基于分子印跡碳納米管修飾電極快速測定水中抗生素

孫大明

(遼寧省大連水文局， 遼寧 大連 116023)

基于分子印跡碳納米管修飾電極快速測定水中抗生素

孫大明

(遼寧省大連水文局， 遼寧 大連 116023)

將表面分子印跡聚合物和碳納米管有機(jī)結(jié)合起來，發(fā)展了氧氟沙星分子印跡碳納米管修飾電極快速測定水體中的氧氟沙星。在最優(yōu)條件下(pH值為4.0，富集時間為10min，富集電壓為0～0.2V)，循環(huán)伏安響應(yīng)峰電流與氧氟沙星濃度成線性關(guān)系，線性范圍為0.1～5μmol/L，檢出限(S/N=3)為0.01μmol/L。修飾電極具有良好的測量重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，用該方法測定自來水中添加的不同濃度的氧氟沙星，回收率為81.8%～110.8%，結(jié)果令人滿意。

分子印跡； 碳納米管； 電化學(xué)檢測； 抗生素

1 引 言

氟喹諾酮是一類重要的抗生素，廣泛用于疾病治療、水產(chǎn)養(yǎng)殖、飼料添加劑。除一部分能在生物體內(nèi)吸收或者轉(zhuǎn)化以代謝產(chǎn)物的形式排出體外，大部分以原型藥物的形式進(jìn)入環(huán)境，對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害。到目前為止氟喹諾酮類抗生素的檢測方法主要有以下幾種：高效液相色譜法[1]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[2]、熒光光譜法[3]、毛細(xì)管電泳法[4]等，但這些檢測方法分析成本高，分析時間長，流動相消耗大且有毒性的居多，日常維護(hù)費(fèi)用高，因此，發(fā)展快速、靈敏、選擇性強(qiáng)的氟喹諾酮類抗生素檢測方法非常重要。

分子印跡技術(shù)[5]具有的三大特點(diǎn)：構(gòu)效預(yù)定性、特異識別性和廣泛實(shí)用性?；谠摷夹g(shù)制備的分子印跡聚合物對被分離物或分析物具有高度的選擇性，同時還具有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性。碳納米管具有大的比表面積、優(yōu)良的電子傳導(dǎo)特性[5-6]。本文利用表面分子印跡技術(shù)，在碳納米管表面制備了分子印跡聚合物，該聚合物保持了碳納米管的優(yōu)良電子特性和大比表面積，同時又具有分子印跡聚合物對模板分子的選擇性識別特性。本文的研究將為環(huán)境水體中痕量氟喹諾酮類抗生素的檢測提供一種快速、靈敏、選擇性的方法，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價值。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

CHI 630D電化學(xué)工作站(三電極系統(tǒng)：鉑絲為對電極，飽和甘汞電極為參比電極[SCE]，工作電極)，pH計。

多壁碳納米管(MWCNTs)，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)(分析純)， 氧氟沙星和原硅酸四乙酯(TEOS)均為色譜純，鐵氰化鉀(分析純)，N,N-二甲基酰胺(分析純)，其他化學(xué)試劑除指明外，均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水均為電導(dǎo)率為18.25MΩ·cm的超純水。

2.2 氧氟沙星分子印跡碳納米管的制備

2.2.1 制備氧氟沙星分子印跡碳納米管材料

稱取2mg純化的MWNTs，20mg的CTAB，溶解在2mL去離子水中，將混合溶液超聲3h。取0.5mL MWNTs溶液于10mL小瓶子中，加入10mmol/L氧氟沙星水溶液4mL，0.5mL的NaOH(0.01mol/L)，超聲1min，然后在水浴中加熱到60℃，25min后，向小瓶子中加入25μL的TEOS的混合溶液(v/v=1/4),混合0.5min，加熱到60℃保持約12h(不攪拌)。將生成的聚合物用無水乙醇徹底清洗10次左右，以去除表面活性劑，最后用紅外快速干燥，得到氧氟沙星分子印跡碳納米管材料(MIPMWCNTs)。非印跡分子聚合物(NIPMWCNTs)除不加氧氟沙星外，其余按上述同樣步驟制備。

