趙 喆， 陶 溪， 方 楚， 謝祥祥， 王 寧， 闞顯文

(安徽師范大學 化學與材料科學學院，安徽 蕪湖 241000)

印跡電化學傳感器對2,4-二氯苯氧乙酸的識別與檢測

趙 喆， 陶 溪， 方 楚， 謝祥祥， 王 寧， 闞顯文

(安徽師范大學 化學與材料科學學院，安徽 蕪湖 241000)

以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)為模板分子，鄰苯二胺為功能單體，采用電聚合法在玻碳電極表面合成印跡聚合物，得到印跡聚合物電化學傳感器.采用循環(huán)伏安法和差示脈沖伏安法對傳感器的性質(zhì)進行了表征.結(jié)果表明，該印跡傳感器對2,4-D表現(xiàn)出良好的特異性結(jié)合能力和識別能力，可從2,4-二氯苯酚、4-氯苯氧乙酸、苯氧乙酸、苦杏仁酸等結(jié)構(gòu)類似物中選擇性地識別模板分子.同時，該傳感器用于對2,4-D的靈敏檢測，響應線性范圍為1.0×10-9-2.0×10-7mol/L，檢測限為1.8×10-10mol/L(S/N=3).

分子印跡聚合物；電化學傳感器；2,4-二氯苯氧乙酸；鄰苯二胺

分子印跡技術(shù)是采用人工方法合成的對模板分子有著特異性結(jié)合能力的聚合物的技術(shù).其原理為：首先，模板分子與功能單體間通過共價鍵、氫鍵、范德華力等作用力，形成復合物；然后，加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑，通過光、電、熱、化學反應能等引發(fā)形成具有一定三維立體功能材料；最后，通過化學或物理方法把模板分子移除，留下的印跡空穴與模板分子在空間結(jié)構(gòu)、尺寸大小、官能團上互補，可以特異性結(jié)合模板分子，與自然系統(tǒng)中的生物識別系統(tǒng)類似，對模板分子具有特異性識別能力[1-6].此外，印跡聚合物還具有合成簡單，抗強酸、抗強堿、耐高溫等一系列的優(yōu)點.這些特性使得分子印跡聚合物在液相色譜法[7-8]，電色層分離法[9-10]，固相萃取法[11-12]和電化學傳感器[13-14]等方面得到了廣泛的應用.

2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)是一種常用的除草劑，類似于生長素或其它植物生長調(diào)節(jié)劑，可刺激生長，影響植物代謝，但具有一定毒性，易殘留在植物表面，對人們的食品安全問題造成了嚴重的影響，因此，對2,4-D的分析檢測就顯得尤為重要[15-16].

電化學傳感器具有制備簡單、檢測靈敏快速等優(yōu)點，若以印跡聚合物為識別元件，將其修飾在電極表面，制備印跡電化學傳感器，必將賦予電化學傳感器很好的選擇性，并可同時實現(xiàn)對目標分子的靈敏檢測.分子印跡聚合物電化學傳感器的制備方法，包括化學接枝[17-18]，軟光刻技術(shù)[19-20]，溶膠凝膠技術(shù)[21-23]和電聚合法[24-26]等.這些方法制備的分子印跡電化學傳感器性質(zhì)穩(wěn)定并且對模板分子具有親和性和選擇性.

本實驗中，我們將分子印跡技術(shù)和電化學傳感器相結(jié)合構(gòu)建了印跡電化學傳感器，實現(xiàn)了對2,4-D的識別和檢測，并采用循環(huán)伏安法和差示脈沖伏安法等電化學方法對制備的印跡傳感器的性質(zhì)進行了研究.

1 實驗設計

1.1試劑

1.3.1 印跡電化學傳感器的制備 鄰苯二胺(o-PD)(購于國藥化學試劑有限公司)，2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)，2,4-二氯苯酚(2,4-CA)，DL-苦杏仁酸(DL)，4-氯苯氧乙酸(4-CPA)，苯氧乙酸(PA)(以上幾種試劑均購于上海阿拉丁公司)，NaAc-HAc溶液(0.1mol/L，pH=5.2)實驗室用水均為二次蒸餾水.

1.2實驗儀器

CHI660C電化學工作站(上海辰化儀器公司 )，三電極系統(tǒng)(鉑絲電極作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極，修飾電極作為工作電極), 超聲清洗器(昆山有限公司).

