分子印迹电化学传感器对苯醚菊酯的检测＊

吴朝阳，罗飞飞，栾崇林，蒋晓华，梅琼之

（1.湖南大学 化学生物传感与计量学国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2.深圳职业技术学院 应用化学与生物技术学院，广东 深圳 518055）

苯醚菊酯是拟除虫菊酯类农药的一种，拟除虫菊酯类农药是一类常用的杀虫杀螨剂.许多学者通过对哺乳动物的慢性／亚慢性毒性试验和长期接触该药的人群进行调查，研究表明拟除虫菊酯类农药是一种环境内分泌干扰物，能干扰性激素水平，具有拟雌激素活性和雄性生殖毒性[1－4].因此，建立快速准确检测拟除虫菊酯类农药的方法十分必要.传统的检测农药的方法有气相色谱法、高效液相色谱法、薄层色谱法以及各种光谱联用技术.这些方法大多仪器贵重、操作复杂、耗费时间长，给人们使用带来不便.电化学传感器具有简单、快速、灵敏、选择性高等优点，近年来，采用电化学传感器对环境污染物的检测越来越受到学者们的关注[5－6].

分子印迹技术是指制备对某一特定分子（模板分子或印迹分子）具有高度选择性和识别性的新技术[7－8].通过分子技术可获得高度稳定的聚合物，即分子印迹聚合物，它的识别位点是根据待测分子的结构和官能团“量身定做”的，因此可以特异性识别待测分子[9－12].本文以苯醚菊酯为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，二者以氢键结合形成复合物，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，其将复合物以特定的空间构型固定下来形成分子印迹聚合物，偶氮二异丁腈为引发剂引发聚合，选用合适的洗脱溶剂将苯醚菊酯洗脱除去，留下的三维空穴可以特异性识别苯醚菊酯.本实验结合电化学传感器和分子印迹技术的优点，使设计的传感器具有快速、灵敏、低成本、选择性好等优点，检出限为2.0×10－7mol／L.同时该传感器具有很好的稳定性和重现性，可以多次重复使用.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI 900B电化学工作站 （上海辰华仪器有限公司）；三电极体系：洗脱掉模板分子的印迹电极为工作电极，饱和Hg2Cl2电极 （SCE）（上海越磁电子科技有限公司）为参比电极；铂电极 （上海越磁电子科技有限公司）为辅助电极.

试剂：苯醚菊酯 （德国 Dr.Ehrenstorfer公司），甲基丙烯酸 （MAA），乙二醇二甲基丙烯酸脂（EGDMA），偶氮二异丁腈 （ABIN），氯仿，甲醇，乙腈，乙醇，正己烷，丙酮，乙酸等，以上试剂均购自国药集团化学试剂公司，均为分析纯.

1.2 试剂除杂

甲基丙烯酸很容易聚合形成水溶性聚合物，用减压蒸馏的方法进行提纯，主要是除去其中的阻聚剂.偶氮二异丁腈也需提纯，先将其溶于45℃的乙醇中至饱和，然后室温下冷却结晶，再抽滤，最后干燥除去大部分杂质.

1.3 电极的处理

依次用粒径为0.3μm，0.05μm的 Al2O3粉末打磨处理金电极至光滑的镜面，依次用超纯水、乙醇、超纯水各超声3min，取出电极，吸水纸擦干，放入现配的piranha（VH2O2∶VH2SO4＝1∶3）溶液中浸泡清洗5min.

1.4 印迹电极和非印迹电极的制备及模板分子的洗脱

取模板分子苯醚菊酯0.01mmol（3.3μL）和功能单体 MAA 0.04mmol（3.4μL），将其加入100μL的乙腈中，室温下放入摇床中震荡4h混匀，加入交联剂EGDMA 75.44μL （0.4mmol）继续震荡混匀，再加入0.8mg的引发剂ABIN，滴10 μL于金电极表面，然后放入60℃ 的恒温槽中热引发聚合12h，制备好印迹电极.非印迹电极的制备除不加模板分子外，其他步骤和印迹电极的制备步骤相同.将制备好的印迹电极于混合溶剂（V丙酮∶V乙酸＝5∶1）中浸泡9h，至模板分子基本洗出.

