電沉積制備納米金-石墨烯復合材料修飾電極測定氨芐西林

趙晶，劉詩偉，楊雨欣，羅佳，謝婧，廉文靜

（天津農(nóng)學院基礎(chǔ)科學學院，天津 300384）

氨芐西林是一種應(yīng)用廣泛的β-內(nèi)酰胺類抗生素，常用于家畜養(yǎng)殖中預(yù)防和治療細菌感染，以加快家畜生長發(fā)育，提高產(chǎn)量［1-2］。在家禽養(yǎng)殖中濫用氨芐西林可能會導致其在動物源食品中的殘留，對人類健康造成危害［3］。因此，實現(xiàn)食品中氨芐西林殘留高效、靈敏測定對保護人類健康非常重要。

分子印跡技術(shù)是合成對目標分析物具有特異性識別作用的分子印跡聚合物（MIP）的分子識別技術(shù)［4-6］。MIP具有穩(wěn)定性好、選擇性高及可預(yù)定性等優(yōu)點，在電化學檢測方面，將MIP良好的特異選擇性與簡便、快速的電化學檢測方法結(jié)合構(gòu)建分子印跡電化學傳感器已廣泛應(yīng)用于分析化學及其它研究領(lǐng)域［7-8］。其中，電流型分子印跡電化學傳感器是應(yīng)用最廣泛、研究最成熟的一種電化學傳感器，然而，洗脫后有限的特異性識別位點數(shù)量以及較差的導電性大大限制了電流型分子印跡電化學傳感器的檢測靈敏度［9］。因此，利用簡單高效的方法提高電流型分子印跡電化學傳感器的檢測靈敏度，實現(xiàn)對目標分析物的快遞、靈敏測定具有非常重要的應(yīng)用價值。

近年來，一些具有優(yōu)良特性的納米材料常被用作電極修飾材料，以提高分子印跡電化學傳感器的檢測靈敏度［10-12］。石墨烯作為一種新型的碳納米材料，由于其優(yōu)良的導電性，較大的比表面積和非凡的機械性能［13-15］，在電化學傳感領(lǐng)域引起了很大的關(guān)注，使其成為一種應(yīng)用廣泛的電極修飾材料。同時，具有導電性好、生物相容性好、比表面積大等性質(zhì)的金納米粒子（AuNPs）也被廣泛應(yīng)用于電化學傳感器的構(gòu)建［16-17］。但石墨烯和AuNPs通常利用化學還原法還原氧化石墨烯（GO）及氯金酸制備，制備過程較復雜，且需加入強還原劑，帶來污染［18］。利用電化學沉積法，在合適的電位下，可在常溫常壓條件下一步實現(xiàn)氯金酸和GO的還原，直接在電極表面沉積AuNPs-rGO復合材料，具有制備過程高效、可控等優(yōu)點。由于石墨烯和AuNPs的協(xié)同信號放大作用，AuNPs-rGO復合材料比單一納米材料具有更好的電化學性能。

本文利用簡單、高效、可控的電沉積法在玻碳電極（GCE）表面制備AuNPs-rGO復合材料，并以氨芐西林為目標分子，鄰苯二胺為功能單體，在AuNPsrGO/GCE表面電聚合制備分子印跡聚合物，構(gòu)建氨芐西林電化學傳感器。研究AuNPs-rGO復合材料的電化學性質(zhì)以及氨芐西林電化學傳感器的性能參數(shù)，以評估電沉積法制備AuNPs-rGO復合材料的制備工藝及其在電化學傳感器中的應(yīng)用價值。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

儀器：CHI 660E型電化學工作站；三電極系統(tǒng)：以GCE電極為工作電極，以鉑絲電極和飽和甘汞電極分別為對電極和參比電極；KH5200B型超聲波清洗儀。

試劑：主要包括氨芐西林，氯金酸，鄰苯二胺，鐵氰化鉀，無水甲醇，冰醋酸，醋酸鈉，鐵氰化鉀，亞鐵氰化鉀，氯化鉀等，以上試劑均為分析純；GO采用Hummers法自制；實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 AuNPs-rGO/GCE電極制備

將GO分散到蒸餾水中，超聲震蕩1 h，得到1 mg·mL-1GO分散液。用移液器移取10 μL GO分散液到Al2O3粉拋光處理后的GCE電極表面，置于紅外燈下烘干。以GO/GCE電極為工作電極構(gòu)建三電極系統(tǒng)，置于1 mmol·L-1氯金酸溶液中，-1.0 V恒電位沉積250 s，得到AuNPs-rGO/GCE電極。

