分子印迹聚吡咯/二氧化钛纳米管阵列选择性光电化学检测邻苯二甲酸二丁酯

戴高鹏 隗浚羽 孙云飞 刘素芹 贾志勇

1（湖北文理学院食品科学与化学工程学院， 襄阳 441053）

2（湖北隆中实验室， 襄阳 441053）

邻苯二甲酸二丁酯（DBP）是一种用于提高塑料柔韧性、透明度和耐久性的塑化剂，已广泛应用于塑料工业品，包括玩具、水管、饮料瓶、食品包装和化妆品等。据报道，DBP 严重影响男性生殖系统和人体神经系统[1-2]。由于DBP 与塑料分子间没有形成化学键[3]，在塑料生产和使用过程中会溶解并渗透到水体和食品中。美国环境局规定饮用水中DBP 的最大允许限量为5.0 mg/L[4]；2011 年6 月我国卫生部551 号文件[5]规定，食品中DBP 的最大残留量应控制在0.3 mg/kg 以下。因此，开发一种灵敏、准确检测环境和食品中DBP 的方法非常重要。

目前，检测DBP 的方法主要有液相色谱法[6]和气相色谱法[7]，或者这两种方法与质谱、液液萃取和固相萃取相结合的方法[8-9]。然而，这些方法需要昂贵的仪器和复杂的操作。与传统检测方法相比，光电化学（PEC）检测具有灵敏度高、仪器简单、操作简便和成本低等优点[10-11]，其检测原理是在光照条件下，光电极上的活性材料被激发并诱导产生光电流，以光电流为检测信号进行定量分析[11]。PEC 检测方法已广泛应用于食品安全[12]、环境监测[13]和药物分析[14]等领域。

二氧化钛纳米管阵列（TiO2NTs）具有特殊的管状结构、化学性质稳定、比表面积大和光电化学性能优异等优点，已被应用于制备多种光电化学传感器[10，15-16]。然而，TiO2需要紫外光照射才能激活，并且单一相TiO2的光生空穴和电子易快速复合，量子效率低，光电化学活性低。与导电材料复合可有效提高TiO2的可见光响应和量子效率[17-18]。聚吡咯（PPy）是一种光活性导电聚合物，具有良好的导电性、高吸收系数和高稳定性，研究表明，PPy/TiO2复合物具有比单一TiO2更高的光催化活性[19-20]。

良好的选择性对于分析检测非常重要。分子印迹聚合物（MIP）可以识别和吸附特定的目标分子，通过MIP 可以高效提高PEC 传感器的选择性[21-23]。Zhang 等[21]制备了一种基于印迹TiO2修饰的Fe3O4@C纳米粒子，用于选择性测定尿酸的PEC 传感器，线性范围为0.3～34 μmol/L，检出限低至0.02 μmol/L。Mao 等[22]开发了一种基于GO-CdS 异质结的MIP-PEC 传感器，用于伏马菌素B1的选择性检测，该传感器具有优异的选择性、稳定性和重现性。Lu 等[23]制备了基于PPy/TiO2NTs 的新型MIP-PEC 传感器，对双酚A 的检测表现出高灵敏度和良好的选择性，线性范围为4.5～108 nmol/L，检出限为2.0 nmol/L。

本研究以DBP 为模板分子，由于DBP 不溶于水，因此采用甲醇作为溶剂，用化学氧化法合成PPy，并沉积在TiO2NTs 上，同时将模板分子DBP 合成在PPy 中，去除模板分子后得到MIP-PPy/TiO2NTs 传感器，对DBP 的检测显示出优异的选择性和灵敏度。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Hitachi-S4800 场发射电子扫描显微镜（日本日立公司）；D8 AD-VANCE 型X 射线衍射仪（德国布鲁克公司）；IR Prestige-21 傅立叶变换红外光谱仪和UV-2600 紫外可见分光光度计（日本岛津公司）；CELHXF300 氙灯（北京中教金源科技有限公司）；CHI 660E 电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）。

Py 购于阿拉丁试剂有限公司（上海）；使用前，将Py 通过蒸馏得到无色液体，备用。其它试剂购于国药集团化学试剂有限公司。所用化学试剂均为分析纯；实验用水为超纯水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 实验方法

