基于分子印迹膜的电流型传感器检测伏草隆残留

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  摘 要 以邻苯二胺为功能单体,伏草隆为模板分子,在金电极表面通过电聚合的方法制备对伏草隆具有特异识别能力的分子印迹膜,利用门效应原理对伏草隆进行测定。采用电化学手段对分子印迹膜进行表征,对试验条件进行优化并且考察传感器的抗干扰能力。结果发现:传感器对伏草隆具有很好的特异识别能力,在试验的最优条件下,伏草隆浓度在5×10-9~2×10-7 mol/L范围内与电流的响应信号呈良好的线性关系;方法的检出限达到1.7×10-9 mol/L。该传感器应用于实际样品的检测,加标回收率为103.0%~105.6%,结果令人满意。
  关键词 分子印迹;电流型传感器;门效应;伏草隆
  中图分类号 TP212 文献标识码 A
  An Amperometric Sensor Based on Molecularly Imprinted Membrane for Detecting Fluometuron Residual
  LI Shuhuai, WAN Yao, XU Zhi, YIN Guihao
  Analysis and Test Center, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Hainan Provincial key
  Laboratory of Quality and Safety for Tropical Fruits and Vegetables, Haikou, Hainan 571101
  Abstract A sensitive molecularly imprinted electrochemical sensor based on gate-controlled effect was prepared with o-phenylenediamine as functional monomer for the detection of fluometuron. The performance of molecularly imprinted polymer and the electrochemical behavior in molecular imprinted sensor were investigated, the assay conditions and interference factors were tested. The sensor exhibited good selectivity to fluometuron, the decrease of current intensities was linear to the concentrations of fluometuron under the optimal conditions. The detection range was 5×10-9 to 2×10-7 mol/L, with a detection limit of 1.7×10-9 mol/L. When the sensor was used in the determination of real samples, the recoveries could reach 103.0%-105.6%.
  Key words Molecularly imprinted;Amperometric sensor;Gate-controlled effect;Fluometuron
  doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.04.033
  伏草隆(fluometuron)是一类内吸选择性土壤处理使用除草剂,在农业生产上应用广泛[1]。有研究表明,该除草剂在水体、土壤和农作物中会产生较难降解的残留,并对人畜造成一定的危害。因此,有必要对伏草隆残留进行有效的监测。目前检测伏草隆的方法主要有酶联免疫法[2-3],高效液相色谱法及与其他技术的联用方法等[4-5],但是这些方法成本较高,分析较繁琐。因此,有必要寻找更加灵敏、简单、快速的检测伏草隆的新方法。
  分子印迹技术(molecularly imprinted technique,MIT),也被称为“分子烙印技术”,是一种新兴的分子识别分离技术,其核心是合成分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer,MIP)[6]。MIP具有与模板分子在结构相匹配的印迹孔穴,这些孔穴通过特异性结合位点能够选择性地与模板分子重新发生结合。由于MIP具有抗恶劣条件(如高温、高压,酸碱)的优势,因此被广泛作为电化学传感器的敏感材料,用于制备分子印迹电化学传感器[7-9]。常见的分子印迹电化学传感器[10-11]通常是根据所测物质自身在分子印迹膜修饰电极上的电化学行为来对其含量进行测定,因印迹孔穴数量有限,灵敏度的提高受到限制。此外,这些传感器在没有电活性的物质的检测中也受到了很大的限制。尽管有报道利用放大效应的传感器来间接测定非电活性物质[12-13],但是这些方法的分析过程繁琐,耗时较长,不利于推广使用。因此,更加简单的“门效应”技术得到更多的关注。所谓“门效应”是指分子印迹膜上的模板分子洗脱后,探针通过印迹膜上的孔穴,在电极表面发生电化学反应,从而产生电流响应,最终达到间接检测的目的[14-15]。结合“门效应”的分子印迹传感器具有方法简单,灵敏度高,选择好等优点,但是在检测伏草隆残留方面未见相关报道。
