分子印跡碳微球的制備及對(duì)偶氮染料選擇性吸附和高靈敏度檢測(cè)

喻 派， 李 響， 冉廷敏， 史玉琳

(石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003)

隨著印染行業(yè)的發(fā)展，大量含偶氮染料的廢水排放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重的水污染[1,2]。此類染料具有極好的水溶性，即使在非常低的濃度下也有著很高的顯色度，且一旦進(jìn)入人體，在人的正常代謝下會(huì)分解釋放芳香胺，引起人體病變和誘發(fā)癌癥。因此，在排放時(shí)監(jiān)測(cè)廢水中偶氮染料的含量是非常重要的[3]。目前，常見的染料檢測(cè)方法有很多，如液相色譜法[4]、熒光法[5]和分光光度法[6,7]等。但這些分析方法只能進(jìn)行檢測(cè)，且可能存在成本高、熒光材料猝滅和檢測(cè)靈敏度低等問題。因此，開發(fā)一種低成本、選擇性好、靈敏度高且能對(duì)目標(biāo)分子有一定富集能力的測(cè)定電極具有重要意義。為了解決這個(gè)問題，分子印跡聚合物(MIPs)被用來提高對(duì)污染物的傳感性能[8]。MIPs可以在電極表面積累模板分子，即構(gòu)建的電化學(xué)傳感器在檢測(cè)時(shí)遵循“門控效應(yīng)”，其在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)的是[Fe(CN)6]3-/4-探針溶液中的鐵氰根離子和亞鐵氰根離子，而非模板分子。模板分子在檢測(cè)過程中只起到了占據(jù)和釋放“門”的作用，因此，基于此理論構(gòu)建的傳感器具有良好的靈敏度和超低的檢測(cè)限[9,10]。

在本研究中，以蒸餾-沉淀法制備了K-2BP-MIPs，然后將其與導(dǎo)電性優(yōu)異的AlxFey-MOF共同修飾在鐵糊電極表面制備了分子印跡電化學(xué)傳感器，建立了一種能富集和快速檢測(cè)印染水體中痕量偶氮染料的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該K-2BP-MIPs有著較大的吸附容量，且由此制備的K-2BP-MIPs傳感器有著較低的檢測(cè)限和較高的選擇性。在工業(yè)印染廢水處理和檢測(cè)方面具有廣闊前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

電化學(xué)測(cè)量均在CHI 760E電化學(xué)工作站(上海晨華儀器有限公司)上進(jìn)行。三電極體系：固相萃取柱(SPE，外徑4 mm)作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，鉑絲(直徑0.5 mm，長(zhǎng)度34 mm)作為對(duì)電極。使用Eppendorf 5804R離心機(jī)處理水熱反應(yīng)后得到的碳微球。XFlash-SDD-5010掃描電子顯微鏡(德國(guó)，布魯克)；TecnaiG2F20S-Twin透射電子顯微鏡(美國(guó)，F(xiàn)EI)；D8 ADVANCE X射線衍射儀(德國(guó)，布魯克)；Thermo Escalab 250XI X射線光電子能譜儀(美國(guó)，賽默飛世爾科技)；MultiMode 8原子力顯微鏡(德國(guó)，布魯格)。

無水乙醇、活性艷紅K-2BP、甲基丙烯酸(MAA)、偶氮二異丁腈(AIBN)、二乙烯基苯(DVB)、乙腈以及十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)均購(gòu)自阿達(dá)瑪斯試劑(上海)有限公司。所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)中所有溶液都用去離子水制備，并經(jīng)SY-360超聲波清洗器(上海寧尚超聲波儀器有限公司)超聲處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 K-2BP印跡聚合物(K-2BP-MIP)的制備將4.0 g的纖維素溶于80 mL去離子水，然后加入0.5 g CTAB，超聲30 min后在反應(yīng)釜中加熱至200 ℃，保溫10 h，離心干燥得到纖維素碳微球。將2.0 g的纖維素碳微球加入至80 mL甲苯中，超聲分散20 min，室溫下磁力攪拌1 h。然后在含有纖維素碳微球的溶液中逐滴加入6.5 mL的正硅酸乙酯(TEOS)，110 ℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在磁力攪拌下持續(xù)回流12 h，離心干燥得到棕黑色改性纖維素碳微球粒子。

