分子印迹电化学传感器测定赛诺吗嗪残留

, , , , , 洪志,3*

(1. 哈尔滨医科大学 公共卫生学院, 哈尔滨 150081; 2. 复旦大学附属浦东医院, 上海 201209; 3. 上海健康医学院, 上海 201308)

目前,有关赛诺吗嗪残留的分析方法已有很多报道,仪器分析方面大多采用液相色谱法、气相色谱-质谱法、液相色谱-质谱法和毛细管电泳-质谱法[4-10]等。这些方法使用的仪器成本较高,需要专业人员操作;而且赛诺吗嗪属极性化合物,其样品前处理过程复杂,使用溶剂量较大,对色谱柱、流动相配比要求极高,检测结果稳定性不高,导致检测方法无法普及。因此,如何快速准确、低成本地分析食品中的赛诺吗嗪成为亟待解决的问题。

本工作采用原位聚合法,以金电极为基底,赛诺吗嗪为模板分子,邻苯二胺为功能单体,制备赛诺吗嗪分子印迹电化学传感器,测定食品中的赛诺吗嗪。

1 试验部分

1．1 仪器与试剂

CHI 660B型电化学工作站,配三电极系统(金电极为工作电极、铂柱电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极);PHSJ-3F型酸度计;KQ-100型超声波清洗器;BS 110型分析天平;IT-07A-3型恒温电磁搅拌器;Synergy型超纯水系统。

测试背景溶液:0.1 mol·L-1KCl和5 mmol·L-1K3[Fe(CN)6]混合溶液。

赛诺吗嗪、邻苯二胺、2-(三氟甲基)丙烯酸和邻氨基酚为分析纯,试验用水为超纯水。

1．2 仪器工作条件

电化学传感器在室温下工作,采用三电极系统,金电极为工作电极,铂柱电极为对电极,饱和甘汞电极作为参比电极。

1．3 试验方法

1．3．1 金电极的预处理

将金电极分别用0.30,0.05 μm的Al2O3粉末抛光镜面,用水洗净电极表面后,依次在硝酸、乙醇、水中超声5～10 min,取出后用水洗净,用氮气吹干。将处理好的电极放于测试背景溶液中,用循环伏安法扫描(扫描速率50 mV·s-1),测试电极性能,当循环伏安曲线电位差在70 mV以下,电极方可使用。

1．3．2 赛诺吗嗪分子印迹电化学传感器工作电极的制备

称取石墨烯0.000 5 g,用10 mL二甲基甲酰胺溶解,超声2 h使石墨烯分散均匀,用滴涂法分两次将10 μL分散好的石墨烯溶液滴涂在金电极表面,自然干燥后待用。

以石墨烯修饰的金电极为工作电极,分别称取赛诺吗嗪0.027 7 g和邻苯二胺0.003 0 g置于容量瓶中,用甲醇-乙酸-乙醇-pH 7.00磷酸盐缓冲溶液(4+1+1+4)混合溶液定容至10 mL,制成自组装溶液,分别超声和氮吹10 min除氧,保持电解池密闭遮光,浸入三电极系统,室温静置15 min,在电位-0.3～1.2 V内,以50 mV·s-1扫描速率扫描22圈,然后取出工作电极,自然晾干后将其在乙酸-甲醇(1+9)混合溶液中浸泡一定时间以洗脱赛诺吗嗪印迹分子,得到赛诺吗嗪印迹电极。非印迹电极的制备,除不含模板分子外,其他条件同印迹电极的制备过程。

1．3．3 传感器的电化学分析检测方法

在测试背景溶液中,分别采用循环伏安法、电化学阻抗法和差分脉冲伏安法(DPV)对印迹电极传感器进行表征,每次测试完用水淋洗。

1．3．4 样品分析

利用粉碎机将蛋黄和蛋白充分混合并于-20 ℃储存,称取蛋黄蛋白混合液1.000 g,加入pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液10 mL,以4 500 r·min-1转速离心15 min,用pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液稀释上清液,经0.22 μm微孔滤膜过滤,待测。

2 结果与讨论

2．1 功能单体的选择

功能单体的选择主要由模板分子的结构特性决定,模板分子和功能单体之间作用的强度和取向是使分子印迹聚合物获得良好的分子识别性能的关键[11]。试验分别选用邻苯二胺、邻氨基酚、三氟甲基丙烯酸和丙烯酰胺作为电聚合的功能单体。通过循环伏安法比较峰电流的大小,邻苯二胺作为功能单体可以得到较大的峰电流;且邻苯二胺含有较多的氢键使邻苯二胺和环丙氨嗪可以形成较多的氢键,通过试验验证了当赛诺吗嗪与邻苯二胺的物质的量比为1∶6时对模板分子的响应最好。

因此,对于赛诺吗嗪模板分子,以邻苯二胺为功能单体可望制备对赛诺吗嗪亲和性高、对同系物的辨别能力强及选择性好的分子印迹聚合物材料。

2．2 石墨烯对金电极的影响

石墨烯具有很高的导电性和比表面积,其理论比表面积高达2 600 m2·g-1,在室温下具有较高的电子迁移率(1.5×104cm2·V-1·s)[12-13],将石墨烯修饰到金电极表面后,可明显增强其导电性,进而提高传感器的灵敏度。图1为金电极和石墨烯修饰金电极的阻抗图和循环伏安图。

(a) 阻抗图

(b) 循环伏安图 1-金电极;2-石墨烯修饰金电极图1 金电极和石墨烯修饰金电极的阻抗图和循环伏安图Fig. 1 Impedance and cyclic voltammograms of gold electrode and graphene modified gold electrode