1.3 氨芐西林分子印跡電化學傳感器構(gòu)建

以AuNPs-rGO/GCE電極為工作電極構(gòu)建三電極系統(tǒng)，置于含5 mmol·L-1氨芐西林和10 mmol·L-1鄰苯二胺的pH 5.2的0.1 mol·L-1醋酸鹽緩沖液中進行循環(huán)伏安掃描，掃描電位為0～0.8 V，掃速為0.05 V·s-1，電聚合30圈得到氨芐西林MIP/AuNPsrGO/GCE電極。在室溫晾干后，將MIP/AuNPsrGO/GCE電極置于20 mL甲醇/乙酸（9∶1，V/V）溶液中磁力攪拌15 min洗脫掉氨芐西林，用蒸餾水沖洗后室溫晾干便得到洗脫后的MIP/AuNPs-rGO/GCE電極，該電極對氨芐西林具有特異識別作用。將洗脫后的MIP/AuNPs-rGO/GCE電極浸入到不同濃度的氨芐西林溶液中20 min，室溫干燥得到重結(jié)合后的MIP/AuNPs-rGO/GCE電極。非印跡聚合物（NIP）采用相同步驟在相同條件下制備，只是在制備過程中不加入模板分子氨芐西林。

作為對照組，直接在拋光后的裸GCE電極表面電聚合氨芐西林MIP膜，得到氨芐西林MIP/GCE電極，除未在GCE電極表面電沉積AuNPs-rGO復合材料外，其余實驗條件與制備氨芐西林MIP/AuNPsrGO/GCE電極相同，以研究AuNPs-rGO復合材料對氨芐西林檢測靈敏度的提高作用。

1.4 測試與表征

循環(huán)伏安曲線和電化學阻抗譜均利用CHI 660E型電化學工作站測定。循環(huán)伏安曲線測定以5 mmol·L-1K3Fe（CN）6溶液（含0.1 mol·L-1KCl）為探針，掃描電位為-0.2～0.6 V，掃速為0.1 V·s-1；電化 學 阻 抗 譜 測 定 在5 mmol·L-1K3Fe（CN）6和K4Fe（CN）6（1∶1，含0.1 mol·L-1NaCl）混合溶液中測定，頻率范圍為0.1～105Hz，電壓為0.17 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 電沉積AuNPs-rGO復合材料條件優(yōu)化

為了得到導電性能好、穩(wěn)定、均勻的AuNPsrGO復合材料，對兩種常用的電沉積方法進行優(yōu)化。分別采用I-T曲線法和循環(huán)伏安法制備AuNPs-rGO復合材料，首先在GCE電極表面修飾10 μL 1 mg·mL-1GO分散液，并置于紅外燈下烘干得到GO/GCE電極，以GO/GCE電極為工作電極構(gòu)建三電極系統(tǒng)，置于1 mmol·L-1氯金酸溶液中進行電沉積。分別對兩種沉積方法的電位和時間進行優(yōu)化后，確定I-T曲線法沉積電位為-1.0 V，沉積時間為250 s，掃速為0.1 V·s-1，循環(huán)伏安法電位掃描范圍為-1.0～0 V，掃描圈數(shù)為15圈，掃速為0.1 V·s-1。在K3Fe（CN）6探針溶液中采用循環(huán)伏安法分別測定預(yù)處理后的GCE電極、GO/GCE電極以及兩種電沉積方法制備的AuNPs-rGO/GCE的電化學性質(zhì)。如圖1所示，K3［Fe（CN）6］探針在裸GCE電極表面有可逆的氧化還原峰（曲線a），說明GCE電極預(yù)處理效果很好。GO/GCE電極的電流響應(yīng)比裸GCE電極略?。ㄇ€b），這是因為GO的導電性能較差。采用循環(huán)伏安法（曲線c）和I-T曲線法（曲線d）制備的AuNPs-rGO/GCE電極的電流響應(yīng)均明顯比GCE電極大，說明制備的AuNPs-rGO復合材料可有效促進K3［Fe（CN）6］探針的電子傳遞。如曲線d所示，采用I-T曲線法電沉積制備的AuNPs-rGO/GCE電極的電流響應(yīng)更大。

進一步采用電化學阻抗譜對兩種電沉積方法制備的AuNPs-rGO/GCE電極的電化學性質(zhì)進行表征。如圖2所示，曲線a～d分別為裸GCE電極，GO/GCE電極，利用循環(huán)伏安法制備的AuNPs-rGO/GCE電極，利用I-T曲線法制備的AuNPs-rGO/GCE電極的電化學阻抗譜，可知，電化學阻抗譜測定結(jié)果均與循環(huán)伏安測定結(jié)果（圖1）一致，采用I-T曲線法電沉積制備的AuNPs-rGO/GCE電極的電化學阻抗譜表現(xiàn)出最小的半圓直徑（曲線d），同樣說明采用I-T曲線法電沉積制備的AuNPs-rGO/GCE電極促進電子傳遞作用最強，且I-T曲線法電沉積過程僅需要250 s，用時更短，因此選用I-T曲線法電沉積AuNPsrGO復合材料。

