磁性石墨烯修飾鄰苯二甲酸二正辛酯電化學傳感器的制備

沈樂逸,王明石,武才歡,吳萬成,李巍巍

(杭州職業技術學院 生態健康學院,浙江 杭州 310018)

鄰苯二甲酸酯(Phthalate Esters,PAEs)是一類人工合成的有機化合物,包括鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)等。其中DNOP是最重要的品種,常作為增塑劑和軟化劑應用于塑料工業,進而遷移進入環境中。該類物質會干擾神經和內分泌系統的正常調節,導致心血管、肝臟和內分泌等疾病,危害人體健康。為此環境及食品中鄰苯二甲酸酯含量的檢測對保障生命健康至關重要[1]。

鄰苯二甲酸酯常用的檢測方法有分光光度法(UV)、高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、氣/質聯用(GC/MS)、電化學分析法和新起的快速檢測法如熒光、膠體金顯色、化學發光和增強拉曼光譜法。傳統分析方法普遍存在樣品預處理繁瑣、需使用標準物質、檢測時間長和操作不便等缺點。因此建立一種快速、靈敏、簡單地對環境中鄰苯二甲酸酯的檢測方法研究具有重要意義[2-3]。

分子印跡聚合物(Molecular Imprinted Polymers,MIPs)是一類新穎的樣品富集材料。通常采用模板分子(Template Molecular)和功能單體(Functional Monomer)通過共價、非共價鍵相互作用,形成某種特定類型配合物;然后聚合反應得到聚合物,再用適當的溶劑將模板分子洗脫。所得聚合物結合特異性的結構點位,對模板分子的結構空間、分子大小、官能團等具有記憶能力,這樣就可以根據模板預定的分子或離子選擇性和高度識別性進行特定分子或離子的識別。該技術已廣泛應用于分子或離子的分離萃取、分析色譜和電化學分析等領域,發展趨勢良好[4-5]。

分子印跡電化學傳感器將分子印跡技術與傳感技術結合,采用選擇性和識別性能高,實用性能強的分子印跡聚合物作為傳感器識別元件的敏感元件。該技術利用表面分子印跡,避免傳統MIPs存在的模板分子容易泄露的問題,有效降低干擾物等的影響,實現對目標分子的高效快速分析。

石墨烯是一種新材料,特點是具有特別大的比表面積、快的電子傳遞速度、高導電性和優良的生物相容性,已經在電化學和新材料等領域展現巨大的應用潛力。石墨烯片層之間存在較強的范德華力,容易團聚,造成石墨烯應用困難。常規石墨烯修飾電極的方法為表面涂載,該法修飾的石墨烯容易脫落,石墨烯層厚難控制度,影響傳感器的穩定性和重現性[6]。

Pan等[7]將磁性Fe3O4粒子與MIP進行結合,制備合成的磁性分子印跡聚合物,成功用于水樣中2,4-DCP的檢測。王雅群等[8]采用表面分子印跡技術合成對四環素類抗生素具有特異性吸附性能的Fe3O4@SiO2@MIP核殼型納米復合材料,經磁分離固相萃取-高效液相色譜(MSPE-HPLC)技術,同時測定樣品中3種四環素類抗生素的殘留。肖海梅等[9]以磁性氧化石墨烯/MIL-101(Cr)復合材料為載體,以Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)為模板,多巴胺為功能單體,采用表面印跡技術成功制備一種對Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)具有高選擇吸附性能的磁性離子印跡聚合物。吸附動力學表明該磁性離子印跡聚合物對模板離子具有較快的吸附速率。

龍芳等[10]以多巴胺為單體,通過電聚合方法在磁性石墨烯修飾碳電極表面研制一種對4-OP具有高靈敏和高選擇性的磁性印跡電化學傳感器,可應用于自來水、雨水和湖水等實際樣品中4-OP的檢測。于壯壯等[11]以四環素為模板分子,4-氨基苯硫酚(4-ATP)為功能單體,在金納米粒子和石墨烯量子點復合材料修飾的玻碳電極表面電聚合分子印跡膜,制備四環素(TC)分子印跡傳感器(MIPs/GQDs-AuNPs/GCE),該傳感器對四環素具有良好的電流響應。

本項目研究制備磁性Fe3O4納米粒子摻雜石墨烯復合物,利用表面分子印跡技術與石墨烯復合材料相結合,通過電聚合技術構建鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)分子印跡電化學傳感器,實現水環境中的DNOP快速響應及高選擇性、高靈敏檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

石墨粉、鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二正辛酯和鹽酸多巴胺購自阿拉丁試劑有限公司,所有試劑均為分析純,實驗用水為超純水。

