草甘膦分子印跡電化學電極制備及其性能研究*

練惠琳，李雨欣，周圓圓，田雯欣，許禎毅

(武夷學院茶與食品學院，福建 武夷山 354300)

草甘膦，又稱為農達，是一種內吸傳導型廣譜滅生性除草劑，雖然已被國際癌癥研究機構列為“可能對人類有致癌作用”的物質[1]，但因其除草效果好、成本低而被廣泛使用[2]。目前食品中草甘膦的檢測主要是用水進行提取，經陽離子交換柱凈化后進行濃縮和衍生化處理，最后采用液相色譜-串聯質譜儀或氣相色譜-質譜儀進行檢測，但由于草甘膦的水溶性極強、易電離且易跟部分金屬離子絡合[3]，導致較難將其從樣品中提取出來。

分子印跡技術(molecular imprinted technique，MIT)被形象的認為可以用來制造識別“分子鑰匙”的“人工鎖”，它具有構效預定性、選擇性強和實用性廣等特點[4-5]，常被用于食品、環境等復雜樣品中殘量或微量物質的檢測。目前為止，以MIT技術與電化學理論相結合，可制備得到具有高度選擇性的分子印跡電極，已在敵草隆、綠麥隆、速滅威等農藥品種中得到應用[6-8]。

本文以吡咯為功能單體，草甘膦分子為模板，通過電化學聚合，在金電極表面合成草甘膦分子印跡膜，制備得到草甘膦分子印跡電極(工作電極)，再以鉑電極作為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極組成三電極系統，通過篩選電極制備關鍵參數和優化最佳實驗條件，優化得到快速檢測草甘膦殘留量的電化學方法。

1 實 驗

1.1 試劑與設備

草甘膦(C14050000，0.25 g/支)，德國Dr.Ehrenstorfer公司；吡咯(AR)、氧化鋁粉末，上海麥克林生化科技有限公司；鐵氰化鉀(AR)、亞鐵氰化鉀(AR)、氯化鉀(AR)，均為國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇(AR)，西隴科學股份有限公司；0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)，北京百奧萊博科技有限公司。

CHI660E電化學工作站，上海辰華儀器公司；KQ-30VD0E超聲波清洗儀，昆山市超聲儀器有限公司；HH-4水浴鍋，金壇市鴻科儀器廠；FA1004B分析電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司；PHS-3C pH計，上海雷磁有限公司；Milli-Q超純水系統，法國Millipore公司；金電極、鉑片電極、飽和甘汞電極，上海儀電科學儀器股份有限公司。

[Fe(CN)6]3-/4-溶液配制：稱取18.638 0 g氯化鉀、0.411 5 g鐵氰化鉀以、0.528 0 g亞鐵氰化鉀溶于250 mL超純水中進行混合。

1.2 分子印跡電極的制備

金電極的預處理過程分為物理打磨、化學清洗及電化學清洗順利進行[9]，具體為先將金電極依次用0.3、0.05 μm Al2O3粉拋光，再依次用無水乙醇和去離子水超聲清洗3 min，最后將金電極置于0.5 mol/L H2SO4溶液中，以0 V作為起始電位、1.2 V作為終止電位循環伏安掃描50圈進行電化學清洗。

將預處理后的金電極置于總量為5 mL，內含有0.1 mol/L吡咯、0.02 mol/L草甘膦的PBS溶液中，超聲5 min，在-1.0～1.0 V范圍內，以100 mV·s-1速率循環掃描10圈。然后再將金電極置于0.1 mol·L-1的NaOH溶液中，采用循環伏安法，在-1.2～1.2 V范圍內，以相同速率循環掃描30圈，在金電極表現形成過氧化聚吡咯[10]，從而將草甘膦從電極上洗脫下來，得到草甘膦分子印跡電極。

1.3 檢測方法

將草甘膦分子印跡電極作為工作電極、鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極組成三電極系統，將電極置于pH值為4的甲酸水溶液中，在-0.2～0.6 V范圍內在進行多次循環伏安掃描，直至曲線穩定。然后再將電極浸入含有草甘膦的樣品中，富集20 min后取出，用超純水反復沖洗后，再將電極置入0.01 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-溶液中，采用差分脈沖伏安法(DPV)進行電化學檢測，檢測參數是起始電壓為-0.2 V、終止電壓為0.6 V、掃描速度為50 mV·s-1。

2 結果與討論

2.1 電極制備體系的優化

2.1.1 草甘膦與吡咯比例的優化

模板分子與功能單體的比例不同將影響分子印跡電極的的識別性和吸附性能，比例太高和太低時，有效印跡位點數目均較少，不利于目標分子的響應。同時，比例低時復合印跡膜結構變得比較致密，不利于傳質[11]。試驗通過改變草甘膦與吡咯的摩爾濃度比(1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶9)制備得到不同的電極，并分別比較電極對體積為10 mL，濃度為100 ng/mL的草甘膦溶液的吸附響應效果。結果如圖1所示，當草甘膦與吡咯的摩爾比為1∶5 時，印跡電極對草甘膦的響應電流變化最大，這說明此時印跡電極形成了最多的有效識別位點，對草甘膦的吸附效果最好。因此，實驗選擇草甘膦與吡咯的最佳摩爾比為1∶5。

