馬明明，梁娟麗，蘇新科，杜 茹

西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048

鄰甲氧基苯胺(o-methoxyaniline, OMA)又稱(chēng)2-甲氧基苯胺，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1．作為醫(yī)藥和化工原料，OMA經(jīng)常被用于合成高分子聚合物和染料等．但由于OMA具有潛在的致癌性，已被列入24種潛在致癌芳香胺中，因此，對(duì)OMA的日常監(jiān)測(cè)非常重要．目前采用的方法主要有分光光度法[1]、氣質(zhì)聯(lián)用[2]和高效液相色譜法[3]等．然而，分光光度法的選擇性較差、靈敏度較低；色譜儀器本身昂貴且檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢測(cè)過(guò)程操作繁瑣．因此，探索檢測(cè)靈敏度高、選擇性好、操作簡(jiǎn)便的OMA檢測(cè)方法勢(shì)在必行．

圖1 鄰甲氧基苯胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecularly structure of OMA

零流電位法是導(dǎo)電材料兩端分別與工作電極和輔助電極相端口連接，與參比電極同時(shí)浸入溶液后組成新的檢測(cè)回路，對(duì)其施加線性掃描電位后，根據(jù)其I-E曲線上I=0時(shí)的電位值(即零流電位EZCP)[4]進(jìn)行測(cè)量的一種新型檢測(cè)技術(shù)．目前，零流電位法已經(jīng)用于測(cè)定4-氨基偶氮苯[5]、 鄰甲苯胺[6]、 聯(lián)苯胺[7]、 pH值[8-11]、 脫氧核糖核酸[12]和人血清蛋白[13]． 此外，零流電位法還可以研究物質(zhì)之間的相互作用[14-16]及在滴定法中的應(yīng)用[17-18]等．

分子印跡技術(shù)是采用人工方法制備具有特定空間結(jié)構(gòu)空穴，對(duì)特定分子(印跡分子和模板分子)具有專(zhuān)一識(shí)別及結(jié)合作用的印跡聚合物(molecularly imprinted polymer, MIP)的技術(shù)．當(dāng)模板分子與功能單體接觸時(shí)會(huì)形成多重作用點(diǎn)，聚合過(guò)程使這種作用點(diǎn)被記憶，除去模板分子后，聚合物中形成了與模板分子空間結(jié)構(gòu)型相匹配的具有多重作用點(diǎn)的空穴，這些印跡空穴對(duì)模板分子具有特定識(shí)別與選擇性．將制備出的印跡聚合物修飾在電極表面，可以高選擇檢測(cè)血清的四環(huán)素(tetracycline，TC)[19]、胰島素[20]、雙酚A[21]、環(huán)境介質(zhì)中的甲基對(duì)硫磷[22]，以及藥物沙丁胺醇[23]、蘆丁[24]和三聚氰胺[25]等．

此外，石墨烯等新型納米材料也被應(yīng)用在MIP電化學(xué)傳感器的制備中，以增強(qiáng)電極界面電子傳遞速率，提高傳感器靈敏度．DUAN等[26]采用硅烷化磁性氧化石墨烯分子印跡聚合物制備電化學(xué)傳感器檢測(cè)多巴胺的選擇性發(fā)光；LI等[27]采用磁性石墨烯印跡傳感器測(cè)定日落黃；XIE等[28]采用石墨烯分子印跡電化學(xué)傳感器測(cè)定谷物中的噻蟲(chóng)嗪；XIA等[29]基于殼聚糖/離子液體-石墨烯復(fù)合材料修飾的分子印跡電化學(xué)生物傳感器測(cè)定牛血清白蛋白；ENSAFI等[30]用石墨烯量子點(diǎn)印跡聚合物電化學(xué)傳感器測(cè)定甲硝唑．

鑒于此，本研究在石墨烯修飾的鉛筆芯電極表面(graphene-modified pencil electrode，G-PEC)，采用電聚合方式制備出OMA分子印跡聚合物零流電位傳感器(OMA-MIP-modified G-PEC，即OMA-MIP/G-PEC)，如圖2．通過(guò)MIP與模板分子OMA的重新印跡結(jié)合吸附引起傳感器零流電位的變化檢測(cè)OMA濃度．