1.5 模板分子的识别

将洗脱后的印迹电极浸入不同浓度的苯醚菊酯溶液 （溶剂为正己烷）中5min，取出后于2mmol／L的 混 合 铁 盐 [由 K3Fe（CN）6和K4Fe（CN）6组成]中扫循环伏安曲线 （CV）和差分脉冲伏安曲线 （DPV），以恒电位下 Fe（CN）63－／4－的峰电流随苯醚菊酯浓度的变化值作标准曲线.最后用相同的方法对苯醚菊酯样品进行检测.

2 结果与讨论

2.1 印迹电极的验证

分别将印迹电极、洗脱后的印迹电极置于2 mmol／L的混合铁盐中进行循环伏安扫描，得到图1中曲线1和曲线2.从图中可看出：混合铁盐在印迹电极上的响应电流很小 （曲线1），这是由于电极表面覆盖了一层不导电的聚合膜，而洗脱后的印迹电极的响应电流明显增大 （曲线2），说明印迹电极中的印迹分子洗脱效果较好.再将洗脱后的印迹电极于5mmol／L的苯醚菊酯溶液中重新印迹5min，再次检测电极的CV响应，结果如图1中曲线3所示，发现电极的响应电流明显减小 ，说明洗脱后的印迹电极对苯醚菊酯有较强的识别能力.

图1 不同电极在2mmol／L的混合铁盐中的循环伏安曲线Fig.1 Cyclic voltammograms of different electrodes in 2mmol／L K3Fe（CN）6／K4Fe（CN）6solution

2.2 聚合溶剂的影响

聚合溶剂必须能溶解模板分子和功能单体，且尽量不影响模板分子和功能单体的稳定性.合适的聚合溶剂使分子印迹聚合物有较好的柔韧性能，热力学性能好的聚合溶剂有助于聚合物多孔结构的形成和比表面积的增大.将不同的聚合溶剂制备的印迹电极洗脱模板分子后，于2mmol／L混合铁盐中得到的循环伏安曲线见图2.当用甲苯作聚合溶剂时，循环伏安曲线2所示，发现洗脱后的印迹电极和裸电极的电流响应差不多，可能是甲苯作溶剂形成的聚合物结构过于疏松，洗脱时很容易破坏聚合物的结构；当用V氯仿∶V甲醇＝4∶1作聚合溶剂，循环伏安曲线如图中的曲线3，洗脱后其响应电流很小，可能是用其作聚合溶剂，聚合物的结构过于致密，很难将模板分子洗出；当用乙腈作聚合溶剂时，如曲线4所示，洗脱后电极响应电流比甲苯作溶剂时要小很多，但又比V氯仿∶V甲醇＝4∶1作溶剂要大很多，这说明乙腈作聚合溶剂既容易将模板分子洗出但又不影响聚合物的结构.综合考虑，本实验选择乙腈作为聚合溶剂.

2.3 聚合温度的影响

图2 不同聚合溶剂制备的印迹电极洗脱后在2mmol／L混合铁盐中的CV响应Fig.2 Cyclic voltammograms response of different imprinted electrodes prepared by different polymerization solvent in 2mmol／L K3Fe（CN）6／K4Fe（CN）6solution

图3 不同聚合温度制备的印迹电极的CV曲线Fig.3 Cyclic voltammograms of different electrodes prepared at different temperature