  本研究以邻苯二胺为功能单体,伏草隆为模板分子,在金电极表面利用电聚合方法制备得到性能稳定的伏草隆分子印迹传感器。通过洗脱模板分子后,得到保留有对伏草隆分子特异性识别的印迹孔穴。以模板分子的洗脱与重吸附作为控制铁氰化钾/亚铁氰化钾探针进入印迹孔穴的开关,根据抵达电极表面的探针分子的量的不同从而产生不同的电流响应,实现间接测定模板分子的含量。   1 材料与方法
  1.1 材料
  伏草隆、异丙隆、绿麦隆、异丙威和敌草隆标准品(>99.0%)均购自成都贝斯特化学有限公司,使用时用二次水配制成相应的浓度;邻苯二胺购自国药集团试剂有限公司;含0.5 mol/L氯化钾的3×10-4 mol/L铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液(K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]);试验用水为二次水。所有测定均在室温条件下(25 ℃)进行。
  1.2 方法
  1.2.1 分子印迹传感器的制备 金电极在使用之前,分别使用1.0、0.3、0.05 μm Al2O3粉末研磨,抛光电极表面,然后分别置于二次水、乙醇、50%的硝酸中超声清洗,晾干后备用。处理好的电极置于0.04 mol/L的醋酸缓冲液中(pH=5.0,含3×10-4 mol/L的邻苯二胺和1×10-4 mol/L的伏草隆),用循环伏安法进行电聚合。扫描范围为0~0.8 V,扫速选50 mV/s,扫描圈数为25圈。聚合完成后,用50%的乙酸溶液洗脱电极,除去模板分子,即得到保留有模板分子印迹孔穴的MIP修饰电极。同样的方法制备非分子印迹膜,只是在聚合的过程中不加入模板分子伏草隆。检测时,将修饰电极置于样品溶液中重吸附6 min,检测相应的电化学响应信号。试验过程如图1所示。
  1.2.2 检测方法 实验采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(AC)和差分脉冲伏安法(DPV)对分子印迹传感器进行表征和检测。CV的扫描范围为-0.2~0.6 V,扫描速率为0.1 V/s;AC频率范围是100 mHz~100 kHz,振幅为5 mV;DPV扫描范围为0.6~-0.2 V,振幅为50 mV。
  1.2.3 样品处理 准确吸取来自不同稻田的水样100 mL,静置过夜后,转移到分液漏斗中,加入5 g氯化钠,再分别使用50 mL和40 mL二氯甲烷萃取2次,提取液合并后经无水硫酸钠吸附过滤,滤液转移到平底烧瓶中,经40 ℃旋转蒸发浓缩近干,通氮气吹干,残留物用二次水定容至1 mL,备用。
  准确称取20 g蔬菜样品,绞碎混匀,分别加入5 g NaCl,20 mL丙酮溶液,10 mL二氯甲烷,经过高速匀浆后,滤液倒入分液漏斗中静置分层,上清液转移到烧杯中。于上清液加入5 g无水硫酸钠,震荡混匀后,静置15 min。过滤,滤液于35 ℃旋转蒸发浓缩近干。残留物用二次水定容至1 mL。
  2 结果与分析
  2.1 伏草隆分子印迹膜的电聚合过程
  邻苯二胺与伏草隆可以通过借助弱氢键结合,其在金电极表面的电聚合过程是不可逆的,如图2所示,邻苯二胺在金电极表面于0.5 V附近有明显的氧化峰而没有还原峰。随着聚合圈的增加,该氧化峰电流不断减小,这是由于致密的非导电的邻苯二胺和伏草隆不断地聚合覆盖在金电极表面,形成MIP,阻碍电子传递到电极表面。当聚合圈数达到25圈时,电流变得很小,这说明了MIP已经成功在电极表面形成。
  2.2 分子印迹膜的表征
  由于伏草隆不是电活性物质,在金电极上于-0.2 ~0.8 V范围内没有氧化还原峰,因此选择K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]作为探针,表征电极与底液之间的电流响应。
  MIP洗脱除去模板分子得到印迹孔穴可以作为电子传递的通道。这个通道的畅通和封堵会引起电极在K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]探针底液中的氧化还原峰电流的变化。如图3所示,当致密的非导电的MIP在金电极表面形成后,极大地阻碍了电子的传递,因此峰电流急剧变小(曲线a到曲线b)。而洗脱模板分子后,由于出现印迹孔穴为电子的传递提供通道,探针在电极上的响应电流重新变大(曲线c)。当洗脱后的传感器置于不同浓度的伏草隆中进行重吸附后,印迹孔穴被伏草隆重新占据封堵,电流再次减小。由于伏草隆的浓度不同,被封堵的孔穴数量不同,因此电流减小的量也不同(曲线d和曲线e)。而对于非分子印迹膜来说,由于没有模板分子存在,因此洗脱后不会出现印迹孔穴作为电子传递的通道,因此洗脱前后电流几乎不发生变化(曲线f到曲线g)。以上结果说明了MIP已经成功制备,并且可以对伏草隆产生响应。
