二氧化鈦分子印跡膜傳感器光電流法檢測(cè)克百威

馮莎莎，梁春鳳，梁順超，魏小平，李建平

(廣西電磁化學(xué)功能物質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西高校食品安全與檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

二氧化鈦分子印跡膜傳感器光電流法檢測(cè)克百威

馮莎莎，梁春鳳，梁順超，魏小平*，李建平

(廣西電磁化學(xué)功能物質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西高校食品安全與檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

利用TiO2膜制作了一種分子印跡光電化學(xué)傳感器用來(lái)測(cè)定克百威。研究了摻雜改性對(duì)TiO2光催化效率的影響，結(jié)果表明摻雜Au的TiO2分子印跡膜對(duì)克百威有較好的光催化降解作用。對(duì)膜厚度和吸附時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，克百威濃度在1.00×10-9～2.20×10-7mol/L范圍內(nèi)與光電流呈良好的線性關(guān)系，檢出限(S/N=3)為1.10×10-10mol/L。該TiO2分子印跡膜有較好的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性。利用該傳感器對(duì)水樣中克百威進(jìn)行測(cè)定，回收率為98.7%～104.0%。

分子印跡；克百威；二氧化鈦；光電流；傳感器

分子印跡傳感器是一種可對(duì)目標(biāo)分子進(jìn)行特異性識(shí)別和檢測(cè)的裝置[1-2]，近年來(lái)在食品檢測(cè)[3]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[4]、醫(yī)藥分析[5]等方面得到廣泛應(yīng)用。分子印跡傳感器檢測(cè)方法有伏安法[6]、電化學(xué)發(fā)光法[7]、化學(xué)發(fā)光法[8]和熒光光譜測(cè)定法[9]等。光電化學(xué)傳感器由于檢測(cè)靈敏度高而受到研究者親睞[10-11]。光電流檢測(cè)法在分子印跡傳感器中的應(yīng)用也逐漸受到重視[12-13]。利用TiO2優(yōu)異的光催化性能制備的分子印跡光電化學(xué)傳感器具有較好的檢測(cè)性能[14]，但需先將TiO2修飾到電極上，然后在TiO2膜表面制備分子印跡膜，此過(guò)程不但影響TiO2的光催化性能，而且制備過(guò)程繁瑣。

克百威是一種溶解性高毒農(nóng)藥，可通過(guò)對(duì)人體乙酰膽堿酶的抑制作用造成急性中毒[15]。利用分子印跡傳感器測(cè)定克百威已有報(bào)道[16-17]，但這些傳感器制備過(guò)程復(fù)雜。而以TiO2分子印跡光電化學(xué)傳感器檢測(cè)克百威尚未見(jiàn)報(bào)道。本文以克百威為模板分子，直接利用溶膠-凝膠法合成摻雜納米Au的TiO2分子印跡膜，高溫煅燒使其具有光催化活性。通過(guò)檢測(cè)紫外光照射下TiO2對(duì)模板分子催化氧化的光電流以達(dá)到測(cè)定克百威的目的。該方法制備的分子印跡光電化學(xué)傳感器催化活性高、過(guò)程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，且模板分子光降解后產(chǎn)物易洗脫，便于印跡膜的重復(fù)使用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

鈦酸四丁酯(阿拉丁試劑廠)，無(wú)水乙醇(廣東光華科技股份有限公司)，克百威(百靈威科技有限公司)，氯化鐵(西隴化工股份有限公司)，HAuCl4·3H2O(天津市邁斯科化工有限公司)，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 TiO2溶膠及摻雜材料溶膠的制備

按照文獻(xiàn)[18]制備溶膠，在50 mL小燒杯中加入25 mL無(wú)水乙醇和2.5 mL鈦酸四丁酯，用磁力攪拌器攪拌15 min，滴加1.7 mL乙酸后再加130 μL水，密封并繼續(xù)攪拌1 h，制得TiO2溶膠。取出4份5 mL溶膠分別置于10 mL小燒杯中并加入0.2 g 克百威，攪拌15 min，依次加入1 mL 2 mol/L的NH3·H2O，1 mL 10%的FeCl3溶液[19]和1 mL 1 mmol/L HAuCl4，剩余1組作為空白。磁力攪拌15 min制得摻雜溶膠，分別記為N-TiO2，F(xiàn)e2O3-TiO2，Au-TiO2，TiO2。所得溶膠于4 ℃環(huán)境中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 傳感器的制備

