分子印跡電化學傳感器對苯醚菊酯的檢測

基金項目：國家自然基金資助項目（J1210040，21277042）；深圳市科技計劃資助項目（SY200806270046A）

作者簡介：吳朝陽（1971-），男，湖南新化人，湖南大學教授

摘要：應用熱引發的方法研制了苯醚菊酯的分子印跡電化學傳感器用循環伏安法對影響該傳感器制備的因素進行了優化，并對其性能進行了評價實驗表明：該傳感器具有比較高的靈敏度和選擇性，響應電流與苯醚菊酯的濃度在10～1000 μmol/L成良好的線性關系，線性系數R為0992 8，檢出限為20 × 10-7 mol/L將其應用于湘江水中苯醚菊酯的檢測，回收率在9562%～10319%之間

關鍵詞： 電化學傳感器；分子印跡； 苯醚菊酯

中圖分類號：O657.1文獻標識碼：A

苯醚菊酯是擬除蟲菊酯類農藥的一種，擬除蟲菊酯類農藥是一類常用的殺蟲殺螨劑許多學者通過對哺乳動物的慢性/亞慢性毒性試驗和長期接觸該藥的人群進行調查，研究表明擬除蟲菊酯類農藥是一種環境內分泌干擾物，能干擾性激素水平，具有擬雌激素活性和雄性生殖毒性[1-4]因此，建立快速準確檢測擬除蟲菊酯類農藥的方法十分必要傳統的檢測農藥的方法有氣相色譜法、高效液相色譜法、薄層色譜法以及各種光譜聯用技術這些方法大多儀器貴重、操作復雜、耗費時間長，給人們使用帶來不便電化學傳感器具有簡單、快速、靈敏、選擇性高等優點，近年來，采用電化學傳感器對環境污染物的檢測越來越受到學者們的關注[5-6]

分子印跡技術是指制備對某一特定分子 （模板分子或印跡分子） 具有高度選擇性和識別性的新技術[7-8]通過分子技術可獲得高度穩定的聚合物，即分子印跡聚合物，它的識別位點是根據待測分子的結構和官能團“量身定做”的，因此可以特異性識別待測分子[9-12]本文以苯醚菊酯為模板分子，甲基丙烯酸為功能單體，二者以氫鍵結合形成復合物，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，其將復合物以特定的空間構型固定下來形成分子印跡聚合物，偶氮二異丁腈為引發劑引發聚合，選用合適的洗脫溶劑將苯醚菊酯洗脫除去，留下的三維空穴可以特異性識別苯醚菊酯本實驗結合電化學傳感器和分子印跡技術的優點，使設計的傳感器具有快速、靈敏、低成本、選擇性好等優點，檢出限為20 × 10-7 mol/L同時該傳感器具有很好的穩定性和重現性，可以多次重復使用

1實驗部分

1.1儀器與試劑

CHI 900B電化學工作站 （上海辰華儀器有限公司）；三電極體系：洗脫掉模板分子的印跡電極為工作電極，飽和Hg2Cl2電極 （SCE） （上海越磁電子科技有限公司）為參比電極；鉑電極 （上海越磁電子科技有限公司） 為輔助電極

試劑：苯醚菊酯 （德國Dr Ehrenstorfer公司），甲基丙烯酸 （MAA），乙二醇二甲基丙烯酸脂 （EGDMA），偶氮二異丁腈 （ABIN），氯仿，甲醇，乙腈，乙醇，正己烷，丙酮，乙酸等，以上試劑均購自國藥集團化學試劑公司，均為分析純

1.2試劑除雜

甲基丙烯酸很容易聚合形成水溶性聚合物，用減壓蒸餾的方法進行提純，主要是除去其中的阻聚劑偶氮二異丁腈也需提純，先將其溶于45 ℃的乙醇中至飽和，然后室溫下冷卻結晶，再抽濾，最后干燥除去大部分雜質

1.3電極的處理

依次用粒徑為03 μm，005 μm的Al2O3粉末打磨處理金電極至光滑的鏡面，依次用超純水、乙醇、超純水各超聲3 min，取出電極，吸水紙擦干，放入現配的piranha （VH2O2∶VH2SO4=1∶3）溶液中浸泡清洗5 min

1.4印跡電極和非印跡電極的制備及模板分子的

洗脫

取模板分子苯醚菊酯001 mmol （33 μL）和功能單體MAA 004 mmol （34 μL），將其加入100 μL的乙腈中，室溫下放入搖床中震蕩4 h混勻，加入交聯劑EGDMA 7544 μL （04 mmol） 繼續震蕩混勻，再加入08 mg的引發劑ABIN，滴10 μL于金電極表面，然后放入60 ℃ 的恒溫槽中熱引發聚合12 h，制備好印跡電極非印跡電極的制備除不加模板分子外，其他步驟和印跡電極的制備步驟相同將制備好的印跡電極于混合溶劑（V丙酮∶V乙酸 =5∶1） 中浸泡9 h，至模板分子基本洗出