由图1(a)可以看出,金电极经过石墨烯修饰之后,其电阻明显减小,导电性明显提高。由图1(b)可以看出,金电极经石墨烯修饰后,循环伏安响应明显提高。

2．3 扫描圈数的影响

在模板分子存在下,利用循环伏安法电聚合邻苯二胺,在电极上形成一层聚合膜,沉积在电极表面的膜的厚度对电化学传感的性能有较大影响。膜太厚则包埋在膜中的印迹分子不易洗脱出来,增加洗脱时间;而膜太薄则形成的特定位点太少,不能有效地重新键合固定赛诺吗嗪模板分子。因此,可通过扫描的圈数来控制膜厚度。试验选择扫描圈数为22圈,见图2。

图2 不同扫描圈数下的循环伏安图Fig. 2 Cyclic voltammograms under different scan cycles

2．4 模板分子和功能单体的浓度对分子印迹聚合物的影响

制备分子印迹聚合物时,印迹比例越大,活性作用位点越多,其印迹聚合物越规则,而规则的聚合物有助于识别模板分子与辨别其同系物,同一模板分子其印迹比例越大,则分子印迹聚合物识别模板分子的能力就越强,非特异性吸附就越弱。但印迹比例过大,功能单体之间会因空间距离、位阻效应和作用位点不足而产生自身的缔合,从而使模板分子与功能单体分子间斥力增大,导致二者之间距离增大,使其氢键数目变少,复合物稳定性减弱。邻苯二胺功能单体和赛诺吗嗪印迹分子的浓度比对分子印迹聚合物膜的性质有较大影响。试验在邻苯二胺和赛诺吗嗪的物质的量比分别为2∶1,3∶1,4∶1,5∶1,6∶1时,制备不同的赛诺吗嗪分子印迹膜电极,采用DPV检测印迹电极响应性能。当邻苯二胺与赛诺吗嗪的物质的量比为6∶1时,制备的印迹膜具有最大的响应。因此,试验中采用二者的物质的量比为6∶1。

2．5 聚合底液酸度对分子印迹聚合物的影响

由于赛诺吗嗪分子印迹聚合物之间的相互作用主要是氢键作用,所以选择合适的聚合底液酸度尤为重要。控制其他试验条件不变,分别在pH为5.50,6.00,6.50,7.00,7.50,8.00的电聚合溶液中进行聚合膜电化学制备试验,结果表明:当聚合底液的pH为7.00时,响应电流最大,见图3。因此,试验选择聚合底液的pH为7.00。

图3 聚合底液酸度对分子印迹聚合物的影响Fig. 3 Effects of acidity of the polymerization base solution on the molecularly imprinted polymer

2．6 洗脱溶剂和洗脱时间的选择

试验分别采用乙醇、水、甲醇-乙酸(9+1)混合液、乙腈-乙酸(9+1)混合液和甲醇-乙腈-乙酸(4+3+3)混合液洗脱模板。结果表明:甲醇-乙酸(9+1)溶液去除模板的效率最高。因为赛诺吗嗪易溶于甲醇,加入乙酸可以使印迹膜发生溶胀反应,从而有利于印迹分子的洗脱,而其他萃取剂只能去除部分模板。试验发现,在恒温磁力搅拌器慢速搅拌条件下,用甲醇-乙酸(9+1)混合液10 mL清洗印迹电极6 min,即可将印迹分子彻底洗脱出来,取出电极后用甲醇冲洗电极表面残留的乙酸。

2．7 印迹传感器的DPV响应

分别将印迹电极置于6.0×10-9,6.0×10-8,6.0×10-7,6.0×10-6,3.0×10-5,6.0×10-5,1.0×10-4,3.0×10-4,6.0×10-4mol·L-1的赛诺吗嗪溶液中,静置2 min,取出自然晾干后放入测试背景溶液,利用差分脉冲伏安法进行测试,见图4。记录峰电流的变化,得到电流的变化(y)与赛诺吗嗪浓度(x)的线性回归方程为y=0.304 3x+3.611,相关系数为0.998 5。

图4 传感器的差分脉冲伏安图Fig. 4 Differential pulse valtammograms of the sensor

以3s/k(s为DPV峰电流的标准偏差,k为标准曲线的斜率)计算得该传感器的检出限为1.0×10-9mol·L-1。

2．8 传感器的选择性和稳定性

采用DPV分别对相同浓度的赛诺吗嗪、三聚氰胺和三聚氰酸进行检测。试验发现传感器对三聚氰酸和三聚氰胺基本没有电流响应,说明该传感器对赛诺吗嗪表现出良好的特异选择性。

将使用过的传感器在洗脱剂中超声清洗5 min,依次用甲醇和水淋洗过后可使传感器基本恢复到响应前的状态。分别检测6.0×10-5mol·L-1赛诺吗嗪溶液,平行测定5次,相对标准偏差为2.8%,说明此传感器具有良好的稳定性和重现性。

2．9 样品分析

将最佳条件下制备的印迹电极置于样品溶液中静置2 min,取出自然晾干。采用DPV进行定量测定,峰电流基本没有变化(<5%),说明样品中无赛诺吗嗪检出。对样品进行加标回收试验,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表1。

表1 精密度和回收试验结果(n=5)Tab. 1 Results of tests for precision and recovery(n=5)

本工作以赛诺吗嗪为印迹分子,邻苯二胺为功能单体,采用电聚合的方法在金电极表面制得了具有良好性能的赛诺吗嗪分子印迹电化学传感器,也可为检测其他小分子物质提供一种参考方法。

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