圖2 MIP電極制備過(guò)程Fig.2 Preparation process of MIP electrode

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

支持電解質(zhì)為PBS(phosphate buffer solution)緩沖溶液(Na2HPO4-KH2PO4)；4-氨基聯(lián)苯、4-氨基偶氮苯和對(duì)氯苯胺均購(gòu)自阿拉丁試劑網(wǎng)；2,4-二甲基苯胺和OMA購(gòu)自西亞試劑網(wǎng)；丙烯酸和胭脂紅購(gòu)自中國(guó)天津市福晨化學(xué)試劑廠；聯(lián)苯胺購(gòu)自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司．鄰甲苯胺購(gòu)自上海山撲化工有限公司；丙烯酰胺購(gòu)自天津市紅巖化學(xué)試劑廠；石墨烯購(gòu)自杭州格藍(lán)豐納米科技有限公司；以上試劑均為分析純．試驗(yàn)所用水均為二次蒸餾水．2B鉛筆芯購(gòu)自中國(guó)第一鉛筆制造公司．CHI610D型電化學(xué)工作站購(gòu)自中國(guó)上海辰華儀器廠；KQ-250DB型數(shù)控超聲波清洗器購(gòu)自昆山市超聲儀器有限公司．電聚合采用三電極系統(tǒng)：飽和甘汞電極為參比電極(saturated calomel electrode，SCE)，鉑電極為輔助電極，鉛筆芯電極為工作電極．

1.2 鄰甲氧基苯胺印跡聚合物石墨烯修飾鉛筆芯電極的制備

具體制備步驟如下：① 將預(yù)處理過(guò)的鉛筆芯先浸入0.50 mg/mL石墨烯水分散液10 min后，用二次蒸餾水沖洗電極表面的殘液，晾干；② 將處理后的鉛筆芯浸入0.50 mg/mL石墨烯石蠟分散液，10 min后取出用二次蒸餾水洗滌，電極表面干燥后即成為石墨烯修飾的鉛筆芯電極G-PEC；③ 將G-PEC置入PBS溶液(pH=7.38，含4.00×10-3mol/L OMA和1.60×10-2mol/L丙烯酰胺)中，掃描電位范圍為-1.2～1.2 V，以0.1 V/s掃描速率循環(huán)掃描16圈；④ 用二次蒸餾水清洗數(shù)次后，再將其置于無(wú)水乙醇中超聲波清洗4 min，即可得OMA-MIP/G-PEC．

非印跡電極OMA-NMIP/G-PEC制備方法同上，但沒(méi)有模板分子OMA．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按圖3方式，將OMA-MIP/G-PEC串聯(lián)并入CHI610D電化學(xué)工作站的工作電極端和輔助電極端，以飽和甘汞電極為參比電極，構(gòu)建成一個(gè)檢測(cè)回路，OMA-MIP/G-PEC在一定濃度的OMA溶液中靜置4 min后再進(jìn)行線性掃描，記錄I-E曲線中的EZCP． 每次測(cè)試完后將電極置于無(wú)水乙醇中超聲波清洗4 min，以備下次使用．

TRE為參比電極的端口；TWE為工作電極；TCE為輔助電極圖3 OMA-MIP/G-PEC零流電位傳感器示意圖Fig.3 Diagram of OMA-MIP/G-PEC interfacial potentiometry with double poles sensor

2 結(jié)果與討論

2.1 OMA-MIP制備條件的優(yōu)化

2.1.1 掃描電位范圍和模板分子濃度的優(yōu)化

OMA-MIP的印跡空穴能印跡吸附OMA，而裸電極沒(méi)有這樣的印跡吸附作用，界面電位與印跡電極自然不同，因此，可通過(guò)求出兩種電極的零流電位差值(ΔEZCP)優(yōu)化制備條件．ΔEZCP越大，說(shuō)明印跡電極的印跡識(shí)別結(jié)合性越好．因此，本研究取ΔEZCP的最大值作為優(yōu)化的最佳指標(biāo).

