分子印跡電化學(xué)傳感器測定大氣中的羥基自由基

王彤彤 倪青青 黃志凌 高金龍 徐琴 胡效亞

摘 要 對羥基苯甲酸可以作為分子探針被羥基自由基（·OH）氧化，產(chǎn)生具有電化學(xué)活性的3，4-二羥基苯甲酸（3，4-DHBA）。根據(jù)此原理，本研究以吡咯為單體，3，4-二羥基苯甲酸為模板分子，在納米TiO2修飾的玻碳電極上電聚合制備分子印跡聚合物膜修飾電極（3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE），實現(xiàn)對·OH的間接測定。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和電化學(xué)方法對此傳感器進(jìn)行表征，優(yōu)化了電聚合圈數(shù)、電聚合體系pH值、洗脫時間、吸附時間等條件。在優(yōu)化條件下，標(biāo)準(zhǔn)物3，4-DHBA氧化峰電流大小與其濃度在1.0×108～1.0×10 6 mol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢出限為4.2×109 mol/L （S/N=3）。將傳感器用于大氣中·OH濃度的測定，結(jié)果良好，是一種低廉、便捷、新穎的檢測·OH的方法。

關(guān)鍵詞 分子印跡；傳感器；羥基自由基；3，4-二羥基苯甲酸；聚吡咯

1 引 言

羥基自由基（·OH）是氧化能力僅次于F2的非選擇性氧化劑，具有很高的電負(fù)性和親電性，且廣泛存在于大氣層、天然水體、生物體等環(huán)境中。·OH也被認(rèn)為是大氣中最重要的氧化劑，在光氧化循環(huán)中起著重要作用，控制著大氣的自氧化能力[1]。正常氣候條件下，·OH濃度可以反映大氣污染程度、氣候變化、大氣光化學(xué)反應(yīng)活動和PM2.5形成速率等[2]。因此，對大氣中的·OH濃度進(jìn)行測定非常必要。

過去20年中，電子自旋共振（ESR）光譜[5]、高效液相色譜法（HPLC）[6]、熒光光譜法[7]等被用于·OH檢測，化學(xué)電離質(zhì)譜（CIMS）[3]是已有技術(shù)中最靈敏的現(xiàn)場方法，激光誘導(dǎo)熒光（LIF）[4]適用于檢測氣相中·OH。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)技術(shù)不能滿足操作簡便、成本較低或高靈敏度的實際需求，很難簡單方便地應(yīng)用于大氣中·OH的研究。因此，亟需開發(fā)方便、低成本、靈敏的檢測·OH濃度的方法。

4-羥基苯甲酸（4-HBA）可以高效率捕獲·OH并產(chǎn)生單一產(chǎn)物3，4-二羥基苯甲酸（3，4-DHBA）[8，9]。區(qū)別于水楊酸，4-HBA和3，4-DHBA的電化學(xué)性質(zhì)完全不同[8]，利用對羥基苯甲酸做探針分子，采用電化學(xué)方法測定·OH時無需分離。對目標(biāo)分子具有特異性識別能力的分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIP） 在樣品的分離、富集和電化學(xué)傳感等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[10～12]。本研究以聚吡咯（PPy）為功能單體，3，4-DHBA為模板分子，制備了一種簡單、成本低廉的分子印跡電化學(xué)傳感器的方法用于測定3，4-DHBA， 并成功用于檢測天然大氣中·OH。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CHI660E電化學(xué)工作站（北京華科普天科技有限公司）； Zeiss Supra 55場發(fā)射掃描電鏡（德國Zeiss公司）。電化學(xué)測量采用三電極系統(tǒng)： 工作電極為玻碳電極（直徑3 mm），對電極為鉑電極，參比電極為Ag/AgCl電極。棕色多孔玻璃吸收瓶連接干燥塔，LZB-120轉(zhuǎn)子流量計和KB-120E空氣采樣泵（青島精誠儀器有限公司），構(gòu)成用于空氣采樣的大氣采樣器。

納米TiO2 （25nm， 親油親水型）、吡咯（AR）（阿拉丁試劑公司）；對羥基苯甲酸（4-HBA）與3，4-二羥基苯甲酸（3，4-DHBA）（上海源葉生物公司）。其它試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。PBS緩沖溶液使用Na2HPO4和NaH2PO4配制，并使用H3PO4調(diào)節(jié)pH值。

2.2.2 3，4-DHBA的測定 將制備好的3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE置于0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 3.5）中，向緩沖液中加入不同濃度的3，4-DHBA標(biāo)準(zhǔn)物，開路富集7 min。取出后放入不含3，4-DHBA的PBS（pH 2.0）中，用差分脈沖伏安法（DPV）進(jìn)行測定。

2.2.3 實際樣品檢測 采用溶液吸收法用于大氣中羥基自由基的采樣。每次大氣采樣時，向棕色多孔玻璃吸收瓶內(nèi)裝入7.5 mL 0.1 mmol/L 4-HBA溶液，然后將吸收瓶串聯(lián)到大氣采樣器上，空氣流速為80 L/min， 采樣時間為60 min。 采樣地點位于揚州大學(xué)瘦西湖校區(qū)（119°42′ E， 32°40′ N），距離街道約100 m；采樣時間為2017年11月。測量方法同上。

