三維氮摻雜石墨烯分子印跡傳感器在聯(lián)苯菊酯檢測中的應(yīng)用

白 靜, 朱 冰

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院,河南鄭州 450001)

聯(lián)苯菊酯(Bifenthrin)又叫蟲螨靈、天王星，它是一種新型的人工合成擬除蟲菊酯類殺蟲劑，雖然對土壤實際影響較小，但對人畜、魚蝦毒性較為明顯[1]。因此建立一種分析速度快、靈敏性好、選擇性強和分析檢測成本低的檢測方法意義重大。目前，聯(lián)苯菊酯類農(nóng)藥殘留量檢測的方法有氣相色譜法[2]、高效液相色譜法[3]、氣相色譜-質(zhì)譜法[4]、酶聯(lián)免疫法[5]、液相色譜-質(zhì)譜法[6]。氣相色譜有高靈敏度、特異性好、高回收率等的優(yōu)點，但分析時間長。高效液相色譜簡便、線性關(guān)系好，準確度較高，但前處理繁瑣。氣相色譜-質(zhì)譜法快速簡便且靈敏度高，但所需儀器設(shè)備昂貴。免疫分析具有靈敏、快速、準確、成本低等特點，但需要專業(yè)操作人員輔助才能完成分析檢測。電化學(xué)分析方法具有靈敏度高、響應(yīng)時間短、所需儀器設(shè)備簡單、檢出限低等優(yōu)點，本文擬在合成石墨烯基材料的基礎(chǔ)上構(gòu)建聯(lián)苯菊酯分子印跡電化學(xué)傳感器，從而建立一種檢出限低、靈敏度高、成本低的聯(lián)苯菊酯檢測方法。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

紫外-可見分光光度計(BlueStarB)，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS10)，美國賽默飛世爾科技公司；場發(fā)射掃描電鏡(FEIQuantaFEG250)，美國Thermofisher；X射線衍射儀(D8 Advance)，德國Bruker；電化學(xué)工作站(CHI660E)，上海辰華儀器有限公司。

聯(lián)苯菊酯(分析純)，上海源葉生物科技有限公司；石墨粉(325目)，青島華泰潤滑密封科技有限責任公司；氧化鋁拋光粉(1.0μm、0.05μm)，北京精科科儀科學(xué)儀器有限公司。其他所用試劑均為分析純。實驗用水為超純水。

1.2 聯(lián)苯菊酯分子印跡電化學(xué)傳感器的制備

1.2.1 三維氮摻雜石墨烯的制備首先采用改良后的Hummers法[7]制備氧化石墨烯(GO)。稱取0.2400 g已制備的GO加入120 mL的超純水，超聲1 h使其分散完全，再加入2.400 g的尿素，超聲1 h。將上述溶液轉(zhuǎn)移至圓底燒瓶，油浴加熱至180 ℃反應(yīng)12 h，待反應(yīng)完成后靜置分層，棄去上層液體，沉淀部分依次用乙醇抽濾清洗1次，再用超純水離心洗滌6次。將沉淀物質(zhì)放入超低溫冰箱冷凍48 h之后，真空冷凍干燥48 h，最終得到三維氮摻雜石墨烯(3DNGH)粉末，置于干燥器中備用。

1.2.2 聯(lián)苯菊酯分子印跡電化學(xué)傳感器的制備用10 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解10.00 mg的3DNGH，取5 μL該溶液滴涂于玻碳電極表面，并在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱晾干，即得到3DNGH/GCE。稱取鄰氨基苯酚0.0436 g溶于2 mL的0.5 mol/L高氯酸中，調(diào)至弱酸性后再加入2 mL的0.05 mol/L聯(lián)苯菊酯-乙腈溶液，超聲后用乙腈定容至10 mL，即得聯(lián)苯菊酯分子修飾電極聚合液。將3DNGH/GCE作為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，甘汞電極為參比電極浸入聚合液中，采用循環(huán)伏安法在-0.2～1.2 V電位范圍內(nèi)，以50 mV/s的掃描速度，聚合20圈后得到聯(lián)苯菊酯分子印跡電極(MIP/3DNGH/GCE)。將該電極放入0.5 mol/L硫酸-乙腈(1∶5，V/V)洗脫液中進行電位誘導(dǎo)洗脫模板分子，從而得到具有聯(lián)苯菊酯分子印跡的電化學(xué)傳感器。按上述步驟聚合液中不加聯(lián)苯菊酯聚合，即得非分子印跡電化學(xué)傳感器(NMIP/3DNGH/GCE)。

