基于纸基印迹预富集的痕量镉电化学传感器*

杨洋春，胡敬芳，肖疏雨，宋 钰，李延生，高国伟

（1.北京信息科技大学自动化学院，北京 100192；2.北京信息科技大学传感器重点实验室，北京 100101；3.中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器联合国家重点实验室，上海 200050）

0 引 言

重金属污染是水环境质量重要评价指标，由于水环境中重金属镉离子Cd（Ⅱ）具有难降解性、生物毒性和持久性等特点，水质重金属Cd（Ⅱ）检测具有迫切需求。目前，用于水质重金属Cd（Ⅱ）的检测方法主要有光谱法［1］、比色法［2］和电化学法［3］等。光谱法具有高灵敏度和高准确性，但分析检测仪器价格高昂、体积庞大，需要专人操作，不适用于实时分析检测。比色法操作简单，但现场检测会受到光线影响引起主观误差，灵敏度和精度不高。与上述方法相比，电化学法以成分本身的电化学信号为基础，通过电信号和化学信号的转换，可以完成对被测物的定性和定量检测，具有检测快、携带方便和简单经济等优点，适用于现场快速分析检测［4］。在电化学传感器的应用实践中，对水质重金属离子的检测常常因共存组分的干扰及电极表面敏感识别元件本身灵敏度的限制而难以得到准确的结果，单纯改进和提高敏感识别元件，容易遇到瓶颈。为了达到水质重金属超痕量级检测，除了一方面在电极表面进行纳米或分子修饰，以增大电极比表面积、增强电极对某种重金属离子的吸附能力和电催化活性，从而提高电极检测灵敏度［5］，另一方面对待测重金属离子进行预富集，提高传感器的选择性，以达到传感器的检测下限，也是重要的研究方向之一［6］。

离子印迹技术（ion imprinting technology，IIT）是基于分子印迹技术（molecular imprinting technology，MIT）发展而来，以目标离子为制备模板，对其具有高选择性识别的功能，在分离和预富集重金属离子方面具有广阔前景。IIT通常以阴、阳离子作为模板，该目标离子模板与功能单体通过螯合作用以配位键的形式结合形成螯合物，在交联剂和引发剂的共同作用下发生聚合，形成刚性高分子聚合物，采用酸性试剂等方式将模板离子去除干净后，得到具有特定空间结构的离子印迹聚合物（ion-imprinted polymer，IIP）［7］。该IIP内部具有与目标模板离子互补的三维孔穴结构，可实现对目标离子的特异性吸附。滤纸的主要成分是纤维素，可裁剪折叠、体积小、造价低、易加工，常被用做分析诊断中的基底材料［8］。将IIT应用于纸基芯片上得到的纸基印迹复合材料将两者的优点有机结合，有效地实现了设备的集成化与微型化和对特定离子的高选择性识别等功能，是目前热门研究方向之一［9］。

本文采用丝网印刷技术制备纸基电极，并在其表面修饰石墨烯纳米材料；以Cd（Ⅱ）为模板，选取甲基丙烯酸（methacrylic acid，MAA）和聚乙烯亚胺（polyethylenimine，PEI）为功能单体，在多孔纸基表面原位制备了纸基Cd（Ⅱ）印迹聚合物（Cd（Ⅱ）-IIP＠paper），实现对水体中Cd（Ⅱ）的预富集。将方波阳极溶出伏安法（square wave anodic stripping voltammetry，SWASV）应用于Cd（Ⅱ）-IIP＠paper，构建了对Cd（Ⅱ）具有高选择性的电化学传感器，实现对水质重金属痕量Cd（Ⅱ）的快速检测。

1 实验与方法

1.1 主要仪器和试剂

仪器：电化学工作站（CHI660E，上海辰华仪器有限公司），超声清洗机（JP-010T，深圳洁联清洁有限公司），电子天平秤（FA1004，天马衡基仪器有限公司），移液枪，扫描电子显微镜（SIGM500，英国），双波长紫外灯（UVGL-25，美国），施乐喷蜡打印机（8870DN，日本），小型等离子清洗机（TS-PL02，深圳市东信高科自动化设备有限公司），恒温振荡器（BE-3200，其林贝尔），鼓风干燥箱（KTD-6000，坤天），打孔器，橡胶刮板。

