印迹电化学传感器对2,4-二氯苯氧乙酸的识别与检测

赵 喆， 陶 溪， 方 楚， 谢祥祥， 王 宁， 阚显文

(安徽师范大学 化学与材料科学学院，安徽 芜湖 241000)

印迹电化学传感器对2,4-二氯苯氧乙酸的识别与检测

赵 喆， 陶 溪， 方 楚， 谢祥祥， 王 宁， 阚显文

(安徽师范大学 化学与材料科学学院，安徽 芜湖 241000)

以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)为模板分子，邻苯二胺为功能单体，采用电聚合法在玻碳电极表面合成印迹聚合物，得到印迹聚合物电化学传感器.采用循环伏安法和差示脉冲伏安法对传感器的性质进行了表征.结果表明，该印迹传感器对2,4-D表现出良好的特异性结合能力和识别能力，可从2,4-二氯苯酚、4-氯苯氧乙酸、苯氧乙酸、苦杏仁酸等结构类似物中选择性地识别模板分子.同时，该传感器用于对2,4-D的灵敏检测，响应线性范围为1.0×10-9-2.0×10-7mol/L，检测限为1.8×10-10mol/L(S/N=3).

分子印迹聚合物；电化学传感器；2,4-二氯苯氧乙酸；邻苯二胺

分子印迹技术是采用人工方法合成的对模板分子有着特异性结合能力的聚合物的技术.其原理为：首先，模板分子与功能单体间通过共价键、氢键、范德华力等作用力，形成复合物；然后，加入交联剂和引发剂，通过光、电、热、化学反应能等引发形成具有一定三维立体功能材料；最后，通过化学或物理方法把模板分子移除，留下的印迹空穴与模板分子在空间结构、尺寸大小、官能团上互补，可以特异性结合模板分子，与自然系统中的生物识别系统类似，对模板分子具有特异性识别能力[1-6].此外，印迹聚合物还具有合成简单，抗强酸、抗强碱、耐高温等一系列的优点.这些特性使得分子印迹聚合物在液相色谱法[7-8]，电色层分离法[9-10]，固相萃取法[11-12]和电化学传感器[13-14]等方面得到了广泛的应用.

2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)是一种常用的除草剂，类似于生长素或其它植物生长调节剂，可刺激生长，影响植物代谢，但具有一定毒性，易残留在植物表面，对人们的食品安全问题造成了严重的影响，因此，对2,4-D的分析检测就显得尤为重要[15-16].

电化学传感器具有制备简单、检测灵敏快速等优点，若以印迹聚合物为识别元件，将其修饰在电极表面，制备印迹电化学传感器，必将赋予电化学传感器很好的选择性，并可同时实现对目标分子的灵敏检测.分子印迹聚合物电化学传感器的制备方法，包括化学接枝[17-18]，软光刻技术[19-20]，溶胶凝胶技术[21-23]和电聚合法[24-26]等.这些方法制备的分子印迹电化学传感器性质稳定并且对模板分子具有亲和性和选择性.

本实验中，我们将分子印迹技术和电化学传感器相结合构建了印迹电化学传感器，实现了对2,4-D的识别和检测，并采用循环伏安法和差示脉冲伏安法等电化学方法对制备的印迹传感器的性质进行了研究.

1 实验设计

1.1试剂

1.3.1 印迹电化学传感器的制备 邻苯二胺(o-PD)(购于国药化学试剂有限公司)，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)(以上几种试剂均购于上海阿拉丁公司)，NaAc-HAc溶液(0.1mol/L，pH=5.2)实验室用水均为二次蒸馏水.

1.2实验仪器

CHI660C电化学工作站(上海辰化仪器公司 )，三电极系统(铂丝电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，修饰电极作为工作电极), 超声清洗器(昆山有限公司).

