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标题 基于石墨烯的毒死蜱分子印迹电化学传感器的制备及对毒死蜱的测定
范文 谭学才等



摘 要 利用分子印迹技术，以马来松香丙烯酸乙二醇酯为交联剂，使用自由基热聚合法在石墨烯修饰的玻碳电极表面合成毒死蜱（CPF）分子印迹聚合膜，制得了CPF分子印迹电化学传感器。采用循环伏安法、线性扫描伏安法和电化学交流阻抗法等，考察了此CPF分子印迹膜的电化学性能。在最佳检测条件下，传感器的峰电流与CPF浓度在2.0×10 7～1.0×10 5 mol/L范围内呈线性关系，线性方程为Ip （μA） =
7.1834-0.2424C（μmol/L），相关系数r2=0.9959，检出限为6.7×10 8 mol/L（S/N=3）。构建了CPF分子印迹电化学传感器的动力学吸附模型，测得印迹传感器的印迹因子β=2.59，结合速率常数k=12.2324 s。传感器表现出良好的重现性和稳定性，并成功用于实际水样和蔬菜样品中CPF的测定，加标回收率为94.1%～101.4%。
关键词 毒死蜱； 石墨烯； 分子印迹聚合物； 电化学传感器； 马来松香丙烯酸乙二醇酯
1 引 言
毒死蜱（Chlorpyrifos，CPF）是一种有机磷杀虫剂，在农业生产中应用广泛，其在生态系统的残留会通过食物链的富集作用转移至人体，危害人体健康[1]。目前，检测CPF的方法主要有色谱法[2～4]、酶联免疫分析法（ELISA）[5]、伏安法[6]、酶生物传感器[7～10]、紫外分光光度法[11]、分子印迹传感器[12]等。这些方法虽然可以较准确、灵敏地检测CPF，但色谱法样品前处理及操作过程繁琐、仪器费用昂贵，ELISA法和酶生物传感方法需使用对环境敏感的酶，伏安法易受复杂样品基质的干扰，紫外分光光度法受光（电）源的波动影响大，容易带来较大误差，因此，开发高选择性、高灵敏度和快速检测CPF的新方法具有重要的应用价值。
分子印迹技术（Molecularly imprinted technique， MIT）是制备对特定目标分子具有特异性识别能力的分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIP）的技术，在样品的分离、富集、检测和电化学传感等领域应用广泛[13～15]。纳米材料具有独特的表面活性和电化学特性，用于电化学传感界面可以加速电子传递速率、提高响应灵敏度[16]。石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的纳米材料，具有良好的导电性和催化活性，在提高电化学传感器灵敏度的研究方面备受关注[17，18]。
新型交联剂的合成以及利用纳米材料增强检测灵敏度是分子印迹电化学传感器目前的研究热点。本实验采用自行合成的马来松香丙烯酸乙二醇酯（EGMRA） 作为交联剂，其具有三环菲骨架结构，分子骨架大，天然无毒，用其合成的MIP具有机械性能好、耐热性好等优点[19，20]。本实验以石墨烯为电极增敏材料，CPF为模板分子，EGMRA为交联剂，采用自由基热聚合法制备了CPF分子印迹聚合物，基于此构建了检测CPF的分子印迹电化学传感器。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
PGSTAT128N电化学工作站（瑞士万通公司）；DZF6020型真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；SUPRA 55 sapphire 场发射扫描电子显微镜（德国卡尔蔡司公司）；采用三电极系统，玻碳电极（GCE， =3.0 mm）为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极（ =1.0 mm）为对电极。
单层石墨烯粉末（XF001W， 南京先丰纳米材料科技有限公司）；CPF分析标准品，辛硫磷分析标准品（阿拉丁试剂有限公司）；伏杀磷分析标准品（美国Accustandard公司）；马来松香丙烯酸乙二醇酯（EGMRA，自制[21]），其它试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。
2.2 实验方法
2.2.1 石墨烯修饰玻碳电极的制备
在鹿皮上用0.05 μm的Al2O3粉末将玻碳电极抛光，依次用HNO3（1∶1， V/V）、无水乙醇和超纯水超声清洗5 min，待用。称取5 mg的石墨烯粉末于小烧杯中，加入5 mL四氢呋喃（THF），超声混匀，制得石墨烯分散液。在处理好的玻碳电极表面滴加2 μL石墨烯分散液，将电极置于60 ℃的真空干燥箱中1 h使溶剂完全挥发，制得石墨烯修饰电极（Graphene/GCE）。
2.2.2 印迹及非印迹电极的制备