圖1 不同電極的循環(huán)伏安曲線Fig.1 Cyclic voltammetry curves of different electrodes

圖2 不同電極的電化學阻抗譜Fig.2 Electrochemical impedance spectroscopy curves of different electrodes

2.2 傳感器構(gòu)建條件優(yōu)化

采用電化學聚合方法，以常用電聚合單體鄰苯二胺為功能單體，以氨芐西林為模板分子，在AuNPs-rGO/GCE電極表面制備氨芐西林MIP膜，為得到更好的氨芐西林檢測效果，分別對功能單體與模板分子比例，電聚合圈數(shù)，洗脫劑及洗脫時間，重結(jié)合時間等實驗條件進行優(yōu)化選擇。同時參照以鄰苯二胺為功能單體電聚合制備MIP的文獻報道常用參數(shù)［19-20］，確定電化學聚合條件如下：以AuNPsrGO/GCE電極為工作電極構(gòu)建三電極系統(tǒng)，置于含有5 mmol·L-1氨 芐 西 林 和10 mmol·L-1鄰 苯 二 胺 的pH 5.2的0.1 mol·L-1醋酸鹽緩沖液中進行循環(huán)伏安掃描，在0～0.8 V，以0.05 V·s-1掃描速率，電聚合30圈后在AuNPs-rGO/GCE電極表面得到氨芐西林MIP膜，即MIP/AuNPs-rGO/GCE電極。洗脫劑為甲醇/乙酸（9∶1，V/V），洗脫時間為15 min，重結(jié)合時間為20 min。電聚合過程循環(huán)伏安曲線如圖3所示，電聚合第一圈時，在0.6 V左右得到鄰苯二胺單體的不可逆氧化峰，隨著聚合圈數(shù)逐漸增加，該氧化峰電流逐漸降低，當聚合圈數(shù)增加到30圈時，該氧化峰完全消失。這些實驗結(jié)果說明包埋有模板分子氨芐西林的聚鄰苯二胺薄膜已成功聚合在AuNPsrGO/GCE電極表面，并且阻礙了鄰苯二胺單體進一步到達電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

圖3 電聚合氨芐西林分子印跡聚合物循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammetry curves of ampicillin molecularly imprinted polymer by electropolymerization

2.3 傳感器構(gòu)建過程電化學表征

采用K3［Fe（CN）6］作為電活性探針，通過循環(huán)伏安法對氨芐西林分子印跡電化學傳感器的構(gòu)建過程進行表征，以驗證傳感器構(gòu)建效果。如圖4曲線A所示，K3［Fe（CN）6］探針在裸GCE電極表面有可逆的氧化還原峰。當在GCE電極表面電沉積AuNPs-rGO復合材料后，AuNPs-rGO/GCE電極 的電流響應(yīng)明顯增大（圖4，曲線B），這是因為一步電沉積法制備的AuNPs-rGO復合材料具有導電性能好、比表面積大等優(yōu)點，促進了K3［Fe（CN）6］探針的電化學傳遞過程。如圖4曲線C所示，當在AuNPsrGO/GCE電極表面電聚合一層MIP薄膜后，得到的MIP薄膜電極的電流響應(yīng)明顯降低，這是因為電極表面的MIP薄膜較緊密，阻礙了K3［Fe（CN）6］探針分子穿過薄膜到達電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。當用洗脫劑洗脫掉氨芐西林后，K3［Fe（CN）6］的氧化還原峰電流明顯增大（圖4，曲線D），這是因為洗脫掉模板分子后，MIP薄膜中暴露出氨芐西林的特異性識別位點，多孔結(jié)構(gòu)的MIP薄膜有利于K3［Fe（CN）6］探針分子穿過到達電極表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。如圖4曲線E所示，當洗脫后的MIP/AuNPsrGO/GCE電極重結(jié)合0.1 mmol·L-1氨芐西林后，電極的電流響應(yīng)明顯降低。這是因為重結(jié)合氨芐西林后，MIP薄膜中氨芐西林的特異性識別位點被占據(jù)，降低了MIP薄膜的孔隙度和滲透率，并且電流響應(yīng)降低的程度與重結(jié)合的氨芐西林濃度有關(guān)。從圖4檢測結(jié)果表明，該MIP薄膜可以用來識別氨芐西林，可以利用洗脫后及重結(jié)合氨芐西林后的循環(huán)伏安響應(yīng)差值對溶液中的氨芐西林進行定量分析。

圖4 K3［Fe（CN）6］在不同電極上的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammetry curves of K3［Fe（CN）6］at different electrodes

