铅-没食子酸配合物分子印迹传感器的研制及应用

2015-10-18庞官荣李建平

分析科学学报 2015年4期

杨志, 庞官荣, 李建平

(桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林 541004 )

铅是一种稳定的不可降解的污染物，可在环境中长期累积，同时它也是一种对人体健康具有重大危害的重金属元素，因此，对Pb(Ⅱ)的检测尤为重要。Pb(Ⅱ)常见的检测方法有分光光度法[1]、溶出伏安法[2]、原子吸收光谱法[3]、高效液相色谱法[4]、电感耦合等离体原子发射光谱(ICP-AES)法[5]及免疫分析法[6]等。但这些检测方法大多费时、操作复杂，特别是不便于现场测试。电化学检测方法因为其具有高灵敏度、低检出限、操作简便等特点，因而更加适用于金属离子的检测。

图1 Pb-Gal配合物分子印迹传感器的识别原理

离子印迹传感器作为分子印迹传感器的一种特殊形式，它能够直接用于金属离子的检测。近年来离子印迹传感器的研究受到人们广泛重视[7,8]。传统的分子印迹电化学传感器对金属离子的检测是根据印迹膜上金属离子本身电化学信号的变化进行检测。由于部分金属离子本身没有电活性，因而限制了离子印迹传感器的应用。同时直接测量时金属离子产生的电化学信号较低，导致分析灵敏度不高。

本文提出了一种以金属离子配合物作为模板分子的整体印迹、洗脱、检测的方法。研制了基于铅-没食子酸配合物(Pb-Gal)的分子印迹电化学传感器。该传感器的原理图如图1所示，以没食子酸为配体与Pb(Ⅱ)形成配合物，作为模板分子。洗脱后在印迹膜上产生的孔穴作为K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]探针的通道，通过重吸附不同浓度模板分子所检测到的电流大小不同，可实现对Pb(Ⅱ)的定量检测。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

CHI910B电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；Autolab PGSTAT128N工作站(瑞士，万通有限公司)；三电极系统:铂电极(d=2 mm)为工作电极，Ag/AgCl(饱和KCl)电极为参比电极，铂丝电极为对电极；pHS-3D型精密酸度计(中国上海大普仪器有限公司)；DL-180A超声波清洗器(上海之信仪器有限公司)；Nicolet IS10型傅里叶红外光谱分析仪(美国,赛默飞世尔科技有限公司)。

K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6](广东新宁化工厂)；没食子酸(Gal,中国公私合营育发化学制造厂)；邻苯二胺(o-PD,国药集团化学试剂有限公司)；Pb(Ac)2、HAc、HCl、乙醇、甲醇、KCl、NaAc(西陇化工股份有限公司)。实验过程中所用试剂均为分析纯。实验用水均为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

1.2.1Pb-Gal的合成[9]称取物质的量比为1∶2的Gal(C7H6O5)和Pb(Ac)2于两个小烧杯中，各加入适量50 ℃的水配成溶液。向Pb(Ac)2溶液中加入适量的分散剂聚乙二醇并搅拌，缓慢滴加Gal溶液，继续搅拌10 min，室温下静置30 min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤3次，所得固体置于干燥箱中100 ℃干燥3 h，即可得到Pb-Gal。称取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储备液。

1.2.2分子印迹膜修饰电极的制备将铂电极用0.05 μm Al2O3粉在麂皮上打磨抛光后，分别用50%HNO3、无水乙醇和水各超声清洗3 min。然后将电极放入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之间以50 mV/s扫速用循环伏安(CV)法扫描25圈制得Pb-Gal分子印迹膜。待印迹膜干后，在甲醇-HAc(4∶1，V/V)中轻微搅拌8 min以洗脱模板分子，得到对模板分子Pb-Gal配合物具有特异性识别性能的印迹膜传感器。采用同样的聚合方法，不加Pb-Gal制备非分子印迹膜传感器。

1.2.3电化学测量电化学测量采用循环伏安(CV)法、差分脉冲伏安(DPV)法及交流阻抗(EIS)法。底液均为5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液(含0.5 mol/L KCl)。CV法电位扫描范围-0.2～0.6 V，扫速100 mV/s；DPV法电位扫描范围-0.2～0.6 V，振幅50 mV；EIS法电位扫描为0.190 V，频率范围100 mHz～100 kHz，交变电压5 mV。