1.3實驗步驟

我們制備的印跡傳感器過程如圖1所示：首先，將玻碳電極用0.30μm氧化鋁粉末進行拋光處理，并在乙醇和水中超聲清洗，在清洗過后放入[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中進行CV檢測，確定玻碳電極表面被清洗干凈；然后，將處理好的玻碳電極置入0.1mol/L pH=5.2 NaAc-HAc，5.0×10-3mol/L 2,4-D，0.02mol/L 鄰苯二胺溶液中進行電聚合電聚合；最后，將制備好的印跡傳感器放入乙醇溶液中洗脫除去模板分子.

作為對照實驗，在相同的條件制備了非印跡電化學傳感器，在聚合過程中不加入模板分子.

圖1 印跡電化學傳感器的制備示意圖Fig. 1 The schematic of preparation of molecularly imprinted electrochemical sensor.

1.3.2 電化學的測定 在本實驗中，我們用伏安法(CV)和差示脈沖伏安法(DPV)對制備的印跡傳感器進行了電化學性質(zhì)的表征.利用CV法對印跡傳感器的洗脫實驗進行研究；利用DPV法對印跡傳感器對模板分子的特異性識別、線性范圍和選擇性識別等性質(zhì)進行研究.

圖2 印跡電化學傳感器的聚合曲線Fig. 2 The CV curve of molecular imprinted polymer electrochemical sensor

2 結(jié)果與討論

2.1印跡電化學傳感器的制備

我們將清洗好的玻碳電極置入5.0×10-3mol/L 2,4-D，0.02mol/L 鄰苯二胺，0.1mol/L pH=5.2 NaAc-HAc的聚合液中進行20圈CV聚合以制備印跡電化學傳感器，電聚合曲線如圖2所示.從圖中我們可以很明顯的看出，開始掃描時，在0.33V出現(xiàn)了明顯的氧化峰，此為鄰苯二胺的氧化峰.隨著聚合圈數(shù)的增加，印跡傳感器在溶液中的峰電流越來越小，這可能是由于隨著電極表面2,4-D和鄰苯二胺的聚合，印跡聚合膜的厚度逐漸增加.而聚鄰苯二胺為非電活性物質(zhì)，隨著印跡聚合物膜的增厚，導電性越來越差，使得峰電流越來越小.

因2,4-D在選擇的電位窗口范圍內(nèi)不能被氧化或還原，所以我們選擇電活性探針[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-進行檢測，根據(jù)其電流變化來表征制備的印跡電化學傳感器的性能.

圖3 (A)印跡傳感器洗脫前后和 (B)非印跡傳感器洗脫前后在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中的CV曲線圖.Fig. 3 (A)the CV curves of MIP/GCE (a):before inserting in ethanol(b); (b)NIP/GCE(c)before inserting in ethanol (d)in [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- solution.

我們將聚合好的傳感器用二次水清洗后，置入乙醇溶液中，將模板分子從印跡聚合物中洗脫出來，并用CV法在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中進行電化學表征，結(jié)果如圖3.我們可以很明顯地看出，相比較洗脫前，印跡傳感器在洗脫模板分子后在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中出現(xiàn)一對明顯的氧化還原峰，而非印跡傳感器則在洗脫前后并無明顯的變化.這個原因可能是印跡傳感器上的模板分子被乙醇成功洗脫除去，從而在電極表面形成了“印跡空穴”.這使得本來很難到達電極表面的探針分子通過“印跡空穴”到達了電極的表面，因此會出現(xiàn)一對明顯的鐵氰化鉀探針的氧化還原峰.作為對照實驗的非印跡傳感器由于沒有模板分子，因此在洗脫前后并無明顯的變化.

圖4 (A)印跡傳感器在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液(a)和含有1.5×10-8mol/L 2,4-D的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液(b)中的DPV響應圖；(B)印跡傳感器和非印跡傳感器在不同模板分子濃度條件下的Δi-c曲線圖.Fig. 4 (A)The DPV curves of MIP/GCE in blank [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- solution (a)；the DPV curves of MIP/Au/GCE in [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- solution within 1.5×10-8mol/L2,4-D (b). (B)The Δi-c curve of different concentration of template molecules.

