三维氮掺杂石墨烯分子印迹传感器在联苯菊酯检测中的应用

白 静, 朱 冰

(河南应用技术职业学院化学工程学院,河南郑州 450001)

联苯菊酯(Bifenthrin)又叫虫螨灵、天王星，它是一种新型的人工合成拟除虫菊酯类杀虫剂，虽然对土壤实际影响较小，但对人畜、鱼虾毒性较为明显[1]。因此建立一种分析速度快、灵敏性好、选择性强和分析检测成本低的检测方法意义重大。目前，联苯菊酯类农药残留量检测的方法有气相色谱法[2]、高效液相色谱法[3]、气相色谱-质谱法[4]、酶联免疫法[5]、液相色谱-质谱法[6]。气相色谱有高灵敏度、特异性好、高回收率等的优点，但分析时间长。高效液相色谱简便、线性关系好，准确度较高，但前处理繁琐。气相色谱-质谱法快速简便且灵敏度高，但所需仪器设备昂贵。免疫分析具有灵敏、快速、准确、成本低等特点，但需要专业操作人员辅助才能完成分析检测。电化学分析方法具有灵敏度高、响应时间短、所需仪器设备简单、检出限低等优点，本文拟在合成石墨烯基材料的基础上构建联苯菊酯分子印迹电化学传感器，从而建立一种检出限低、灵敏度高、成本低的联苯菊酯检测方法。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

紫外-可见分光光度计(BlueStarB)，北京莱伯泰科仪器股份有限公司；傅立叶变换红外光谱仪(Nicolet iS10)，美国赛默飞世尔科技公司；场发射扫描电镜(FEIQuantaFEG250)，美国Thermofisher；X射线衍射仪(D8 Advance)，德国Bruker；电化学工作站(CHI660E)，上海辰华仪器有限公司。

联苯菊酯(分析纯)，上海源叶生物科技有限公司；石墨粉(325目)，青岛华泰润滑密封科技有限责任公司；氧化铝抛光粉(1.0μm、0.05μm)，北京精科科仪科学仪器有限公司。其他所用试剂均为分析纯。实验用水为超纯水。

1.2 联苯菊酯分子印迹电化学传感器的制备

1.2.1 三维氮掺杂石墨烯的制备首先采用改良后的Hummers法[7]制备氧化石墨烯(GO)。称取0.2400 g已制备的GO加入120 mL的超纯水，超声1 h使其分散完全，再加入2.400 g的尿素，超声1 h。将上述溶液转移至圆底烧瓶，油浴加热至180 ℃反应12 h，待反应完成后静置分层，弃去上层液体，沉淀部分依次用乙醇抽滤清洗1次，再用超纯水离心洗涤6次。将沉淀物质放入超低温冰箱冷冻48 h之后，真空冷冻干燥48 h，最终得到三维氮掺杂石墨烯(3DNGH)粉末，置于干燥器中备用。

1.2.2 联苯菊酯分子印迹电化学传感器的制备用10 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解10.00 mg的3DNGH，取5 μL该溶液滴涂于玻碳电极表面，并在37 ℃恒温培养箱晾干，即得到3DNGH/GCE。称取邻氨基苯酚0.0436 g溶于2 mL的0.5 mol/L高氯酸中，调至弱酸性后再加入2 mL的0.05 mol/L联苯菊酯-乙腈溶液，超声后用乙腈定容至10 mL，即得联苯菊酯分子修饰电极聚合液。将3DNGH/GCE作为工作电极，铂丝电极为辅助电极，甘汞电极为参比电极浸入聚合液中，采用循环伏安法在-0.2～1.2 V电位范围内，以50 mV/s的扫描速度，聚合20圈后得到联苯菊酯分子印迹电极(MIP/3DNGH/GCE)。将该电极放入0.5 mol/L硫酸-乙腈(1∶5，V/V)洗脱液中进行电位诱导洗脱模板分子，从而得到具有联苯菊酯分子印迹的电化学传感器。按上述步骤聚合液中不加联苯菊酯聚合，即得非分子印迹电化学传感器(NMIP/3DNGH/GCE)。

1.3 电化学检测方法

采用差分脉冲伏安法(DPV)对联苯菊酯进行检测，测定条件为：电位范围-0.1～0.6 V，电位增量0.004 V，振幅0.05 V，脉冲宽度0.05 s，采样宽度0.0167 s。采用计时电流法(CA)进行电位诱导洗脱模板分子，测量参数为：初始电位-0.2 V，高电位1 V，低电位-0.2 V，阶跃次数180，脉冲宽度2 s。将洗脱后的传感器插入探针溶液中测量DPV峰电流(I0)，再将传感器放入不同浓度的联苯菊酯溶液中孵化6 min后，超纯水冲洗干净，再置于探针溶液中测量DPV峰电流(I1)，计算ΔI=I0-I1。同一传感器在联苯菊酯溶液中平行测定10次，检测该传感器对联苯菊酯的响应性能和稳定性能。