2.2.2 模板分子的去除

每次用30mL甲醇-乙酸混合溶液(v/v=9∶1)超聲清洗制備的MIPMWCNTs，離心后取上清液進(jìn)行高效液相色譜分析，直到在上清液中檢測不到氧氟沙星為止。在本實(shí)驗(yàn)中，清洗約10次可以將印跡聚合物纖維中的模板分子完全去除。把氧氟沙星分子印跡碳納米管聚合物烘干，備用。

2.3 分子印跡碳納米管修飾電極的制備

在拋光墊上倒上適量的50nm的三氧化二鋁拋光粉懸濁液，然后在其上對玻碳電極進(jìn)行打磨拋光處理，打磨后的電極清洗干凈。

用N,N-二甲基甲酰胺配制1mg/mL的MWCNTs、MIPMWCNTs、NIPMWCNTs溶液，超聲1h，使之充分的分散。用移液器取6μL的MIPMWCNTs溶液滴加在處理好的玻碳電極上，在紅外快速干燥箱內(nèi)晾干，即得到了分子印跡碳納米管修飾電極。用NIPMWCNTs按同樣的步驟制備非印跡修飾電極。

2.4 自來水中氧氟沙星的測定

在實(shí)驗(yàn)室水龍頭取一定體積的自來水，然后向其加入一定量不同濃度的氧氟沙星標(biāo)準(zhǔn)溶液和10mmol/L(終濃度)的硫酸鈉，得到不同濃度的氧氟沙星樣品；用修飾電極在確定的最佳條件下進(jìn)行檢測不同濃度的樣品溶液，根據(jù)峰電流計算其回收率。

3 結(jié)果與討論

3.1 修飾電極的電化學(xué)表征

以0.1mol/L的KCl+10mmol/L的K3Fe(CN)6溶液為底液，分別用玻碳電極，MWCNTs、MIPMWCNTs、NIPMWCNTs修飾電極為工作電極進(jìn)行循環(huán)伏安分析，結(jié)果如圖1所示。四種電極上均可以觀察到很好的K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6可逆氧化/還原峰對。其中玻碳電極上峰電流最小，當(dāng)用MWCNTs對玻碳電極進(jìn)行修飾后，峰電流明顯增加，這歸功于碳納米管的大比表面積和良好的電子傳導(dǎo)特性。當(dāng)使用NIPMWCNTs、MIPMWCNTs對玻碳電極修飾后，峰電流進(jìn)一步增加，但MIPMWCNTs增加的更多。這表明盡管在碳納米管表面引入了非導(dǎo)電的無機(jī)硅分子印跡層，但由于印跡層很薄(納米級)，并不影響碳納米管的導(dǎo)電性，并且，由于生成的無機(jī)硅印跡層為多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加電極的有效面積，使得峰電流顯著增加。

圖1 10mmol/L的K3Fe(CN)6在GCE、MWCNTs、NIPMWCNTs、MIPMWCNTs電極上的循環(huán)伏安曲線

3.2 氧氟沙星在不同電極上的電化學(xué)響應(yīng)

以10μmol/L的氧氟沙星為樣品，考察其在玻碳電極、MWCNTs修飾電極、NIMWCNTs修飾電極和MIMWCNTs修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)，如圖2所示。從圖2中可以看出，氧氟沙星在玻碳電極上的響應(yīng)很小(曲線a)，基本觀察不到明顯的氧化峰，而在MWCNTs修飾電極上，氧氟沙星在1.05V出現(xiàn)明顯的氧化峰(曲線b)，峰電流也明顯增大，這是由于MWCNTs修飾后，增加了電極的有效面積和電極的電子傳導(dǎo)特性。在NIMWCNTs修飾電極上，峰電流比在MWCNTs修飾電極上略有增加(曲線c)，這表明，盡管在碳納米管表面引入非導(dǎo)電的無機(jī)硅聚合物層，但由于該聚合物很薄，并不影響電極的電子傳導(dǎo)特性，峰電流略有增加可能是由于硅羥基同氧氟沙星的氫鍵相互作用，促進(jìn)了氧氟沙星在電極上的反應(yīng)。而在MIMWCNTs修飾電極上，獲得的峰電流比其他三個電極都大，這是由于分子印跡碳納米管對氧氟沙星具有富集作用，使得更多的氧氟沙星在修飾電極發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生更大的響應(yīng)信號。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，相對于NIMWCNTs修飾電極，MIMWCNTs修飾電極可實(shí)現(xiàn)氧氟沙星的選擇性檢測。