2.2印跡傳感器的特異性結(jié)合

為了探究制備的印跡傳感器對模板分子2,4-D的特異性結(jié)合能力，我們將印跡傳感器置入含有不同濃度模板分子的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中，利用DPV法對其進行電化學表征，結(jié)果如圖4所示.由圖4A可見，當溶液中存在1.5×10-8mol/L 2,4-D時，探針電流較無模板分子時有顯著的降低.這是由于模板分子被吸附到印跡空穴中，阻礙了探針到達電極表面，電流減小.由圖4B可見，隨著模板分子濃度逐漸增大，探針溶液的峰電流在逐漸的減小.而探針在非印跡傳感器表面的電流沒有隨模板分子濃度的改變而發(fā)生明顯變化，這是由于非印跡傳感器表面沒有印跡空穴，探針分子始終無法達到電極表面造成的.由以上實驗現(xiàn)象可以得出結(jié)論：制備的印跡傳感器對模板分子具有良好的特異性結(jié)合能力.

2.3印跡傳感器的測定

作為電化學傳感器，應對目標物具有靈敏的檢測能力.為此，我們將印跡傳感器置于[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中，逐次加入一定濃度的2,4-D，然后進行DPV掃描，結(jié)果如圖5所示.隨著模板分子濃度的增加，印跡傳感器在探針溶液中的峰電流逐漸減小，當模板分子的濃度高于2.0×10-7mol/L時，印跡傳感器在鐵氰化鉀探針溶液中的峰電流基本保持不變.插圖為檢測的校正曲線，可見，在1.0×10-9-2.0×10-7mol/L范圍內(nèi)，探針電流與模板分子濃度之間具有良好的線性關(guān)系，線性方程為I/A=85.69151·C/mol·L-1，相關(guān)系數(shù)為0.998，檢測限為1.8×10-10mol/L(S/N=3).由此，我們可以看出，制備的印跡傳感器對模板分子具有良好的電流響應，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是由于當探針溶液中的模板分子占據(jù)了分子印跡聚合物中的印跡空穴，阻礙了傳感器的電子傳遞，導致了其對探針檢測電流的減小.隨著溶液中模板分子的濃度逐漸增大，被占據(jù)的印跡空穴越來越多，當模板分子的濃度達到一定值時，傳感器對模板分子的吸附達到飽和，此時，傳感器對探針的檢測電流值保持不變.

圖5 (A)印跡電化學傳感器在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中對2,4-D的DPV響應曲線圖(插圖為印跡電化學傳感器在1.0×10-9mol/L-2.0×10-7mol/L的校正曲線圖)Fig. 5 The DPV curves of MIP/GCE in [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-solution within different concentration of 2,4-D.(Insert is the calibration curve)

圖6 印跡傳感器的選擇性Fig. 6 Selectivity of the sensor

2.4印跡傳感器的識別能力

為了探究印跡傳感器對模板分子的選擇性識別能力，我們選取了2,4-CA、DL、4-CPA和PA四種結(jié)構(gòu)類似物進行選擇性實驗.我們在探針溶液中分別加入濃度為1.5×10-8mol/L的結(jié)構(gòu)類似物，采用DPV技術(shù)記錄探針的電流信號.經(jīng)過比較，可發(fā)現(xiàn)，印跡傳感器對模板分子2,4-D的響應電流值最大，干擾物的電流響應相對較小.而且，每一種物質(zhì)在非印跡傳感器表面的電流響應均較小，充分說明我們制備的印跡傳感器對模板分子2,4-D具有良好的選擇性識別能力.

2.5印跡傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

為探究印跡傳感器的重現(xiàn)性，我們將傳感器置于模板分子濃度為1.5×10-8mol/L的探針溶液中，結(jié)合DPV掃描，記錄電流值；然后用乙醇洗脫除去結(jié)合的模板分子，再置于模板分子的探針溶液中結(jié)合并檢測電流值.如此反復，進行了20次DPV檢測并比較了每次印跡傳感器對模板分子的響應電流值.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我們制備的印跡傳感器對相同濃度的模板分子檢測的響應電流值的相對標準偏差為0.87%.在印跡傳感器對模板分子檢測的穩(wěn)定性實驗中，我們采用不同時間間隔(1天、5天、10天、30天)用印跡傳感器對含有相同濃度(1.5×10-8mol/L)2,4-D的探針溶液進行DPV檢測，并計算在加入模板分子前后，探針電流的變化值及計算四次測量的標準偏差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四次測量的標準偏差s=0.4%，由此說明我們制備的印跡電極具有良好的穩(wěn)定性.

