磁性石墨烯修饰邻苯二甲酸二正辛酯电化学传感器的制备

沈乐逸,王明石,武才欢,吴万成,李巍巍

(杭州职业技术学院 生态健康学院,浙江 杭州 310018)

邻苯二甲酸酯(Phthalate Esters,PAEs)是一类人工合成的有机化合物,包括邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)等。其中DNOP是最重要的品种,常作为增塑剂和软化剂应用于塑料工业,进而迁移进入环境中。该类物质会干扰神经和内分泌系统的正常调节,导致心血管、肝脏和内分泌等疾病,危害人体健康。为此环境及食品中邻苯二甲酸酯含量的检测对保障生命健康至关重要[1]。

邻苯二甲酸酯常用的检测方法有分光光度法(UV)、高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)、气/质联用(GC/MS)、电化学分析法和新起的快速检测法如荧光、胶体金显色、化学发光和增强拉曼光谱法。传统分析方法普遍存在样品预处理繁琐、需使用标准物质、检测时间长和操作不便等缺点。因此建立一种快速、灵敏、简单地对环境中邻苯二甲酸酯的检测方法研究具有重要意义[2-3]。

分子印迹聚合物(Molecular Imprinted Polymers,MIPs)是一类新颖的样品富集材料。通常采用模板分子(Template Molecular)和功能单体(Functional Monomer)通过共价、非共价键相互作用,形成某种特定类型配合物;然后聚合反应得到聚合物,再用适当的溶剂将模板分子洗脱。所得聚合物结合特异性的结构点位,对模板分子的结构空间、分子大小、官能团等具有记忆能力,这样就可以根据模板预定的分子或离子选择性和高度识别性进行特定分子或离子的识别。该技术已广泛应用于分子或离子的分离萃取、分析色谱和电化学分析等领域,发展趋势良好[4-5]。

分子印迹电化学传感器将分子印迹技术与传感技术结合,采用选择性和识别性能高,实用性能强的分子印迹聚合物作为传感器识别元件的敏感元件。该技术利用表面分子印迹,避免传统MIPs存在的模板分子容易泄露的问题,有效降低干扰物等的影响,实现对目标分子的高效快速分析。

石墨烯是一种新材料,特点是具有特别大的比表面积、快的电子传递速度、高导电性和优良的生物相容性,已经在电化学和新材料等领域展现巨大的应用潜力。石墨烯片层之间存在较强的范德华力,容易团聚,造成石墨烯应用困难。常规石墨烯修饰电极的方法为表面涂载,该法修饰的石墨烯容易脱落,石墨烯层厚难控制度,影响传感器的稳定性和重现性[6]。

Pan等[7]将磁性Fe3O4粒子与MIP进行结合,制备合成的磁性分子印迹聚合物,成功用于水样中2,4-DCP的检测。王雅群等[8]采用表面分子印迹技术合成对四环素类抗生素具有特异性吸附性能的Fe3O4@SiO2@MIP核壳型纳米复合材料,经磁分离固相萃取-高效液相色谱(MSPE-HPLC)技术,同时测定样品中3种四环素类抗生素的残留。肖海梅等[9]以磁性氧化石墨烯/MIL-101(Cr)复合材料为载体,以Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)为模板,多巴胺为功能单体,采用表面印迹技术成功制备一种对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)具有高选择吸附性能的磁性离子印迹聚合物。吸附动力学表明该磁性离子印迹聚合物对模板离子具有较快的吸附速率。

龙芳等[10]以多巴胺为单体,通过电聚合方法在磁性石墨烯修饰碳电极表面研制一种对4-OP具有高灵敏和高选择性的磁性印迹电化学传感器,可应用于自来水、雨水和湖水等实际样品中4-OP的检测。于壮壮等[11]以四环素为模板分子,4-氨基苯硫酚(4-ATP)为功能单体,在金纳米粒子和石墨烯量子点复合材料修饰的玻碳电极表面电聚合分子印迹膜,制备四环素(TC)分子印迹传感器(MIPs/GQDs-AuNPs/GCE),该传感器对四环素具有良好的电流响应。

本项目研究制备磁性Fe3O4纳米粒子掺杂石墨烯复合物,利用表面分子印迹技术与石墨烯复合材料相结合,通过电聚合技术构建邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)分子印迹电化学传感器,实现水环境中的DNOP快速响应及高选择性、高灵敏检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