掃描電位范圍和OMA濃度會(huì)影響印跡聚合物的印跡位點(diǎn)數(shù)量，繼而影響印跡電極對(duì)OMA的選擇性識(shí)別. 考察了掃描電位范圍分別為-0.60～0.60、-0.80～0.80、-1.00～1.00、-1.20～1.20、-1.40～1.40、-1.60～1.60和-1.80～1.80 V時(shí)，ΔEZCP的變化，結(jié)果如圖4．由圖4還可見(jiàn)，隨著掃描電位范圍的增大，ΔEZCP逐漸增加，并在-1.2～1.2 V處達(dá)到最大；當(dāng)超出-1.2～1.2 V后， ΔEZCP逐漸變小，因此，最佳掃描電位范圍為-1.2～1.2 V．圖4也顯示，OMA濃度為6.00×10-4～1.00×10-2mol/L時(shí)對(duì)ΔEZCP的影響．由圖4可見(jiàn)，當(dāng)OMA濃度為6.00×10-4～4.00×10-3mol/L時(shí)，隨OMA濃度增加，ΔEZCP相應(yīng)增大，在4.00×10-3mol/L處ΔEZCP達(dá)到最大值；但當(dāng)OMA濃度大于4.00×10-3mol/L，隨著濃度增加， ΔEZCP反而下降， 因而聚合反應(yīng)中OMA的濃度選擇為4.00×10-3mol/L．

圖4 掃描電位范圍和OMA濃度對(duì)ΔEZCP的影響Fig.4 Effects of scan potential range and concentration of OMA on ΔEZCP

2.1.2 功能單體、模板分子配比和掃描圈數(shù)的優(yōu)化

功能單體與模板分子的配比對(duì)印跡電極上印跡聚合物的形狀和印跡位點(diǎn)數(shù)起決定性的作用．印跡聚合物厚度直接影響傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度，而厚度可以由掃描圈數(shù)控制．當(dāng)OMA與丙烯酰胺濃度配比為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8和1∶10時(shí)，印跡聚合物ΔEZCP的變化及掃描圈數(shù)對(duì)ΔEZCP的影響如圖5．由圖5可知，當(dāng)配比為1∶4時(shí)，ΔEZCP達(dá)到最大值，因此，最佳配比是1∶4；當(dāng)掃描圈數(shù)為6～16圈時(shí)，ΔEZCP逐漸增加并在16圈時(shí)達(dá)到最大，但超過(guò)16圈時(shí)，ΔEZCP開(kāi)始下降，因此，最佳掃描圈數(shù)是16圈．

圖5 OMA與丙烯酰胺的濃度配比和 循環(huán)圈數(shù)對(duì)ΔEZCP的影響Fig.5 The influence of molar concentration (OMA and acrylamide) and scan cycles on ΔEZCP

2.1.3 PBS pH值和洗脫時(shí)間的優(yōu)化

模板分子與功能單體在聚合反應(yīng)中的結(jié)合受緩沖溶液pH值影響較大．PBS溶液pH值分別為5.91、6.24、6.47、6.98、7.38和7.73時(shí)，對(duì)ΔEZCP的影響結(jié)果如圖6．由圖6可見(jiàn)，當(dāng)PBS溶液的pH<7.38時(shí)，ΔEZCP隨pH值增加逐漸增加，而當(dāng)PBS的pH>7.38時(shí)，ΔEZCP隨pH值的增加卻減小，因此，pH=7.38為最優(yōu)值．

圖6 pH值和洗脫時(shí)間對(duì)ΔEZCP的影響Fig.6 The influence of pH and elution time on ΔEZCP