3 結(jié)論

本實驗中，我們以鄰苯二胺為功能單體，2,4-D作為模板分子，制備了一種新型的印跡電化學傳感器.實驗中，通過CV法和DPV法等對印跡傳感器的電化學性質(zhì)進行了表征.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制備的印跡傳感器對模板分子具有良好的特異性結(jié)合能力，能從結(jié)構(gòu)類似物中選擇性得識別模板分子.該傳感器用于對模板分子的檢測，線性范圍為1.0×10-9-2.0×10-7mol/L，檢測限為1.8×10-10mol/L (S/N=3).此外，制備的印跡傳感器具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，為以后的實際應用奠定了良好的基礎(chǔ).

[1] VLATAKIS G, ANDERSSO L I, MULLER R, et al. Drug assay using antibody mimics made by molecular imprinting[J]. Nature, 1993, 361:645-647.

[2] FARRINGTON K, REGAN F. Investigation of the nature of MIP recognition: The development and characterization of a MIP for Ibuprofen[J]. Biosens. Bioelectron, 2007,22:1138-1146.

[3] WU A H, SYU M J. Synthesis of bilirubin imprinted polymer thin film for the continuous detection of bilirubin in an MIP/QCM/FIA system[J]. Biosens. Bioelectron, 2006,21:2345-2353.

[4] HAUPT K, MOSBACH K. Molecularly imprinted polymers and their use in biomimetic sensors[J]. Chemical Reviews, 2000,100(7):2495-2504.

[5] BANERJEE S, K?NIG B. Molecular imprinting of luminescent vesicles[J]. Journal of the American Chemical Society, 2013,135(8):2967-2970.

[6] A Merko?i, S. Alegret. Molecular AC trends in analytical chemistryar imprinted polymers[J]. New materials for electro chemical sensing IV, 2002,11:717-725.

[7] ROBERT Koeber, CLAUDIA Fleischer, FRANCESA, Lanza, Karl-Siegfried Boos, B?rje Sellergren, and Damià Barceló. Evaluation of a Multidimensional Solid-Phase Extraction Platform for Highly Selective On-Line Cleanup and High-Throughput LC?MS Analysis of Triazines in River Water Samples Using Molecularly Imprinted Polymers[J]. Anal Chem, 2001,73(11):2437-2444.

[8] De-Man Hana, b, Guo-Zhen Fanga, c, Xiu-Ping Yana. Preparation and evaluation of a molecularly imprinted sol-gel material for on-line solid-phase extraction coupled with high performance liquid chromatography for the determination of trace pentachlorophenol in water samples[J]. Chromatography A. 30,2005,12:131-136.

[9] Leif Schweitz, Peter Spégel and Staffan Nilsson. Molecularly imprinted microparticles for capillary electrochromatographic enantiomer separation of propranolol[J]. Analyst, 2000,125:1899-1901.

[10] Leif Schweitz, Lars I. Andersson and Staffan Nilsson. Capillary Electrochromatography with Predetermined Selectivity Obtained through Molecular Imprinting [J]. Anal Chem, 1997,69(6):1179-1183.

[11] Mark T. Muldoon and Larry H. Stanker. Molecularly imprinted solid phase extraction of atrazine from beef liver extracts[J]. Anal Chem, 1997,69(5): 803-808.

[12] F.G. Tamayo, E. Turiel, A. Martín-Esteban. Molecularly imprinted polymers for solid-phase extraction and solid-phase microextraction: Recent developments and future trends[J]. Chromatography A. 8,2007,6:32-40.

[13] Dhana Lakshmi, Alessandra Bossi, Michael J. Whitcombe, Iva Chianella, Steven A. Fowler, Sreenath Subrahmanyam, Elena V. Piletska and Sergey A. Piletsky. Electrochemical sensor for catechol and dopamine based on a catalytic molecularly imprinted polymer-conducting polymer hybrid recognition element[J]. Anal Chem, 2009,81(9):3576-3584.

[14] Sergey A. Piletsky and Anthony P. F. Turner. Electrochemical sensors based on molecularly imprinted[J]. Polymers.Electroanalysis. March 2002, pages 317-323.

[15] HAUPT K, DZGOEV A, MOSBACH K. Assay system for the herbicide 2,4-dichlorophenoxyacetic acid using a molecularly imprinted polymer as an artificial recognition element[J]. Analytical chemistry, 1998,70(3):628-631.

