AgBiS2/Bi2S3分子印迹光电化学传感器用于测定残杀威

2020-03-10石小雪李秀琪魏小平李建平

分析化学 2020年3期

石小雪李秀琪魏小平李建平

(桂林理工大学化学与生物工程学院，广西电磁化学功能物质重点实验室，桂林 541004)

1 引言

近年来，农药的过度使用导致其在自然环境(如空气、土壤等)中残留和富集，引起环境污染，危害人类身体健康[1]。目前，农药残留的检测方法主要有分光光度法[2]、气相色谱-质谱联用法[3]、高效液相色谱法[4]等。这些方法灵敏度普遍较低，而且仪器价格昂贵, 样品前处理复杂, 检测时间长，不能满足对农药残留的痕量检测的要求，因此,迫切需要开发高灵敏、高选择性、操作简单、成本低的方法检测痕量农药残留。

分子印迹技术是一种可以从多组分体系中特异性识别目标分析物的分子识别技术[5,6]，由于具有抗干扰能力强、成本低等优点而被广泛应用[7,8]，如杨东冬等[9]以噻虫啉为模板分子，制备了可识别吡虫啉、氯噻啉、噻虫啉的分子印迹聚合物，并结合固相萃取-液相色谱法进行测定。但分子印迹技术用于残杀威检测未见报道。光电化学传感器是一种将光作为激发源，利用产生的光电流作为检测信号的检测技术[10]。由于不施加外加电压，背景干扰小，信噪比高，使得光电化学传感器具有较高的灵敏度[11]。分子印迹光电化学传感器[12]结合了二者的优点，对目标物的测定具有灵敏度高、选择性好等特点[13]。然而，分子印迹光电化学传感器仍存在可应用的光电活性材料较少、光电转换效率低等问题，直接影响传感器的检测灵敏度[14]。

光电材料的结构和性质直接影响光电化学传感器的分析性能。常见的光电材料有无机光电材料、有机光电材料和有机、无机、贵金属材料之间相互杂合的复合光电材料[15]。其中，无机-无机复合的光电材料稳定性好，并且具有不同的带隙结构和尺寸，在光电转换、催化等方面表现出独特的性能。无机光电材料在复合时能形成多级能级结构，促进电子跃迁，实现电荷分离，使得光电流有所提高。Bi2S3是一种具有典型层状结构的n型直接带隙半导体材料，对可见光吸收能力强，光电转化效率高，是良好的可见光响应材料，已被作为光电化学传感器的光电转换元件[16]。然而，Bi2S3受到光激发时，其价带上的电子跃迁到导带，产生了电子-空穴对，但导带上的电子不稳定，易回到价带，导致较高的光生电子-空穴对复合率。研究表明，Bi2S3复合了MoS2后，Bi2S3的电子转移到MoS2材料上，光生电子-空穴对会引起电子-空穴供体的氧化还原反应，抑制电子-空穴对复合[17]。AgBiS2是一种直接带系n型半导体材料[18]，带隙宽度约为1.2 eV，Bi2S3的导带和价带比AgBiS2更负，电子可从Bi2S3导带转移到AgBiS2导带上，光生空穴从Bi2S3价带转移到AgBiS2价带上，这种协同效应可以加快空间电荷分离，降低了电子-空穴对复合率，提高光电流强度。

本研究将Bi2S3与AgBiS2复合，在钛片电极上，利用溶剂热法制备AgBiS2/Bi2S3复合光电材料，作为光电化学传感器的光电转换元件，以残杀威为模板分子，利用电聚合法构建了分子印迹光电化学传感器，根据“门控制”效应[19,20]实现残杀威的高灵敏度、高选择性检测。传感器的制备以及检测原理见图1。

图1 基于AgBiS2/Bi2S3的分子印迹光电化学传感器制备及检测残杀威的示意图Fig.1 Schematic of preparation of molecularly imprinted photoelectrochemical sensor based on AgBiS2/Bi2S3 and detection of propoxur

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司); PGSTAT128N Autolab电化学工作站(瑞士万通有限公司); HSX-F300氙灯光源(北京纽比特科技有限公司); GSP-77-03磁力搅拌器(苏北分析仪器厂); AL204电子天平(梅特勒-托利多中国地区); KS-120EⅡ超声波清洗机(宁波海曙科生超声设备有限公司); GZX-GFC·101-1-S电热恒温鼓风干燥箱(上海博泰实验设备有限公司); JEM-2100F场发射扫描电子显微镜(日本电子株式会社); X'pert PRO X射线衍射仪(荷兰PANalytical公司); 20 mL聚四氟乙烯不锈钢反应釜(济南恒化科技有限公司)。电化学测定采用三电极体系：以修饰的钛片电极为工作电极，铂丝为对电极，Ag/AgCl饱和甘汞电极为参比电极。