石墨粉、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二正辛酯和盐酸多巴胺购自阿拉丁试剂有限公司,所有试剂均为分析纯,实验用水为超纯水。

V3型电化学工作站(美国普林斯顿公司);高效液相色谱仪(美国Agilent 1200);气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent6890-5973);超纯水机(美国Millipore Direct-Q3);紫外-可见分光光度计(日本岛津UV-1800)。

1.2 磁性石墨烯制备

采用改良的Hummer’s法制备氧化石墨烯(GO),然后采用热溶剂法制备磁性石墨烯复合物。将8 g石墨粉和4 g KNO3混合,缓慢加入到120 mL浓硫酸的烧杯中,冰水浴控温,同时调节搅拌速度,均匀搅拌30 min。分批缓慢向浓硫酸加入12 g KMnO4,同时避免反应过于剧烈,始终让体系完全处于冰水浴条件下,搅拌2 h。为了保证过程充分氧化,把上述烧杯放入40 ℃恒温水浴锅,保温24 h。氧化结束,依次加入500 mL超纯水和30 mL H2O2,搅拌均匀,放置4 h,超纯水洗涤沉淀至中性,真空干燥制得GO。

氮气保护下,在四口圆底烧瓶中,将氧化石墨烯(100 mg)、FeCl2(200 mg)和FeCl3(300 mg)溶于200 mL蒸馏水中。缓慢滴加1 mol/L NaOH溶液,溶液的pH值至大于12。然后将混合物置于水浴恒温锅中加热至80 ℃,机械搅拌1 h。反应完毕,继续通氮气直至反应体系冷却至室温。将冷却后的悬浊液倒入离心管中,10 000 r/min的离心机下离心10 min。得到的下层沉淀物即为磁性氧化石墨烯。

1.3 分子印迹电化学传感器的制备

打磨抛光碳片,然后蒸馏水超声清洗,干燥备用。使用电沉积技术,将电极插入磁性氧化石墨烯分散体系中,在0～0.5 V扫描电位,以0.025 V/s速度循环扫描直到稳定,得磁性石墨烯修饰电极。

将100 mg邻苯二甲酸二正辛酯溶于30 mL乙醇中,加入5 mmol多巴胺,混合溶解。采用三电极体系,即采用Pt电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,磁性石墨烯修饰电极为工作电极,利用多巴胺可自聚成膜且对基底极强的结合力,通过电聚合技术将DNOP直接印迹至磁性石墨烯修饰电极表面,制备DNOP分子印迹电化学传感器。制备后的电极用乙腈∶乙酸溶液[V(乙腈)∶V(乙酸)=8∶2]浸泡30 min,去除模板分子。紫外光谱检测无DNOP残留。干燥即得磁性石墨烯修饰邻苯二甲酸酯电化学传感器。利用同样方法,不加DNOP,制得非印迹磁性石墨烯修饰电化学传感器。

1.4 电化学测试

使用V3型电化学工作站,采用三电极体系,将磁性石墨烯修饰邻苯二甲酸酯电化学传感器置于含有5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl的混合溶液中,进行循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)测试(扫描电位为-0.2～0.8 V,扫描速率为0.05 V/s)。

2 结果与讨论

2.1 不同扫描速率对DNOP电极制备的影响

将修饰电极插入5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl的混合溶液中,采用循环伏安法(扫描电位为-0.2～0.8 V,扫描速率分别为0.01,0.025,0.05,0.1,0.2和0.4 V/s)分别进行检测,得到循环伏安曲线图。研究发现随着增加循环扫描的次数,响应峰电流逐渐下降。可以推测在电极制备过程中,DNOP模板分子被聚合物包裹并逐渐沉积在电极原位。并且随着扫描次数的增加,电流减少到最后趋于稳定,说明DNOP模板分子已成功修饰至电极表面。研究表明,过快的扫描,会导致电极表面膜粗糙,形状不规则。而较慢的扫描速度和较多的循环次数,结果造成膜过于致密。通过试验得出最佳条件扫描电位是0～0.5 V,以0.025 V/s速度扫描12圈。这样制得的DNOP电极稳定性高,膜层厚度均匀,形态良好。

2.2 吸附时间对传感器响应的影响

不同的传感器响应时间差异大,为此研究了吸附时间对传感器的影响。将制备好的传感器插入500 nmol/L DNOP溶液中,采用循环伏安法来检测目标分子DNOP的电化学响应,每2 min记录MIPs膜吸附DNOP前后对应氧化峰的电流变化(ΔI),并作出ΔI与对应DNOP浓度的关系曲线,结果如图1所示。可以得出,在0～10 min内,响应电流逐渐增大,并在12 min后趋于稳定。因此DNOP分子印迹电化学传感器最佳吸附时间是12 min。