2 结果与讨论

2.1 分子印迹膜电聚合

图2 邻苯二胺电聚合图

电化学聚合过程在Pb-Gal与o-PD混合溶液中进行，电位扫描范围0～0.8 V，扫速50 mV/s。电聚合的CV图如图2所示，聚膜开始时由于经过预处理的电极表面没有附着物，峰电流响应值较大，但随着聚膜圈数的增加，聚合物逐渐被印迹到电极表面，即电极表面逐渐覆盖上弱导电性的o-PD膜，电流响应值随之变小，当聚膜圈数达到25圈时，电流响应值非常小，表明分子印迹聚合物膜已经成功地聚合在铂电极表面。

2.2 分子印迹膜的表征

2.2.1Pb-Gal的红外表征Gal及Pb-Gal的红外(IR)光谱图见图3。在4 000～3 000 cm-1主要对应着配合物的-OH，可以看到与Gal相比，Pb-Gal在该区域的吸收峰相对往低波数方向移动了，即发生了红移，这表明Gal中的-OH发生了配位反应。图3a 中，在1 700 cm-1左右的吸收峰为-COOH的吸收峰，在图3b的Pb-Gal中，该吸收峰相对往低波数的方向移动，表明-COOH与Pb(Ⅱ)发生了配位反应。这表明本实验成功合成了Pb-Gal。

图3 没食子酸(a)及铅-没食子酸(b)的红外光谱图

2.2.2分子印迹膜的电化学响应采用DPV法表征分子印迹膜的峰电流变化情况。实验在含有0.5 mol/L KCl的5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中进行，结果见图4。可见，裸铂电极的峰电流响应值很大，而电化学聚膜后电极的峰电流响应值几乎为零，这是由于聚膜后的电极表面已经形成了一层致密且导电性极差的o-PD膜，阻碍了电子传递，因此峰电流响应极小。洗脱后峰电流响应值明显大于聚膜后的峰电流值，这是由于洗脱后的分子印迹(MIP)膜上留下了许多模板分子的印迹孔穴，电极表面溶液之间电子传递大大加快，峰电流也随之增大。将洗脱过的传感器置于1.0 nmol/L Pb-Gal溶液中重吸附后(曲线d)，峰电流明显地减小，表明印迹孔穴对Pb-Gal有记忆识别作用，能很好地重新识别Pb-Gal。

2.2.3分子印迹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)中检测了印迹膜的交流阻抗，结果如图5所示。由于修饰电极上的印迹膜比较致密，且导电性很差，因此相对于裸铂电极，分子印迹膜修饰电极的阻抗很大。分子印迹膜修饰电极洗脱模板分子后，印迹膜表面留下许多的印迹孔穴使电子传递的阻碍大大减小，交流阻抗远小于分子印迹膜修饰电极(曲线b)。将传感器置于浓度为1.0 nmol/L 的Pb-Gal溶液中重吸附14 min后(曲线c)，由于印迹孔穴对模板分子的识别作用而被堵住，一定程度上阻碍了电子的传递过程。

图4 分子印迹膜在不同条件下的差分脉冲伏安图

图5 分子印迹膜在不同条件下的交流阻抗图

2.3 实验条件的优化

2.3.1聚膜圈数的选择实验考察了聚膜圈数为15～30圈时印迹膜的洗脱和重吸附的性能。当聚膜圈数小于15圈时，印迹膜很容易被洗脱掉，无法吸附上目标分子；若聚膜圈数大于30圈，则印迹膜很难被洗脱，当聚膜圈数为25圈时，印迹膜的洗脱-重吸附过程均具有最好的效果，选择聚膜圈数为25圈。

2.3.2功能单体与模板分子配比的选择实验对功能单体/模板分子摩尔比进行了优化，研究了功能单体/模板分子摩尔比分别为8/1、7/1、6/1、5/1、3/1、1/1、1/2时传感器的性能。结果表明，当功能单体/模板分子摩尔比低于5/1时，印迹膜不稳定，洗脱过程中容易被损坏甚至从电极表面剥离。而当两者配比高于5/1时，重吸附的目标分子很少。因此选择5/1为两者的最佳配比。