V3型電化學工作站(美國普林斯頓公司);高效液相色譜儀(美國Agilent 1200);氣相色譜-質譜聯用儀(美國Agilent6890-5973);超純水機(美國Millipore Direct-Q3);紫外-可見分光光度計(日本島津UV-1800)。

1.2 磁性石墨烯制備

采用改良的Hummer’s法制備氧化石墨烯(GO),然后采用熱溶劑法制備磁性石墨烯復合物。將8 g石墨粉和4 g KNO3混合,緩慢加入到120 mL濃硫酸的燒杯中,冰水浴控溫,同時調節攪拌速度,均勻攪拌30 min。分批緩慢向濃硫酸加入12 g KMnO4,同時避免反應過于劇烈,始終讓體系完全處于冰水浴條件下,攪拌2 h。為了保證過程充分氧化,把上述燒杯放入40 ℃恒溫水浴鍋,保溫24 h。氧化結束,依次加入500 mL超純水和30 mL H2O2,攪拌均勻,放置4 h,超純水洗滌沉淀至中性,真空干燥制得GO。

氮氣保護下,在四口圓底燒瓶中,將氧化石墨烯(100 mg)、FeCl2(200 mg)和FeCl3(300 mg)溶于200 mL蒸餾水中。緩慢滴加1 mol/L NaOH溶液,溶液的pH值至大于12。然后將混合物置于水浴恒溫鍋中加熱至80 ℃,機械攪拌1 h。反應完畢,繼續通氮氣直至反應體系冷卻至室溫。將冷卻后的懸濁液倒入離心管中,10 000 r/min的離心機下離心10 min。得到的下層沉淀物即為磁性氧化石墨烯。

1.3 分子印跡電化學傳感器的制備

打磨拋光碳片,然后蒸餾水超聲清洗,干燥備用。使用電沉積技術,將電極插入磁性氧化石墨烯分散體系中,在0～0.5 V掃描電位,以0.025 V/s速度循環掃描直到穩定,得磁性石墨烯修飾電極。

將100 mg鄰苯二甲酸二正辛酯溶于30 mL乙醇中,加入5 mmol多巴胺,混合溶解。采用三電極體系,即采用Pt電極為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極,磁性石墨烯修飾電極為工作電極,利用多巴胺可自聚成膜且對基底極強的結合力,通過電聚合技術將DNOP直接印跡至磁性石墨烯修飾電極表面,制備DNOP分子印跡電化學傳感器。制備后的電極用乙腈∶乙酸溶液[V(乙腈)∶V(乙酸)=8∶2]浸泡30 min,去除模板分子。紫外光譜檢測無DNOP殘留。干燥即得磁性石墨烯修飾鄰苯二甲酸酯電化學傳感器。利用同樣方法,不加DNOP,制得非印跡磁性石墨烯修飾電化學傳感器。

1.4 電化學測試

使用V3型電化學工作站,采用三電極體系,將磁性石墨烯修飾鄰苯二甲酸酯電化學傳感器置于含有5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl的混合溶液中,進行循環伏安(CV)和電化學阻抗譜(EIS)測試(掃描電位為-0.2～0.8 V,掃描速率為0.05 V/s)。

2 結果與討論

2.1 不同掃描速率對DNOP電極制備的影響

將修飾電極插入5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl的混合溶液中,采用循環伏安法(掃描電位為-0.2～0.8 V,掃描速率分別為0.01,0.025,0.05,0.1,0.2和0.4 V/s)分別進行檢測,得到循環伏安曲線圖。研究發現隨著增加循環掃描的次數,響應峰電流逐漸下降。可以推測在電極制備過程中,DNOP模板分子被聚合物包裹并逐漸沉積在電極原位。并且隨著掃描次數的增加,電流減少到最后趨于穩定,說明DNOP模板分子已成功修飾至電極表面。研究表明,過快的掃描,會導致電極表面膜粗糙,形狀不規則。而較慢的掃描速度和較多的循環次數,結果造成膜過于致密。通過試驗得出最佳條件掃描電位是0～0.5 V,以0.025 V/s速度掃描12圈。這樣制得的DNOP電極穩定性高,膜層厚度均勻,形態良好。

2.2 吸附時間對傳感器響應的影響

不同的傳感器響應時間差異大,為此研究了吸附時間對傳感器的影響。將制備好的傳感器插入500 nmol/L DNOP溶液中,采用循環伏安法來檢測目標分子DNOP的電化學響應,每2 min記錄MIPs膜吸附DNOP前后對應氧化峰的電流變化(ΔI),并作出ΔI與對應DNOP濃度的關系曲線,結果如圖1所示。可以得出,在0～10 min內,響應電流逐漸增大,并在12 min后趨于穩定。因此DNOP分子印跡電化學傳感器最佳吸附時間是12 min。

