分子率較低.這是因為當(dāng)TEOS，KH-550或M-TEOS為交聯(lián)劑時，聚合膜的親水性過大，耐溶劑性能下降，導(dǎo)致小分子率高于一般值，同時單獨以KH-560為交聯(lián)劑時，聚合膜硬度過高，耐溶劑性能較好，但親水性能過低，在水溶液中對目標(biāo)物親和性能下降.

圖1　單體和交聯(lián)劑比例用量對聚合物膜的親水性能和小分子率的影響E圖中混合交聯(lián)劑KH560∶TEOS與KH560∶KH550體積比均為3:7

2.2功能單體種類及用量對鄰苯二酚印跡效果的影響傳感器的印跡效果與聚合膜的柔韌性和親和性具有一定的聯(lián)系，膜剛性過強或柔性過強，則膜在洗脫過程中易破壞或不利于目標(biāo)分子的固定，影響其印跡效果.在本實驗中，以體積比為1 000∶200∶60的聚合物溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%)、鄰苯二酚溶液(20 mmol/L)和硅氧烷交聯(lián)劑(V(M-TEOS)∶V(KH-560)=8∶2)攪拌均勻制備得印跡聚合物溶液，得到電化學(xué)傳感器，其于40 μmol/L鄰苯二酚的0.04 mol/L PBS(pH=7.0)培養(yǎng)液中印跡平衡電流值結(jié)果 如圖2所示.圖2A中，當(dāng)只有AA和BA兩種功能單體時，在一定的范圍內(nèi)隨著AA/BA的增大，傳感器印跡效果增強，當(dāng)AA/BA=6∶4時，印跡效果最好，繼續(xù)增大AA/BA，印跡效果反而下降.結(jié)合圖1A，當(dāng)AA/BA較大時，聚合物膜吸水率過大，耐水溶液性能下降，在洗脫培養(yǎng)過程中膜易破壞，印跡效果下降；當(dāng)AA/BA較小時，聚合膜親水性較低，聚合物膜與目標(biāo)分子結(jié)合的結(jié)合位點數(shù)目下降，同時膜柔性過強，不易固定住目標(biāo)分子，影響其印跡效果.在圖2A基礎(chǔ)上，以AA/BA為6∶4為基準(zhǔn)，在功能單體中加入一定量的MMA或MAA對聚合物進(jìn)行改性，結(jié)果如圖2B和2C所示，顯然印跡效果較AA/BA=6∶4時要變差，結(jié)合圖1B和1C，可以看出聚合物膜的親和性和硬度對印跡效果具有一定的影響.選擇AA/BA=6∶4為聚合物溶液的單體質(zhì)量比開展以下工作.

圖2　功能單體種類和比例用量對印跡效果的影響

2.3硅氧烷交聯(lián)劑種類及用量對鄰苯二酚印跡效果的影響交聯(lián)劑的用量對傳感器印跡效果具有較為重要的影響.在印跡空穴形成的過程中，交聯(lián)劑的用量過少，則固定住的模板分子數(shù)量較少，洗脫后形成的印跡空穴較少；交聯(lián)劑的用量過多，聚合膜的剛性過強，聚合膜易破裂，且模板分子難洗脫，這些嚴(yán)重的影響了印跡聚合物的印跡效果.在本實驗中，僅以TEOS,KH-550，M-TEOS或KH-560為交聯(lián)劑時，聚合膜的親水性和小分子率過高或過低，如圖1E，不適宜作為電化學(xué)傳感器.將聚合物溶液與交聯(lián)劑和鄰苯二酚溶液以一定的體積比混合均勻，在40 μmol/L 鄰苯二酚溶液中培養(yǎng)，其峰電流值見圖3.從圖3A可以看出， KH-560/M-TEOS比值為3∶7時，印跡效果最好，當(dāng)比值較高或較低時，聚合物膜較為柔性或剛性，分別會導(dǎo)致印跡空穴發(fā)生形變或破裂，影響其印跡效果.結(jié)合圖3B和圖1D，可以看出，交聯(lián)劑用量較多或較少，其印跡效果都會下降，只有具有一定的交聯(lián)度且聚合膜具有合適的硬度時，才會有較好的印跡效果.同時，從圖3B中可以明顯看出， KH-560與M-TEOS混合交聯(lián)劑的印跡效果最好，而KH-560與KH-550混合交聯(lián)劑的印跡效果最差，可能是KH-550上含有的—NH2與聚合膜上的羧基的氫鍵結(jié)合能力較鄰苯二酚的酚羥基 同羧基或—NH2的結(jié)合能力要強，大量的—NH2和羧基氫鍵結(jié)合，模板分子上的酚羥基很難與羧基較好的配位結(jié)合，造就洗脫鄰苯二酚后得到的空穴大部分不含有結(jié)合位點，印跡效果大大地降低.可見選擇KH-560/M-TEOS為3∶7的混合硅氧烷為交聯(lián)劑，且聚合物溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%)與交聯(lián)劑的體積比為1 000∶70為最佳實驗條件.

