Au-Pd合金納米管修飾的尼古丁分子印跡膜傳感器的研究

常艷兵，馮亞娟，何 瓊

(曲靖師范學院化學化工學院，云南曲靖 655011)

尼古丁又名煙堿，它是一種無色、透明的油狀揮發(fā)性液體[1]。尼古丁具有較長的殘存期，并會在人和動物體內(nèi)蓄積而發(fā)生中毒，是煙草致癌致肺部病變的主要毒物之一。因此，尼古丁的含量分析是煙草及其制品質(zhì)量控制中的一項重要檢測項目。目前，尼古丁的測定方法主要有氣相色譜法[2]、高效液相色譜法[3]、分光光度法[4]、光譜法[5]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[6]等。這些方法操作復雜，使用設備昂貴，選擇性差。相對而言，電化學傳感器方法則比較簡便，選擇性好，儀器設備經(jīng)濟實惠。

分子印跡聚合物是對模板分子具有記憶識別能力的一類新型高分子功能材料，因其具有選擇性強、制備簡便、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，已廣泛應用在固相萃取、色譜分離、化學傳感、催化合成及藥物傳送等領(lǐng)域[7 - 9]。貴金屬Au、Pd納米材料具有較高的比表面積、較好的催化活性、吸附能力強和生物相容性好等優(yōu)點[10 - 12]。本文將制備的Au-Pd合金修飾的玻碳電極作為工作電極，采用循環(huán)伏安法將鄰氨基酚與尼古丁電沉積在工作電極上，制得對尼古丁具有特異識別的尼古丁分子印跡聚鄰氨基酚敏感膜化學傳感器，用該傳感器對抽煙人群血液中尼古丁的含量進行檢測，獲得較好的結(jié)果。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及藥品

CHI660C電化學工作站(上海辰華儀器公司)；掃描電鏡(荷蘭，飛利浦有限公司)；X射線能譜儀(美國,伊達克斯有限公司)；85-2恒溫磁力攪拌器(常州國華電器有限公司)；超聲波清洗器(上海超聲波儀器廠)。三電極系統(tǒng)：Au-Pd合金修飾玻碳電極(GCE)為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。

尼古丁標樣(純度≥98.8%，云南煙草研究院提供)；多孔聚碳酸酯模板(PC，0.2 mm，美國沃特曼公司)；鄰氨基酚(上?；瘜W試劑廠)；HAuCl4、Pd(NO3)2(成都時代納米有限責任公司)；0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液；0.01 mol/L K3[Fe(CN)]6溶液；其余試劑均為分析純。所用水均為二次蒸餾水。

1.2 實驗方法

1.2.1電沉積法制備Au-Pd合金納米管取一塊單面噴金的PC模板，用導電膠將銅絲與PC模板噴金的一面粘在一起，超聲清洗2 min，將其作為工作電極。將制備好的工作電極、鉑電極及飽和甘汞電極三電極體系置于HAuCl4(2.5×10-3mol/L)、Pd(NO3)2(3.6×10-3mol/L)和KCl(1 mol/L)混合液中浸泡20 min，使PC膜板充分浸泡，電解液進入孔內(nèi)，潤濕內(nèi)壁。然后接通電源，在-1.80 V的恒電位下沉積30 min，取出沉積模板依次用乙醇、二次蒸餾水進行清洗，自然晾干。

1.2.2尼古丁分子印跡膜傳感器的制備取10 μL殼聚糖乙酸溶液(m/V=0.5%)滴于預處理好的玻碳電極上，剪一塊φ=3 mm的沉積有Au-Pd合金的圓形PC模板，將噴金面貼于殼聚糖乙酸溶液表面，自然晾干。用氯仿-乙醇(體積比為1∶1)的混合液溶解模板直至完全溶解，用二次蒸餾水清洗晾干。采用“致孔劑印跡技術(shù)”[15，16]，將1.25×10-3mol/L鄰氨基酚(OAP)用0.1 mol/L HClO4溶解，再用 0.4 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值，定容至 25 mL，取 10 mL該溶液，加入10 μL尼古丁標液混勻。將Au-Pd合金修飾的玻碳電極作為工作電極置于其中，用循環(huán)伏安法掃描30圈，掃描范圍-0.2～1.2 V，掃描速度 50 mV/s，掃描過程中OAP形成聚合膜包裹著尼古丁分子沉積在電極的表面，用0.5 mol/L的 H2SO4洗滌，除去聚合物基質(zhì)中的尼古丁分子，制成保留有尼古丁分子構(gòu)型孔穴的分子印跡膜傳感器。