2.3 电化学分子印迹膜选择性

配制5～100 μmol/L浓度系列的DNOP及邻苯二甲酸酯干扰物DMP、DEP、DBP溶液,采用高灵敏度的DPV法分别用修饰膜印迹电极进行样品检测。检测液为5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl,吸附时间为12 min。所得峰电流变化值与对应浓度关系如图2所示。由图2可知,分子印迹电化学传感器对DNOP响应电流值明显高于其他邻苯二甲酸酯干扰物,而相似物DMP、DEP、DBP只具有微弱的电流响应。说明DNOP印迹膜电极空穴结构具有的识别位点,能够与DNOP特异性吸附结合,从而表现出良好的选择性。该电化学分子印迹膜和非印迹磁性石墨烯修饰电化学传感器均表现对其他邻苯二甲酸酯分子结合能力差,推测为物理吸附,这样响应电流就较小。综合表现电化学分子印迹膜对DNOP具有高度识别性。

图2 电化学分子印迹膜选择性

2.4 传感器性能研究

使用差分脉冲伏安法,对10～1 000 nmol/L浓度系列的DNOP溶液,使用分子印迹修饰电极进行检测。结果表明,随着待测标准溶液中DNOP浓度的增加,分子印迹传感器的DNOP响应电流值(ΔI)也随之增大。其中,在5×10-9～1×10-6mol/L浓度范围内,DNOP浓度与响应电流值之间呈现良好的线性关系,见图3。其线性方程为I(μA)=6.164 8+0.022 5c(nmol/L),相关系数R2=0.999 1,检出限为0.635 nmol/L(S/N=3)。与常规分光光度法、高效液相色谱等检测方法相比,本实验研制的印迹传感器具有低检出限和高灵敏度。原因在于磁性石墨烯修饰邻苯二甲酸酯电化学传感器协调作用,增加MIPs对印迹分子的特异性识别能力作用。

图3 DNOP浓度与峰电流差线性方程

使用最佳实验条件,用电化学传感器连续重复测定同一DNOP溶液10次,其峰电流的相对标准偏差为1.68%,说明分子印迹修饰电极有比较好的重现性;分子印迹修饰电极在实验室存储30 d后,使用最佳实验条件测定同一DNOP溶液,发现电极性能基本不变,表明修饰电极较好稳定性。

2.5 磁性石墨烯修饰印迹传感器应用于实际水样分析

为了研究修饰电极实用价值,测试了分子印迹传感器用于环境样品校园湖水中DNOP的检测。环境样品处理过程如下:先将水样离心,初步除去颗粒物,再用0.22 μm滤膜过滤,加入一定浓度的DNOP标准溶液获得所需检测液。循环伏安法扫描后,通过方程计算得到加标回收实验结果见表1,DNOP回收率为93.9%～105.2%,平行实验间的相对标准偏差(RSD)为1.8%～2.6%,均小于5%,说明本实验方法有较高的准确性。同时本检测方法绿色简便,无需有机溶剂前处理,减少试剂消耗、工作量和溶剂环境污染,该方法应用前景广泛。

表1 水样中DNOP的加标回收率(n=5)

3 结论

1)针对水环境中邻苯二甲酸酯的检测,开发磁性分子印迹电化学检测器,解决目前检测方法中样品选择性较差、吸附容量低、重复使用率低、溶剂量大、污染环境等缺点。

2)以DNOP为模板分子,多巴胺为聚合单体,采用电聚合技术将DNOP印迹至磁性石墨烯修饰电极表面,制备DNOP分子印迹电化学传感器。最佳条件扫描电位是0～0.5 V,以0.025 V/s速度扫描12圈。

3)电化学研究表明,在5×10-9～1×10-6mol/L浓度范围内,DNOP浓度与响应电流值之间呈现良好的线性关系。其线性方程为I(μA)=6.164 8+0.022 5c(nmol/L),相关系数R2=0.999 1,检出限为0.635 nmol/L(S/N=3)。最佳吸附时间12 min。

4)分子印迹传感器用于环境样品校园湖水中DNOP的检测,回收率为93.9%～105.2%,RSD为1.8%～2.6%,方法准确性高。