残杀威、邻苯二胺(阿拉丁生化科技股份有限公司); Bi(NO)3·5H2O、硫脲、AgNO3、乙二醇、Na2SO3(西陇化工股份有限公司)。所用试剂均为分析纯，实验用水均为超纯水。

2.2 分子印迹光电化学传感器制备

2.2.1 AgBiS2/Bi2S3光电材料的合成将钛片切割成10 mm×50 mm的小块，将钛片电极依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10 min，自然晾干。

采用溶剂热法制备AgBiS2/Bi2S3复合光电材料，具体操作参见文献[21]并稍作修改。称取1.50 g固体Bi(NO3)3·5H2O，用15.0 mL乙二醇溶解; 称取1.50 g固体硫脲，加入15.0 mL超纯水溶解; 称取0.11 g固体AgNO3, 用10.0 mL水溶解。取配制好的Bi(NO3)3溶液2.5 mL、硫脲溶液2.5 mL、AgNO3溶液1.5 mL和 0.068 mol/L EDTA 0.625 mL，置于聚四氟乙烯高压反应釜内胆中，搅拌均匀后，放入钛片，于电热恒温鼓风干燥箱中, 170℃条件下反应8.5 h。待冷却至室温后，取出电极，用水冲洗后，再放入电热恒温鼓风干燥箱中70℃烘干2 h，使电极表面修饰的复合光电材料更加稳定。即在电极表面修饰了一层稳定的AgBiS2/Bi2S3光电材料，制得AgBiS2/Bi2S3/Ti电极。

2.2.2 分子印迹光电化学传感器的制备称取0.0032 g邻苯二胺，以10.0 mL硼酸-硼砂缓冲溶液(0.20 mol/L，pH 9.0)溶解; 称取0.0021 g残杀威固体，溶于10.0 mL乙腈溶液，浓度为1.0×10-3mol/L。取两溶液各5.0 mL，混匀，作为电聚合液。采用循环伏安法，扫描20圈，通过电聚合法制备分子印迹聚合物膜。用水冲洗分子印迹电极，自然晾干。在0.20 mol/L NaOH溶液中洗脱模板分子，得到MIP-PEC电极。除不加入模板分子外，非分子印迹光电化学传感器(NIP-PEC)的制备过程均与MIP制备过程相同。每支分子印迹电极可使用10～12次。

2.3 测量方法

光电流测量采用电化学工作站的时间-电流安培法(i-t)法，恒定电位为0 V，时间为40 s，支持电解质溶液为0.20 mol/L Na2SO3。使用电化学阻抗谱法(EIS)对不同材料修饰的传感器进行表征，开路电压为0.19 V，频率为0.1 Hz～100 kHz，支持电解质溶液为0.5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-。

2.4 样品处理

取市售3种水果样品(梨、李子、枇杷)进行残杀威检测。将水清洗后的完整水果分别于研钵中捣碎，各称取20.0 g于入烧杯中，分别加入20.0 mL乙腈，超声30 min进行萃取，离心。取上清液10 mL，用PBS缓冲溶液(pH 7.0)稀释至100 mL，作为待测液，备用。

3 结果与讨论

3.1 AgBiS2/Bi2S3、AgBiS2和Bi2S3的X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)表征

图2 材料(a) Bi2S3、 (b) AgBiS2/Bi2S3和(c) AgBiS2的XRD图谱Fig.2 X-ray diffraction (XRD) patterns of (a) Bi2S3, (b) AgBiS2/Bi2S3and (c) AgBiS2