2.3 電化學分子印跡膜選擇性

配制5～100 μmol/L濃度系列的DNOP及鄰苯二甲酸酯干擾物DMP、DEP、DBP溶液,采用高靈敏度的DPV法分別用修飾膜印跡電極進行樣品檢測。檢測液為5 mmol/L K3Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl,吸附時間為12 min。所得峰電流變化值與對應濃度關系如圖2所示。由圖2可知,分子印跡電化學傳感器對DNOP響應電流值明顯高于其他鄰苯二甲酸酯干擾物,而相似物DMP、DEP、DBP只具有微弱的電流響應。說明DNOP印跡膜電極空穴結構具有的識別位點,能夠與DNOP特異性吸附結合,從而表現出良好的選擇性。該電化學分子印跡膜和非印跡磁性石墨烯修飾電化學傳感器均表現對其他鄰苯二甲酸酯分子結合能力差,推測為物理吸附,這樣響應電流就較小。綜合表現電化學分子印跡膜對DNOP具有高度識別性。

圖2 電化學分子印跡膜選擇性

2.4 傳感器性能研究

使用差分脈沖伏安法,對10～1 000 nmol/L濃度系列的DNOP溶液,使用分子印跡修飾電極進行檢測。結果表明,隨著待測標準溶液中DNOP濃度的增加,分子印跡傳感器的DNOP響應電流值(ΔI)也隨之增大。其中,在5×10-9～1×10-6mol/L濃度范圍內,DNOP濃度與響應電流值之間呈現良好的線性關系,見圖3。其線性方程為I(μA)=6.164 8+0.022 5c(nmol/L),相關系數R2=0.999 1,檢出限為0.635 nmol/L(S/N=3)。與常規分光光度法、高效液相色譜等檢測方法相比,本實驗研制的印跡傳感器具有低檢出限和高靈敏度。原因在于磁性石墨烯修飾鄰苯二甲酸酯電化學傳感器協調作用,增加MIPs對印跡分子的特異性識別能力作用。

圖3 DNOP濃度與峰電流差線性方程

使用最佳實驗條件,用電化學傳感器連續重復測定同一DNOP溶液10次,其峰電流的相對標準偏差為1.68%,說明分子印跡修飾電極有比較好的重現性;分子印跡修飾電極在實驗室存儲30 d后,使用最佳實驗條件測定同一DNOP溶液,發現電極性能基本不變,表明修飾電極較好穩定性。

2.5 磁性石墨烯修飾印跡傳感器應用于實際水樣分析

為了研究修飾電極實用價值,測試了分子印跡傳感器用于環境樣品校園湖水中DNOP的檢測。環境樣品處理過程如下:先將水樣離心,初步除去顆粒物,再用0.22 μm濾膜過濾,加入一定濃度的DNOP標準溶液獲得所需檢測液。循環伏安法掃描后,通過方程計算得到加標回收實驗結果見表1,DNOP回收率為93.9%～105.2%,平行實驗間的相對標準偏差(RSD)為1.8%～2.6%,均小于5%,說明本實驗方法有較高的準確性。同時本檢測方法綠色簡便,無需有機溶劑前處理,減少試劑消耗、工作量和溶劑環境污染,該方法應用前景廣泛。

表1 水樣中DNOP的加標回收率(n=5)

3 結論

1)針對水環境中鄰苯二甲酸酯的檢測,開發磁性分子印跡電化學檢測器,解決目前檢測方法中樣品選擇性較差、吸附容量低、重復使用率低、溶劑量大、污染環境等缺點。

2)以DNOP為模板分子,多巴胺為聚合單體,采用電聚合技術將DNOP印跡至磁性石墨烯修飾電極表面,制備DNOP分子印跡電化學傳感器。最佳條件掃描電位是0～0.5 V,以0.025 V/s速度掃描12圈。

3)電化學研究表明,在5×10-9～1×10-6mol/L濃度范圍內,DNOP濃度與響應電流值之間呈現良好的線性關系。其線性方程為I(μA)=6.164 8+0.022 5c(nmol/L),相關系數R2=0.999 1,檢出限為0.635 nmol/L(S/N=3)。最佳吸附時間12 min。

4)分子印跡傳感器用于環境樣品校園湖水中DNOP的檢測,回收率為93.9%～105.2%,RSD為1.8%～2.6%,方法準確性高。