取模板分子K-2BP(3.0×10-3mol，2.42 g)，功能單體MAA(0.65 mL)，交聯(lián)劑DVB(9.5 mL)，引發(fā)劑AIBN(0.22 g)溶于40 mL 乙腈中，超聲10 min 確?；旌暇鶆?，取改性的纖維素碳微球1.0 g置于三口燒瓶中，倒入預(yù)聚合液，加入乙腈40 mL，通氮?dú)? min后以120 r·min-1的速度攪拌并加熱，在30 min內(nèi)加熱至乙腈沸點(diǎn)(89 ℃)并收集蒸出的溶劑，控制溫度，以1.5～2 h內(nèi)蒸出40 mL乙腈為反應(yīng)終點(diǎn)。使用索氏萃取法，用甲醇-冰HAc(9∶1，V/V)作為洗脫液來去除模板分子。

非印跡聚合物(NIPs)的制備方法與印跡聚合物(MIPs)相似，不同之處在于不添加模板。

1.2.2 AlxFey-MOF的合成將3.75 g的Al(NO3)3·9H2O、1.62 g的FeCl3·6H2O、10.8 mg對(duì)苯醌和16.6 mg對(duì)苯二甲酸加入60 mL去離子水中，常溫下攪拌12 h，將得到的產(chǎn)物離心，并用乙醇和去離子水分別洗滌3遍，60 ℃真空干燥過夜，得到AlxFey-MOF。

1.3 分子印跡電化學(xué)傳感器的制備

將0.08 g K-2BP-MIP，0.24 g碳化的氮摻雜鐵納米粒子及0.1 mL石蠟油充分均化。將混合物裝入內(nèi)徑為3 mm的SPE萃取小柱中壓實(shí)并與銅棒接觸，所得電極標(biāo)記為K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE。使用相同的方法制備NIPs/FPE和非摻雜的AlxFey-MOF/FPE進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。在使用之前，將這些鐵糊電極在潔凈的稱量紙上拋光以獲得光滑的表面。然后在0.5 mol·L-1NaOH溶液中從-0.5 V至+1.3 V循環(huán)80次進(jìn)行活化。通過從電極管中推出一些糊劑，并在潔凈的稱量紙上打磨拋光來實(shí)現(xiàn)電極的再生。

1.4 電化學(xué)測(cè)量

將活化后的電極作為工作電極放置于三電極體系當(dāng)中。用循環(huán)伏安法在掃描速度為0.1 mV·s-1和-0.2～+0.6 V的電位范圍條件下對(duì)分子印跡聚合物與AlxFey-MOF的比例、孵育時(shí)間、掃描速度、pH值等實(shí)驗(yàn)條件，以及傳感器的傳感性能等進(jìn)行研究。在0.01 Hz到100 KHz的頻率范圍內(nèi)對(duì)K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE、NIP@AlxFey-MOF/FPE、AlxFey-MOF/FPE的電化學(xué)阻抗進(jìn)行分析研究。實(shí)驗(yàn)中所用到的探針溶液均為含有5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol·L-1KCl溶液。

1.5 吸附實(shí)驗(yàn)

在動(dòng)力學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)中，將0.02 g K-2BP-MIP分散在濃度為1.0×10-5mol·L-1的3.00 mL K-2BP溶液中，并在不同時(shí)間范圍(0.1～10 h)內(nèi)進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。對(duì)于等溫吸附，是將0.05 g K-2BP-MIP置于10.0 mL 不同濃度的K-2BP溶液中，隨后將其置于25 ℃的恒溫水浴振蕩器中12 h以確保聚合物和溶液充分接觸。將懸浮液離心5 min，通過紫外分光光度計(jì)測(cè)量上清液中K-2BP的濃度。根據(jù)分子印跡電化學(xué)傳感器對(duì)K-2BP的線性檢測(cè)部分得出的線性校正方程計(jì)算K-2BP與聚合物結(jié)合的平衡量Cp[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌、結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 SEM和TEM結(jié)果分析圖1是用掃描電鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)制備的纖維素碳微球、改性的纖維素碳微球、非印跡聚合物(NIPs)以及K-2BP-MIP的表面形貌表征圖。圖1(a)中顯示的是纖維素碳微球，其直徑約為0.8～1.1 μm，具有光滑的表面。對(duì)其改性之后，改性的纖維素碳微球的尺寸變化不大(圖1(b))，表明改性不會(huì)造成其結(jié)構(gòu)尺寸的變化。圖1(c)是以改性的纖維素碳球作為內(nèi)核，制備的不含模板分子的非印跡聚合物(NIPs)。相比改性的纖維素碳微球，其直徑略有增加，表明在改性碳球表面形成了一層很薄的不含模板分子的聚合膜[12]，所得NIPs(圖1(c))具有小得多的孔徑且其表面也相對(duì)比較光滑。圖1(d)是以纖維素衍生的碳微球?yàn)檩d體，用蒸餾-沉淀法制備的MIPs，從高倍放大的SEM圖像可以看出，在第二步聚合后表面存在許多納米級(jí)印跡位點(diǎn)，這些位點(diǎn)有利于吸附模板分子，從而提高材料的特異性識(shí)別[13]。圖1(e)和圖1(f)分別是纖維素碳微球和分子印跡聚合物的TEM圖，兩種微球除了在尺寸上有所差別，在結(jié)構(gòu)上都是非空心結(jié)構(gòu)，這也對(duì)上述SEM圖像進(jìn)行了印證。