圖2 10μmol/L的氧氟沙星在玻碳電極、MWCNTs修飾電極、NIMWCNTs修飾電極和MIMWCNTs修飾電極的循環(huán)伏安曲線

3.3 電化學(xué)檢測條件優(yōu)化

3.3.1 pH值的影響

溶液pH值影響氧氟沙星的解離，這可能影響到氧氟沙星在修飾電極上的反應(yīng)。因此，本實(shí)驗(yàn)考察了pH值對氧氟沙星信號的影響。實(shí)驗(yàn)采用20mM的磷酸二氫鈉緩沖溶液，調(diào)節(jié)溶液到不同的pH值(2,3,4,5,6,7,8,9,10)，分別向其中加入了10μmol/L的氧氟沙星進(jìn)行循環(huán)伏安檢測，以氧化峰電流對pH值作圖，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)溶液的pH值從2增加4時，氧氟沙星的峰電流迅速增加并達(dá)到最大值，當(dāng)進(jìn)一步增加溶液pH值時，峰電流又開始下降。因此，在后面的實(shí)驗(yàn)中，固定溶液的pH值為4.0。

圖3 pH值對響應(yīng)電流的影響

3.3.2 富集時間的影響

制備的分子印跡碳納米管材料對模板分子具有特異性識別作用，因此，在進(jìn)行電化學(xué)檢測時，將修飾電極置于樣品溶液中時，模板分子會吸附在修飾電極上，即對模板分子具有一定的富集作用。本實(shí)驗(yàn)考察了富集時間對檢測電流的影響。以10μmol/L的氧氟沙星為樣品，在攪拌情況下分別富集0.5min，1.0min，3.0min，5.0min，10min，15min，20min，30min，40min，50min，60min，然后進(jìn)行循環(huán)伏安檢測，再以峰電流對富集時間作圖，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，在0～10min，隨著時間的增加，峰電流迅速增加，并在10min達(dá)到最大值，進(jìn)一步增加富集時間，峰電流保持不變。這個結(jié)果表明，以分子印跡碳納米管材料制備的修飾電極確實(shí)可以對模板分子具有富集作用，從而增加檢測靈敏度，并且修飾電極在10min就可以達(dá)到飽和吸附。快速的吸附飽和歸功于碳納米管表面的無機(jī)硅分子印跡層僅為納米級，模板分子在印跡層中傳質(zhì)速度很快。因此，在以后的實(shí)驗(yàn)中，固定富集時間為10min。

圖4 富集時間對響應(yīng)電流的影響(pH=4.0)

3.3.3 富集電壓的影響

考察了富集電壓對峰電流的影響。以10μmol/L的氧氟沙星溶液為樣品，固定溶液的pH值為4.0，分別在-0.2V，0V，0.1V，0.2V，0.3V，0.5V(相對SCE)富集時間為10min，然后進(jìn)行循環(huán)伏安檢測，以測得的峰電流對富集電壓作圖，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，使用負(fù)電壓時獲得峰電流最小，而在0～0.5V范圍內(nèi)，氧氟沙星的峰電流基本保持不變。因此，在進(jìn)行富集時，選擇進(jìn)行開路富集，即在零電位情況下進(jìn)行富集。

圖5 富集電壓對響應(yīng)電流的影響(pH=4.0，富集時間t=10min)