1.3实验步骤

我们制备的印迹传感器过程如图1所示：首先，将玻碳电极用0.30μm氧化铝粉末进行抛光处理，并在乙醇和水中超声清洗，在清洗过后放入[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中进行CV检测，确定玻碳电极表面被清洗干净；然后，将处理好的玻碳电极置入0.1mol/L pH=5.2 NaAc-HAc，5.0×10-3mol/L 2,4-D，0.02mol/L 邻苯二胺溶液中进行电聚合电聚合；最后，将制备好的印迹传感器放入乙醇溶液中洗脱除去模板分子.

作为对照实验，在相同的条件制备了非印迹电化学传感器，在聚合过程中不加入模板分子.

图1 印迹电化学传感器的制备示意图Fig. 1 The schematic of preparation of molecularly imprinted electrochemical sensor.

1.3.2 电化学的测定 在本实验中，我们用伏安法(CV)和差示脉冲伏安法(DPV)对制备的印迹传感器进行了电化学性质的表征.利用CV法对印迹传感器的洗脱实验进行研究；利用DPV法对印迹传感器对模板分子的特异性识别、线性范围和选择性识别等性质进行研究.

图2 印迹电化学传感器的聚合曲线Fig. 2 The CV curve of molecular imprinted polymer electrochemical sensor

2 结果与讨论

2.1印迹电化学传感器的制备

我们将清洗好的玻碳电极置入5.0×10-3mol/L 2,4-D，0.02mol/L 邻苯二胺，0.1mol/L pH=5.2 NaAc-HAc的聚合液中进行20圈CV聚合以制备印迹电化学传感器，电聚合曲线如图2所示.从图中我们可以很明显的看出，开始扫描时，在0.33V出现了明显的氧化峰，此为邻苯二胺的氧化峰.随着聚合圈数的增加，印迹传感器在溶液中的峰电流越来越小，这可能是由于随着电极表面2,4-D和邻苯二胺的聚合，印迹聚合膜的厚度逐渐增加.而聚邻苯二胺为非电活性物质，随着印迹聚合物膜的增厚，导电性越来越差，使得峰电流越来越小.

因2,4-D在选择的电位窗口范围内不能被氧化或还原，所以我们选择电活性探针[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-进行检测，根据其电流变化来表征制备的印迹电化学传感器的性能.

图3 (A)印迹传感器洗脱前后和 (B)非印迹传感器洗脱前后在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中的CV曲线图.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.

我们将聚合好的传感器用二次水清洗后，置入乙醇溶液中，将模板分子从印迹聚合物中洗脱出来，并用CV法在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中进行电化学表征，结果如图3.我们可以很明显地看出，相比较洗脱前，印迹传感器在洗脱模板分子后在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中出现一对明显的氧化还原峰，而非印迹传感器则在洗脱前后并无明显的变化.这个原因可能是印迹传感器上的模板分子被乙醇成功洗脱除去，从而在电极表面形成了“印迹空穴”.这使得本来很难到达电极表面的探针分子通过“印迹空穴”到达了电极的表面，因此会出现一对明显的铁氰化钾探针的氧化还原峰.作为对照实验的非印迹传感器由于没有模板分子，因此在洗脱前后并无明显的变化.

图4 (A)印迹传感器在[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响应图；(B)印迹传感器和非印迹传感器在不同模板分子浓度条件下的Δi-c曲线图.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印迹传感器的特异性结合

为了探究制备的印迹传感器对模板分子2,4-D的特异性结合能力，我们将印迹传感器置入含有不同浓度模板分子的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中，利用DPV法对其进行电化学表征，结果如图4所示.由图4A可见，当溶液中存在1.5×10-8mol/L 2,4-D时，探针电流较无模板分子时有显著的降低.这是由于模板分子被吸附到印迹空穴中，阻碍了探针到达电极表面，电流减小.由图4B可见，随着模板分子浓度逐渐增大，探针溶液的峰电流在逐渐的减小.而探针在非印迹传感器表面的电流没有随模板分子浓度的改变而发生明显变化，这是由于非印迹传感器表面没有印迹空穴，探针分子始终无法达到电极表面造成的.由以上实验现象可以得出结论：制备的印迹传感器对模板分子具有良好的特异性结合能力.