圖1 纖維素碳微球(a)、改性后的纖維素碳微球(b)、非印跡聚合物微球(c)和分子印跡聚合物微球(d)的SEM圖；纖維素碳微球(e)和分子印跡聚合物微球(f)的TEM圖像Fig.1 SEM images of cellulose carbon microspheres(a),modified cellulose carbon microspheres(b),non-imprinted polymer microspheres(c),and molecularly imprinted polymer microspheres(d);TEM images of cellulose carbon microspheres(e) and molecularly imprinted polymer microspheres(f)

2.1.2 XPS、XRD和AFM分析如圖2(a)所示，纖維素碳微球X射線光電子能譜(XPS)圖中有明顯的C 1s和O 1s峰，但沒有明顯的N 1s峰，而在總譜的元素成分表中卻檢測(cè)出微量的N元素，這可能是由于在合成時(shí)加入的表面活性劑中的氮元素少量摻雜進(jìn)了纖維素碳微球。圖2(b)顯示的是譜圖中C 1s分峰示意圖。圖中所示4個(gè)峰，按照結(jié)合能由高到低依次為C=O，C-O，C=C，C-C。由于該纖維素碳微球是由水熱法制備的，其石墨化程度不高，其中的C大都以C-C的形式存在，所以C-C的峰值最高，峰面積最大。圖2(c)為O1s的分峰示意圖，其中只有C=O和C-O的峰，酯鍵和醚鍵的峰值很低，峰面積很小，故而纖維素碳微球中的O幾乎不以這兩種化學(xué)鍵的形式存在。圖2(d)是AlxFey-MOF的X射線衍射(XRD)圖譜，在衍射角為47.2°處的主峰為鐵氧化物的特征峰，該峰的晶面由(400)轉(zhuǎn)變?yōu)?220)可能是由于鋁摻雜和雙配體的配位作用引起的[14]。圖2(e)和圖2(f)所示分別為K-2BP-MIP和NIP的原子力顯微鏡(AFM)成像圖，插圖為3D圖像。從圖中可以得出K-2BP-MIP和NIPs的粗糙度分別為26.8 nm和17.9 nm，形成這種差異是因?yàn)镵-2BP-MIP的表面殘留大量K-2BP分子洗脫后留下的印跡位點(diǎn)，而NIPs的表面則沒有這些印跡位點(diǎn)，故而K-2BP-MIPs的表面要比NIP的表面粗糙，這也和SEM圖像的分析相互印證。

圖2 纖維素碳微球的XPS全譜(a)；C 1s(b)和O 1s(c)譜圖;AlxFey-MOF的XRD譜圖(d);K-2BP-MIP(e)和NIPs(f)的AFM圖像Fig.2 XPS spectra of cellulose carbon microspheres(a),C 1s(b) and O 1s(c);XRD pattern of AlxFey-MOF(d);AFM images of K-2BP-MIP(e) and NIPs(f)

2.2 K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/CPE的電化學(xué)性能

2.2.1 循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗研究圖3(a)是不同電極的循環(huán)伏安圖。由NaOH激活后，K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE和NIP/FPE的峰值電流均顯著增加，表明在每次拋光后激活是非常必要的，因?yàn)榇瞬僮鹘档土穗姌O的表面能[15]。與沒有摻雜K-2BP-MIP和NIPs的AlxFey-MOF/FPE相比，K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE和NIP/FPE的峰值電流降低，這是由于引入了弱導(dǎo)電性的K-2BP-MIP和NIPs。采用電化學(xué)阻抗圖譜的分析方法對(duì)不同材料修飾的電極的電化學(xué)阻抗值進(jìn)行考察。如圖3(b)所示為電極制備過程中的尼奎斯特曲線。高頻區(qū)的半圓直徑代表電子轉(zhuǎn)移電阻，低頻區(qū)的線性部分和溶液擴(kuò)散過程有關(guān)。在高頻區(qū)，裸K-2BP-MIP或NIPs的半圓直徑明顯大于CPE的半圓直徑，電子傳輸量增加，這是由于聚合物膜不導(dǎo)電，使得溶液和電極之間的電阻增加。然而，經(jīng)活化之后電極的阻抗值明顯減小，這與圖3(a)的CV圖相互驗(yàn)證。