洗脫過(guò)程就是去除模板分子，使有效識(shí)別位點(diǎn)得以釋放，從而獲得與模板分子結(jié)構(gòu)和空間相同的三維空隙，而洗脫時(shí)間會(huì)影響分子印跡聚合物上的三維空隙．考察了洗脫時(shí)間為1～6 min時(shí)對(duì)ΔEZCP的影響．從圖6可見(jiàn)，在2～6 min內(nèi)，當(dāng)洗脫時(shí)間小于4 min時(shí)，ΔEZCP隨洗脫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；超過(guò)4 min后ΔEZCP幾乎不變，說(shuō)明此時(shí)在印跡聚合物上的有效位點(diǎn)吸附OMA已達(dá)到飽和，因此，洗脫時(shí)間選擇為4 min．

2.2 印跡傳感器的伏安性能

2.2.1 三種傳感器的比較

為考察印跡傳感器的伏安特性，本研究分別考察了OMA在OMA-MIP/G-PEC、OMA-NMIP/G-PEC和G-PEC上的氧化還原反應(yīng)，圖7是濃度為5.00 μmol/L的OMA在上述3種電極上的循環(huán)伏安曲線．如圖7曲線a，OMA在OMA-MIP/G-PEC上有一個(gè)顯著的氧化峰，峰電流大約是2.57×10-4A，這是因?yàn)镺MA-MIP/G-PEC上含有大量與OMA模板分子形狀匹配、大小適合且有相互作用功能基團(tuán)的三維空隙，使溶液中的OMA很容易被選擇性印跡吸附到電極表面的空穴中發(fā)生氧化反應(yīng)；而非印跡聚合物電極(曲線b)上并沒(méi)有印跡空穴，只是非印記聚合物的存在增大了電極面積，使少量OMA可以發(fā)生氧化反應(yīng)，因此氧化峰電流很小；裸石墨烯修飾鉛筆芯電極相比前兩個(gè)電極，電子傳遞速率相對(duì)較低，因而沒(méi)有觀察到OMA的氧化峰(曲線c)．

圖7 OMA-MIP/G-PEC、OMA-NMIP/G-PEC 和 G-PEC分別在含5.00 μmol/L OMA、 pH=7.38 PBS中的循環(huán)伏安曲線Fig.7 Cyclic voltammograms of OMA-MIP/G-PEC, OMA-NMIP/G-PEC and G-PEC in PBS, pH=7.38 containing 5.00 μmol/L OMA

2.2.2 OMA-MIP/G-PEC的多次超聲清洗差分脈沖伏安曲線

為說(shuō)明多次超聲清洗對(duì)OMA-MIP/G-PEC的影響，用同一根OMA-MIP/G-PEC連續(xù)9次超聲清洗后分別測(cè)4.00×10-3mol/L OMA的差分脈沖伏安曲線的變化，結(jié)果見(jiàn)圖8．由圖8可見(jiàn)，清洗9次后，氧化峰電位基本不變．9次峰電流值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation，RSD)是3.35%，說(shuō)明OMA-MIP/G-PEC精密度好，可多次超聲清洗不影響傳感器的反復(fù)使用．

圖8 九次超聲清洗后，OMA-MIP/G-PEC在含4.00× 10-3 mol/L OMA、pH=7.38的PBS溶液中的 差分脈沖伏安曲線Fig.8 Differential pulse voltammetry curves of OMA-MIP/G-PEC in PBS, pH=7.38 containing 4.00× 10-3 mol/L OMA with 9 successive ultrasonic elution

2.3 OMA-MIP/G-PEC選擇性

印跡容量表示分子聚合物對(duì)底物分子的吸附結(jié)合性大小[31]. 本研究印跡容量計(jì)算式為

印跡容量=ΔE/E0

(1)