3.1.1 XRD表征利用XRD对AgBiS2/Bi2S3复合材料进行了表征，图2曲线a为单一Bi2S3的XRD图谱，Bi2S3的衍射峰较多，在2θ=15.8°、17.6°、22.4°、23.7°、24.9°、28.8°、31.9°、33.1°、34.0°、35.8°、40.2°、45.6°、46.7°、52.8°处对应的是Bi2S3的(020)、(120)、(220)、(101)、(130)、(211)、(221)、(301)、(311)、(240)、(141)、(002)、(431)、(312)晶面的衍射峰，与Bi2S3标准卡(JCPDS No.17-0320)的特征衍射峰相对应[22]。曲线c为单一AgBiS2的XRD图谱，在2θ=27.2°、31.7°、45.4°、53.8°、56.4°、66.1°、73.0°、75.2°处对应AgBiS2在(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)晶面的衍射峰，无其它杂质峰，与AgBiS2标准卡(JCPDS No.89-3672)的特征衍射峰相对应[21]; 此外，图谱中并未显示Ag2S的特征衍射峰，说明合成的AgBiS2材料中没有Ag2S。曲线b为复合材料的XRD图谱，不仅含有AgBiS2的特征衍射峰，也含有Bi2S3的特征衍射峰，说明所合成的材料为AgBiS2/Bi2S3复合材料。

图3 (A) Bi2S3和(B) AgBiS2/Bi2S3的SEM图; (C) Bi2S3和(D) AgBiS2/Bi2S3的EDS图谱Fig.3 Scanning electron microscopy (SEM) images of (A) Bi2S3 and (B) AgBiS2/Bi2S3; Energy dispersive spectra (EDS) of (C) Bi2S3 and (D) AgBiS2/Bi2S3

3.1.2 SEM和EDS表征为了研究材料的形貌，对单一Bi2S3及复合材料AgBiS2/Bi2S3进行了SEM表征。单一Bi2S3具有花状结构(图3A)。根据EDS图谱(图3C)，所制备的样品中含有Bi、S、C、O元素，其中，C元素主要来源于导电胶。Bi2S3的化学计量

比为2∶3，而图3中Bi和S的原子比为19.45∶30.71(表1)，约为2∶3，符合其计量比，表明所制备样品的组分为Bi2S3。图3B是AgBiS2/Bi2S3的SEM照片，在花状的Bi2S3旁边生长了由多个短小纳米棒组成的团簇状的纳米AgBiS2。而由EDS图谱(图3D)可知，所制备的样品组成元素主要有Ag、Bi、S元素，其原子比为3.84∶19.25∶30.88(表1)，约为4∶19∶31。单一的AgBiS2和Bi2S3化学计量比分别为1∶1∶2和2∶3，均不符合二者的化学计量比，说明此样品是AgBiS2/Bi2S3的复合物。材料的SEM、EDS及XRD图谱的表征结果一致，进一步说明所合成的材料为AgBiS2/Bi2S3复合材料。

表1 材料元素的原子比

Table 1 Atomic ratio of elements of materials

元素ElementBi2S3原子比Atomic ratio ofBi2S3AgBiS2/Bi2S3原子比Atomic ratio ofAgBiS2/Bi2S3C45.1941.80S30.7130.88Bi19.4519.25Ag3.84O4.654.23

图4 不同材料的光电流响应： (a) AgBiS2/Ti; (b) Bi2S3/Ti; (c) AgBiS2/Bi2S3/TiFig.4 Comparison of photocurrent response of (a) AgBiS2/Ti, (b) Bi2S3/Ti and (c) AgBiS2/Bi2S3/Ti

3.2 Bi2S3、AgBiS2和AgBiS2/Bi2S3的光电响应对比

图5 MIP与NIP的光电化学行为(a) NIP吸附5.0×10-11 mol/L模板分子残杀威; (b) NIP洗脱; (c) MIP吸附5.0×10-11 mol/L模板分子残杀威; (d) MIP洗脱Fig. 5 Photoelectrochemical behavior of molecular imprinted polymer (MIP) and non-imprinted polymer (NIP)(a) NIP upon adsorption of 5.0×10-11 mol/L template molecule propoxur; (b) NIP after elution of template; (c) MIP upon adsorption of 5.0×10-11 mol/L template molecule propoxur; (d) MIP after elution of template

为了研究AgBiS2、 Bi2S3B、 AgBiS2/Bi2S3复合材料的光电性能，在光照下，进行了单一AgBiS2、单一Bi2S3和复合AgBiS2/Bi2S3材料的光电流响应测试。如图4所示，曲线a为单一AgBiS2在钛片电极上的光电流曲线，光电流值为-1.00 μA; 当修饰在钛片上的材料为Bi2S3时，光电流为-15.08 μA(曲线b); 而对于复合AgBiS2/Bi2S3修饰的钛片电极，光电流为-27.78 μA(曲线c)。相比于单一Bi2S3或单一AgBiS2，复合材料的光电流均大于单一材料，这是因为两种材料之间存在协同增敏作用，使得AgBiS2与Bi2S3复合时产生的光电流较单一材料大。此结果表明，复合AgBiS2/Bi2S3能提高光电转换速率，降低了光生电子-孔穴对的复合几率，提高了半导体材料的光电流强度，进一步说明AgBiS2与Bi2S3的复合可以提高传感器的灵敏度。