试剂：氯化钾（KCl）、盐酸（HCl）、二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）均购买于国药集团化学试剂有限公司，4 g／L 氧化石墨烯（graphene oxide，GO）水溶液购买于福州益环碳素有限公司，MAA、乙二醇二甲基丙烯酸酯（ethylene glycol dimethacrylate，EGDMA）、醋酸镉（二水）（cadmiumacetate）购买于西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司，醋酸（acetic acid）、醋酸钠（sodium acetate）（三水）、乙醇、三氯丙基三甲氧基硅烷（3-chloropropyl trimethoxysilane）、偶氮二异丁腈（AIBN）、PEI、二乙基二硫代氨基甲酸钠三水合物（Sodium diethyldithiocarbamate trihydrate）、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）离子标准溶液购买于上海麦克林生化科技有限公司，Whatman 1＃滤纸购买于上海省惠商贸有限公司，碳油墨和银／氯化银油墨购买于广州市银标贸易有限公司。以上所有试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。

1.2 实验方法

1.2.1 制备纸基丝网印刷电极

1）设计电极图案

丝网印刷电极一般使用三电极系统，即工作电极（working electrode，WE）、参比电极（reference electrode，RE）和对电极（counter electrode，CE），设计示意如图1所示。

图1 丝网印刷电极示意

2）定制模板。按照图1定制200目丝网印刷模板。

3）制备疏水屏障。使用喷蜡打印机将设计好的图案打印在滤纸上，烘箱140 ℃加热60 s后蜡融化，形成疏水屏障。

4）WE与CE的印刷与固化。将上一步处理好的滤纸置于图1（a）模板下，取适量亲水碳油墨于模板上，橡胶刮板与模板夹角约为75°，用力向下印刷后再将油墨反方向回推。将印刷好的滤纸放入烘箱，120 ℃固化10 min。

5）将刮板和模板清洗干净，晾干。

6）RE的印刷与固化。将步骤（4）中的处理好的滤纸放入图1（b）模板下，调整位置使印刷后图案与图1（c）一致。使用银／氯化银油墨，采用步骤（4）中相同的方法进行印刷。印刷后在烘箱中120 ℃固化30 min。

图2展示了纸基电极的分层、完整组装示意与制备的实物。

图2 纸基电极组装

1.2.2 石墨烯修饰纸基电极

石墨烯具有高导电性和高比表面积等优点［10］，对电极进行修饰可以大幅提高其工作性能。采用循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）将石墨烯修饰到1.2.1 小节制备完成的纸基电极上。首先，配制2 g／L 的GO 溶液，其电解质为0.05 mol／L KCl；然后，使用移液枪将该修饰溶液滴涂至电极表面，使溶液均匀地覆盖电极，并利用CV法将GO还原在纸基电极表面。其中，电压扫描范围为-1.5 ～1 V，扫描速率为0.05 V／s，沉积时间为400 s。扫描结束后，用大量去离子水对电极进行清洗，晾干，从而制得还原氧化石墨烯修饰的丝网印刷碳电极（reduced graphene oxide screen printed carbon electrode，rGO／SPCE）。

1.2.3 制备Cd（Ⅱ）-IIP＠paper

将Whatman 1＃滤纸裁切为2 cm×8 cm尺寸的长方形条状，用等离子清洗机激活滤纸正反两面羟基（-OH）85 s。将处理过的滤纸条放入四氟塞耐压瓶中，其瓶盖用移液枪滴加5 μL三氯丙基三甲氧基硅烷，最后将耐压瓶置于80 ℃烘箱中6 h。处理结束后，用打孔器将滤纸条打孔成直径1 cm的圆形纸片；在室温下称量676 g二乙基二硫代氨基甲酸钠三水合物溶解在10 mL 乙醇中，将上一步的圆形纸片放入其中，使用恒温振荡器处理12 h，未反应的试剂用乙醇清洗干净。