將ITO電極切割成5 mm×10 mm的小塊，在2 mol/L NaOH溶液中浸泡活化30 min，用水沖洗干凈，晾干備用，ITO電極在制備好的摻雜材料溶膠中用提拉法制備分子印跡膜(MIP)，晾干后置于馬弗爐中，以2 ℃/min的速度升溫至450 ℃，保溫6 h[20]，有機(jī)物模板分子會(huì)被氧化，隨爐降溫至室溫取出，即制得MIP。非分子印跡膜(NIP)不添加模板分子，其余過(guò)程同MIP的制備。

圖1 N-TiO2(a)，F(xiàn)e2O3-TiO2(b)，Au-TiO2(c)和TiO2(d)的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of N-TiO2(a)，F(xiàn)e2O3-TiO2(b)， Au-TiO2(c) and TiO2(d)

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

在紫外燈照射下，將制備好的電極在0.1 mol/L的Na2SO4溶液中用時(shí)間-電流法進(jìn)行光電流檢測(cè)，低速攪拌并記錄開關(guān)燈時(shí)光電流的大?。恢匚胶髾z測(cè)過(guò)程同上。

TiO2分子印跡剛性膜在紫外光照射下，價(jià)帶電子吸收紫外光子躍遷至導(dǎo)帶，導(dǎo)帶與價(jià)帶形成電子-空穴對(duì)，空穴帶正電具有強(qiáng)氧化性，能夠氧化有機(jī)物，導(dǎo)帶電子向電極內(nèi)部移動(dòng)形成光電流，模板分子越多，產(chǎn)生的光電流越大，即光電流與模板分子的濃度成正比例關(guān)系[21]。

2 結(jié)果與討論

2.1 光催化劑的X射線衍射(XRD)表征

將摻雜和未摻雜制得的TiO2經(jīng)過(guò)煅燒后進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。圖1顯示，25.28,37.8,48.04,53.89,55.06,62.68處出現(xiàn)XRD衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于銳鈦礦型TiO2的(101)，(004)，(200)，(105)，(211)和(204)晶面，證明已成功制備具有光催化降解有機(jī)物的銳鈦礦型TiO2復(fù)合材料。

2.2 光催化降解性能的對(duì)比

將摻雜和未摻雜制得的TiO2分別制備成MIP傳感器進(jìn)行吸附測(cè)試，4種傳感器依次吸附1.00×10-7mol/L的克百威溶液20 min后進(jìn)行光電流響應(yīng)測(cè)定。發(fā)現(xiàn)純的TiO2材料制備的分子印跡傳感器吸附克百威溶液后光電流變化較小(2 μA)，N摻雜的TiO2和摻雜Fe2O3的TiO2制備的分子印跡傳感器吸附克百威溶液后光電流變化量稍有增加(4 μA)，Au摻雜的TiO2材料制備的分子印跡傳感器吸附克百威溶液后光電流變化量最大(11 μA)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，制備的Au-TiO2，N-TiO2和Fe2O3-TiO2分子印跡膜傳感器的光催化效果均優(yōu)于純的TiO2材料。因?yàn)镹摻雜取代了TiO2中少量晶格氧，使TiO2的帶隙變窄，在不降低紫外燈下活性的同時(shí)，可使TiO2具有可見(jiàn)光活性[22]；摻雜Fe2O3降低了TiO2的表面陷阱態(tài)以及電荷復(fù)合幾率，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率[23-24]。而Au-TiO2制備的分子印跡傳感器的光催化效果最好，是因?yàn)锳u摻雜引起了電子-空穴對(duì)的有效電荷分離，使得光催化效率提高，大大增加了傳感器的靈敏度[25]。

