分子印迹电化学传感器测定大气中的羟基自由基

王彤彤 倪青青 黄志凌 高金龙 徐琴 胡效亚

摘 要 对羟基苯甲酸可以作为分子探针被羟基自由基（·OH）氧化，产生具有电化学活性的3，4-二羟基苯甲酸（3，4-DHBA）。根据此原理，本研究以吡咯为单体，3，4-二羟基苯甲酸为模板分子，在纳米TiO2修饰的玻碳电极上电聚合制备分子印迹聚合物膜修饰电极（3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE），实现对·OH的间接测定。通过扫描电子显微镜（SEM）和电化学方法对此传感器进行表征，优化了电聚合圈数、电聚合体系pH值、洗脱时间、吸附时间等条件。在优化条件下，标准物3，4-DHBA氧化峰电流大小与其浓度在1.0×108～1.0×10 6 mol/L范围内具有良好的线性关系，检出限为4.2×109 mol/L （S/N=3）。将传感器用于大气中·OH浓度的测定，结果良好，是一种低廉、便捷、新颖的检测·OH的方法。

关键词 分子印迹；传感器；羟基自由基；3，4-二羟基苯甲酸；聚吡咯

1 引 言

羟基自由基（·OH）是氧化能力仅次于F2的非选择性氧化剂，具有很高的电负性和亲电性，且广泛存在于大气层、天然水体、生物体等环境中。·OH也被认为是大气中最重要的氧化剂，在光氧化循环中起着重要作用，控制着大气的自氧化能力[1]。正常气候条件下，·OH浓度可以反映大气污染程度、气候变化、大气光化学反应活动和PM2.5形成速率等[2]。因此，对大气中的·OH浓度进行测定非常必要。

过去20年中，电子自旋共振（ESR）光谱[5]、高效液相色谱法（HPLC）[6]、荧光光谱法[7]等被用于·OH检测，化学电离质谱（CIMS）[3]是已有技术中最灵敏的现场方法，激光诱导荧光（LIF）[4]适用于检测气相中·OH。然而，现有的大多数技术不能满足操作简便、成本较低或高灵敏度的实际需求，很难简单方便地应用于大气中·OH的研究。因此，亟需开发方便、低成本、灵敏的检测·OH浓度的方法。

4-羟基苯甲酸（4-HBA）可以高效率捕获·OH并产生单一产物3，4-二羟基苯甲酸（3，4-DHBA）[8，9]。区别于水杨酸，4-HBA和3，4-DHBA的电化学性质完全不同[8]，利用对羟基苯甲酸做探针分子，采用电化学方法测定·OH时无需分离。对目标分子具有特异性识别能力的分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIP） 在样品的分离、富集和电化学传感等领域广泛应用[10～12]。本研究以聚吡咯（PPy）为功能单体，3，4-DHBA为模板分子，制备了一种简单、成本低廉的分子印迹电化学传感器的方法用于测定3，4-DHBA， 并成功用于检测天然大气中·OH。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660E电化学工作站（北京华科普天科技有限公司）； Zeiss Supra 55场发射扫描电镜（德国Zeiss公司）。电化学测量采用三电极系统： 工作电极为玻碳电极（直径3 mm），对电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl电极。棕色多孔玻璃吸收瓶连接干燥塔，LZB-120转子流量计和KB-120E空气采样泵（青岛精诚仪器有限公司），构成用于空气采样的大气采样器。

纳米TiO2 （25nm， 亲油亲水型）、吡咯（AR）（阿拉丁试剂公司）；对羟基苯甲酸（4-HBA）与3，4-二羟基苯甲酸（3，4-DHBA）（上海源叶生物公司）。其它试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。PBS缓冲溶液使用Na2HPO4和NaH2PO4配制，并使用H3PO4调节pH值。

2.2.2 3，4-DHBA的测定 将制备好的3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE置于0.1 mol/L磷酸盐缓冲液（pH 3.5）中，向缓冲液中加入不同浓度的3，4-DHBA标准物，开路富集7 min。取出后放入不含3，4-DHBA的PBS（pH 2.0）中，用差分脉冲伏安法（DPV）进行测定。

2.2.3 实际样品检测 采用溶液吸收法用于大气中羟基自由基的采样。每次大气采样时，向棕色多孔玻璃吸收瓶内装入7.5 mL 0.1 mmol/L 4-HBA溶液，然后将吸收瓶串联到大气采样器上，空气流速为80 L/min， 采样时间为60 min。 采样地点位于扬州大学瘦西湖校区（119°42′ E， 32°40′ N），距离街道约100 m；采样时间为2017年11月。测量方法同上。

3 结果与讨论

3.1 电聚合分子印迹膜的制备

图 1 为3，4-DHBA存在下吡咯电聚合过程的 循环伏安（CV）曲线。聚合第1圈时，在0.55 V处出现吡咯的氧化峰；第2圈开始，氧化峰峰电流明显降低；扫描5圈后，氧化峰电流几乎为零，表明功能单体（吡咯）和模板分子（3，4-DHBA）在纳米TiO2修饰玻碳电极表面的电化学聚合过程是单向不可逆的，随着扫描的进行，致密的聚合膜覆盖在电极表面，阻断了电子与电极的的传输，最终获得3，4-DHBA的印迹膜。