2.3.3底液浓度的选择实验对K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液浓度进行了优化。考察了0.5、1.0、2.5、5.0、10.0 mmol/L浓度中的CV响应信号。结果表明，随底液浓度增大，电流变化值(△i)逐渐增大，浓度大于5.0 mmol/L时，响应信号趋于稳定。因此选择底液浓度为5.0 mmol/L。

2.3.4洗脱液的选择分别试验了HCl、HAc、甲醇、乙醇、甲醇-HAc 5种洗脱液的洗脱效果。结果发现，选用HCl或者HAc作为洗脱液时，洗脱时间短而不好控制，而以甲醇或者乙醇洗脱印迹膜时，洗脱所需要的时间长并且洗脱不彻底。选用甲醇-HAc作为洗脱液，能得到较好的洗脱效果。对甲醇-HAc的比例进一步优化，结果表明当以体积比为4/1的甲醇-HAc作为洗脱液时，洗脱效果最好。

图6 洗脱时间及重吸附时间对峰电流的影响

图7 不同浓度Pb-Gal分子印迹传感器的差分脉冲伏安图

2.3.5洗脱和重吸附时间的选择实验考察洗脱时间及重吸附时间对传感器的影响,结果如图6所示。其中，曲线a为传感器在3.0 nmol/L Pb-Gal溶液中重吸附的效果图，曲线b为传感器在甲醇-HAc(4∶1)中洗脱效果图。由曲线a可以看到，随着重吸附时间的推移，峰电流响应值逐渐变大，当重吸附时间达到10 min时，峰电流达到最大并且此后基本趋于稳定，即重吸附量达到饱和，由此确定重吸附的最佳时间为10 min。曲线b表明，当洗脱时间达到8 min后，洗脱速率逐渐减缓，峰电流值基本稳定，由此选择洗脱时间为8 min。

2.4 工作曲线

将洗脱后的传感器置于不同浓度的Pb-Gal溶液中重吸附10 min，采用DPV法检测。结果如图7所示，当模板分子浓度分别为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时，峰电流响应值随着浓度的增大而减小。Pb-Gal溶液浓度的对数与亚铁氯化钾氧化峰电流变化值△i在0.03～30 nmol/L浓度范围呈线性关系，线性方程为：△i(μA) =117.93lgc(mol/L)+1295.4(R2= 0.9943)，检出限为0.0163 nmol/L。

将本实验研制的分子印迹电极测定Pb(Ⅱ)的方法与文献中其他方法比较，如表1所示。从表1中可见，相比于其他的方法，本方法具有更宽的线性范围，更低的检出限，可应用于痕量Pb(Ⅱ)的测定。

2.5 干扰性实验

表1 分析方法的比较

2.6 传感器的稳定性和重现性实验

同时制备6支传感器，对1.0 nmol/L Pb-Gal溶液进行检测，其峰电流响应值的相对标准偏差(RSD)为4.1%，说明该分子印迹传感器的重现性良好。传感器的稳定性主要与电化学聚膜的稳定性、印迹膜电极洗脱后的稳定性以及合成的Pb-Gal配合物的稳定性有关。在酸性条件下，电化学聚合形成邻苯二胺膜一般都比较稳定，因此，在其他实验因素最优的条件下，在非使用情况下，将聚膜后的铂电极经洗脱液洗脱后，置于冰箱(4 ℃)中冷藏保存一个月，并在此期间对印迹膜电极进行多次重吸附实验，以DPV检测峰电流，结果表明该传感器的峰电流变化很小，证明该传感器稳定性良好。

2.7 样品检测

为了检验该传感器的实用价值，采集了自来水、农田水水样两份，分别测定其中的Pb(Ⅱ)含量。样品检测前加入HNO3消解，过滤后，取水样10 mL，并在样品中加入5.0 μL 10 mmol/L的Gal搅拌5 min。将预先制备好的分子印迹传感器在该水样中反应，10 min后进行DPV检测，实验结果如表2所示。从表2中可以看出，该传感器对Pb(Ⅱ)有较好的回收率，加标回收率在97.24%～106.75%之间，RSD小于5%，说明该传感器具有较高的准确性，具有很好的实际应用价值。