2.3 TiO2和Au-TiO2的掃描電子顯微鏡(SEM)表征

TiO2和Au-TiO2的SEM表征圖譜如圖2所示。圖2A為TiO2薄膜，可觀察到TiO2形成的多孔性結(jié)構(gòu)，孔徑在10 nm左右，該多孔性結(jié)構(gòu)有利于印跡分子進(jìn)入與擴(kuò)散。圖2B為Au-TiO2薄膜，可見(jiàn)納米金顆粒的粒徑多分布在40 ～ 60 nm之間。

圖3 MIP與NIP電極的光電流對(duì)比圖Fig.3 Comparison of photocurrent response of MIP and NIP modified electrodesa.blank MIP;b.blank NIP;c.NIP after rebinding with 1.50×10-7 mol/L carbofuran;d.MIP after rebinding with 1.50×10-7 mol/L carbofuran

圖4 不同濃度克百威對(duì)應(yīng)的光電流響應(yīng)圖Fig.4 Photocurrent response of different concentrations of carbofuran a-m:concentrations of carbofuran were 0, 1, 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 130, 150, 180, 220×10-9 mol/L，respectively; right illustration was calibration curve

2.4 分子印跡傳感器(MIP)與非分子印跡傳感器(NIP)的光電流表征

為評(píng)價(jià)Au-TiO2制備的分子印跡傳感器的識(shí)別性能，選取用Au-TiO2制備的MIP與NIP對(duì)1.50×10-7mol/L克百威溶液進(jìn)行重吸附實(shí)驗(yàn)，由圖3可以看出，MIP未吸附克百威時(shí)(曲線a)與NIP未吸附克百威時(shí)(曲線b)的光電流響應(yīng)值均為7.5 μA，NIP 吸附1.50×10-7mol/L 克百威溶液后(曲線c)的光電流響應(yīng)值為8 μA，僅變化了0.5 μA，而MIP吸附1.50×10-7mol/L克百威溶液后(曲線d)的光電流響應(yīng)值為23 μA，變化了15.5 μA，相比于NIP的光電流變化量，說(shuō)明MIP表面形成了可以特異性識(shí)別模板分子的印跡孔穴。

2.5 膜厚度與吸附時(shí)間的優(yōu)化

用Au-TiO2制備MIP，并對(duì)膜的厚度進(jìn)行優(yōu)化。ITO電極置于Au-TiO2-克百威溶膠中用提拉法制作分子印跡膜，提拉1次后晾干，另取1片ITO電極提拉晾干后重新再提拉1次，分別制取提拉1～8次的分子印跡膜，在馬弗爐中以450 ℃保溫6 h后，吸附1.80×10-7mol/L 克百威溶液進(jìn)行光電流響應(yīng)測(cè)試。結(jié)果顯示提拉6次后光電流差值最大，這是因?yàn)門iO2為半導(dǎo)體材料，膜層太厚會(huì)導(dǎo)致電子傳輸變慢及光電流降低。因此實(shí)驗(yàn)選擇提拉6次為最佳的膜厚度。

傳感器吸附達(dá)到平衡時(shí)才能有最大的光電流變化量，此時(shí)傳感器的靈敏度最高，將Au-TiO2制作的傳感器每隔5 min對(duì)1.80×10-7mol/L的克百威進(jìn)行吸附測(cè)定，結(jié)果顯示在0～20 min內(nèi)隨著時(shí)間的增加，光電流的差值逐漸增加，這是模板分子與印跡孔穴結(jié)合越來(lái)越多所致，20 min以后光電流不再發(fā)生變化，這是因?yàn)槲揭堰_(dá)到平衡。所以選擇最佳吸附時(shí)間為20 min。

2.6 工作曲線與校準(zhǔn)曲線

配制一系列濃度梯度的克百威溶液，用Au-TiO2制作的分子印跡傳感器進(jìn)行吸附測(cè)定，由圖4可以看出隨著克百威濃度的增加，光電流響應(yīng)值增加，且克百威濃度在1.00×10-9～2.20×10-7mol/L范圍內(nèi)與光電流的差值成正比(右插圖)，線性方程為ΔI(μA)=0.111c(10-9mol/L)+0.284(r=0.999)，說(shuō)明傳感器對(duì)克百威有良好的響應(yīng)，檢出限(S/N=3，n=11)達(dá)1.10×10-10mol/L。