1.2.1 MIP-PPy/TiO2 NTs传感器的制备

首先通过阳极氧化法制备TiO2NTs。以Ti 箔为阳极，铂片为阴极，在含有0.2 mol/L NH4F 的50%（V/V）乙二醇电解液中，在20 V 直流电压下将Ti 箔阳极氧化2 h，即得到无定形的TiO2NTs。将样品用水冲洗干净并干燥后，在450 ℃下晶化3 h，无定形的TiO2NTs 转化为锐钛矿TiO2NTs。

为制备MIP-PPy/TiO2NTs，将5.45 g 十二烷基硫酸钠加入到80 mL FeCl3溶液（含1.0 g 无水FeCl3）中，室温下搅拌4 h 后，生成大量黄色沉淀，将沉淀抽滤、干燥，得到的黄色产物记为Fe（LS）3Cl3。将1 mL Py、0.2 mL DBP 和上述Fe（LS）3Cl3溶于50 mL 甲醇中。将制备的TiO2NTs 浸入上述甲醇溶液中，超声12 h，大量Py 交联DBP 聚合沉积在TiO2纳米管中。聚合结束后，取出PPy/TiO2NTs，用适量水冲洗，然后将其浸入50%（V/V）乙醇中，50 ℃下反应5 h，以除去模板分子DBP。所得到的PPy/TiO2NTs 标记为MIP-PPy/TiO2NTs。作为对照，在无DBP 的Py 溶液中，在相同条件下制备了非印迹PPy/TiO2NTs（NIPPPy/TiO2NTs）。

1.2.2 MIP-PPy/TiO2 NTs传感器的PEC性能检测

在C H I 6 6 0 E 电化学工作站上进行P E C 测试，采用传统的三电极体系。其中，以面积为0.5 cm×0.5 cm 的MIP-PPy/TiO2NTs 为工作电极，铂片为辅助电极，Ag/AgCl 电极为参比电极，氙灯为光源，先将MIP-PPy/TiO2NTs 浸泡在含有不同浓度DBP 的0.1 mol/L Na2SO4溶液中，孵育8 min，然后在MIP-PPy/TiO2NTs 工作电极上施加0.3 V 的偏压，测试i-t曲线。电化学阻抗谱（EIS）测试在含0.1 mol/L KCl 的0.05 mol/L [Fe（CN）6]3-/4-溶液中进行，交流电压幅值为5 mV， 频率范围为105～10-1Hz。

2 结果与讨论

2.1 MIP-PPy/TiO2 NTs传感器响应机理

图1 展示了MIP-PPy/TiO2NTs 电极在PEC 传感DBP 中的响应机理。根据文献[24]，PPy/TiO2NTs在模拟太阳光照射下，PPy 最高占有轨道（HOMO）中的电子（e-）被激发，跃迁到最低空轨道（LUMO）；同时，TiO2价带（VB）上的e-跃迁到导带（CB），VB 中形成大量空穴（h+）。由于PPy 的轨道能级与TiO2的能带电位匹配，PPy LUMO 上的电子转移到TiO2CB 上，空穴从TiO2迁移到PPy 上，光生电子和空穴有效分离。MIP-PPy 能识别并结合目标分子（DBP），结合在MIP 空腔中的DBP 向PPy 的h+提供电子，DBP 被h+氧化分解，TiO2上的电子在偏压作用下，从外电路流向阴极，从而形成光电流回路。

图1 分子印迹聚吡咯/TiO2 纳米管阵列（MIP-PPy/TiO2 NT）s 光电化学传感检测邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的响应机理Fig.1 Response mechanism of molecularly imprinted polypyrrole/titanium dioxide nanotube arrays (MIP-PPy/TiO2 NTs) in photoelectrochemical sensing of dibutyl phthalate (DBP)

2.2 MIP-PPy/TiO2 NTs传感器的表征

采用扫描电子显微镜（SEM）对TiO2NTs 样品的形貌进行表征。如图2A 和2B 所示，纯TiO2NTs 的管高度有序，并且垂直生长在Ti 箔表面。纳米管的管径和壁厚分别约为120 nm 和20 nm， 管内无物，管壁光滑。沉积PPy（图2C 和2D）后，PPy 填充在纳米管内部，形成条状。如图2D 所示，在切TiO2NTs 截面膜的过程中，部分条状PPy 从管壁上翘起。对比NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs （图2E 和2F）发现两者没有明显差异，说明DBP 不影响PPy 的沉积。与文献[25-26]报道的PPy/TiO2NTs 比较，本研究制备的NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 中PPy 的沉积量更多，这有利于PEC 反应与检测。