3.2 传感器的表征

3.2.1 传感器的形貌表征 采用扫描电子显微镜（SEM）对不同修饰电极的表面进行形貌表征，结果如图2所示。纳米TiO2修饰至电极表面（图2A）时，在电极表面均匀分散，可以增大电极的有效面积。当3，4-DHBA与聚吡咯共沉积至电极表面（图2B）时，TiO2纳米颗粒表面由于被印迹膜覆盖尺径增大，表明分子印迹膜被成功制备。图2C是纳米TiO2修饰电极电聚合NIP时的形貌，其SEM图与MIP相比，颗粒较小，这可能是3，4-DHBA对吡咯的聚合有一定的影响。

3.3 实验条件优化

3.3.1 3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE传感器制备条件 对在3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE傳感器制备过程中，吡咯和3，4-二羟基苯甲酸摩尔比、电聚合循环圈数、电聚合溶液的pH值和洗脱时间等因素进行优化。优化过程中，采用DPV研究传感器的电化学性能。

配制吡咯和3，4-二羥基苯甲酸摩尔浓度比分别为 5∶1、4∶1、3.5∶1、3∶1、2∶1的电聚合流液， 其中3，4-DHBA的浓度均为1 mmol/L， 参照2.2.1节制备得到3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE，用DPV对同浓度3，4-DHBA进行测定，得到峰电流IP。以摩尔比为横坐标，IP为纵坐标作图。由图4A可知，IP值越大，说明分子印迹膜识别印迹的3，4-DHBA分子越多，最终得到Py和3，4-DHBA的最佳摩尔比为3.5∶1，浓度分别为3.5 和1.0 mmol/L。

使用含3.5 mmol/L吡咯、1.0 mmol/L 3，4-DHBA的电聚合溶液，调节 pH值分别为3.0、4.0、5.0、6.0和7.0，制备3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE。图4B是传感器对同浓度3，4-DHBA溶液DPV响应，聚合溶液的pH在 3.0～7.0变化过程中，IP先增大后减少，在pH 6.0时最大，说明此时印迹效果最佳。因此，选择Py/3，4-DHB印迹溶液的最佳pH=6.0。

聚合膜厚度直接影响传感器电化学响应性能和效率，通过优化电聚合扫描圈数可以调节印迹聚合物膜厚。由图4C可知，当聚合3圈时，形成的电聚合膜过薄，印迹上去的模板分子太少，影响了印迹效率；聚合圈数逐渐增加到5圈时，IP增大，识别效果明显增大，形成了比较稳定的带特异性识别孔穴的电聚合膜；圈数增加到7圈，电聚合膜厚度增大，影响了电子的传递和模板分子的洗脱。因此，电聚合扫描圈数为5圈时可获得最佳识别效果。

将制得的电聚合膜电极在0.2 mol/L Na2HPO4溶液中用正电位氧化法（1.3 V）洗脱模板分子，洗脱时间为5～50 min。由图4D可知，随着洗脱时间的延长，IP逐渐增大；洗脱40 min时，IP不再增加；继续增加洗脱时间，IP反而略微下降，这可能是过长的洗脱时间对电聚合膜造成了损伤而引起的。选择30 min为最佳洗脱时间。

4 结 论

基于分子印迹电化学传感器，开发了一种新的检测大气中羟基自由基的电化学方法。本方法用于间接测定大气中的·OH可以显著降低检测成本，无需分离过程，简单方便，灵敏度高，选择性好。

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Abstract p-Hydroxybenzoic acid can be oxidized by hydroxyl radicals （·OH） to produce electroactive 3，4-dihydroxybenzoic acid （3，4-DHBA）. Therefore， it can be used as a probe to detect ·OH. In this work， 3，4-DHBA/PPy/TiO2 molecularly imprinted polymer film was prepared for indirect determination of ·OH based on its recognition ability for 3，4-DHBA. The sensor was constructed by using pyrrole as the functional monomer and 3，4-DHBA as the template molecule. The sensor was characterized by scanning electron microscope and different electrochemical methods. The preparation and determination conditions， such as the electropolymerization cycle number， pH value in the electropolymerization process， and elution time， were optimized. Under the optimal conditions， a linear range of 1.0×108-1.0×10 6 mol/L was obtained for 3，4-DHBA and the detection limit was down to 4.2×10 9 mol/L （S/N=3）. This new approach was of low cost and convenience， and was successfully applied to measure the concentration of ·OH in the atmosphere.

Keywords Molecularly imprinted； Sensor； Hydroxyl radical； 3， 4-Dihydroxybenzoic acid； Polypyrrole

（Received 17 January 2018； accepted 23 April 2018）