圖3　交聯(lián)劑種類和用量對印跡效果的影響

圖4　　　　聚合物溶液和 鄰苯二酚溶液　　　體積比對印跡效果的影響

2.4聚合物與模板分子體積比對印跡效果的影響在分子印跡聚合物的印跡空穴形成的過程中，如果模板分子用量較少，則洗脫后形成的印跡空穴的數(shù)目較少；當(dāng)模板分子的用量較多時，洗脫后形成的空穴較多，聚合物膜不足以支撐較多的空穴易造成坍塌，這些都會嚴(yán)重地影響其印跡效果.圖4是聚合物與模板分子體積比對印跡效果的影響，可以看出在相同的實驗條件下，印跡傳感器對鄰苯二酚的印跡效果隨著P/T(聚合物與模板分子體積比)的減小而增大，當(dāng)P/T減小到1/2時，其印跡效果最好，繼續(xù)減小P/T，增加模板分子的用量，其印跡效果反而下降.因此，可將P/T=1/2作為聚合物溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%)與鄰苯二酚溶液(20 mmol/L)的最佳體積比.

2.5不同pH值培養(yǎng)液對鄰苯二酚印跡效果的影響在不同的pH值中，MIP上的結(jié)合位點與鄰苯二酚之間氫鍵結(jié)合的強度不一樣，傳感器的印跡效果也不一樣.如圖5，在目標(biāo)分子濃度相同的情況下，當(dāng)pH=6.8時其培養(yǎng)峰電流最大，pH增大或減少時其印跡效果均下降，可能是因為在微酸情況下，抑制了弱酸鄰苯二酚和羧基官能團的電離，使得羥基與羧基之間的氫鍵作用較強，當(dāng)酸性繼續(xù)增加時，溶液中氫離子與羥基或羧基上的氧原子氫鍵結(jié)合，羧基對鄰苯二酚的吸附作用下降，導(dǎo)致傳感器的印跡效果下降；當(dāng)培養(yǎng)液在堿性條件下時，羥基和羧基中的氫離子少量與氫氧根結(jié)合，形成R—O-，降低了形成氫鍵的能力，印跡效果下降.同時在實驗中發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下峰電位向正方向偏移，堿性條件下峰電位向負(fù)方向偏移.顯然培養(yǎng)液的最佳pH 為6.8.

圖5　在不同pH值的40 μmol/L鄰苯二酚培養(yǎng)液中氧化峰電流圖右圖鄰苯二酚的pH值從a到k分別為8.0、7.8、7.6、7.4、7.2、7.0、6.8、6.6、6.4、6.2、6.0

圖6　MIP電化學(xué)傳感器DPV掃描培養(yǎng)液中鄰苯二酚濃度與其氧化峰電流的線性關(guān)系圖B中a到j(luò)鄰苯二酚濃度分別為2.0×10-9、2.0×10-8、2.0×10-7、2.0×10-6、

圖7　　　　MIP電化學(xué)傳感器在不同干擾物質(zhì)　　　存在下的鄰苯二酚氧化峰電流　　a為10 μmol/L的鄰苯二酚，b到i分別為10 μmol/L濃度　的鄰苯二酚和2倍濃度苯酚、2倍濃度對硝基苯酚、2倍濃度　雙酚A、0.8倍間苯二酚、0.8倍對苯二酚、5倍腎上腺素、4倍　濃度去甲基腎上腺素、3倍濃度多巴胺、40倍濃度抗壞血酸、　1 500倍濃度葡萄糖、　3 000倍濃度的尿素的混合溶液.