2.7 傳感器的選擇性

為了評(píng)價(jià)傳感器對(duì)待測(cè)物質(zhì)的選擇性，選取克百威的結(jié)構(gòu)類似物及常見(jiàn)的干擾物質(zhì)進(jìn)行傳感器選擇性測(cè)試，分別取2.00×10-8mol/L的克百威，100倍的干擾物質(zhì)即2.00×10-6mol/L的N-甲基苯甲酰胺、2-羥基苯甲酰胺、鄰苯二酚、乙酸、葡萄糖、苯酚，采用制得的Au摻雜TiO2材料傳感器對(duì)其進(jìn)行吸附20 min后測(cè)試光電流響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)上述物質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯影響，光電流值的變化不超過(guò)±5%，說(shuō)明傳感器具有良好的抗干擾能力。

2.8 傳感器的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

以5支同一批次Au-TiO2制備的分子印跡傳感器對(duì)同一濃度的克百威進(jìn)行吸附測(cè)定，其信號(hào)的變化不超過(guò)5%，說(shuō)明傳感器具有良好的重現(xiàn)性。將制備好的傳感器保存在干燥的條件下，分別在1,3,5周后進(jìn)行測(cè)定，其響應(yīng)信號(hào)最大偏差僅2.3%，說(shuō)明傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

2.9 樣品的測(cè)定

分別從桂林理工大學(xué)學(xué)校旁邊3塊農(nóng)田各取水樣3份，簡(jiǎn)單過(guò)濾后用制得的傳感器進(jìn)行重吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3份水樣均未檢出克百威，分別進(jìn)行1.00，1.50，2.00(×10-7mol/L)濃度水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，測(cè)得加標(biāo)回收率分別為104.0%，98.7%，101.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=5)分別為4.5%，2.3%，1.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明傳感器具有較好的回收效果。

3 結(jié) 論

本文制備了摻雜Au納米粒子的剛性TiO2分子印跡膜傳感器，Au與模板分子中N的作用力較強(qiáng)，使得分子印跡傳感器的識(shí)別性能增強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)克百威的特異性識(shí)別和測(cè)定，為檢測(cè)克百威提供了一種新方法。剛性TiO2分子印跡膜制備分子印跡傳感器具有制備簡(jiǎn)單、響應(yīng)快捷、電極膜易更新等特點(diǎn)，該法為今后制作剛性膜分子印跡膜傳感器提供了依據(jù)。

[1] Han Q，Shen X，Zhu W Y，Zhu C H，Zhou X M，Jiang H J.Biosens.Bioelectron.，2016，79:180-186.

[2] Canfarotta F，Poma A，Guerreiro A，Piletsky S.Nat.Protoc.，2016，11(3):443-455.

[3] Shojaei S，Nasirizadeh N，Entezam M，Koosha M，Azimzadeh M.FoodAnal.Method，2016，9(10):1-11.

[4] Li Y，Zhao X R，Li P，Huang Y F，Wang J，Zhang J M.Anal.Chim.Acta，2015，884:106-113.

[5] Wang D D，Zeng Y B，Liu H Q，Yin Z Z，Li L.J.Instrum.Anal.(王丹丹，曾延波，劉海清，尹爭(zhēng)志，李蕾.分析測(cè)試學(xué)報(bào))，2013，32(5):581-585.

[6] Li J P，Li Y P，Zhang Y，Wei G.Anal.Chem.，2012，84(4):1888-1893.

[7] Yang B，Li J P，Zhang L M，Xu G B.Analyst，2016，141(20):5822-5828.

[8] Tang Y W，Gao J W，Liu X Y，Lan J X，Gao X，Ma Y，Li M，Li J R.FoodChem.，2016，201:72-79.

[9] Chen Y P，Wang D N，Yin Y M，Wang L Y，Wang X F，Xie M X.J.Agric.FoodChem.,2012,60(42):10472-10479.

[10] Neto S Y，Luz R C S，Damos F S.Electrochem.Commun.，2016，62:1-4.