1.3 電化學(xué)檢測方法

采用差分脈沖伏安法(DPV)對聯(lián)苯菊酯進行檢測，測定條件為：電位范圍-0.1～0.6 V，電位增量0.004 V，振幅0.05 V，脈沖寬度0.05 s，采樣寬度0.0167 s。采用計時電流法(CA)進行電位誘導(dǎo)洗脫模板分子，測量參數(shù)為：初始電位-0.2 V，高電位1 V，低電位-0.2 V，階躍次數(shù)180，脈沖寬度2 s。將洗脫后的傳感器插入探針溶液中測量DPV峰電流(I0)，再將傳感器放入不同濃度的聯(lián)苯菊酯溶液中孵化6 min后，超純水沖洗干凈，再置于探針溶液中測量DPV峰電流(I1)，計算ΔI=I0-I1。同一傳感器在聯(lián)苯菊酯溶液中平行測定10次，檢測該傳感器對聯(lián)苯菊酯的響應(yīng)性能和穩(wěn)定性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 三維氮摻雜石墨烯材料的表征

2.1.1 掃描電鏡表征從圖1A可以看出，GO為平整的片層結(jié)構(gòu)，緊密堆疊在一起，表面呈現(xiàn)層狀、褶皺狀且有明顯明暗變化，這是由于在石墨氧化過程中加入了C-O-C、-COOH等官能團。圖1B顯示了3DNGH材料表面具有微納米級多孔褶皺結(jié)構(gòu)，孔壁是由石墨烯薄片堆積組成的，這是由于在還原劑尿素的作用下，無序分散的石墨烯薄片層結(jié)構(gòu)在水熱過程中發(fā)生了縮聚反應(yīng)，因此形成了三維網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)[8]。

圖1 GO(A)和3DNGH(B)的掃描電鏡(SEM)圖像Fig.1 SEM images of GO(a) and 3DNGH(b)

2.1.2 X射線衍射表征圖2為GO、3DNGH的X射線衍射(XRD)圖，GO在2θ=11°的位置出現(xiàn)了一個明顯的衍射峰，這與文獻值相對應(yīng)，證明了GO制備成功[9]。3DNGH分別在2θ為24.4°和43.7°處有較寬而強的特征峰，在水熱過程中，GO中的大量含氧官能團被消除還原，致使3DNGH的石墨烯層間距減小，說明N元素的成功摻入，進一步說明3DNGH成功合成。

圖2 GO和3DNGH的X射線衍射(XRD)圖譜Fig.2 XRD patterns of GO and 3DNGH

2.2 分子印跡電化學(xué)傳感器電化學(xué)特性

2.2.1 循環(huán)伏安法表征圖3為不同電極在同一探針溶液中的循環(huán)伏安曲線。3DNGH/GCE(曲線b)其氧化峰電流明顯高于裸GCE(曲線a)，這是由于3DNGH增大了裸電極的比表面積加快了電子傳遞速率，使電極表面導(dǎo)電性增強。分子印跡聚合后的循環(huán)伏安曲線為一條平滑的直線(曲線d)，電流很小且未出現(xiàn)氧化還原峰，表明電極在聚合之后表面形成致密不導(dǎo)電的聚合膜阻擋了電子傳遞，同樣曲線e為非分子印跡聚合后形成同樣的致密不導(dǎo)電的聚合膜。洗脫后的MIP/3DNGH/GCE(曲線c)電流明顯增大并且有氧化還原峰出現(xiàn)，這是由于分子印跡電極洗脫模板分子后留下一些帶有特異性吸附的“孔穴”，探針離子可以通過“孔穴”在電極中進行電子的傳遞，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)[10]。而NMIP/3DNGH/GCE洗脫前(曲線e)后(曲線f)電流信號值無變化，這是由于聚合物中沒有模版分子所致。