圖1 模板分子與功能單體的摩爾比對聚合效果的影響

2.1.2 電極掃描圈數的優化

在電化學反應中，電極掃描圈數直接影響電極的聚合情況，特別是分子印跡電極的制備過程中，改變掃描圈數會影響制備分子印跡電極的膜厚度[12]。將1.2方式實驗，分別將掃描圈數設為5、10、15、20、25，從峰電流變化情況考察電極的印跡情況。結果如圖2所示，當掃描圈數為5時，草甘膦印跡電極的峰電流響應值較小，這可能是因為掃描圈數少時，通過電極的電量少，使得電極表面形成了很薄的聚合膜[13]，使得電極在[Fe(CN)6]3-/4-溶液能夠結合的點位少，進而導致峰電流響應值較小。隨著掃描圈數增加，分子印跡電極的峰電流也增加，意味著分子印跡電極對草甘膦的吸附響應能力逐漸增強，當掃描圈數為15時，峰電流達到最大值，當繼續增加掃描圈數時，峰電流反而呈緩慢遞減趨勢，這可能是因為隨著掃描時間增長，導致分子印跡電極上的聚合膜變厚，阻礙了帶電草甘膦分子離子的傳遞[14]，使得峰電流下降。因此本試驗選擇掃描圈數為15作為制備分子印跡電極的最佳圈數。

圖2 電極掃描圈數對聚合效果的影響

2.2 實驗條件優化

2.2.1 檢測體系pH值的影響

由于草甘膦分子印跡電極只在含草甘膦的甲酸水溶液中檢測信號最高[11]，而且檢測體系的pH值會影響印跡電極的吸附效果，因此本實驗分別探究了檢測體系的pH值為3.0，4.0，5.0，6.0，7.0時(用10%甲酸調整pH值)，分子印跡電極的吸附情況。實驗結果如圖3所示，當體系的pH值為4.0時，印跡電極對草甘膦的吸附能力最大，隨著體系pH值增大，印跡電極對草甘膦的吸附能力減小。這是因為隨著溶液pH值的增加，溶液中草甘膦分子更容易帶上負電荷，這時帶負電荷的草甘膦分子離子容易與過氧化聚吡咯膜上帶負電的羰基或羧基產生靜電排斥，導致吸附能力減少[15]。因此，實驗選擇pH=4.0作為檢測草甘膦的最佳檢驗體系。

圖3 反應體系pH值對峰電流的影響

2.2.2 吸附時間的影響

采用DPV方法考察了洗脫模板后的分子印跡電極在10 mL 50 ng/mL的草甘膦溶液中，其峰電流隨時間的變化情況。結果顯示，隨著吸附時間的增長，分子印跡電極對草甘膦的吸附量也逐漸增加，當吸附時間達到20 min之后，分子印跡電極的峰電流保持不變。因此，本試驗選擇20 min作為檢測體系的最佳吸附時間。

2.3 方法的線性范圍與檢出限

采用DPV方法考察制備得到的分子印跡電極吸附不同濃度的草甘膦20 min后的峰電流變化趨勢(圖4)，草甘膦濃度在5～500 ng/mL范圍內與峰電流呈較良好的線性關系，線性方程為y=-0.104 3x+80.544 8，r2=0.985，定性檢出限(S/N=3)為0.5 ng/mL。

圖4 草甘膦標準品的線性方程

2.4 電極的精密度與穩定性研究

為了考察制備的分子印跡電極的重現性和穩定性，試驗在相同條件下制備得到5支草甘膦分子印跡電極，將這5支電極分別放置在體積為10 mL、濃度為50 ng/mL的草甘膦溶液中進行測定，測量得到5個電流響應值，計算相對標準偏差(RSD)為2.89%，表明該方法制備的分子印跡電極具有良好的精密度。分子印跡電極經洗脫可重復利用，因此將多次使用后的電極洗脫后置于超純水中常溫保存，分別在7、14、21、28天檢測印跡電極的穩定性，如果所示，在第7、14、21、28天時，印跡電極的響應值降至初始響應值的90.4%、87.8%、80.4%、75.7%，總體表明印跡電極的穩定性良好。

3 結 論

本試驗以吡咯為功能單體，草甘膦標準物質為模板分子，在金電極表面通過電化學聚合方法形成了聚吡咯多孔印跡膜，制備得到草甘膦分子印跡電極。試驗通過篩選電極制備關鍵參數和優化最佳實驗條件，優化得到快速檢測草甘膦殘留量的電化學方法。該電極制備方法簡單，操作方便快捷，對草甘膦分子具有較強重現性，而且穩定性好、檢測時間短。在一定的濃度范圍內(5～500 ng/mL)，草甘膦分子印跡電極的響應值與草甘膦濃度呈良好的線性關系，r2=0.985。根據3倍信噪比要求，計算得到該電極的定性檢出限為0.5 ng/mL，該研究可為下一步將草甘膦分子印跡電極用于茶葉中草甘膦殘留量的快速檢測提供依據。