2.7抗干擾分子印跡傳感器用于實際樣品中探測目標(biāo)物的含量時，由于實際樣品的復(fù)雜性，MIP良好的抗干擾能力奠定了其從復(fù)雜樣品中探測目標(biāo)分子的準(zhǔn)確性的基礎(chǔ).在本實驗中，選擇了鄰苯二酚的同分異構(gòu)體(間苯二酚和對苯二酚)，其他酚類物質(zhì)(苯酚，雙酚A，對硝基苯酚)，兒茶酚胺類(腎上腺素，去甲基腎上腺素，多巴胺)以及其他可能對其有影響的物質(zhì)(抗壞血酸，葡萄糖，尿素)，模擬傳感器在復(fù)雜的檢測環(huán)境中對鄰苯二酚的吸附性能.通過在10 μmol/L的鄰苯二酚培養(yǎng)液中加入一定倍數(shù)的干擾物質(zhì)， DPV掃描探測傳感器對鄰苯二酚氧化峰電流信號.如圖7所示，加入1 500倍濃度的葡萄糖，3 000倍濃度的尿素，40倍濃度的抗壞血酸，5倍的腎上腺素，4倍的去甲基腎上腺素，3倍的多巴胺，2倍苯酚，2倍的對硝基苯酚，2倍的雙酚A，0.8倍間苯二酚或?qū)Ρ蕉?，均不會干擾傳感器對鄰苯二酚的測定.結(jié)果表面該玻碳電極電化學(xué)傳感器在干擾物質(zhì)存在的情況下對鄰苯二酚具有較好的檢測性能，但當(dāng)上述干擾物質(zhì)的溶度高于上述所提到的倍數(shù)時將會對鄰苯二酚的氧化峰電流有較為明顯的影響.

表1　人血清樣品中鄰苯二酚電化學(xué)傳感器的測試

表2　自來水樣品中鄰苯二酚電化學(xué)傳感器的測試

3結(jié)論

4參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯胡小洋)

The preparation and electrochemical properties of molecularly imprinted sensors for catechol

GUAN Xiwen，LI Xinyi，ZHANG Jinzhi，ZOU Qichao，CHAI Shigan

(Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Organic Chemical Materials，College of Chemistry and Chemical Engineering，Ministry-of-Education Key Laboratory for the Synthesis and Application of Organic Functional Molecules，Hubei University，Wuhan 430062，China)

Abstract：The sensors were prepared with catechol and acrylic acid (AA) as template molecules and functional monomers respectively.In addition，siloxanes were employed as cross-linking agent.The water absorption rate and small molecules rate of polymer were characterized and the influence factors of the sensors，such as the categories and amount of cross-linking agents，the monomer ratio and the test environment，were studied by differential pulse voltammetry(DPV).Under the best optimization，there is a good linearity (R2=0.998 9) of the electrochemical sensors ranging from 2.0×10-9to 2.0×10-5mol/L.The liner equation wasIp=0.080 17c+0.587 89 and the detection limit (S/N=3) was 6.24×10-10mol/L.Moreover，the concentration of catechol in human blood serum samples and running water was detected with good reproducibility and stability.The sensors have certain practical values.

Key words：molecular imprinting; acrylic acid; catechol; siloxanes; electrochemical sensors

文章編號:1000-2375(2016)03-0366-05

收稿日期:2016-02-01

作者簡介：管習(xí)文(1991-)，女，碩士生；柴仕淦，通信作者，E-mail：chasgone@163.com

中圖分類號:O657.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.04.018