取2 mL甲苯于小烧杯中，依次加入交联剂EGMRA（0.4912 g， 0.4 mmol）、模板分子CPF（0.0351g， 0.1 mmol）、功能单体甲基丙烯酸（0.0344 g， 0.4 mmol）和引发剂偶氮二异丁腈（0.0160 g），超声溶解。取2 μL此混合液滴涂到Graphene/GCE表面，静置90 s使均匀成膜；然后将电极置于60 ℃真空干燥箱内热聚合5 h。非印迹电极的制备除不加CPF外，其余步骤同上。
2.2.3 电化学测试
循环伏安法：起始电位为0.5 V，电位范围为
1.2～0.5 V，扫描速率为50 mV/s。线性扫描伏安法：起始电位为0.5 V，电位范围为
1.2～0.5 V，扫描速率为50 mV/s。电化学交流阻抗法：频率范围为0.1～1.0×106 Hz，振幅为8 mV。
水样：采用标准加入法对自来水样直接进行加标回收测定。蔬菜样品：将5.0 g研碎的蔬菜（油麦菜）放入离心管中，加入10 mL水，15 mL乙醇和100 μL内标溶液（2 mmol/L CPF），充分摇匀，离心6 min，取上清液用0.1 mol/L的KH2PO4K2HPO4溶液（pH=7.0）定容至100 mL，制得样品溶液，测定并进行加标回收测定。
3 结果与讨论
3.1 分子印迹膜的制备流程
分子印迹聚合物的制备流程如图1所示。首先CPF的吡啶基、磷硫双键和甲基丙烯酸（MAA）中的羧基以氢键作用结合形成加合物；然后加入交联剂（EGMRA）和引发剂偶氮二异丁腈（AIBN），使CPF和MAA聚合成高度交联的分子印迹聚合物；最后采用适当的方法将CPF去除，聚合物膜内便留下了与CPF空间结构互补并能可逆结合CPF的“空穴”。
3.2 分子印迹膜的表征
3.2.1 分子印迹膜的扫描电镜图 图2是不同电极的扫描电镜图。从图2A可以看到石墨烯明显的层状结构，非印迹电极（图2B）和未洗脱的印迹电极（图2C）表面覆盖了一层致密膜，而在洗脱了CPF后的印迹电极（图2D）表面可清晰地看到较多的印迹“空穴”。
3.2.2 分子印迹膜的电化学表征 图3为不同电极的循环伏安图。在含有CPF的底液中，因为CPF本身具有电活性，使其在裸电极（c）上出现了一个较大的还原峰，而具有致密表面结构的非印迹膜阻碍了CPF向电极表面扩散，使电极（a）几乎没有还原峰出现。
去除CPF后的印迹电极（b）还原峰峰电流较裸电极（c）小，这是因为印迹膜表面含有大量与CPF分子形状相匹配、大小合适并有相互作用功能基团的空穴，CPF在空穴中产生电化学响应。修饰了石墨烯后的印迹电极（d）与电极（b）相比，还原峰电流增大了1.56倍，峰电位正移了0.149 V，表现出石墨烯良好的增敏与催化作用。
图4为不同电极的电化学交流阻抗谱（EIS）。交流阻抗谱中高频部分的半圆直径对应于电子转移阻抗，如图所示，裸电极（c）的阻抗值为465 Ω，而非印迹电极（a）的阻抗值为10624 Ω，这是因为非印迹膜致密的表面结构阻碍了Fe（CN）3
6进入电极表面；与非印迹电极相比，印迹电极（b）阻抗值明显降低到6498 Ω，这是因为去除CPF后，印迹膜表面产生了很多“空穴”，使Fe（CN）3
6进入电极表面的阻碍减小；而石墨烯修饰的印迹电极（d）阻抗为4744 Ω，较印迹电极（b）更小，说明修饰了石墨烯后的印迹电极表面电子转移相对较容易，表现出了石墨烯良好的电催化活性。
3.3 实验条件的优化
3.3.1 模板去除溶剂和时间的影响 采用线性扫描伏安法，利用K3[Fe（CN）6]为探针，分别考察了10 mL不同体积比乙酸甲醇溶液洗脱后的MIP/Graphene/GCE在CPF溶液中孵化前后的电流响应。结果表明，随着乙酸用量的增大，MIP/Graphene/GCE孵化后的电流值与孵化前相比变化不大，这可能是洗脱剂的酸性太强，破坏了聚合物膜的空间结构，使得印迹膜不能很好地识别并结合CPF。而乙酸甲醇（1∶9，V/V）溶液既能很好地去除模板分子，同时又不破坏聚合物膜的空间结构，孵化后的电流值与孵化前相比明显减小。因此选择用乙酸甲醇（1∶9， V/V）溶液作为洗脱剂。
将MIP/Graphene/GCE用乙酸甲醇（1∶9， V/V）溶液洗脱CPF，随着洗脱时间的增加，CPF溶出，在电极表面留下的“空穴”增多，循环伏安扫描的峰电流越大。洗脱6 min后，峰电流趋于稳定。因此最佳洗脱时间选择6 min。
3.3.2 支持电解质及底液pH的影响 采用线性扫描伏安法，分别考察了0.1 mol/L，pH=7.0 的HAcNaAc、KH2PO4K2HPO4、KCl、NH3·H2ONH4Cl、HCl等5种电解质溶液对CPF响应电流的影响。结果表明，在KH2PO4K2HPO4介质中，CPF峰电流最大且峰形最好。考察了0.1 mol/L不同pH值的KH2PO4K2HPO4溶液对CPF响应电流的影响，发现pH=7.0时，电流响应最大，因此选择0.1 mol/L，pH=7.0的KH2PO4K2HPO4溶液作为测定介质。
3.3.3 扫描速率的影响