1.2.3實驗原理及方法鄰氨基酚在酸性溶液中可電聚合成均勻、致密的聚鄰氨基酚膜(POAP)，該膜具有“張開”的結(jié)構(gòu)[17]。在弱酸性條件下加入尼古丁時，尼古丁分子被POAP膜包裹在內(nèi)。用 0.5 mol/L的H2SO4進行洗脫，由于形成分子印跡膜的氫鍵作用被破壞，尼古丁分子從分子印跡膜立體孔穴中逸出[18]。當用尼古丁分子印跡膜傳感器測定尼古丁時，由于尼古丁分子進入分子印跡膜中，阻礙電子的傳遞，引起傳感響應，從而達到定量測定的目的。尼古丁分子印跡膜的制備過程如圖1所示。

取9.9 mL 0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.00)和0.1 mL(0.01 mol/L)K3[Fe(CN)6]溶液混均后作為探針溶液，加入適量尼古丁標準溶液，將Au-Pd合金修飾的尼古丁分子印跡膜傳感器置于其中，采用差分脈沖伏安法在-0.2～0.8 V進行掃描，在電位為0.2 V左右檢測峰電流的變化情況，從而達到定量檢測尼古丁含量的目的。

1.3 尼古丁分子印跡膜的再生

在0.01 mol/L K3[Fe(CN)]6溶液中，尼古丁分子會進入分子印跡膜立體孔穴中阻礙電子的傳遞，從而影響尼古丁分子印跡膜傳感器的壽命。將Au-Pd合金修飾的尼古丁分子印跡膜傳感器置于0.5 mol/L 的H2SO4中富集1 min，采用循環(huán)伏安法，掃速為50 mV/s，掃描范圍-1.0～1.0 V，掃描10圈，即可將進入分子印跡膜立體孔穴中的尼古丁分子洗脫出來，而不破壞分子印跡膜，尼古丁分子印跡膜傳感器得以再生，可重復使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au-Pd合金納米管的形貌及能譜

用掃描電鏡(SEM)觀測Au-Pd合金的形貌(圖2)，通過掃描電鏡圖可以看出，Au-Pd合金成中空管狀，排列緊密、整齊，口徑大小均勻，直徑約為200 nm。通過能譜分析儀對Au-Pd合金進行定性和定量分析(圖3)，從圖中可以看出，合金主要由Au和Pd兩種主要元素組成，且含量固定，合金中Au的含量明顯高于Pd。

2.2 不同修飾電極在K3[Fe(CN)]6溶液中的循環(huán)伏安行為

圖4為不同修飾電極在0.1 mol/LKNO3電解液中加入2.0×10-4mol/L K3[Fe(CN)6]溶液的循環(huán)伏安圖。從圖中可以看出，Au-Pd合金修飾的玻碳電極的氧化還原峰高于Au納米顆粒修飾的電極，且明顯高于裸玻碳電極，說明Au-Pd合金納米管已很好的組裝在電極表面，由于Au-Pd合金納米管具有較大的比表面積，增加了修飾電極與[Fe(CN)6]3-離子的接觸，提高了電子轉(zhuǎn)移的速率。

2.3 檢測尼古丁的原理

本實驗采用差分脈沖伏安法進行尼古丁的測定，在 0.01 mol/L K3[Fe(CN)6]溶液中，[Fe(CN)6]3-離子在Au-Pd合金納米管修飾的尼古丁分子印跡膜傳感器表面發(fā)生電化學還原反應，峰電流值為 2.271×10-5A(圖5曲線a)；當加入模板分子尼古丁(4.0×10-4mol/L)后，在其表面的峰電流明顯下降，其峰值降為5.122×10-6A(圖5曲線b)；然而，[Fe(CN)6]3-離子在電沉積了印跡膜和非印跡膜的Au-Pd /GCE表面卻基本沒有電化學反應發(fā)生(圖5曲線c、曲線d)，說明印跡膜和非印跡膜為不導電致密膜。結(jié)果表明，洗脫模板分子后的印跡膜保留有能對模板分子尼古丁識別的三維印跡孔穴，[Fe(CN)6]3-離子可通過印跡孔穴擴散至Au-Pd合金納米管修飾的電極表面，發(fā)生電化學還原反應，而當尼古丁分子進入印跡孔穴后，孔穴封閉，[Fe(CN)6]3-離子擴散受阻，[Fe(CN)6]3-離子進入Au-Pd合金納米管修飾電極表面的濃度減小，從而使得還原電流減小，即可通過還原電流減小的差值間接地計算尼古丁的含量。

2.4 實驗條件的優(yōu)化

2.4.1聚碳酸酯模板溶解時間對尼古丁測定的影響為了考察聚碳酸酯模板溶解時間對尼古丁測定的影響，用氯仿和乙醇(體積比為1∶1)的混合液溶解噴金模板，對不同溶解時間進行比較。實驗表明，Au-Pd合金納米管修飾電極的峰電流隨著溶解時間的增長而增加，當溶解時間超過15 min后，峰電流又會減小。這是由于隨著溶解時間的增加，聚碳酸酯模板溶解程度就會增加，以致于Au-Pd合金納米管被破壞，不能垂直排列在電極表面，所以峰電流又會減小。因此，本實驗酸酯模板的溶解時間確定為15 min。