1.5模板分子的識別

將洗脫后的印跡電極浸入不同濃度的苯醚菊酯溶液 （溶劑為正己烷） 中5 min，取出后于2 mmol/L的混合鐵鹽 [由K3Fe（CN）6和K4Fe（CN）6組成] 中掃循環伏安曲線 （CV） 和差分脈沖伏安曲線 （DPV），以恒電位下Fe（CN）63-/4-的峰電流隨苯醚菊酯濃度的變化值作標準曲線最后用相同的方法對苯醚菊酯樣品進行檢測

2結果與討論

21印跡電極的驗證

分別將印跡電極、洗脫后的印跡電極置于2 mmol/L的混合鐵鹽中進行循環伏安掃描，得到圖1中曲線1和曲線2從圖中可看出：混合鐵鹽在印跡電極上的響應電流很小 （曲線1），這是由于電極表面覆蓋了一層不導電的聚合膜，而洗脫后的印跡電極的響應電流明顯增大 （曲線2），說明印跡電極中的印跡分子洗脫效果較好再將洗脫后的印跡電極于5 mmol/L 的苯醚菊酯溶液中重新印跡5 min，再次檢測電極的CV響應，結果如圖1中曲線3所示，發現電極的響應電流明顯減小 ，說明洗脫后的印跡電極對苯醚菊酯有較強的識別能力

2.2聚合溶劑的影響

聚合溶劑必須能溶解模板分子和功能單體，且盡量不影響模板分子和功能單體的穩定性合適的聚合溶劑使分子印跡聚合物有較好的柔韌性能，熱力學性能好的聚合溶劑有助于聚合物多孔結構的形成和比表面積的增大將不同的聚合溶劑制備的印跡電極洗脫模板分子后，于2 mmol/L混合鐵鹽中得到的循環伏安曲線見圖2當用甲苯作聚合溶劑時，循環伏安曲線2所示，發現洗脫后的印跡電極和裸電極的電流響應差不多，可能是甲苯作溶劑形成的聚合物結構過于疏松，洗脫時很容易破壞聚合物的結構；當用V氯仿∶V甲醇=4∶1 作聚合溶劑，循環伏安曲線如圖中的曲線3，洗脫后其響應電流很小，可能是用其作聚合溶劑，聚合物的結構過于致密，很難將模板分子洗出； 當用乙腈作聚合溶劑時，如曲線4所示，洗脫后電極響應電流比甲苯作溶劑時要小很多，但又比V氯仿∶V甲醇=4∶1 作溶劑要大很多，這說明乙腈作聚合溶劑既容易將模板分子洗出但又不影響聚合物的結構綜合考慮，本實驗選擇乙腈作為聚合溶劑

2.3聚合溫度的影響

制備分子印跡聚合物常用的引發方式有熱引發、光引發、電引發和輻射引發，本實驗選用熱引發方式圖3為不同聚合溫度制備的印跡電極的CV曲線，1，2和3分別為印跡電極、洗脫后重新識別5 mmol/L

苯醚菊酯的電極和洗脫后的印跡電極的電流響應曲線從圖3（a）中可以看出，當引發溫度為

50 ℃時，洗脫后的印跡電極的響應電流變化不大，重新識別苯醚菊酯后電流響應也沒變化，可能是引發溫度過低，聚合速率慢，使模板分子聚合過于緊密，使得模板分子很難洗出從圖3（b）可以看出引發溫度為60 ℃時，洗脫后的印跡電極響應電流明顯增大，說明模板分子得到了很好的洗脫，重新識別后響應電流明顯減小，說明印跡電極對模板分子有很好的識別性能圖3（c）的引發溫度為70 ℃，印跡電極本身的電流響應比較大，洗脫后電流響應有一定的增大，重新識別模板分子后電流響應減小較少，可能是引發溫度過高，聚合速率過快，導致聚合進去的模板分子的數量減少，洗脫后印跡位點的數目較少因此本實驗選擇的引發溫度為60 ℃

2.4洗脫液的選擇

實驗選用丙酮、乙腈、乙醇、氯仿、甲醇以及這些溶劑和乙酸按一定比例混合的混合溶液作為洗脫液，實驗表明選擇V丙酮∶V乙酸=5∶1的 混合液為洗脫溶液能達到比較好的洗脫效果

2.5重現性和穩定性

用同一印跡電極檢測10 × 10-5 mol/L的苯醚菊酯溶液4次，其RSD為321%，說明該印跡電極有良好的重現性將洗脫后的印跡電極放置3 d，7 d和15 d，然后再識別10 × 10-5 mol/L的苯醚菊酯，其RSD為395%，說明制備的印跡電極有比較好的穩定性