  同样采用AC对电极表面的阻抗变化进行表征分析。如图4所示,当MIP在金电极表面形成后,由于MIP是致密和非导电的,因此电极表面的电阻极大的增加(曲线a到曲线b);而洗脱除去模板分子后,出现印迹孔穴为电子传递提供通道,从而利于电子的传递,使得电极表面的电阻重新降低(曲线c);当重新吸附模板分子后,印迹孔穴再次被封堵,电极表面电阻又再次增大,并且随着封堵的孔穴数量不同,电阻大小也不同(曲线d和曲线e)。以上结果同样说明MIP已经在电极表面成功制备。
  2.3 分子印迹膜聚合圈数的选择
  聚合圈数决定着MIP的厚度,从而影响传感器的性能。如果聚合圈数较少,得到的印迹膜会很薄而且不稳定;而如果聚合圈数较多,膜的就会较厚,印迹上去的模板分子容易被包埋,难以洗脱,同时也会影响传感器的电流响应信号。试验考察了不同圈数聚合MIP对传感器性能的影响,结果表明聚合圈数为25圈时,效果最佳。因此,选择25圈为电聚合MIP的圈数。
  2.4 洗脱时间的优化
  将模板分子从MIP上洗脱除去,制备得到保留有特异性识别孔穴的MIP所需要的时间称为洗脱时间。将聚合后的传感器浸泡于50%的乙酸溶液中,在搅拌的情况下进行洗脱。每隔2 min进行1次DPV检测,当洗脱进行6 min以后,电流响应达到最大,之后稳定不变。因此,选择6 min为最优洗脱时间。
  2.5 重吸附时间的优化
  伏草隆分子到达MIP重新占据印迹孔穴的时间称为重吸附时间。将洗脱模板分子后的传感器置于伏草隆中进行重吸附,每隔2 min进行1次DPV检测,随着伏草隆不断地被重吸附,越来越多的印迹孔穴被占据,电流响应值不断减小,直到6 min后达到最小,稳定不再变化。因此,选择6 min为最优重吸附时间。   2.6 工作曲线
  洗脱后的传感器分别置于不同浓度的伏草隆溶液中进行重吸附,然后在K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中进行DPV检测。如图5所示,随着伏草隆不断地重新吸附到MIP上,越来越多的印迹孔穴被封堵,氧化电流不断减小。电流的变化值△I与伏草隆溶液的浓度c在5×10-9~2×10-7 mol/L范围内呈良好的线性关系,线性方程为△I=1.31 c(10-9 mol/L)+ 23.0,相关系数r=0.998 6,方法的检出限为1.7×10-9 mol/L。
  2.7 传感器选择性试验
  选择性是考察传感器性能的重要指标,为了考察传感器的对伏草隆选择性识别的能力,分析与伏草隆分子结构相似的其他苯基脲类除草剂对传感器选择性的干扰。该试验是2×10-8 mol/L伏草隆分别与50倍浓度不同干扰物质混合后,进行重吸附试验检测DPV响应电流值。结果表明,50倍浓度的异丙隆、绿麦隆、异丙威、敌草隆对传感器DPV信号基本没有影响。这是由于MIP上的印迹孔穴具有特异识别伏草隆的结合位点,这些结合位点能够与伏草隆发生特异性识别作用,而其他的除草剂尽管结构上与伏草隆相似,但是并不能被结合位点识别。此外,常见阴离子和部分的金属离子对体系的DPV响应信号的影响较小,几乎可以忽略不计。说明该传感器对伏草隆具有良好的选择性识别能力。
  2.8 传感器的稳定性
  传感器在非实验时间保存于4 ℃冰箱中,不定期检测DPV响应信号表明,7 d后电流值基本无变化,15 d后电流值下降了约7.2%。表明该传感器具有良好的稳定性。
  2.9 样品检测
  按照试验方法,对样品进行检测同时进行加标回收试验。结果如表1所示,方法的回收率为93.0%~105.6%。
  3 讨论与结论
  本研究制备了一个基于门控制效应的分子印迹电流型传感器用于伏草隆残留的检测。试验中利用模板分子离开MIP时留下的孔穴,测量探针分子进入孔穴进行电极反应产生的电流,从而达到间接检测伏草隆的目的。在MIP的制备过程中采用循环伏安法聚合,该方法可以通过调控电荷量对膜的厚度进行选择。相对于其它制备MIP的方法,电化学法制备的聚合膜具有速度快、直接成膜等优点,同时MIP具有较大的刚性,目标分子的洗脱过程对印迹孔穴的构型影响较小,膜的重复性好。常见的分子印迹电化学传感器通常是直接检测目标分子的电流,往往由于物质本身电活性的影响,电流强度较小,灵敏度不高。而本研究提出的传感器由于K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]探针分子浓度高、电活性强,检测电流强度较高,从而进一步的提高方法的灵敏度。该方法应用于实际样品的检测,方法的检出限、回收率和精密度均优于相关文献报道[2,5]。因此,基于门控制效应的分子印迹传感器分析速度快,无需大型仪器,选择性好,响应迅速,检出限低,为农药残留和环境污染物的分析以及食品安全监测提供新的参考。
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