3.4 線性范圍及檢測限

在最佳的檢測條件下，利用MIMWCNTs修飾電極對不同濃度的氧氟沙星(0.1μmol/L,0.5μmol/L,1μmol/L,2μmol/L,3μmol/L,4μmol/L,5μmol/L)進(jìn)行循環(huán)伏安檢測，以峰電流對濃度作圖，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看到，在選定的范圍內(nèi)，峰電流隨氧氟沙星濃度增加，呈良好的線性關(guān)系，線性方程i=0.3618c+1.1409(R=0.9993)，最低檢測限為0.01μmol/L。實(shí)驗(yàn)觀察到當(dāng)氧氟沙星的濃度超過5μmol/L時，峰電流-濃度響應(yīng)曲線偏離線性，而且隨濃度的增加，偏離線性越嚴(yán)重，這是由于修飾電極對氧氟沙星的吸附容量有限，當(dāng)修飾電極達(dá)到飽和吸附后，繼續(xù)增加氧氟沙星濃度，在電極上的吸附量不能進(jìn)一步增加。

圖6 MIMWCNTs修飾電極對0.1～5μmol/L濃度氧氟沙星響應(yīng)電流的擬合曲線

3.5 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

在電化學(xué)檢測中，電極的穩(wěn)定性和測量重現(xiàn)性是非常重要的參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)以10μmol/L的氧氟沙星為測試樣品，考察了MIMWCNTs修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。從表1中可以看出，連續(xù)6次重復(fù)測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為8.3%，5天內(nèi)重復(fù)測定相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為4.4%。以上結(jié)果表明，本方法制備的修飾電極在檢測氧氟沙星時的重復(fù)性良好，并且電極穩(wěn)定，可反復(fù)使用。

表1 MIMWCNTs修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

3.6 自來水樣中氧氟沙星的檢測

大量使用氟喹喏酮物質(zhì)通過各種途徑最終進(jìn)入水環(huán)境中，并有可能進(jìn)入到自來水中，對人類飲用水安全構(gòu)成威脅。因此，選擇向自來水中添加氧氟沙星并利用該方法對自來水樣品進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2，回收率為81.8%～110.8%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于7.5%。這個結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)發(fā)展的方法可以用于自來水中氧氟沙星的檢測。

表2 自來水中添加一定量氧氟沙星的回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=5)

4 結(jié) 論

本文針對當(dāng)前環(huán)境水體中痕量氧氟沙星快速檢測的需要，將碳納米管和表面分子印跡聚合物有機(jī)結(jié)合起來，制備了氧氟沙星分子印跡碳納米管復(fù)合材料，然后利用該材料對玻碳電極進(jìn)行修飾，修飾電極具有良好的電化學(xué)響應(yīng)性能和對氧氟沙星的高選擇性。構(gòu)建了氧氟沙星的循環(huán)伏安電化學(xué)檢測方法，并對其電化學(xué)檢測條件進(jìn)行了優(yōu)化。該方法6次重復(fù)測定和5天內(nèi)連續(xù)測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.3%和4.4%，表現(xiàn)出良好的測量重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。用該方法對自來水樣中氧氟沙星進(jìn)行測定，獲得滿意結(jié)果。

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Rapid determination of antibiotics in water by carbon nanotubes modified electrodes based on molecular imprinting

SUN Daming

(Liaoning Dalian Hydrology Bureau, Dalian 116023, China )

Surface molecular imprinting polymer is organically combined with carbon nanotubes for redeveloping the technique of determining ofloxacin in water quickly by ofloxacin molecular imprinted carbon nanotube modified electrodes. Cyclic voltammetric response peak current has linear relationship with ofloxacin concentration under optimal conditions (pH value of 4.0, enrichment time of 10min and enrichment voltage of 0～0.2V). The linear scope is 0.1～5μmol/L, the detection limit (S/N=3) is 0.01μmol/L. Modified electrode has excellent measurement repeatability and stability. The method is applied for determining ofloxacin with different concentration added in tap water. The recovery rate is 81.8%～110.8%, and the result is satisfactory.

molecular imprinting; carbon nanotubes; electrochemical detection; antibiotics

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.05.08

TV213.4

A

2096-0131(2017)05- 0032- 05