图2 TiO2 NTs （A、B）、非印迹（NIP）-PPy/TiO2 NTs （C、D）和MIP-PPy/TiO2 NTs （E、F）的表面（A、C、E）和截面（B、D、F）扫描电镜图Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) images (A, C, E) and cross-sectional SEM images (B, D, F) of TiO2 NTs (A, B), non-imprinted (NIP)-PPy/TiO2 NTs (C, D) and MIP-PPy/TiO2 NTs (E, F)

纯TiO2NTs、NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 的X 射线衍射（XRD）谱图如图3 所示，所有样品中只有锐钛矿相（JCPDS: 21-1272）和来自基底的金属Ti 相（JCPDS: 44-1294），没有显示PPy 的衍射峰，这是因为有机物的衍射峰比无机物的衍射峰低很多，未显示出来。

图3 TiO2 NTs （a）、NIP-PPy/TiO2 NTs （b）和MIP-PPy/TiO2 NTs （c）的X-射线衍射谱图Fig.3 X-ray diffraction partterns of TiO2 NTs (a), NIP-PPy/TiO2 NTs (b) and MIP-PPy/TiO2 NTs (c)

通过红外（FT-IR）光谱对PPy 的沉积和DBP 印迹效果进行了检测。如图4A 所示，所有样品均在500 cm-1附近出现了TiO2典型的Ti—O 伸缩振动特征峰。MIP-PPy/TiO2NTs 和NIP-PPy/TiO2NTs 在3430、1463、1318、1066 和964 cm-1处都出现了PPy 的特征峰，分别归属于N—H 伸缩、C=C 面内弯曲、C—N 伸缩、=CH—面内振动和C—H 面外弯曲振动[27]，表明PPy 沉积到了TiO2NTs 上。去除DBP模板前的MIP-PPy/TiO2NTs，除了以上特征峰外，还在1725 和1128 cm-1处可出现了2 个特征峰，分别归属于DBP 的C=O 和C—O—C 基团[28]，说明DBP 已掺入PPy 中。对比曲线c 和曲线d 可见，去除模板分子DBP 后，DBP 的峰几乎消失，而PPy 仍然存在，说明DBP 已经从PPy 中去除。上述结果表明成功制备了MIP-PPy/TiO2NTs。

图4 （A）TiO2 NTs（a）、NIP-PPy/TiO2 NTs（b）、MIP-PPy/TiO2 NTs 去除DBP 前（c）和去除DBP 后（d）的红外光谱图; （B） MIP-PPy/TiO2 NTs 的X 射线光电子能谱图Fig.4 (A)Fourier transform infrared spectra of TiO2 NTs(a),NIP-PPy/TiO2 NTs(b),and MIP-PPy/TiO2 NTs before(c) and after (d) extraction of DBP; (B) X-ray photoelectron spectroscopy pattern of MIP-PPy/TiO2 NTs

通过X 射线光电子能谱（XPS）进一步分析了MIP-PPy/TiO2NTs 的元素组成和化学状态（图4B）。全谱显示MIP-PPy/TiO2NTs 中含有Ti、O、C 和N 元素，Ti 和O 来源于TiO2NTs，C 和N 来源于TiO2NTs中沉积的聚Py。C1s 的高分辨谱中，284.6、285.4 和288.5 eV 处的3 个峰分别对应于Py 环中的α碳、β碳和C—N+[29]，N1s 的高分辨谱中399.8 和401.0 eV 处的2 个峰分别对应N—C 和N—H 或N+的氮[30]。XPS 结果进一步表明PPy 与TiO2NTs 成功复合。

进一步采用EIS 对传感器的制备过程进行了表征。图5 为不同TiO2NTs 电极的EIS 奈奎斯特曲线。阻抗谱中半圆的直径大小对应于电子转移电阻（Ret）。由图5 可见，TiO2NTs 的半圆直径大，即其Re值较大。当在TiO2NTs 中沉积MIP 和NIP-PPy 后，对应的半圆直径减小，这是因为PPy 具有良好的导电性，因而Re值降低。去除DBP 模板后，MIP-PPy/TiO2NTs 的Re值减小，这是由于DBP 不导电。进一步将MIP-PPy/TiO2NTs 在DBP 溶液中孵育后，DBP 分子重新填充到MIP 空腔中，Re值增大。上述结果进一步证明成功制备了MIP-PPy/TiO2NTs。