[16] DEQUAIRE M, DEGRAND C, LIMOGES B. An immunomagnetic electrochemical sensor based on a perfluorosulfonate-coated screen-printed electrode for the determination of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid[J]. Analytical chemistry, 1999,71(13):2571-2577.

[17] OZKAN D, KERMAN K, MERIC B, et al. Heterostructured fluorohectorite clay as an electrochemical sensor for the detection of 2, 4-dichlorophenol and the herbicide 2,4-D[J]. Chemistry of materials, 2002,14(4):1755-1761.

[18] SERGEY A. Piletsky, Elena V. Piletska, Beining Chen, Khalku Karim, David Weston, Gary Barrett, Phillip Lowe, and Anthony P. F. Turner. Chemical grafting of molecularly imprinted homopolymers to the surface of microplates. application of artificial adrenergic receptor in enzyme-linked assay for β-agonists determination[J]. Anal Chem, 2000,72(18):4381-4385.

[19] FENG Hua, YUGANG Sun, Anshu Gaur, Matthew A. Meitl, Lise Bilhaut, Lolita Rotkina, Jingfeng Wang, Phil Geil, Moonsub Shim, and John A. Rogers. Polymer Imprint Lithography with Molecular-Scale Resolution[J]. Nano Lett, 2004,4(12):2467-2471.

[20] S.A Piletsky, E.V Piletskaya, T.A Sergeyeva, T.L Panasyuk, A.V El'skaya. Molecularly imprinted self-assembled films with specificity to cholesterol[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 1999,11(23):216-220.

[21] De-Man Hana, b, Guo-Zhen Fanga, c, Xiu-Ping Yana. Preparation and evaluation of a molecularly imprinted sol-gel material for on-line solid-phase extraction coupled with high performance liquid chromatography for the determination of trace pentachlorophenol in water samples[J]. Chromatography A. 30,2005,12:131-136.

[22] Guo-Zhen Fang, Jin Tan, and Xiu-Ping Yan. An Ion-imprinted functionalized silica Gel sorbent prepared by a surface imprinting technique combined with a Sol-Gel process for selective solid-phase extraction of cadmium(II)[J]. Anal Chem, 2005,77(6):1734-1739.

[23] AMY L. Graham, Catherine A. Carlson, and Paul L. Edmiston. Development and characterization of molecularly imprinted Sol-Gel materials for the selective detection of DDT[J]. Anal Chem, 2002,74(2):458-467.

[24] PANASYUK T L, MIRSKY V M, PILETSKY S A, et al. Electropolymerized molecularly imprinted polymers as receptor layers in capacitive chemical sensors[J]. Analytical Chemistry, 1999,71(20):4609-4613.

[25] CHENG Z, WANG E, YANG X. Capacitive detection of glucose using molecularly imprinted polymers[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2001,16(3):179-185.

[26] XIE C, GAO S, GUO Q, et al. Electrochemical sensor for 2,4-dichlorophenoxy acetic acid using molecularly imprinted polypyrrole membrane as recognition element[J]. Microchimica acta, 2010,169(1-2):145-152.

ImprintedPolymerElectrochemicalSensorfor2,4-DRecognitionandDetermination

ZHAO Zhe, TAO Xi, FANG Chu, XIE Xiang-xiang, WANG Ning, KAN Xian-wen

(College of Chemistry and Materials Science, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

In this work, the molecular imprinting electrochemical sensor (MIP/GCE)was fabricated by electroplymerizing o-phenylenediamine in the presence of 2,4-dichlorobenzene oxygen ethanoic acid (2,4-D)on galssy carbon electrode (GCE)surface. The sensor was characterized by Cyclic voltammetry (CV)and Differential pulse voltammetry (DPV). The results demonstrated that the sensor had a good specific rebinding capacity to the template molecule. Under the optimized conditions, a good linear range of the sensor to the 2,4-D was 1.0×10-9-2.0×10-7mol/L, with a limit detection of 1.8×10-10mol/L(S/N=3). Meanwhile, the sensor could selectively recognize template molecule from its structural analogues.

molecularly imprinted polymers; electrochemical sensor; 2,4-D; o-phenylenediamine

2014-04-24

國家自然科學基金青年項目(21005002)資助.

通訊作者：闞顯文(1975-)，女，安徽黃山市人，教授，博士.

趙喆，陶溪，方楚，等.印跡電化學傳感器對2，4-二氯苯氧乙酸的識別與檢測[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2014，37(4)：352-356.

O65

A

1001-2443(2014)04-0352-05