圖3 活化前后K-2BP-MIP、NIP和AlxFey-MOF修飾工作電極的循環(huán)伏安曲線(a)和電化學(xué)阻抗圖譜(b)Fig.3 Cyclic voltammograms(a) and electrochemical impedance spectra(b) of K-2BP-MIP,NIPs and AlxFey-MOF modified working electrodes before and after activation

2.2.2 掃描速度對(duì)檢測(cè)性能的影響進(jìn)行了掃速對(duì)電化學(xué)行為影響的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)掃速范圍在10～200 mV·s-1之間時(shí)，氧化峰和還原峰電流值隨著掃速的增加而增加，且此時(shí)氧化峰和還原峰的峰值電流與掃速的算數(shù)平方根呈線性關(guān)系，說明發(fā)生在電極表面的電化學(xué)反應(yīng)屬于控制擴(kuò)散過程[16]。不同掃速下峰電流的線性校正曲線顯示氧化峰和還原峰的峰值電流分別與掃描速率的算數(shù)平方根之間的線性關(guān)系，線性方程分別為：I=0.7566v1/2-0.006(R2=0.999)和I=0.7143v1/2+0.0014(R2=0.999)。通常情況下，掃描速率越小，擴(kuò)散傳遞影響越小，峰值電位的正負(fù)偏移也越小，越能反映真實(shí)的氧化還原反應(yīng)，但是考慮到過小的掃描速率會(huì)使得峰值電流減小，導(dǎo)致孵育和洗脫后的峰值電流的差值也減小，從而削弱了傳感器的性能，故選擇100 mV·s-1為最佳掃描速率。

2.3 印跡聚合物對(duì)模板分子吸附性能研究

為了研究制備的分子印跡聚合物對(duì)模板分子K-2BP的吸附性能，進(jìn)行了一系列等溫吸附實(shí)驗(yàn)。如圖4(a)中靜態(tài)吸附等溫線所示，隨著K-2BP濃度從0.5 mmol·L-1增加到3 mmol·L-1，制備的MIPs與K-2BP的吸附容量增大且結(jié)合容量趨于定值，表明K-2BP-MIP吸附飽和，達(dá)到吸附平衡，此時(shí)K-2BP-MIP的最大結(jié)合容量為825.2 mg·g-1，表明所制備的表面印跡微球?qū)δ０宸肿覭-2BP具有極好的結(jié)合性能。

圖4(b)是吸附時(shí)間對(duì)染料吸附量的影響。由圖可見，隨著時(shí)間的增加，K-2BP-MIP對(duì)K-2BP的吸附容量先增大，后逐漸趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)镵-2BP-MIP立體孔穴分布深淺不一，在開始階段由于分子印跡聚合物微球外表面分布著大量印跡位點(diǎn)，因此其可以與模板分子快速結(jié)合。隨著外表面的印跡位點(diǎn)結(jié)合逐漸達(dá)到平衡，導(dǎo)致結(jié)合速率顯著下降，達(dá)到吸附平衡[17]。當(dāng)吸附時(shí)間為240 min時(shí)，分子印跡聚合物對(duì)K-2BP的吸附容量為881 mg·g-1，表明此時(shí)聚合物已經(jīng)基本達(dá)到吸附平衡。

圖4 K-2BP-MIP對(duì)于K-2BP的靜態(tài)吸附(a)和動(dòng)態(tài)吸附(b)平衡曲線圖Fig.4 Static adsorption(a) and dynamic adsorption(b) equilibrium curves of K-2BP-MIP for K-2BP

2.4 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.4.1 K-2BP-MIP含量對(duì)傳感器性能的影響分別以K-2BP-MIP∶AlxFey-MOF=1∶4,1∶3,1∶2,1∶1和2∶1的比例制備鐵糊電極，用于檢測(cè)一定濃度的K-2BP。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，隨著比例從1∶4升高至2∶1，K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE對(duì)K-2BP孵育和洗脫后的峰值電流差值先增加后減小，當(dāng)質(zhì)量比例為1∶3 時(shí)，電流響應(yīng)強(qiáng)度最大。因此，在后續(xù)研究中，以K-2BP-MIP與AlxFey-MOF的質(zhì)量比為1∶3來制備K-2BP/FPE。