制备分子印迹聚合物常用的引发方式有热引发、光引发、电引发和辐射引发，本实验选用热引发方式.图3为不同聚合温度制备的印迹电极的CV曲线，1，2和3分别为印迹电极、洗脱后重新识别5 mmol／L苯醚菊酯的电极和洗脱后的印迹电极的电流响应曲线.从图3（a）中可以看出，当引发温度为50℃时，洗脱后的印迹电极的响应电流变化不大，重新识别苯醚菊酯后电流响应也没变化，可能是引发温度过低，聚合速率慢，使模板分子聚合过于紧密，使得模板分子很难洗出.从图3（b）可以看出引发温度为60℃时，洗脱后的印迹电极响应电流明显增大，说明模板分子得到了很好的洗脱，重新识别后响应电流明显减小，说明印迹电极对模板分子有很好的识别性能.图3（c）的引发温度为70℃，印迹电极本身的电流响应比较大，洗脱后电流响应有一定的增大，重新识别模板分子后电流响应减小较少，可能是引发温度过高，聚合速率过快，导致聚合进去的模板分子的数量减少，洗脱后印迹位点的数目较少.因此本实验选择的引发温度为60℃.

图4 印迹电极对不同浓度苯醚菊酯的差分脉冲伏安 （DPV）响应曲线Fig.4 Differential pulse voltammetric curves of imprinted electrodes in different phenothrin concentrations

2.4 洗脱液的选择

实验选用丙酮、乙腈、乙醇、氯仿、甲醇以及这些溶剂和乙酸按一定比例混合的混合溶液作为洗脱液，实验表明选择V丙酮∶V乙酸＝5∶1的 混合液为洗脱溶液能达到比较好的洗脱效果.

2.5 重现性和稳定性

用同一印迹电极检测1.0×10－5mol／L的苯醚菊酯溶液4次，其RSD为3.21%，说明该印迹电极有良好的重现性.将洗脱后的印迹电极放置3d，7 d和15d，然后再识别1.0×10－5mol／L的苯醚菊酯，其RSD为3.95%，说明制备的印迹电极有比较好的稳定性.

2.6 印迹电极对不同浓度的苯醚菊酯的响应

将洗脱后的印迹电极识别不同浓度苯醚菊酯溶液（溶剂为正己烷），然后扫差分脉冲伏安 （DPV）曲线，记录其电流变化趋势，结果如图4所示，由图可发现，印迹电极的电流响应随着苯醚菊酯浓度的增大而减小.内插图可以看出传感器的响应电流Δi（洗脱后印迹电极的电流响应与识别苯醚菊酯后印迹电极的电流响应之差）随着苯醚菊酯浓度的增大而增大.响应电流与苯醚菊酯的浓度在1.0×10－4～1.0×10－6mol／L的范围内成线性，其线性方程为Δi（μA）＝0.041 8×（μmol／L）＋2.270，相关系数为0.992 8，检测下限为2.0×10－7mol／L.

2.7 印迹电极的选择性

为验证印迹电极的选择性，实验选择了一些和模板分子结构相近或者不同的有机物进行检测，包括农药联苯菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯和马拉硫磷.定义Δf／Δi为选择性系数K，其中Δf为洗脱后印迹电极的电流响应和印迹电极对浓度为1.0×10－5mol／L干扰物质的电流响应之差，Δi为洗脱后的印迹电极的电流响应和印迹电极对浓度为1.0×10－5mol／L的苯醚菊酯的电流响应之差，结果见表1.从表中可以看出，马拉硫磷对苯醚菊酯检测几乎没有干扰，和模板分子结构相似的其他3种农药对苯醚菊酯有一定干扰，但干扰都比较小.说明制备的印迹电极具有较好的选择性.

表1 印迹电极对干扰物质的选择性系数Tab.1 Selectivity coefficient of different compounds

2.8 样品测定

取湘江水于烧杯中，用正己烷萃取，超声振荡5 min，静置分层，分离，取上层液体.取1mL水样加入1.5mL的离心管中，将洗脱掉模板分子的印迹电极置于其中5min，在2mmol／L的混合铁盐中扫DPV，发现响应电流变化不大，可能是其残留低于传感器的检测限.采用加标回收法验证传感器的准确性，一个样品平行测定3次，测得结果如表2所示，回收率在95.62%～103.19%之间，说明传感器具有较好的实际应用价值.