2.4.2富集時間對尼古丁測定的影響考察了不同的富集時間對尼古丁測定的影響，當富集時間從30 s增加到240 s時，峰電流在逐漸減小，峰電流減少的原因是隨著時間的推移，模板分子尼古丁進入分子印跡膜三維立體孔狀中的量就越多，就會阻礙[Fe(CN)6]3-與尼古丁分子印跡膜傳感器表面的接觸；但從240 s到360 s期間，電流趨近于平衡，基本上沒有再發(fā)生變化，說明此時加入電解池中的模板分子尼古丁已完全富集在電極上，并且完全進入分子印跡膜的三維立體孔穴中，所以本實驗選擇240 s作為最佳的富集時間。

2.4.3pH值對尼古丁測定的影響比較了不同pH值的磷酸鹽緩沖體系對尼古丁峰電流和峰電位的影響，實驗證實溶液的pH值對尼古丁響應的峰電流和峰電位均有一定影響。尼古丁在pH值為1.0至7.0的磷酸鹽緩沖溶液中，峰電流隨pH值的增大而逐漸減小，表明尼古丁分子印跡膜傳感器表面的分子印跡膜對尼古丁的響應越好，尼古丁進入三維立體空穴中的含量就越多，阻礙[Fe(CN)6]3-溶液與該傳感器表面的接觸，從而阻礙電子的傳遞，引起峰電流的減??；在pH值為8.0至10.0的磷酸鹽緩沖溶液中，沒有峰電流，說明在此緩沖范圍分子印跡膜對尼古丁分子沒有響應，所以本實驗選擇最佳pH值為7.0。

2.5 尼古丁分子印跡膜傳感器的性能

在優(yōu)化實驗條件下，采用差分脈沖伏安法對不同濃度的尼古丁進行測定。尼古丁分子印跡膜傳感器在1.2×10-7～2.5×10-3mol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢出限為4.6×10-8mol/L。其線性回歸方程為:△ip(μA)=0.05554c+7.638×10-8(R=0.9992)。

2.6 干擾實驗與重現(xiàn)性

由于分子印跡效應的存在，此傳感器對尼古丁分子有良好的選擇性，在最優(yōu)實驗條件下，研究了一些常見藥物成分對尼古丁檢測的干擾影響。分別加入10倍的干擾物進行檢測，5次平行檢測的平均值列于表1。由檢測結(jié)果可知，由于可卡因、硫酸阿托品與尼古丁的結(jié)構(gòu)性質(zhì)存在相似之處，有較弱的干擾性，其他物質(zhì)基本無干擾現(xiàn)象，說明該傳感器具有較強的抗干擾能力。

表1 干擾物質(zhì)對傳感器的影響

在含有4.0×10-4mol/L尼古丁的0.5 mol/L H2SO4溶液中，采用循環(huán)伏安法考察尼古丁分子印跡膜傳感器的重現(xiàn)性。將同一根傳感器分別放置7、11、13、15、17 d后，分別進行5次平行測定，電流響應值變化不大，相對標準偏差(RSD)為4.14%，顯示了良好的重現(xiàn)性。但隨著傳感器放置時間的延長，電流響應將逐漸減小至失效。

2.7 試樣分析

在優(yōu)化實驗條件下，取不吸煙者的空白血清，加入不同濃度的標準尼古丁溶液，按實驗方法進行檢測，加標回收測定結(jié)果列于表2。從檢測結(jié)果可以看出，回收率較好，相對標準偏差較低。

用該尼古丁分子印跡膜傳感器對7份吸煙者的血清樣品(曲靖市第一人民醫(yī)院提供)進行檢測，檢測結(jié)果與該院用放射免疫測定法(RIA)結(jié)果基本一致，相對誤差小于±5%，表明該傳感器能用于臨床上血樣中尼古丁的檢測。

表2 加標回收的測定結(jié)果

3 結(jié)論

本文將制備的Au-Pd合金修飾到玻碳電極上作為工作電極，采用循環(huán)伏安法將鄰氨基酚與尼古丁電沉積在工作電極上，制得對尼古丁具有特異識別的尼古丁分子印跡膜傳感器。在優(yōu)化實驗條件下，該傳感器在1.2×10-7～2.5×10-3mol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢出限為4.6×10-8mol/L。該傳感器具有靈敏度高、線性范圍寬、重現(xiàn)性及穩(wěn)定性好等優(yōu)點。