2.3印迹传感器的测定

作为电化学传感器，应对目标物具有灵敏的检测能力.为此，我们将印迹传感器置于[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中，逐次加入一定浓度的2,4-D，然后进行DPV扫描，结果如图5所示.随着模板分子浓度的增加，印迹传感器在探针溶液中的峰电流逐渐减小，当模板分子的浓度高于2.0×10-7mol/L时，印迹传感器在铁氰化钾探针溶液中的峰电流基本保持不变.插图为检测的校正曲线，可见，在1.0×10-9-2.0×10-7mol/L范围内，探针电流与模板分子浓度之间具有良好的线性关系，线性方程为I/A=85.69151·C/mol·L-1，相关系数为0.998，检测限为1.8×10-10mol/L(S/N=3).由此，我们可以看出，制备的印迹传感器对模板分子具有良好的电流响应，而产生这种现象可能是由于当探针溶液中的模板分子占据了分子印迹聚合物中的印迹空穴，阻碍了传感器的电子传递，导致了其对探针检测电流的减小.随着溶液中模板分子的浓度逐渐增大，被占据的印迹空穴越来越多，当模板分子的浓度达到一定值时，传感器对模板分子的吸附达到饱和，此时，传感器对探针的检测电流值保持不变.

图5 (A)印迹电化学传感器在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-溶液中对2,4-D的DPV响应曲线图(插图为印迹电化学传感器在1.0×10-9mol/L-2.0×10-7mol/L的校正曲线图)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)

图6 印迹传感器的选择性Fig. 6 Selectivity of the sensor

2.4印迹传感器的识别能力

为了探究印迹传感器对模板分子的选择性识别能力，我们选取了2,4-CA、DL、4-CPA和PA四种结构类似物进行选择性实验.我们在探针溶液中分别加入浓度为1.5×10-8mol/L的结构类似物，采用DPV技术记录探针的电流信号.经过比较，可发现，印迹传感器对模板分子2,4-D的响应电流值最大，干扰物的电流响应相对较小.而且，每一种物质在非印迹传感器表面的电流响应均较小，充分说明我们制备的印迹传感器对模板分子2,4-D具有良好的选择性识别能力.

2.5印迹传感器的重现性和稳定性

为探究印迹传感器的重现性，我们将传感器置于模板分子浓度为1.5×10-8mol/L的探针溶液中，结合DPV扫描，记录电流值；然后用乙醇洗脱除去结合的模板分子，再置于模板分子的探针溶液中结合并检测电流值.如此反复，进行了20次DPV检测并比较了每次印迹传感器对模板分子的响应电流值.结果发现，我们制备的印迹传感器对相同浓度的模板分子检测的响应电流值的相对标准偏差为0.87%.在印迹传感器对模板分子检测的稳定性实验中，我们采用不同时间间隔(1天、5天、10天、30天)用印迹传感器对含有相同浓度(1.5×10-8mol/L)2,4-D的探针溶液进行DPV检测，并计算在加入模板分子前后，探针电流的变化值及计算四次测量的标准偏差，结果发现，四次测量的标准偏差s=0.4%，由此说明我们制备的印迹电极具有良好的稳定性.

3 结论

本实验中，我们以邻苯二胺为功能单体，2,4-D作为模板分子，制备了一种新型的印迹电化学传感器.实验中，通过CV法和DPV法等对印迹传感器的电化学性质进行了表征.结果发现，制备的印迹传感器对模板分子具有良好的特异性结合能力，能从结构类似物中选择性得识别模板分子.该传感器用于对模板分子的检测，线性范围为1.0×10-9-2.0×10-7mol/L，检测限为1.8×10-10mol/L (S/N=3).此外，制备的印迹传感器具有良好的重现性和稳定性，为以后的实际应用奠定了良好的基础.

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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

国家自然科学基金青年项目(21005002)资助.

通讯作者：阚显文(1975-)，女，安徽黄山市人，教授，博士.

赵喆，陶溪，方楚，等.印迹电化学传感器对2，4-二氯苯氧乙酸的识别与检测[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2014，37(4)：352-356.

O65

A

1001-2443(2014)04-0352-05