表2 模拟水样中苯醚菊酯的加标回收实验结果Tab.2 Recovery of phenothrin in imitative water samples

3 结 论

采用热引发聚合的方法制备了以农药苯醚菊酯为模板的分子印迹电化学传感器，实现了对农药苯醚菊酯的高灵敏检测.实验表明：该传感器制备简单，成本较低，可重复使用，选择性较好，能达到快速灵敏的检测农药苯醚菊酯的目的，并有望用于实际样品的检测.

[1] 陈海燕，王心如，肖继皋，等.有机磷与拟除虫菊酯农药的拟雌激素活性研究[J].中华劳动卫生职业病杂志，2001，19（4）：274－277.CHEN Hai－yan，WANG Xin－ru，XIAO Ji－gao，etal.Research on the estrogenicity and pyrethroid pesticides[J].Chinese Journal of Industrial Hygiene and Occupational Diseases，2001，19（4）：274－277.（In Chinese）

[2] PERRY M J，VENNERS S A，BARR D B，etal.Environmental pyrethroid and organophosphorus insecticide exposures and sperm concentration[J].Reproductive Toxicology，2007，23（1）：113－118.

[3] 姚克文，王介东.拟除虫菊酯类农药的男（雄）性生殖毒性研究进展[J].中华男科学杂志，2008，14（3）：268－271.YAO Ke－wen，WANG Jie－dong.Progress in studies of the male reproductive toxicity of pyrethroid insecticides[J].National Journal of Andrology，2008，14（3）：268－271.（In Chinese）

[4] GO V，GAREY J，WOLFF M S，etal.Estrogenic potential certain pyrethroid compounds in the MCF－7human breast carcinoma cell line[J].Environmental Health Perspectives，1999，107（3）：173－177.

[5] SCHÖNING M J，KRAUSE R，BLOKE K，etal.A dual amperometric potentiometric FIA－based biosensor for the distinctive detection of organophosphorus pesticides[J].Sensors and Actuators B，2003，95（1－3），291－296.

[6] 闵红，曲云鹤，李晓华，等.Au掺杂Fe3O4纳米粒子酶传感器的制备及其应用于有机磷农药检测的研究[J].化学学报，2007，5（20）：2303－2308.MIN Hong，QU Yun－hen，LI Xiao－hua，etal.Au－doped Fe3O4nanoparticle immobilized acetylcholinesterase sensor for the detection of organophosphorus pesticide[J].Acta Chimica Sinica，2007，5（20）：2303－2308.（In Chinese）

[7] MAYES A G，WHITCOMBE M J.Synthetic strategies for the generation of molecularly imprinted organic polymers[J].Advanced Drug Delivery Reviews，2005，57（12）：1742－1778.

[8] PRIEGO－CAPOTE F，YE L，SHAKIL S，etal.Monoclonal behavior of molecularly imprinted polymer nanoparticles in capillary electrochromatography[J].Analytical Chemistry，2008，80（8）：2881－2887.

[9] LI S H，WANG J，ZHAO M P.Cupric ion enhanced molecular imprinting of bovine serum albumin in hydrogel[J].Journal of Separation Science，2009，32（19）：3359－3363.

[10] ZHU X L，CAI J B，YANG J，etal.Films coated with molecular imprinted polymers for the selective stir bar sorption extraction of monocrotophos[J].Journal of Chromatography A，2006，1131（1－2）：37－44.

[11] ZHANG Y，LIU R J，HU Y L，etal.Microwave heating in preparation of magnetic molecularly imprinted polymer beads for trace triazines analysis in complicated samples[J].Analytical Chemistry，2009，81（3）：967－976.

[12] YAO J H，LI X，QIN W.Computational design and synthesis of molecular imprinted polymers with high selectivity for removal of aniline from contaminated water[J].Analytica Chimica Acta，2008，610（2）：282－288.