圖3 不同電極的循環(huán)伏安曲線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 交流阻抗法表征圖4為不同電極在同一探針溶液中的交流阻抗(EIS)譜圖，阻抗譜圖由半圓和斜線兩部分組成。斜線是低頻區(qū)受擴散控制的電化學(xué)過程形成的，圓弧是高頻區(qū)電子的轉(zhuǎn)移過程形成的，其中電極的阻抗(Rct)可以通過高頻區(qū)半圓的直徑來計算，直徑越大說明阻值越大。曲線b為3DNGH修飾電極表面后的阻抗曲線，與裸GCE(曲線a)相比阻抗大幅度減小，說明3DNGH具有很好的導(dǎo)電性能，增加電子轉(zhuǎn)移速度并且成功的修飾到GCE表面。當印跡膜在電極表面聚合后，溶液中電子傳遞主要受擴散控制影響，電子轉(zhuǎn)移影響較小。洗脫后MIP/3DNGH/GCE(曲線d)的電極阻抗值與聚合后MIP/3DNGH/GCE(曲線c)的阻抗值相比明顯降低，因為經(jīng)洗脫聯(lián)苯菊酯模板分子后表面有大量“孔穴”，為[Fe(CN)6]3-提供了向電極擴散的通道。實驗結(jié)果與上述循環(huán)伏安結(jié)果一致。

圖4 不同電極的電化學(xué)阻抗圖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 實驗條件的優(yōu)化

選擇在不同電位范圍內(nèi)進行電聚合制備傳感器，采用循環(huán)伏安法，對不同傳感器在探針溶液中的行為進行研究。在相同的聚合圈數(shù)下，不同電位范圍聚合成的聚合膜，經(jīng)相同的洗脫時間后測定結(jié)果不同，可知當選擇聚合電位在-0.2～1.2 V范圍時，聚合膜的穩(wěn)定性強且易洗脫，獲得了一對對稱的氧化還原峰且峰電流較大，這可能是由于在其他聚合電位下聚合不牢且洗脫后部分聚合膜易脫落所致。

將電極置于聚合液中，分別選取10、15、20、25和30圈進行電聚合，將制備的傳感器置于探針溶液中，采用上述1.3電化學(xué)檢測方法中的DPV參數(shù)檢測，觀察洗脫前后的電流值變化，隨聚合圈數(shù)的增加，電流信號值的變化，呈現(xiàn)先增后降的趨勢，這可能是由于聚合圈數(shù)少形成的膜薄不穩(wěn)定，聚合圈數(shù)多形成的膜過厚且不易將模版分子洗脫所致[11]，故最佳聚合圈數(shù)為20。

洗脫時間的長短直接影響電極表面印跡孔穴的數(shù)量，選擇不同時間進行洗脫，而后置于探針溶液中進行DPV測試。隨著洗脫時間的增加，響應(yīng)電流信號不斷增加最后趨于穩(wěn)定，這說明當洗脫500 s后，印跡膜中的模板分子已被洗脫完全，故最佳洗脫時間為500 s。

隨著電極表面修飾材料用量的增加，DPV響應(yīng)電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為3DNGH材料具有良好的增敏作用，能夠加速電子傳遞速度，但是滴加量過多時，易造成印跡電極表面孔穴堵塞，導(dǎo)致電子傳遞效率降低，電流響應(yīng)下降[12]，故5 μL為最佳3DNGH用量。