图5 TiO2 NTs （a）、NIP-PPy/TiO2 NTs （b）、去除模板前的MIP-PPy/TiO2 NTs （c）、去除模板后的MIPPPy/TiO2 NTs （d）、在DBP 溶液中孵育后MIP-PPy/TiO2 NTs （e）的交流阻抗（EIS）谱Fig.5 Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)characterization of TiO2 NTs(a),NIP-PPy/TiO2 NTs(b),MIP-PPy/TiO2 NTs before (c) and after (d) extraction of DBP, and MIP-PPy/TiO2 NTs after incubation in DBP solution (e)

通过紫外-可见漫反射光谱评价所有TiO2NTs 的光学性能。如图6 所示，纯TiO2NTs 主要吸收位于紫外光区，但在可见光区也有较弱的吸收，这是由于纳米管阵列中的孔隙或裂纹对光的散射[31]引起的。相比而言，NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 在可见光区的光吸收都很强，这是因为PPy 可吸收可见光。

图6 不同样品的紫外-可见漫反射（DRS）光谱Fig.6 UV-vis diffuse reflectance spectra (DRS) of different samples

2.3 MIP-PPy/TiO2 NTs的PEC性能研究

为研究印迹效果，将TiO2NTs、NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 在含有0.1 μmol/L DBP 的Na2SO4溶液中孵育10 min 后，测试了其光电流响应。如图7 所示，纯TiO2NTs 在不加入DBP 的Na2SO4溶液中显示出微弱的光电流，沉积PPy 后，光电流显著增强。原因可能为：（1）PPy 能吸收可见光而产生光生电子和空穴，光电流增加；（2）PPy 与TiO2结合形成异质结，促进光生载流子分离，提高量子效率和光电流；（3）PPy 的高导电性能促进载流子迁移，从而增强光电流。加入DBP 后，所有样品的光电流均增大。TiO2NTs 和NIP-PPy/TiO2NTs 的光电流的变化ΔI（ΔI=I0-IDBP，I0和IDBP分别为加入DBP 前后的光电流）分别为0.05 和0.26 μA，光电流微弱增加，而MIP-PPy/TiO2NTs 的ΔI为1.35 μA，光电流显著增加，这说明MIP-PPy/TiO2NTs 对DBP 具有明显的分子识别能力。

图7 0.1 mol/L Na2SO4 水溶液中，存在或不存在DBP 时不同TiO2 NTs 的光电流响应Fig.7 Photocurrent responses of different TiO2 NTs in the absence or presence of DBP in 0.1 mol/L Na2SO4 aqueous solution

考察了合成MIP-PPy/TiO2NTs 时DBP 与Py 体积比对传感器性能的影响（图8A），随着DBP/Py 体积比增大，光电流先增加后减小。其原因可能是随着DBP/Py 体积比增大，DBP 分子增多，DBP 形成的分子印迹位点增多；但是，当DBP/Py 体积比大于1∶5 后，过多的DBP 会影响Py 聚合，导致光电流减小。DBP/Py 体积比为1∶5 时制备的MIP-PPy/TiO2NTs 光电流最大，因此DBP/Py 的最佳体积比为1∶5。MIPPPy/TiO2NTs 在DBP-Na2SO4溶液中孵育时间与光电流的关系如图8B 所示，随着孵育时间延长，光电流逐渐增大，当孵育时间达到8 min 后，光电流达到稳定，因而选择最佳孵育时间为8 min。

图8 （A）DBP/Py 体积比和（B）MIP-PPy/TiO2 NTs 孵育时间的优化实验。所有实验均为在0.1 μmol/L DBP-Na2SO4 溶液中进行的检测Fig.8 Optimization of(A)volume ratio of DBP/Py and (B) incubation time of MIP-PPy/TiO2 NTs. All the experiments are carried out in 0.1 mol/L Na2SO4 aqueous solution containing 0.1 μmol/L DBP