26印跡電極對不同濃度的苯醚菊酯的響應

將洗脫后的印跡電極識別不同濃度苯醚菊酯溶液 （溶劑為正己烷） ，然后掃差分脈沖伏安 （DPV） 曲線，記錄其電流變化趨勢，結果如圖4所示，由圖可發現，印跡電極的電流響應隨著苯醚菊酯濃度的增大而減小內插圖可以看出傳感器的響應電流Δi （洗脫后印跡電極的電流響應與識別苯醚菊酯后印跡電極的電流響應之差） 隨著苯醚菊酯濃度的增大而增大響應電流與苯醚菊酯的濃度在10 × 10-4～10 × 10-6 mol/L的范圍內成線性，其線性方程為Δi （μA）=0041 8×（μmol/L） +2270，相關系數為0992 8，檢測下限為20 × 10-7 mol/L

2.7 印跡電極的選擇性

為驗證印跡電極的選擇性，實驗選擇了一些和模板分子結構相近或者不同的有機物進行檢測，包括農藥聯苯菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯和馬拉硫磷定義Δf/Δi為選擇性系數K，其中Δf為洗脫后印跡電極的電流響應和印跡電極對濃度為10 × 10-5mol/L干擾物質的電流響應之差，Δi為洗脫后的印跡電極的電流響應和印跡電極對濃度為10 × 10-5 mol/L的苯醚菊酯的電流響應之差，結果見表1從表中可以看出，馬拉硫磷對苯醚菊酯檢測幾乎沒有干擾，和模板分子結構相似的其他3種農藥對苯醚菊酯有一定干擾，但干擾都比較小說明制備的印跡電極具有較好的選擇性

28樣品測定

取湘江水于燒杯中，用正己烷萃取，超聲振蕩5 min，靜置分層，分離，取上層液體取1 mL水樣加入15 mL 的離心管中，將洗脫掉模板分子的印跡電極置于其中5 min，在2 mmol/L的混合鐵鹽中掃DPV，發現響應電流變化不大，可能是其殘留低于傳感器的檢測限采用加標回收法驗證傳感器的準確性，一個樣品平行測定3次，測得結果如表2所示，回收率在9562%～10319%之間，說明傳感器具有較好的實際應用價值

3結論

采用熱引發聚合的方法制備了以農藥苯醚菊酯為模板的分子印跡電化學傳感器，實現了對農藥苯醚菊酯的高靈敏檢測實驗表明：該傳感器制備簡單，成本較低，可重復使用，選擇性較好，能達到快速靈敏的檢測農藥苯醚菊酯的目的，并有望用于實際樣品的檢測

參考文獻

[1]陳海燕， 王心如， 肖繼皋， 等有機磷與擬除蟲菊酯農藥的擬雌激素活性研究[J] 中華勞動衛生職業病雜志， 2001， 19（4）： 274-277

CHEN Haiyan， WANG Xinru， XIAO Jigao， et al Research on the estrogenicity and pyrethroid pesticides[J] Chinese Journal of Industrial Hygiene and Occupational Diseases， 2001， 19（4）： 274-277（In Chinese）

[2]PERRY M J， VENNERS S A， BARR D B， et al Environmental pyrethroid and organophosphorus insecticide exposures and sperm concentration[J] Reproductive Toxicology， 2007， 23（1）： 113-118

[3]姚克文， 王介東 擬除蟲菊酯類農藥的男（雄）性生殖毒性研究進展[J] 中華男科學雜志， 2008， 14（3）： 268-271

YAO Kewen， WANG Jiedong Progress in studies of the male reproductive toxicity of pyrethroid insecticides[J] National Journal of Andrology， 2008， 14（3）： 268-271 （In Chinese）

[4]GO V， GAREY J， WOLFF M S， et al Estrogenic potential certain pyrethroid compounds in the MCF-7 human breast carcinoma cell line[J] Environmental Health Perspectives， 1999， 107（3）： 173-177

[5]SCHNING M J， KRAUSE R， BLOKE K， et al A dual amperometric potentiometric FIAbased biosensor for the distinctive detection of organophosphorus pesticides[J] Sensors and Actuators B， 2003， 95（1-3）， 291-296

[6]閔紅， 曲云鶴， 李曉華， 等 Au摻雜 Fe3O4 納米粒子酶傳感器的制備及其應用于有機磷農藥檢測的研究[J] 化學學報， 2007， 5（20）： 2303-2308

MIN Hong， QU Yunhen， LI Xiaohua， et al Audoped Fe3O4 nanoparticle immobilized acetylcholinesterase sensor for the detection of organophosphorus pesticide[J] Acta Chimica Sinica， 2007， 5（20）： 2303-2308（In Chinese）

[7]MAYES A G， WHITCOMBE M J Synthetic strategies for the generation of molecularly imprinted organic polymers[J] