楊 志, 龐官榮, 李建平

(桂林理工大學化學與生物工程學院，廣西桂林 541004 )

鉛是一種穩(wěn)定的不可降解的污染物，可在環(huán)境中長期累積，同時它也是一種對人體健康具有重大危害的重金屬元素，因此，對Pb(Ⅱ)的檢測尤為重要。Pb(Ⅱ)常見的檢測方法有分光光度法[1]、溶出伏安法[2]、原子吸收光譜法[3]、高效液相色譜法[4]、電感耦合等離體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法[5]及免疫分析法[6]等。但這些檢測方法大多費時、操作復(fù)雜，特別是不便于現(xiàn)場測試。電化學檢測方法因為其具有高靈敏度、低檢出限、操作簡便等特點，因而更加適用于金屬離子的檢測。

圖1 Pb-Gal配合物分子印跡傳感器的識別原理

離子印跡傳感器作為分子印跡傳感器的一種特殊形式，它能夠直接用于金屬離子的檢測。近年來離子印跡傳感器的研究受到人們廣泛重視[7,8]。傳統(tǒng)的分子印跡電化學傳感器對金屬離子的檢測是根據(jù)印跡膜上金屬離子本身電化學信號的變化進行檢測。由于部分金屬離子本身沒有電活性，因而限制了離子印跡傳感器的應(yīng)用。同時直接測量時金屬離子產(chǎn)生的電化學信號較低，導(dǎo)致分析靈敏度不高。

本文提出了一種以金屬離子配合物作為模板分子的整體印跡、洗脫、檢測的方法。研制了基于鉛-沒食子酸配合物(Pb-Gal)的分子印跡電化學傳感器。該傳感器的原理圖如圖1所示，以沒食子酸為配體與Pb(Ⅱ)形成配合物，作為模板分子。洗脫后在印跡膜上產(chǎn)生的孔穴作為K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]探針的通道，通過重吸附不同濃度模板分子所檢測到的電流大小不同，可實現(xiàn)對Pb(Ⅱ)的定量檢測。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

CHI910B電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；Autolab PGSTAT128N工作站(瑞士，萬通有限公司)；三電極系統(tǒng):鉑電極(d=2 mm)為工作電極，Ag/AgCl(飽和KCl)電極為參比電極，鉑絲電極為對電極；pHS-3D型精密酸度計(中國上海大普儀器有限公司)；DL-180A超聲波清洗器(上海之信儀器有限公司)；Nicolet IS10型傅里葉紅外光譜分析儀(美國,賽默飛世爾科技有限公司)。

K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6](廣東新寧化工廠)；沒食子酸(Gal,中國公私合營育發(fā)化學制造廠)；鄰苯二胺(o-PD,國藥集團化學試劑有限公司)；Pb(Ac)2、HAc、HCl、乙醇、甲醇、KCl、NaAc(西隴化工股份有限公司)。實驗過程中所用試劑均為分析純。實驗用水均為二次蒸餾水。

1.2 實驗方法

1.2.1Pb-Gal的合成[9]稱取物質(zhì)的量比為1∶2的Gal(C7H6O5)和Pb(Ac)2于兩個小燒杯中，各加入適量50 ℃的水配成溶液。向Pb(Ac)2溶液中加入適量的分散劑聚乙二醇并攪拌，緩慢滴加Gal溶液，繼續(xù)攪拌10 min，室溫下靜置30 min，過濾，分別用水和無水乙醇洗滌3次，所得固體置于干燥箱中100 ℃干燥3 h，即可得到Pb-Gal。稱取0.5382 g(0.90 mmol)Pb-Gal加少量HAc,溶于100 mL水中，配制成9.0 mmol/L的Pb-Gal儲備液。

1.2.2分子印跡膜修飾電極的制備將鉑電極用0.05 μm Al2O3粉在麂皮上打磨拋光后，分別用50%HNO3、無水乙醇和水各超聲清洗3 min。然后將電極放入10 mL含有1.8 mmol/L Pb-Gal和 9.0 mmol/L的o-PD溶液中，于0～0.8 V之間以50 mV/s掃速用循環(huán)伏安(CV)法掃描25圈制得Pb-Gal分子印跡膜。待印跡膜干后，在甲醇-HAc(4∶1，V/V)中輕微攪拌8 min以洗脫模板分子，得到對模板分子Pb-Gal配合物具有特異性識別性能的印跡膜傳感器。采用同樣的聚合方法，不加Pb-Gal制備非分子印跡膜傳感器。

1.2.3電化學測量電化學測量采用循環(huán)伏安(CV)法、差分脈沖伏安(DPV)法及交流阻抗(EIS)法。底液均為5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液(含0.5 mol/L KCl)。CV法電位掃描范圍-0.2～0.6 V，掃速100 mV/s；DPV法電位掃描范圍-0.2～0.6 V，振幅50 mV；EIS法電位掃描為0.190 V，頻率范圍100 mHz～100 kHz，交變電壓5 mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子印跡膜電聚合

圖2 鄰苯二胺電聚合圖

電化學聚合過程在Pb-Gal與o-PD混合溶液中進行，電位掃描范圍0～0.8 V，掃速50 mV/s。電聚合的CV圖如圖2所示，聚膜開始時由于經(jīng)過預(yù)處理的電極表面沒有附著物，峰電流響應(yīng)值較大，但隨著聚膜圈數(shù)的增加，聚合物逐漸被印跡到電極表面，即電極表面逐漸覆蓋上弱導(dǎo)電性的o-PD膜，電流響應(yīng)值隨之變小，當聚膜圈數(shù)達到25圈時，電流響應(yīng)值非常小，表明分子印跡聚合物膜已經(jīng)成功地聚合在鉑電極表面。

2.2 分子印跡膜的表征

2.2.1Pb-Gal的紅外表征Gal及Pb-Gal的紅外(IR)光譜圖見圖3。在4 000～3 000 cm-1主要對應(yīng)著配合物的-OH，可以看到與Gal相比，Pb-Gal在該區(qū)域的吸收峰相對往低波數(shù)方向移動了，即發(fā)生了紅移，這表明Gal中的-OH發(fā)生了配位反應(yīng)。圖3a 中，在1 700 cm-1左右的吸收峰為-COOH的吸收峰，在圖3b的Pb-Gal中，該吸收峰相對往低波數(shù)的方向移動，表明-COOH與Pb(Ⅱ)發(fā)生了配位反應(yīng)。這表明本實驗成功合成了Pb-Gal。

圖3 沒食子酸(a)及鉛-沒食子酸(b)的紅外光譜圖

2.2.2分子印跡膜的電化學響應(yīng)采用DPV法表征分子印跡膜的峰電流變化情況。實驗在含有0.5 mol/L KCl的5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中進行，結(jié)果見圖4?？梢姡沣K電極的峰電流響應(yīng)值很大，而電化學聚膜后電極的峰電流響應(yīng)值幾乎為零，這是由于聚膜后的電極表面已經(jīng)形成了一層致密且導(dǎo)電性極差的o-PD膜，阻礙了電子傳遞，因此峰電流響應(yīng)極小。洗脫后峰電流響應(yīng)值明顯大于聚膜后的峰電流值，這是由于洗脫后的分子印跡(MIP)膜上留下了許多模板分子的印跡孔穴，電極表面溶液之間電子傳遞大大加快，峰電流也隨之增大。將洗脫過的傳感器置于1.0 nmol/L Pb-Gal溶液中重吸附后(曲線d)，峰電流明顯地減小，表明印跡孔穴對Pb-Gal有記憶識別作用，能很好地重新識別Pb-Gal。

2.2.3分子印跡膜的交流阻抗表征在5.0 mmol/L K3[Fe(CN6]/K4[Fe(CN)6]溶液(含0.5 mmol/L KCl)中檢測了印跡膜的交流阻抗，結(jié)果如圖5所示。由于修飾電極上的印跡膜比較致密，且導(dǎo)電性很差，因此相對于裸鉑電極，分子印跡膜修飾電極的阻抗很大。分子印跡膜修飾電極洗脫模板分子后，印跡膜表面留下許多的印跡孔穴使電子傳遞的阻礙大大減小，交流阻抗遠小于分子印跡膜修飾電極(曲線b)。將傳感器置于濃度為1.0 nmol/L 的Pb-Gal溶液中重吸附14 min后(曲線c)，由于印跡孔穴對模板分子的識別作用而被堵住，一定程度上阻礙了電子的傳遞過程。

圖4 分子印跡膜在不同條件下的差分脈沖伏安圖

圖5 分子印跡膜在不同條件下的交流阻抗圖

2.3 實驗條件的優(yōu)化

2.3.1聚膜圈數(shù)的選擇實驗考察了聚膜圈數(shù)為15～30圈時印跡膜的洗脫和重吸附的性能。當聚膜圈數(shù)小于15圈時，印跡膜很容易被洗脫掉，無法吸附上目標分子；若聚膜圈數(shù)大于30圈，則印跡膜很難被洗脫，當聚膜圈數(shù)為25圈時，印跡膜的洗脫-重吸附過程均具有最好的效果，選擇聚膜圈數(shù)為25圈。

2.3.2功能單體與模板分子配比的選擇實驗對功能單體/模板分子摩爾比進行了優(yōu)化，研究了功能單體/模板分子摩爾比分別為8/1、7/1、6/1、5/1、3/1、1/1、1/2時傳感器的性能。結(jié)果表明，當功能單體/模板分子摩爾比低于5/1時，印跡膜不穩(wěn)定，洗脫過程中容易被損壞甚至從電極表面剝離。而當兩者配比高于5/1時，重吸附的目標分子很少。因此選擇5/1為兩者的最佳配比。

2.3.3底液濃度的選擇實驗對K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液濃度進行了優(yōu)化?？疾炝?.5、1.0、2.5、5.0、10.0 mmol/L濃度中的CV響應(yīng)信號。結(jié)果表明，隨底液濃度增大，電流變化值(△i)逐漸增大，濃度大于5.0 mmol/L時，響應(yīng)信號趨于穩(wěn)定。因此選擇底液濃度為5.0 mmol/L。