3.3 MIP与NIP修饰电极的光电化学行为

考察了传感器对残杀威分子的识别性能。 MIP和NIP修饰的电极的光电流检测结果见图5。MIP在洗脱模板分子后(曲线d)，大部分模板分子被洗脱下来，在电极表面留下分子印迹孔穴，这时支持电解质溶液中的电子供体通过孔穴进出电极表面，使得光电流变大。再将洗脱检测后的电极重吸附5.0×10-11mol/L残杀威溶液6 min(曲线c)，模板分子与之前洗脱后形成的分子印迹孔穴重新复合，阻止了电子供体进出电极表面，光电流减小。而NIP在进行洗脱和重吸附时，光电流大小几乎保持不变(曲线a和b)。上述结果表明，构建的分子印迹光电化学传感器可以识别残杀威分子，而非分子印迹光电化学传感器没有识别能力。

3.4 MIP传感器的EIS表征

图6 传感器的交流阻抗表征(a)修饰AgBiS2/Bi2S3的Ti片电极; (b) 电聚合后的MIP; (c) 吸附5.0×10-11 mol/L残杀威后的MIP; (d) 洗脱后的MIPFig.6 Electrochemical impedance characterization of the sensor(a) Ti plate electrode modified with AgBiS2/Bi2S3; (b) MIP after electropolymerization (c) MIP after adsorption of 5.0×10-11 mol/L propoxur; (d) MIP after elution

采用电化学阻抗谱(EIS)对传感器的制备过程进行了表征，电解质溶液为含0.10 mol/L KCl的5.0×10-3mol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液，结果如图6所示。高频区半圆直径大小对应电子传递阻抗(Ret)。曲线a为AgBiS2/Bi2S3/Ti电极的阻抗曲线，电极表面修饰了AgBiS2/Bi2S3半导体材料(曲线a)，其高频区半圆直径最小，Ret值最小。AgBiS2/Bi2S3/Ti电极上进行电聚合后(曲线b)，由于形成了一层致密的分子印迹聚合物膜，阻碍了电子的转移，使得Ret增大。在电极洗脱之后(曲线d)，大部分模板分子被洗脱下来，在电极表面留下孔穴，[Fe(CN)6]3-/4-探针可以通过孔穴通道进行转移，使得Ret值减小。将洗脱后的电极重吸附5.0×10-11mol/L残杀威溶液6 min后(曲线c)，模板分子与印迹孔穴重新结合，使得电子转移受到阻碍，因而Ret值增加。结果表明，所制备的分子印迹传感器能够识别目标分子残杀威。

3.5 实验条件优化

3.5.1 复合光电材料中AgBiS2与Bi2S3组成的摩尔比的优化采用溶剂热法合成AgBiS2/Bi2S3复合材料，对复合光电材料中AgBiS2与Bi2S3组成的摩尔比进行优化。AgBiS2与Bi2S3摩尔比分别为1∶9、3∶17、1∶4、3∶7、1∶2、1∶1。由实验结果得出，当AgBiS2与Bi2S3摩尔比为1∶4的时候光电流最大，因此AgBiS2与Bi2S3的最佳摩尔比为1∶4。

3.5.2 电聚合圈数的优化以邻苯二胺为功能单体，残杀威为模板分子，在1.0×10-3mol/L残杀威、3.0×10-3mol/L邻苯二胺的硼酸-硼砂缓冲溶液(0.20 mol/L, pH 9.0)中进行电聚合。在电聚合圈数达到20圈时，电极电流几乎不再变化，说明在电极表面已经聚合了一层致密的分子印迹聚合物膜。因此，选择电聚合的最佳圈数为20圈。

3.5.3 洗脱条件优化因聚合物中模板分子以氢键与功能单体作用，本研究采用NaOH将模板分子与功能单体之间的氢键破坏，以去除模板分子。配制0.20 mol/L NaOH洗脱液，将制备好的电极放入溶液中进行洗脱。每洗脱一次，清洗、晾干后检测光电流，结果如图7A所示。随着洗脱时间延长，模板分子被洗脱下来，在电极表面留下了分子印迹孔穴，电子供体通过分子印迹孔穴到达电极表面，光电流增大。洗脱时间达到180 s后，光电流趋于稳定，表明电极表面上的模板分子已基本洗脱完全，因此, 最佳洗脱时间为180 s。对洗脱剂NaOH浓度进行优化，固定洗脱时间180 s，由图7B可知，随着NaOH浓度增大，光电流先增大后减小，说明NaOH浓度增大有利于洗脱，但浓度过大会破坏分子印迹膜，堵塞电荷通道，导致电流反而减小。因此，选择NaOH浓度为0.20 mol/L。