3 結(jié)果與討論

3.1 電聚合分子印跡膜的制備

圖 1 為3，4-DHBA存在下吡咯電聚合過程的 循環(huán)伏安（CV）曲線。聚合第1圈時，在0.55 V處出現(xiàn)吡咯的氧化峰；第2圈開始，氧化峰峰電流明顯降低；掃描5圈后，氧化峰電流幾乎為零，表明功能單體（吡咯）和模板分子（3，4-DHBA）在納米TiO2修飾玻碳電極表面的電化學(xué)聚合過程是單向不可逆的，隨著掃描的進(jìn)行，致密的聚合膜覆蓋在電極表面，阻斷了電子與電極的的傳輸，最終獲得3，4-DHBA的印跡膜。

3.2 傳感器的表征

3.2.1 傳感器的形貌表征 采用掃描電子顯微鏡（SEM）對不同修飾電極的表面進(jìn)行形貌表征，結(jié)果如圖2所示。納米TiO2修飾至電極表面（圖2A）時，在電極表面均勻分散，可以增大電極的有效面積。當(dāng)3，4-DHBA與聚吡咯共沉積至電極表面（圖2B）時，TiO2納米顆粒表面由于被印跡膜覆蓋尺徑增大，表明分子印跡膜被成功制備。圖2C是納米TiO2修飾電極電聚合NIP時的形貌，其SEM圖與MIP相比，顆粒較小，這可能是3，4-DHBA對吡咯的聚合有一定的影響。

3.3 實驗條件優(yōu)化

3.3.1 3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE傳感器制備條件 對在3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE傳感器制備過程中，吡咯和3，4-二羥基苯甲酸摩爾比、電聚合循環(huán)圈數(shù)、電聚合溶液的pH值和洗脫時間等因素進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程中，采用DPV研究傳感器的電化學(xué)性能。

配制吡咯和3，4-二羥基苯甲酸摩爾濃度比分別為 5∶1、4∶1、3.5∶1、3∶1、2∶1的電聚合流液， 其中3，4-DHBA的濃度均為1 mmol/L， 參照2.2.1節(jié)制備得到3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE，用DPV對同濃度3，4-DHBA進(jìn)行測定，得到峰電流IP。以摩爾比為橫坐標(biāo)，IP為縱坐標(biāo)作圖。由圖4A可知，IP值越大，說明分子印跡膜識別印跡的3，4-DHBA分子越多，最終得到Py和3，4-DHBA的最佳摩爾比為3.5∶1，濃度分別為3.5 和1.0 mmol/L。

使用含3.5 mmol/L吡咯、1.0 mmol/L 3，4-DHBA的電聚合溶液，調(diào)節(jié) pH值分別為3.0、4.0、5.0、6.0和7.0，制備3，4-DHBA-PPy/TiO2/GCE。圖4B是傳感器對同濃度3，4-DHBA溶液DPV響應(yīng)，聚合溶液的pH在 3.0～7.0變化過程中，IP先增大后減少，在pH 6.0時最大，說明此時印跡效果最佳。因此，選擇Py/3，4-DHB印跡溶液的最佳pH=6.0。

聚合膜厚度直接影響傳感器電化學(xué)響應(yīng)性能和效率，通過優(yōu)化電聚合掃描圈數(shù)可以調(diào)節(jié)印跡聚合物膜厚。由圖4C可知，當(dāng)聚合3圈時，形成的電聚合膜過薄，印跡上去的模板分子太少，影響了印跡效率；聚合圈數(shù)逐漸增加到5圈時，IP增大，識別效果明顯增大，形成了比較穩(wěn)定的帶特異性識別孔穴的電聚合膜；圈數(shù)增加到7圈，電聚合膜厚度增大，影響了電子的傳遞和模板分子的洗脫。因此，電聚合掃描圈數(shù)為5圈時可獲得最佳識別效果。

將制得的電聚合膜電極在0.2 mol/L Na2HPO4溶液中用正電位氧化法（1.3 V）洗脫模板分子，洗脫時間為5～50 min。由圖4D可知，隨著洗脫時間的延長，IP逐漸增大；洗脫40 min時，IP不再增加；繼續(xù)增加洗脫時間，IP反而略微下降，這可能是過長的洗脫時間對電聚合膜造成了損傷而引起的。選擇30 min為最佳洗脫時間。

4 結(jié) 論

基于分子印跡電化學(xué)傳感器，開發(fā)了一種新的檢測大氣中羥基自由基的電化學(xué)方法。本方法用于間接測定大氣中的·OH可以顯著降低檢測成本，無需分離過程，簡單方便，靈敏度高，選擇性好。

References

1 Lelieveld J， Butler T M， Crowley J N， Dillon T J， Fischer H， Ganzeveld L， Harder H， Lawrence M G， Martinez M， Taraborrelli D， Williams J. Nature， 2008， 452（7188）： 737-740