采用MIP-PPy/TiO2NTs 对不同浓度的DBP 进行了检测。由图9 可见，随着DBP 浓度增加，光电流逐渐增大，线性范围为0.05～3.50 μmol/L，线性方程为I（μA）=2.617+13.14C（μmol/L）（R2=0.997），检出限（LOD）为6.3 nmol/L （S/N= 3），与其它DBP 分子印迹传感器相当（表1）。

表1 检测DBP的MIP传感器性能比较Table 1 Comparison of performance of MIP sensor for detection of DBP

图9 （A）模拟太阳光下MIP-PPy/TiO2 NTs 传感器在含有（a）0、（b）0.05、（c）0.1、（d）0.15、e）0.2、（f）0.25、（g）0.3、（h）0.35（i）0.4、（j）0.5、（k）0.6、（l）0.8、（m）1.0、（n）1.5、（o）2.0、（p）2.5 和（q） 3.5 μmol/L DBP 的0.1 mol/L Na2SO4 水溶液中的光电流响应；（B）光电流与DBP 浓度之间的线性校正曲线Fig.9 (A) Photocurrent responses of MIP-PPy/TiO2 NTs sensor in the presence of (a) 0, (b) 0.05, (c) 0.1, (d)0.15, (e) 0.2, (f) 0.25, (g) 0.3, (h) 0.35, and (i) 0.4 μmol/L DBP in 0.1 mol/L Na2SO4 aqueous under modulate sunlight illumination; (B) Linearity calibration curve between photocurrent and DBP concentration

选取与DBP 共存或结构类似的化合物邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、双酚A（BPA）和L-色氨酸（L-TRP）作为干扰物，考察MIP-PPy/TiO2NTs 传感器的选择性。如图10 所示，5 μmol/L （50 倍DBP 浓度）的DEP、DOP、BPA 和L-TRP 显示很低的ΔI变化，而0.1 μmol/L DBP 的ΔI明显大得多。由于水样中存在大量Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Fe3+和Al3+等金属离子，因此考察了这些离子的影响。将100 倍浓度的上述离子分别加入到0.1 μmol/L DBP 中测定光电流，结果表明，加入这些离子前后系统的光电流几乎没有变化。综上可知，MIP-PPy/TiO2NTs 传感器对DBP 具有良好的选择性吸附和检测性能。将MIP-PPy/TiO2NTs 传感器在避光条件下中放置1 周后，与初始值相比，光电流响应仅下降2.7%，表明此传感器具有良好的长期稳定性。此外，制备了5 个并行的MIP-PPy/TiO2NTs 传感器，用于测定0.1 μmol/L DBP。5 个传感器的光电流响应无明显差异，相对标准偏差（RSD）为2.9%，表明此传感器具有良好的制备重现性。此外，在0.1 mol/L Na2SO4溶液中考察了MIP-PPy/TiO2NTs 稳定性。在“开-关-开”30 次光照循环，连续测试1200 s 后，光电流衰减幅度很小，RSD 仅为2.9%，表明此传感器具有良好的稳定性。

图10 0.1 μmol/L DBP，5 μmol/L DOP、DEP、BAP 和L-TRP 在0.3 V（vs.Ag/AgCl）偏压下的光电流响应Fig.10 Photocurrent response of 0.1 μmol/L DBP,5 μmol/L DOP,DEP,BAP and L-TRP at bias potential of 0.3 V (vs. Ag/AgCl)

为进一步考察MIP-PPy/TiO2NTs 传感器的实际应用性能，在自来水中添加3 个浓度水平（1.0、2.0 和3.0 μmol/L）的DBP，进行加标回收实验，结果见表2，加标回收率为95.1%～96.7%，RSD≤4.6%（n=3），表明制备的MIP-PPy/TiO2NTs 传感器具有良好的准确性，可用于实际样品中DBP 的检测。

表2 MIP-PPy/TiO2 NTs传感器对自来水样品中DBP的检测结果Table 2 Determination results of DBP in tap samples using MIP-PPy/TiO2 NTs sensor

3 结论

基于高度有序和垂直排列的TiO2NTs 和MIP-PPy 的高选择性，构建了一种简单高效的MIP-PEC 传感器。此传感器可特异性识别DBP，并表现出宽的检测范围、低的检出限以及良好的稳定性和重现性，检测自来水中的DBP 的回收率为95.1%～96.7%，RSD≤4.6%。本研究构建的MIP-PPy/TiO2NTs 传感器对环境中DBP 的实际检测具有很大的应用潜力。