2.4 分子印跡傳感器識別性能

實驗選取與聯(lián)苯菊酯結(jié)構(gòu)類似的甲氰菊酯(Fenpropathrin)和溴氰菊酯(Deltamethrin)以及與聯(lián)苯菊酯結(jié)構(gòu)相差較大的敵草隆(Diuron)和噻蟲胺(Clothianidin)作為干擾物質(zhì)，考察傳感器的選擇性。將電極分別浸入相同濃度0.01 mmol/L的聯(lián)苯菊酯和干擾物質(zhì)溶液中相同時間，取出沖洗后觀察在探針溶液中的峰電流變化，采用DPV法進行表征，計算吸附前后相對電流的變化值(ΔI)。實驗結(jié)果顯示，傳感器吸附模板分子聯(lián)苯菊酯的ΔI值最大，平行測定3次結(jié)果相同，而對其相似結(jié)構(gòu)甲氰菊酯和溴氰菊酯的響應(yīng)很小，對于聯(lián)苯菊酯結(jié)構(gòu)相差較大的敵草隆和噻蟲胺電流最小，因此說明該傳感器對聯(lián)苯菊酯具有較高的特異性。

2.5 重現(xiàn)性及穩(wěn)定性

平行制備3支印跡電極，分別對相同濃度的聯(lián)苯菊酯標準溶液平行測定10次，檢測響應(yīng)信號的相對標準(RSD)分別為1.40%、1.98%、2.06%，表明電極的重復(fù)性良好。對該3支電極連續(xù)使用20次，檢測響應(yīng)信號分別降為最初值的87%、84%、89%，表明印跡電極在有效使用次數(shù)內(nèi)連續(xù)使用的穩(wěn)定性良好。

2.6 聯(lián)苯菊酯分子印跡傳感器標準曲線的確定

圖5 傳感器檢測不同濃度聯(lián)苯菊酯的DPV圖和標準曲線Fig.5 DPV and calibration curves of different concentrations of bifenthrin detected by the MIP sensorsa～g:5×10-11～5×10-5mol/L.

在最佳實驗條件下，測定不同濃度聯(lián)苯菊酯的DPV曲線，隨著聯(lián)苯菊酯濃度的增大，DPV曲線峰電流值在逐漸下降。這是由于模板分子濃度不斷增大，印跡電極上的識別孔穴被目標分子占據(jù)越多所致。以聯(lián)苯菊酯濃度的對數(shù)為橫坐標，DPV響應(yīng)電流變化值(ΔI)為縱坐標繪制標準曲線，此傳感器在5.0×10-5～5.0×10-11mol/L濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)(R2)為0.9951。檢出限(S/N=3)為3.83×10-11mol/L。線性回歸方程為：ΔI=3.2979logc+37.013。

2.7 回收率的測定

將市售的小青菜剪碎稱取10.00 g加入20 mL乙腈浸泡5 min、充分振蕩、超聲、離心分離沉降、取上層清液在最佳實驗條件下將上述樣品添加不同濃度，分別記做樣1、樣2、樣3，對三種樣液的提取液進行加標測定，將傳感器置于加標溶液中6 min，沖洗后再將電極置于探針溶液中采用DPV法進行測試3次，取平均值，測出洗脫后及浸泡后的電流差值，并計算回收率。結(jié)果如表1所示，樣品的平均回收率在86.44%～104.68%之間。

表1 聯(lián)苯菊酯在青菜樣品中的加標回收率(n=3)Table 1 Recovery of bifenthrin in vegetable samples(n=3)

3 結(jié)論

本文結(jié)合了分子印跡技術(shù)和電化學(xué)檢測技術(shù)，制備了可應(yīng)用于檢測實際樣品中聯(lián)苯菊酯殘留量的分子印跡電化學(xué)傳感器。方法的檢出限(S/N=3)為3.83×10-11mol/L，同時傳感器具有很好的加標回收率，其結(jié)果在86.44%～104.68%之間。