2 Heredia J B D， Torregrosa J， Dominguez J R， Peres J A. Chem. Res. Toxicol.， 2001， 14（10）： 1371-1377

3 Kang K S， Yokozawa T， Yamabe N， Kim H Y， Park J H. Biol. Pharm. Bull.， 2007， 30（5）： 917-921

4 REN Xin-Rong， SHAO Ke-Sheng， MIAO Guo-Fang， TANG Xiao-Yan. China Environmental Science， 2001， 21（2）： 115-118

任信榮， 邵可聲， 繆國芳， 唐孝炎. 中國環(huán)境科學(xué)， 2001， 21（2）： 115-118

5 Liu F， Du J， Song D， Xu M Y， Sun G P. Chem. Commun.， 2016， 52（25）： 4636-4639

6 Hornbrook R S， Crawford J H， Edwards G D， Goyea O， Mauldin Iii R L， Olson J S， Cantrell C A. Atmos. Meas. Tech.， 2011， 4（4）： 735-756

7 Winiberg F A F， Smith S C， Bejan I， Brumby C A， Ingham T， Malkin T L， Orr S C， Heard D E， Seakins P W. Atmos. Meas. Tech.， 2015， 8（2）： 523-540

8 Hu Y L， Lu Y， Zhou G J， Xia X H. Talanta， 2008， 74（4）： 760-765

9 Liu J， Jia L， Kan J， Jin C H. Food Chem. Toxicol.， 2013， 51： 310-316

10 Turco A， Corvaglia S， Mazzotta E. Biosens. Bioelectron.， 2015， 63： 240-247

11 Xie L， Guo J， Zhang Y， Hu Y， You Q， Shi S. Food Chem.， 2015， 178： 18-25

12 Ashley J， Shahbazi M A， Kant K， Chidambara V A， Wolff A， Bang D D， Sun Y. Biosens. Bioelectron.， 2017， 91： 606-615

13 Wang H M， Xu Q， Wang J， Du W， Liu F P， Hu X Y. Biosens. Bioelectron.， 2018， 100： 105-114

14 Gruz J， Novk O， Strnad M. Food Chem.， 2008， 111（3）： 789-794

15 Gonalves J， Silva C L， Castilho P C， Cmara J S. Microchem. J.， 2013， 106： 129-138

16 Dai X P， Wang D S， Li H， Chen Y Y， Gong Z C， Xiang H Y， Shi S Y， Chen X Q. J. Chromatogr. A， 2017， 1484： 7-13

17 Fukuji T S， Tonin F G and Tavares M F M. J. Pharm. Biomed. Anal.， 2010， 51（2）： 430-438

18 Cao J， Qi L W， Liu E H， Zhang W D， Li P. J. Pharm. Biomed. Anal.， 2009， 49（2）： 475-480

19 Ouyang J， Li Z Q， Zhang J， Wang C， Wang J， Xia X H， Zhou G J. Analyst， 2014， 139（13）： 3416

20 Heredia J B D， Torregrosa J， Dominguez J R， Peres J A. Chemosphere， 2001， 45（1）： 85-90

21 Gligorovski S， Strekowski R， Barbati S， Vione D. Chem. Rev.， 2015， 115（24）： 13051-13092

22 Naik V， Voulgarakis A， Fiore A M， Horowitz L W， Lamarque J F， Lin M， Prather M J， Young P J， Bergmann D， Cameron-Smith P J， Cionni I， Collins W J， Dalsren S B， Doherty R， Eyring V， Faluvegi G， Folberth G A， Josse B， Lee Y H， MacKenzie I A， Nagashima T， van Noije T P C， Plummer D A， Righi M， Rumbold S T， Skeie R， Shindell D T， Stevenson D S， Strode S， Sudo K， Szopa S， Zeng G. Atmos. Chem. Phys.， 2013， 13（10）： 5277-5298

Abstract p-Hydroxybenzoic acid can be oxidized by hydroxyl radicals （·OH） to produce electroactive 3，4-dihydroxybenzoic acid （3，4-DHBA）. Therefore， it can be used as a probe to detect ·OH. In this work， 3，4-DHBA/PPy/TiO2 molecularly imprinted polymer film was prepared for indirect determination of ·OH based on its recognition ability for 3，4-DHBA. The sensor was constructed by using pyrrole as the functional monomer and 3，4-DHBA as the template molecule. The sensor was characterized by scanning electron microscope and different electrochemical methods. The preparation and determination conditions， such as the electropolymerization cycle number， pH value in the electropolymerization process， and elution time， were optimized. Under the optimal conditions， a linear range of 1.0×108-1.0×10 6 mol/L was obtained for 3，4-DHBA and the detection limit was down to 4.2×10 9 mol/L （S/N=3）. This new approach was of low cost and convenience， and was successfully applied to measure the concentration of ·OH in the atmosphere.

Keywords Molecularly imprinted； Sensor； Hydroxyl radical； 3， 4-Dihydroxybenzoic acid； Polypyrrole

（Received 17 January 2018； accepted 23 April 2018）