[11] Li X，Zhou Y L，Xu Y，Xu H J，Wang M H，Yin H S，Ai S Y.Anal.Chim.Acta，2016，934:36-43.

[12] Wei X P，Liang S C，Huang W G，Li J P.Chin.J.Anal.Chem.(魏小平，梁順超，黃文剛，李建平.分析化學(xué))，2016，44(3):348-354.

[13] Liu K L，Dong Y M，Su J X，Wang G L.J.Instrum.Anal.(劉康麗，董玉明，束軍仙，王光麗.分析測(cè)試學(xué)報(bào))，2014，33(8):899-904.

[14] Zhang C J，Bai W B，Yang Z P.Electrochim.Acta，2016，187:451-456.

[15] Sun X，Zhu Y，Wang X Y.Sensors，2011，11(12):11679-11691.

[16] Tan X C，Hu Q，Wu J W，Li X Y，Li P F，Yu H C，Li X Y，Lei F H.Sen.ActuatorB，2015，220:216-221.

[17] Li S H，Yin G H，Wu X J，Liu C H，Luo J H.Electrochim.Acta，2016，188:294-300.

[18] Chen L J，Tian J T，Liu X Z，Yin Y S.Adv.Ceramics(陳麗娟，田進(jìn)濤，劉學(xué)忠，尹衍生.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷)，2008,(3):3-7.

[19] Wang Y Q，Cheng H M，Hao Y Z，Ma J M，Li W H，Cai S M.J.Mater.Sci.，1999，34(15):3721-3729.

[20] Nakamura R，Tanaka T，Nakato Y.J.Phys.Chem.B，2004，108(30):10617-10620.

[21] Wang P P，Dai W J，Ge L，Yan M，Ge S G，Yu J H.Analyst，2013，138(3):939-945.

[22] Li D，Ohashi N，Hishita S，Kolodiazhnyi T，Haneda H.J.SolidStateChem.，2005，178(11):3293-3302.

[23] Zhu J L，Liu S M，Ge J H，Guo X T，Wang X M，Wu H J.Res.Chem.Int.，2016，42(4):3637-3654.

[24] Eom T S，Kim K H，Bark C W，Choi H W.Mol.Cryst.Liq.Cryst.，2014，600(1):39-46.

[25] Hu L S，F(xiàn)ong C C，Zhang X M，Chan L L，Lam P K S，Chu P K，Wong K Y，Yang M S.Environ.Sci.Technol.，2016，50(8):4430-4438.

Detection of Carbofuran by Photocurrent Method Based on TiO2Molecularly Imprinted Membrane

FENG Sha-sha，LIANG Chun-feng，LIANG Shun-chao，WEI Xiao-ping*，LI Jian-ping

(Guangxi Key Laboratory of Electrochemical and Magnetochemical Function Materials，Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Food Safety and Detection，College of Chemistry and Bioengineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

A molecularly imprinted photocurrent chemical sensor was fabricated by using TiO2film for the detection of carbofuran.Effect of doping modification on photocatalytic efficiency of TiO2was studied.The results showed that the molecularly imprinted membrane of Au doped TiO2had a good detection effect on the template molecule carbofuran.The experimental conditions such as film thickness and adsorption time were optimized.The experimental results showed that the concentrations of carbofuran had a good liner relationship with photocurrent in the range of 1.00×10-9-2.20×10-7mol/L under the optimal experimental conditions，and the detection limit(S/N=3) was 1.10×10-10mol/L.The sensor has demonstrated outstanding features such as excellent sensitivity，selectivity and stability.The determination of carbofuran in water was carried out by using the sensor，and the recoveries were in the range of 98.7%-104.0%.

molecularly imprinted;carbofuran;titanium dioxide;photocurrent;sensor

2016-12-12；

2017-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21375031)；廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2015GXNSFFA139005)；廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目(桂教人[2014]49號(hào))；廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.05.019

O657.1;F767.2

A

1004-4957(2017)05-0684-05

*通訊作者：魏小平，高級(jí)工程師，研究方向：應(yīng)用電化學(xué)與傳感器，Tel：0773-2537605，E-mail:xpwei@glut.edu.cn