3.5.4 重吸附条件优化将洗脱后的MIP电极在1.0×10-7mol/L残杀威溶液中进行重吸附，每次重吸附时间间隔为1 min，每重吸附一次，检测一次光电流。在1～6 min，随着重吸附时间延长，光电流逐渐减小，当重吸附时间达到6～8 min，光电流达到最低值，且几乎不再变化，说明已经达到了吸附平衡。因此，重吸附时间选择6 min。

考察了重吸附溶液PBS缓冲溶液pH值和离子强度对印迹材料吸附性能的影响。结果表明，当pH=7.0时，光电流最小(图7C)，因此，选择pH 7.0为最佳检测酸度。进一步考察了PBS缓冲液中Na+浓度对光电响应信号的影响，如图7D所示，随着Na+溶液浓度增加，光电流先减小后增大，在浓度为10.0 mmo/L时，光电流值最小。选择PBS缓冲液中Na+浓度为10.0 mmol/L。

图7 洗脱和重吸附条件优化： (A) 洗脱时间; (B) NaOH洗脱液的浓度; (C)重吸附溶液pH值; (D)重吸附溶液的Na+浓度Fig.7 Optimization of elution and resorption conditions: (A) elution time; (B) Eluent NaOH concentration; (C) pH value of re-adsorption solution; (D) Na+ concentration of re-adsorption solution

3.6 传感器的分析性能

采用传感器对不同浓度梯度的残杀威溶液进行检测，记录光电流响应。如图8所示，随着残杀威溶液浓度增加，光电流不断减小，在1.0×10-12～5.0×10-10mol/L浓度范围内，光电流变化值与残杀威浓度的对数值成正比，线性方程为ΔI(μA)=10.281 lgC(10-12mol/L)-0.775，相关系数R2=0.994，检出限为2.3×10-13mol/L (S/N=3)，低于其它检测残杀威的方法(见表2)。因此，将AgBiS2与Bi2S3结合，促进了电子与空穴有效分离，降低了光生电子-孔穴的复合几率，提高了光电转换效率，从而提高了方法的灵敏度。

图8 (A)传感器对不同浓度残杀威的光电流响应图; (B)线性关系曲线Fig.8 (A) Photocurrent response of the sensor to different concentrations of propoxur; (B) Calibration curve, concentration of propoxur (×10-12 mol/L, a-l): 0.0，1.0，3.0，5.0，7.0，9.0，30.0，50.0，70.0，90.0，300.0，500.0

3.7 传感器的选择性

考察了此传感器对目标分子的识别能力。选择1.0×10-10mol/L残杀威溶液和200倍浓度的结构类似物西维因、异丙威、乙霉威以及干扰物质Cu2+、Cl-进行实验，重吸附后，检测其光电流，以光电流的ΔI值作为对比信号。如图9所示，结构类似物和干扰物质产生的光电流信号弱，表明此传感器的印迹空腔能够结合目标分子残杀威，而不能识别其它干扰物质，抗干扰能力强。

表2 检测残杀威的方法的性能比较

Table 2 Comparison of performance of detection methods for propoxur

图9 干扰物存在下传感器的信号响应a.残杀威; b.乙霉威; c. Cl-, d. Cu2+; e.异丙威; f.西维因Fig.9 Signal response of sensor in the presence of interferentsa. propoxur; b. carbaryl; c. Cl-, d. Cu2+, e. isopropion; f. carbaryl

3.8 传感器的重现性和稳定性

考察了传感器的重现性和稳定性。在相同条件下制备5支传感器，重吸附1.0×10-10mol/L残杀威溶液，其光电流值的相对标准偏差为1.57%; 进行了传感器日内和日间的重复性实验，各进行5次测量，相对标准偏差为2.0%和2.1%，表明传感器具有良好的重现性和重复性。将制备好的传感器放于避光干燥处保存，于10天后取出，对1.0×10-10mol/L残杀威溶液的光电流检测值降低了2.3%，说明此传感器稳定性良好。