将0.09 g PEI，25.4 μL MAA，0.053 g 醋酸镉和0.05 g AIBN放入5 mL DMSO溶液中，超声1 h，使其混合均匀；向混合溶液中加入377 μL EGDMA 后再次超声15 min，得到分散均匀的离子印迹制备液。将该制备液滴加到经处理的圆形滤纸片上，使用波长为254 nm的紫外灯连续照射12 h；照射结束后用乙醇和去离子水清洗滤纸片，随后将纸片放入0.1 mol／L的HCl溶液中洗脱模板Cd（Ⅱ），经自然干燥后得到Cd（Ⅱ）-IIP＠paper。为了进行对照，除不加醋酸镉外，上述操作与制备Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 完全相同，得到的非IIP称为NIP＠paper。

1.2.4 Cd（Ⅱ）的电化学检测步骤

添加待测溶液，使其流入Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 表面并均匀覆盖以预富集Cd（Ⅱ），10 min 后由去离子水洗掉多余溶液，然后再向Cd（Ⅱ）-IIP＠paper滴加0.1 mol／L HCl以洗脱模板，8 min 后使富集纯化后的Cd（Ⅱ）溶液流入rGO／SPCE＠paper进行电化学检测。其中电化学检测部分设置如下：电位阶跃为4 mV，频率为15 Hz，振幅为25 mV。

2 结果与讨论

2.1 表 征

2.1.1 蜡疏水屏障和石墨烯修饰电极形貌表征

疏水屏障是否成功制备可以通过蜡印前后滤纸的形貌变化来判断，如图3（a）、（b）所示。可以观察到，蜡印前滤纸的扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）图中纸纤维之间存在明显的孔隙，蜡印后孔隙大幅减少，纸纤维表面还附着了一层薄膜，可阻止液体的渗透，即形成了疏水屏障。通过SEM 分别观察纸基碳油墨WE 和石墨烯修饰纸基WE。由图3（c）可明显观察到大量分布均匀的石墨薄片，石墨薄片通过油墨中的小颗粒聚合物粘合固定。与裸WE 相比，由图3（d）可以观察到还原氧化石墨烯（rGO）的褶皱起伏的片层结构，石墨薄片在褶皱结构下依稀显露出来，表明rGO已成功修饰到WE表面，增加了电极的活性面积，提高了其电化学性能。

图3 SEM表征图

2.1.2 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper电化学表征

采用SWASV方法分别对Cd（Ⅱ）-IIP＠paper和NIP＠paper富集Cd（Ⅱ）的能力进行电化学测试。部分参数如下：富集电位取-1. 2 V，富集时间取120 s，电解质为0.1 mol／L 醋酸-醋酸钠缓冲溶液（pH ＝5.2），电位范围为-1.2 ～-0.4 V，结果如图4 所示。Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 的峰值电流响应远高于NIP＠paper，充分说明制备的Cd（Ⅱ）-IIP＠paper表面的印迹位点能够与Cd（Ⅱ）有效结合，从而高效富集和分离Cd（Ⅱ）。

图4 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper和NIP＠paper电化学性能表征

2.2 优 化

2.2.1 石墨烯沉积时间优化

图5比较了石墨烯沉积时间对峰值电流的影响。可以观察到，当沉积时间从200 s 增加到400 s 时，峰值电流增加，说明逐渐沉积在电极表面的石墨烯大幅提升了电极的电子转移速率，增强了电极的导电性；400 s 之后电流峰值开始下降，这是由于电极表面积有限，沉积时间过长致使修饰的石墨烯越来越厚，阻碍了电子的传输。因此，选取400 s为最优沉积时间。

图5 石墨烯修饰电极在不同沉积时间下的CV曲线

2.2.2 Cd（Ⅱ）预富集时间优化

预富集时间是指Cd（Ⅱ）-IIP＠paper对Cd（Ⅱ）溶液的吸附时间，若预富集时间太短，Cd（Ⅱ）只能部分与印迹位点结合，导致电极响应低。采用SWASV 方法测试最佳吸附富集时间，其中洗脱时间为8 min，实验结果如图6 所示。溶出峰值电流随吸附富集时间的增加而不断增加，当吸附富集时间大于10 min时，电流响应曲线逐渐平缓，为减少等待时间，选择10 min为后续Cd（Ⅱ）的最佳吸附富集时间。