2.4 標準曲線

配制濃度范圍為1×10-9～5×10-3mol·L-1的氨芐西林標準溶液，并將洗脫后的MIP/AuNPs-rGO/GCE電極置于不同濃度的氨芐西林標準溶液中，重結(jié)合20 min后自然晾干。以重結(jié)合氨芐西林標準溶液后的電化學傳感器為工作電極，在K3［Fe（CN）6］探針溶液中進行循環(huán)伏安測定后記錄K3［Fe（CN）6］的氧化峰電流Ipa，以K3［Fe（CN）6］探針在洗脫后的MIP/AuNPs-rGO/GCE電極上的氧化峰電流為背景電流I0，記錄氨芐西林標準溶液的濃度c與ΔIpa（I0-Ipa）的關(guān)系，并繪制如圖5a所示的標準曲線，得到傳感器的線性方程為：ΔIpa（μA）=1.1214（μA）+1.4461c（μmol·L-1）（r=0.997），線 性 范 圍 為3.00×10-9～7.00×10-6mol·L-1，靈敏度為1.4461 μA/（μmol·L-1），最低檢出限為1.26×10-9mol·L-1（S/N=3）。隨著氨芐西林濃度逐漸增大，NIP傳感器的ΔIpa均約為0，這是因為NIP傳感器沒有氨芐西林的特異性識別位點，不能選擇性識別氨芐西林。

為研究電沉積制備的AuNPs-rGO復合材料對氨芐西林檢測靈敏度的影響，用同樣的方法直接在裸GCE電極表面電聚合氨芐西林MIP膜，得到氨芐西林MIP/GCE電極，用于1×10-9～5×10-3mol·L-1氨芐西林標準溶液測定，得到如圖5b所示的標準曲線，傳感器的線性方程為：ΔIpa（μA）=1.12054（μA）+0.18391c（μmol·L-1）（r=0.993），線 性 范 圍 為7×10-8～5×10-5mol·L-1，檢測靈敏度為0.18391 μA/（μmol·L-1），檢出限為6.35×10-8mol·L-1（S/N=3）。由此可知，在GCE電極表面電沉積AuNPs-rGO復合材料可有效提高傳感器的檢測靈敏度。

圖5 三種傳感器的標準曲線Fig.5 Calibration curves of three sensors

2.5 傳感器的選擇性研究

為研究該分子印跡電化學傳感器對氨芐西林的特異選擇性，選擇氨芐西林的兩種結(jié)構(gòu)類似物阿莫西林和頭孢氨芐作為干擾物。利用洗脫后的MIP/AuNPs-rGO/GCE電極分別對3.00×10-6mol·L-1氨芐西林及3.00×10-5mol·L-1阿莫西林和頭孢氨芐進行測定，如圖6所示，該分子印跡電化學傳感器對氨芐西林的電流響應(yīng)ΔIpa明顯比其它兩種干擾物質(zhì)的電流響應(yīng)高，說明該傳感器對氨芐西林具有很高的選擇性。這是因為洗脫后的MIP薄膜電極產(chǎn)生的立體孔穴的大小和形狀都與氨芐西林匹配，它們之間的特異性相互作用發(fā)揮了重要的作用。

圖6 傳感器的選擇性Fig.6 The selectivity of the sensor

2.6 傳感器的再現(xiàn)性及穩(wěn)定性研究

為研究該傳感器的再現(xiàn)性，在相同實驗條件下用相同方法制備3個氨芐西林分子印跡電化學傳感器，并用它們檢測3.00×10-6mol·L-1氨芐西林，經(jīng)過反復洗脫和檢測三次后，得到的相對標準偏差為4.9%，說明該傳感器具有良好的再現(xiàn)性。

傳感器的儲存穩(wěn)定性是評估其實際應(yīng)用性的一個重要參數(shù)。將制備的3個傳感器室溫放置兩周后，用它們檢測3.00×10-6mol·L-1氨芐西林，發(fā)現(xiàn)該傳感器的電流響應(yīng)約為其初始電流響應(yīng)的92%，說明該傳感器有很好的儲存穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

通過電沉積條件優(yōu)化，在GCE電極表面一步電沉積制備AuNPs-rGO復合材料，電沉積過程簡單、可控、高效，制得的AuNPs-rGO/GCE電極具有良好的電化學性質(zhì)、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。將AuNPs-rGO復合材料的優(yōu)良性質(zhì)與具有特異選擇性的MIP相結(jié)合，構(gòu)建檢測靈敏度高、選擇性好、穩(wěn)定性強的氨芐西林電化學傳感器。該傳感器的檢測靈敏度是利用裸GCE電極構(gòu)建的傳感器檢測靈敏度的7.86倍，說明一步電沉積法制備AuNPs-rGO復合材料在電化學傳感器構(gòu)建方面具有較高的應(yīng)用價值。