2.4.2 溶液pH對(duì)檢測(cè)的影響采用循環(huán)伏安法測(cè)量pH值對(duì)K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE傳感器響應(yīng)值Ip的影響。如圖5(a)所示為不同pH值時(shí)，電極孵育和洗脫后的峰值電流相應(yīng)差值的折線圖，插圖為不同pH的K-2BP溶液孵育后的循環(huán)伏安曲線。可以看出，在pH=9.0時(shí)，電極在孵育和洗脫后的峰值電流相應(yīng)差值最大，而工業(yè)印染廢水排放時(shí)的pH值也大約為9.0。故而pH=9.0為K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE的最優(yōu)pH值。

2.4.3 孵育時(shí)間對(duì)檢測(cè)的影響如圖5(b)所示，在5～11 min范圍內(nèi)K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE的電流響應(yīng)差值隨孵育時(shí)間的增大而增大，在11 min后峰值電流不再出現(xiàn)明顯的上升，說明反應(yīng)已經(jīng)基本完成。因此，選取11 min作為最佳孵育時(shí)間。

圖5 溶液pH(a)及孵育時(shí)間(b)對(duì)K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE電極檢測(cè)性能的影響Fig.5 Effect of solution pH (a) and incubation time (b) on the detection performance of K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE electrode

2.5 傳感器對(duì)K-2BP的線性檢測(cè)

在得到的上述最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE用于不同濃度的K-2BP溶液檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示。氧化峰的峰值電流響應(yīng)與K-2BP的濃度的以自然底數(shù)所取的對(duì)數(shù)值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性范圍為1.0×10-11～5.0×10-7mol·L-1，所對(duì)應(yīng)的線性方程為：ΔI(μA)=1.79 lnc-14.92(R2=0.9963)，檢測(cè)限(S/N=3)是3.3×10-12mol/L。

圖6 K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE在不同濃度的K-2BP溶液中孵育11 min后的循環(huán)伏安曲線(插圖為線性校正曲線)Fig.6 Cyclic voltammograms of K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE after incubation for 11 min in different concentrations of K-2BP solution(The inset shows the linear correction curve)

2.6 選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性研究

為了評(píng)價(jià)K-2BP-MIP對(duì)K-2BP的選擇性，使用活性艷紅的結(jié)構(gòu)類似物，包括亞甲基藍(lán)、甲基紅和活性黑五進(jìn)行了選擇性檢測(cè)研究，結(jié)果如圖7所示。由圖可見，K-2BP-MIP對(duì)活性艷紅K-2BP的氧化峰值電流響應(yīng)的差值分別為對(duì)甲基紅、活性黑五和亞甲基藍(lán)的2.83、2.79和2.41倍。而NIPs對(duì)于這4種染料的洗脫和孵育后的陽(yáng)極峰值電流響應(yīng)的差值沒有明顯的差別，證明NIP對(duì)于K-2BP沒有特異性識(shí)別的能力。此外，本文進(jìn)一步研究了傳感器對(duì)K-2BP檢測(cè)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。對(duì)所制備的傳感器進(jìn)行了連續(xù)20天的檢測(cè)，K-2BP保持10-7mol·L-1的低濃度。在此期間，傳感器在室溫下儲(chǔ)存，得到的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.7%，表明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。我們制備了3根相同的K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE用來多次測(cè)定相同濃度的K-2BP(10-7mol·L-1)，3根電極3次重復(fù)測(cè)量的RSD分別為2.3%、3.7%和2.9%，表明該傳感器具有優(yōu)異的重現(xiàn)性。

圖7 K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE對(duì)于K-2BP和其他干擾染料的吸附性能比較Fig.7 Comparison of adsorption properties of K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE for K-2BP and other interfering dyes

2.7 與其他工作比較

通過與其他工作的比較，本課題的K-2BP-MIP@AlxFey-MOF/FPE電極對(duì)模板分子有著良好的線性范圍和更低的檢測(cè)限。

表1 與其他工作比較

3 結(jié)論

本文開發(fā)了一種基于K-2BP-MIP@AlxFey-MOF的分子印跡鐵糊電極的電化學(xué)傳感器，用于偶氮染料K-2BP的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的電極對(duì)K-2BP有著特異性識(shí)別能力。同時(shí)由于表面分子印跡微球在模板分子選擇方面的普適性，使得該策略可以非常輕易地?cái)U(kuò)展到其他類型的分析物。所構(gòu)建的傳感器系統(tǒng)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全甚至藥物殘留物測(cè)定等領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。