图6 Cd（Ⅱ）预富集时间和洗脱时间优化

2.2.3 Cd（Ⅱ）洗脱时间优化

图6还记录了不同洗脱时间下峰值电流与洗脱时间的关系曲线。可以观察到，洗脱时间为8 min时电流响应最强。原因可能是随着时间增加，洗脱的Cd（Ⅱ）增多，电流强度增强；在8 min时，Cd（Ⅱ）恰好洗脱完全，之后电流响应趋于稳定。因此，选取8 min为最优洗脱时间。

2.3 线性标准曲线

在确定的优化检测条件下，通过SWASV 实验，分析了Cd（Ⅱ）-IIP＠paper电化学传感器对多个浓度Cd（Ⅱ）的电流响应，如图7 所示。由图可以明显观察到，Cd（Ⅱ）浓度在5 ～100 μg／L范围内时，电流响应强度随着浓度的增加而逐渐增加，表现出良好的线性关系。其中，线性拟合曲线为I＝0.117 7c＋8.616 8（I为氧化峰的峰值电流，c为Cd（Ⅱ）的浓度，R2＝0.992 1）。基于信噪比为3（S／N＝3），计算出检出限LOD ＝0. 91 μg／L，低于国内饮用水中Cd（Ⅱ）浓度限值（5 μg／L）。

图7 优化检测条件下的标准曲线

2.4 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper的重复性和稳定性

首先，对Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 的重复性进行测试，连续测量12次的相对标准偏差仅为3.64%，这说明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper具有良好的重复性；然后，对Cd（Ⅱ）-IIP＠paper进行稳定性测试，即同一个Cd（Ⅱ）-IIP＠paper在3天内电流响应变化情况，每次测量5 回取平均值，测试完成后在4 ℃环境中保存，结果如图8（a）所示。Cd（Ⅱ）-IIP＠paper的稳定性随天数的增加而逐渐少量下降，3天后电流响应下降了6.92%，这说明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper具有良好的稳定性。

图8 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper稳定性和传感器的选择性

2.5 传感器的选择性

图8 （b）记录了加入浓度为20 倍Cd（Ⅱ）浓度的干扰离子后，Cd（Ⅱ）-IIP＠paper-SPCE-μPAD 电化学传感器对Cd（Ⅱ）的选择性。通过对比仅含Cd（Ⅱ）不加干扰离子（Ⅰ）和加入干扰离子时溶液的电流响应（I0）发现，Cd（Ⅱ）的峰值电流波动在10%以内，表明制备的电化学传感器对Cd（Ⅱ）具有较高的选择性。

2.6 实际水样检测

表1给出了在北京市3个不同地方的实验样品中加入Cd（Ⅱ）并进行回收的实验结果。为确保准确性，实验前将3个水样送检，Cd（Ⅱ）检测结果均小于1 μg／L，远低于国内饮用水中Cd（Ⅱ）浓度限值5 μg／L。由表1可知，加标回收实验的回收率在94.0%～104.4%之间，RSD均低于10%，说明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper传感器在实际水样的检测中具有较好的检测能力，可用于高灵敏度检测复杂水样中的Cd（Ⅱ）浓度。

表1 实际水样Cd（Ⅱ）检测

3 结 论

本文采用IIT在纸上制备了Cd（Ⅱ）-IIP＠paper，该聚合物可对Cd（Ⅱ）进行预富集并对Cd（Ⅱ）具有特异性识别功能，再结合电化学法进行检测，确定的优化检测条件如下：石墨烯沉积时间400 s，预富集时间10 min，Cd（Ⅱ）洗脱时间8 min。优化后检测到Cd（Ⅱ）浓度在5 ～100 μg／L范围内时，其阳极溶出峰值电流与浓度存在明显的线性关系，灵敏度为0.1177 μA／（μg·L-1），最低检出限为0.91 μg／L，且表现出较好的稳定性和选择性。对实际水样进行加标回收实验，回收率在94.0%～104.4%之间，实现了对实际水样重金属Cd（Ⅱ）的定量检测。本文为现场快速检测水质痕量重金属Cd（Ⅱ）提供了新方向，具有较强的实用价值。