2 结果与分析

2.1 三维氮掺杂石墨烯材料的表征

2.1.1 扫描电镜表征从图1A可以看出，GO为平整的片层结构，紧密堆叠在一起，表面呈现层状、褶皱状且有明显明暗变化，这是由于在石墨氧化过程中加入了C-O-C、-COOH等官能团。图1B显示了3DNGH材料表面具有微纳米级多孔褶皱结构，孔壁是由石墨烯薄片堆积组成的，这是由于在还原剂尿素的作用下，无序分散的石墨烯薄片层结构在水热过程中发生了缩聚反应，因此形成了三维网孔状结构[8]。

图1 GO(A)和3DNGH(B)的扫描电镜(SEM)图像Fig.1 SEM images of GO(a) and 3DNGH(b)

2.1.2 X射线衍射表征图2为GO、3DNGH的X射线衍射(XRD)图，GO在2θ=11°的位置出现了一个明显的衍射峰，这与文献值相对应，证明了GO制备成功[9]。3DNGH分别在2θ为24.4°和43.7°处有较宽而强的特征峰，在水热过程中，GO中的大量含氧官能团被消除还原，致使3DNGH的石墨烯层间距减小，说明N元素的成功掺入，进一步说明3DNGH成功合成。

图2 GO和3DNGH的X射线衍射(XRD)图谱Fig.2 XRD patterns of GO and 3DNGH

2.2 分子印迹电化学传感器电化学特性

2.2.1 循环伏安法表征图3为不同电极在同一探针溶液中的循环伏安曲线。3DNGH/GCE(曲线b)其氧化峰电流明显高于裸GCE(曲线a)，这是由于3DNGH增大了裸电极的比表面积加快了电子传递速率，使电极表面导电性增强。分子印迹聚合后的循环伏安曲线为一条平滑的直线(曲线d)，电流很小且未出现氧化还原峰，表明电极在聚合之后表面形成致密不导电的聚合膜阻挡了电子传递，同样曲线e为非分子印迹聚合后形成同样的致密不导电的聚合膜。洗脱后的MIP/3DNGH/GCE(曲线c)电流明显增大并且有氧化还原峰出现，这是由于分子印迹电极洗脱模板分子后留下一些带有特异性吸附的“孔穴”，探针离子可以通过“孔穴”在电极中进行电子的传递，发生了氧化还原反应[10]。而NMIP/3DNGH/GCE洗脱前(曲线e)后(曲线f)电流信号值无变化，这是由于聚合物中没有模版分子所致。

图3 不同电极的循环伏安曲线Fig.3 Cyclic voltammetric curves of different electrodes(a)GCE;(b)3DNGH/GCE;(c)MIP/3DNGH/GCE after elution;(d)MIP/3DNGH/GCE after polymerization;(e)NMIP/3DNGH/GCE after polymerization;(f)NMIP/3DNGH/GCE after elution

2.2.2 交流阻抗法表征图4为不同电极在同一探针溶液中的交流阻抗(EIS)谱图，阻抗谱图由半圆和斜线两部分组成。斜线是低频区受扩散控制的电化学过程形成的，圆弧是高频区电子的转移过程形成的，其中电极的阻抗(Rct)可以通过高频区半圆的直径来计算，直径越大说明阻值越大。曲线b为3DNGH修饰电极表面后的阻抗曲线，与裸GCE(曲线a)相比阻抗大幅度减小，说明3DNGH具有很好的导电性能，增加电子转移速度并且成功的修饰到GCE表面。当印迹膜在电极表面聚合后，溶液中电子传递主要受扩散控制影响，电子转移影响较小。洗脱后MIP/3DNGH/GCE(曲线d)的电极阻抗值与聚合后MIP/3DNGH/GCE(曲线c)的阻抗值相比明显降低，因为经洗脱联苯菊酯模板分子后表面有大量“孔穴”，为[Fe(CN)6]3-提供了向电极扩散的通道。实验结果与上述循环伏安结果一致。

图4 不同电极的电化学阻抗图Fig.4 Electrochemical impedance diagram of different modified electrodes(a)GCE;(b)3DNGH/GCE;(c)polymerized MIP/3DNGH/GCE;(d)eluted MIP/3DNGH/GCE

2.3 实验条件的优化

选择在不同电位范围内进行电聚合制备传感器，采用循环伏安法，对不同传感器在探针溶液中的行为进行研究。在相同的聚合圈数下，不同电位范围聚合成的聚合膜，经相同的洗脱时间后测定结果不同，可知当选择聚合电位在-0.2～1.2 V范围时，聚合膜的稳定性强且易洗脱，获得了一对对称的氧化还原峰且峰电流较大，这可能是由于在其他聚合电位下聚合不牢且洗脱后部分聚合膜易脱落所致。