2.3.4洗脫液的選擇分別試驗了HCl、HAc、甲醇、乙醇、甲醇-HAc 5種洗脫液的洗脫效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選用HCl或者HAc作為洗脫液時，洗脫時間短而不好控制，而以甲醇或者乙醇洗脫印跡膜時，洗脫所需要的時間長并且洗脫不徹底。選用甲醇-HAc作為洗脫液，能得到較好的洗脫效果。對甲醇-HAc的比例進一步優(yōu)化，結(jié)果表明當以體積比為4/1的甲醇-HAc作為洗脫液時，洗脫效果最好。

圖6 洗脫時間及重吸附時間對峰電流的影響

圖7 不同濃度Pb-Gal分子印跡傳感器的差分脈沖伏安圖

2.3.5洗脫和重吸附時間的選擇實驗考察洗脫時間及重吸附時間對傳感器的影響,結(jié)果如圖6所示。其中，曲線a為傳感器在3.0 nmol/L Pb-Gal溶液中重吸附的效果圖，曲線b為傳感器在甲醇-HAc(4∶1)中洗脫效果圖。由曲線a可以看到，隨著重吸附時間的推移，峰電流響應(yīng)值逐漸變大，當重吸附時間達到10 min時，峰電流達到最大并且此后基本趨于穩(wěn)定，即重吸附量達到飽和，由此確定重吸附的最佳時間為10 min。曲線b表明，當洗脫時間達到8 min后，洗脫速率逐漸減緩，峰電流值基本穩(wěn)定，由此選擇洗脫時間為8 min。

2.4 工作曲線

將洗脫后的傳感器置于不同濃度的Pb-Gal溶液中重吸附10 min，采用DPV法檢測。結(jié)果如圖7所示，當模板分子濃度分別為0、0.03、0.06、0.08、0.1、0.3、0.6、0.8、1.0、3.0、6.0、8.0、10、30 nmol/L時，峰電流響應(yīng)值隨著濃度的增大而減小。Pb-Gal溶液濃度的對數(shù)與亞鐵氯化鉀氧化峰電流變化值△i在0.03～30 nmol/L濃度范圍呈線性關(guān)系，線性方程為：△i(μA) =117.93lgc(mol/L)+1295.4(R2= 0.9943)，檢出限為0.0163 nmol/L。

將本實驗研制的分子印跡電極測定Pb(Ⅱ)的方法與文獻中其他方法比較，如表1所示。從表1中可見，相比于其他的方法，本方法具有更寬的線性范圍，更低的檢出限，可應(yīng)用于痕量Pb(Ⅱ)的測定。

2.5 干擾性實驗

表1 分析方法的比較

2.6 傳感器的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性實驗

同時制備6支傳感器，對1.0 nmol/L Pb-Gal溶液進行檢測，其峰電流響應(yīng)值的相對標準偏差(RSD)為4.1%，說明該分子印跡傳感器的重現(xiàn)性良好。傳感器的穩(wěn)定性主要與電化學聚膜的穩(wěn)定性、印跡膜電極洗脫后的穩(wěn)定性以及合成的Pb-Gal配合物的穩(wěn)定性有關(guān)。在酸性條件下，電化學聚合形成鄰苯二胺膜一般都比較穩(wěn)定，因此，在其他實驗因素最優(yōu)的條件下，在非使用情況下，將聚膜后的鉑電極經(jīng)洗脫液洗脫后，置于冰箱(4 ℃)中冷藏保存一個月，并在此期間對印跡膜電極進行多次重吸附實驗，以DPV檢測峰電流，結(jié)果表明該傳感器的峰電流變化很小，證明該傳感器穩(wěn)定性良好。

2.7 樣品檢測

為了檢驗該傳感器的實用價值，采集了自來水、農(nóng)田水水樣兩份，分別測定其中的Pb(Ⅱ)含量。樣品檢測前加入HNO3消解，過濾后，取水樣10 mL，并在樣品中加入5.0 μL 10 mmol/L的Gal攪拌5 min。將預(yù)先制備好的分子印跡傳感器在該水樣中反應(yīng)，10 min后進行DPV檢測，實驗結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，該傳感器對Pb(Ⅱ)有較好的回收率，加標回收率在97.24%～106.75%之間，RSD小于5%，說明該傳感器具有較高的準確性，具有很好的實際應(yīng)用價值。

表2 水樣中Pb(Ⅱ)的測定

3 結(jié)論

采用電化學聚合法制備了一種對Pb-Gal具有特異性識別作用的離子印跡傳感器。結(jié)合Gal配體對Pb(Ⅱ)的配位識別及印跡孔穴對Pb-Gal整體的二次識別，對Pb(Ⅱ)進行特異性識別。該傳感器制備過程簡單，具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性并兼具高靈敏度、高選擇性的優(yōu)點，能用于環(huán)境水樣中Pb(Ⅱ)的檢測。