采用循环伏安法，考察了不同扫描速率下洗脱后的MIP/Graphene/GCE对CPF （ c=1.0×10 7 mol/L）峰电流。如图5所示，在50～300 mV/s扫速范围内，CPF峰电流Ip与扫描速率v呈线性关系，线性方程为Ip（μA） =
0.51152-0.00486 v （mV/s），相关系数R2=0.993。说明电极反应是受吸附控制的。当扫描速率较高时，可以获得较大的峰电流，但相应的峰形较差。基于以上考虑，选择50 mV/s作为最佳扫描速率。
3.3.4 孵化时间的选择 将MIP/Graphene/GCE置于5.0×10 6 mol/L CPF溶液中孵化，以K3[Fe（CN）6]为探针，考察了孵化时间的影响。初始阶段峰电流值随孵化时间的延长而减小，120 s时峰电流值趋于稳定，说明CPF填补印迹膜中的“空穴”达到平衡。因此最佳孵化时间选择120 s。
3.4 分子印迹膜传感器的分析特性
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Abstract Graphene and a novel crosslinker （ethylene glycol maleic rosinate acrylate） were used to prepare molecularly imprinted electrochemical sensors with high sensitivity. A molecular imprinting polymer （MIP） film was created on a graphenemodified glassycarbon electrode for determination of chlorpyrifos （CPF） using free radical polymerization method. The electrochemical properties of the MIP and nonimprinted polymer （NIP） sensors were investigated via cyclic voltammetry （CV）， linear sweep voltammetry， and electrochemical impedance spectroscopy （EIS）. The surface morphology of the imprinted film was characterized by scanning electron microscopy （SEM）. Under the optimal experimental conditions， the peak currents were proportional to the concentrations of chlorpyrifos in the range of 2.0×10 7-1.0×10 5 mol/L with a detection limit of 6.7×10 8 mol/L （S/N=3）. The linear equation was Ip （μA）=
7.1834-0.2424C （μmol/L） （R2=0.9959）. Adsorption model of the molecular imprinted sensor was investigated， and the measured imprinting factor β of the sensor was 2.59， with the binding rate constant k of 12.2324 s. The developed electrochemical sensor based on graphene modified electrode and molecularly imprinted polymer exhibited good repeatability and stability， and was successfully used to determine CPF in water and vegetable samples with recoveries from 94.1% to 101.1%.
Keywords Chlorpyrifos； Graphene； Molecularly imprinted polymer； Electrochemical sensor； Ethylene glycol maleic rosinate acrylate
（Received 27 August 2014； accepted 29 December 2014）
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos. 21365004， 21065001）
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更新时间：2024/12/22 23:09:43