将电极置于聚合液中，分别选取10、15、20、25和30圈进行电聚合，将制备的传感器置于探针溶液中，采用上述1.3电化学检测方法中的DPV参数检测，观察洗脱前后的电流值变化，随聚合圈数的增加，电流信号值的变化，呈现先增后降的趋势，这可能是由于聚合圈数少形成的膜薄不稳定，聚合圈数多形成的膜过厚且不易将模版分子洗脱所致[11]，故最佳聚合圈数为20。

洗脱时间的长短直接影响电极表面印迹孔穴的数量，选择不同时间进行洗脱，而后置于探针溶液中进行DPV测试。随着洗脱时间的增加，响应电流信号不断增加最后趋于稳定，这说明当洗脱500 s后，印迹膜中的模板分子已被洗脱完全，故最佳洗脱时间为500 s。

随着电极表面修饰材料用量的增加，DPV响应电流呈现先增大后减小的趋势，这是因为3DNGH材料具有良好的增敏作用，能够加速电子传递速度，但是滴加量过多时，易造成印迹电极表面孔穴堵塞，导致电子传递效率降低，电流响应下降[12]，故5 μL为最佳3DNGH用量。

2.4 分子印迹传感器识别性能

实验选取与联苯菊酯结构类似的甲氰菊酯(Fenpropathrin)和溴氰菊酯(Deltamethrin)以及与联苯菊酯结构相差较大的敌草隆(Diuron)和噻虫胺(Clothianidin)作为干扰物质，考察传感器的选择性。将电极分别浸入相同浓度0.01 mmol/L的联苯菊酯和干扰物质溶液中相同时间，取出冲洗后观察在探针溶液中的峰电流变化，采用DPV法进行表征，计算吸附前后相对电流的变化值(ΔI)。实验结果显示，传感器吸附模板分子联苯菊酯的ΔI值最大，平行测定3次结果相同，而对其相似结构甲氰菊酯和溴氰菊酯的响应很小，对于联苯菊酯结构相差较大的敌草隆和噻虫胺电流最小，因此说明该传感器对联苯菊酯具有较高的特异性。

2.5 重现性及稳定性

平行制备3支印迹电极，分别对相同浓度的联苯菊酯标准溶液平行测定10次，检测响应信号的相对标准(RSD)分别为1.40%、1.98%、2.06%，表明电极的重复性良好。对该3支电极连续使用20次，检测响应信号分别降为最初值的87%、84%、89%，表明印迹电极在有效使用次数内连续使用的稳定性良好。

2.6 联苯菊酯分子印迹传感器标准曲线的确定

图5 传感器检测不同浓度联苯菊酯的DPV图和标准曲线Fig.5 DPV and calibration curves of different concentrations of bifenthrin detected by the MIP sensorsa～g:5×10-11～5×10-5mol/L.

在最佳实验条件下，测定不同浓度联苯菊酯的DPV曲线，随着联苯菊酯浓度的增大，DPV曲线峰电流值在逐渐下降。这是由于模板分子浓度不断增大，印迹电极上的识别孔穴被目标分子占据越多所致。以联苯菊酯浓度的对数为横坐标，DPV响应电流变化值(ΔI)为纵坐标绘制标准曲线，此传感器在5.0×10-5～5.0×10-11mol/L浓度范围内具有良好的线性关系，线性相关系数(R2)为0.9951。检出限(S/N=3)为3.83×10-11mol/L。线性回归方程为：ΔI=3.2979logc+37.013。

2.7 回收率的测定

将市售的小青菜剪碎称取10.00 g加入20 mL乙腈浸泡5 min、充分振荡、超声、离心分离沉降、取上层清液在最佳实验条件下将上述样品添加不同浓度，分别记做样1、样2、样3，对三种样液的提取液进行加标测定，将传感器置于加标溶液中6 min，冲洗后再将电极置于探针溶液中采用DPV法进行测试3次，取平均值，测出洗脱后及浸泡后的电流差值，并计算回收率。结果如表1所示，样品的平均回收率在86.44%～104.68%之间。

表1 联苯菊酯在青菜样品中的加标回收率(n=3)Table 1 Recovery of bifenthrin in vegetable samples(n=3)

3 结论

本文结合了分子印迹技术和电化学检测技术，制备了可应用于检测实际样品中联苯菊酯残留量的分子印迹电化学传感器。方法的检出限(S/N=3)为3.83×10-11mol/L，同时传感器具有很好的加标回收率，其结果在86.44%～104.68%之间。