其中， ΔE為OMA-MIP/G-PEC在OMA中的EZCP與在空白PBS中EZCP的差值；E0表示該電極在空白PBS中的EZCP．考察了OMA-MIP/G-PEC在OMA及其結(jié)構(gòu)相近物質(zhì)，如4-氨基甲苯(p-toluidine， PTD)、對(duì)氨基偶氮苯(4-aminoazobenzene，4-AAB)、 4-氯苯胺(p-chloroaniline， PCA)、 鄰甲苯胺(o-toluidine， OT)、 鄰聯(lián)甲苯胺(o-tolidine，OTD)、 聯(lián)苯胺(benzidine， BZ)和胭脂紅(carmine， CME)中的印跡容量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9．由圖9可知，OMA-MIP/G-PEC在OMA中的印跡容量最大，說(shuō)明OMA-MIP含有與OMA形狀匹配、大小相同的三維空隙，可以對(duì)OMA產(chǎn)生選擇性強(qiáng)的印跡吸附，能夠?qū)⒋罅咳芤褐械腛MA吸附到印跡空穴內(nèi)；而對(duì)其他幾種結(jié)構(gòu)相似物質(zhì)由于沒(méi)有印跡吸附作用，只是非印跡吸附，因而印跡容量要比OMA小得多.

圖9 不同物質(zhì)在OMA-MIP/G-PEC印跡容量Fig.9 The imprinting capacity of different substance on OMA-MIP/G-PEC

2.4 分析應(yīng)用

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢測(cè)限

考察OMA-MIP/G-PEC對(duì)不同濃度OMA的零流電位響應(yīng)．圖10(a)為OMA-MIP/G-PEC在不同濃度OMA溶液中的I-Eapp曲線,Eapp為表觀界面電位．如圖10(a)，隨OMA濃度的加大，EZCP正移，當(dāng)OMA的濃度為0.001～50.00 μmol/L時(shí)，EZCP與OMA濃度的對(duì)數(shù)lg [c(OMA)]呈線性關(guān)系，即

EZCP=-0.025 67 lg[c(OMA)]-0.104 05

(2)

其中，c(OMA)為OMA濃度；R為相關(guān)系數(shù)，R=0.99；n為樣品個(gè)數(shù)，n=10． 如圖10(b)，檢測(cè)限為0.64 nmol/L (3σ/k)．

圖10 OMA-MIP/G-PEC在不同c(OMA)中的 I-Eapp曲線及EZCP與lg[c(OMA)]的線性關(guān)系曲線Fig.10 I-Eapp curves of OMA-MIP/G-PEC in OMA solutions with different concentrations and the linear plot of EZCP and lg [c(OMA)]

2.4.2 OMA-MIP/G-PEC的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

用5根OMA-MIP/G-PEC分別檢測(cè)10.00 nmol/L的OMA，結(jié)果表明，5次測(cè)量的EZCP相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是1.45%，因此傳感器的重現(xiàn)性好；用同一根OMA-MIP/G-PEC每隔2 d測(cè)試10.00 nmol/L的OMA，連續(xù)10次測(cè)量的EZCP的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.95%，可見(jiàn)傳感器穩(wěn)定性好．

2.4.3 干擾試驗(yàn)

考察了廢水中可能存在與OMA結(jié)構(gòu)類(lèi)似的物質(zhì)及金屬陽(yáng)離子對(duì)OMA-MIP/G-PEC測(cè)定OMA的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1．從表1可見(jiàn)，4-AAB、CME、PCA、OT、OTD、BZ及二價(jià)金屬離子Cu2+、Mg2+和K+不干擾OMA測(cè)定，因而OMA-MIP/G-PEC選擇性好．

2.4.4 樣品測(cè)定

用加標(biāo)實(shí)驗(yàn)測(cè)定含有OTD、PCA、OT、BZ、CME和4-AAB的廢水樣品中的OMA濃度，結(jié)果見(jiàn)表2．從表2可見(jiàn)，平均回收率為95.20%～105.72%，結(jié)果滿(mǎn)意．

表1 不同干擾物質(zhì)對(duì)OMA測(cè)定的影響

表2 廢水樣品中OMA濃度測(cè)定結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

綜上研究表明，在零流電位法下，采用電聚合法制備的OMA-MIP/G-PEC傳感器，可以借助OMA-MIP的印跡空穴，對(duì)模板分子OMA的特異選擇性印跡吸附所引發(fā)的零流電位變化，監(jiān)測(cè)廢水中痕量OMA．本傳感器除靈敏度高、選擇性好外，還具有穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)異性能，未來(lái)有望進(jìn)一步檢測(cè)其他復(fù)雜體系中的OMA．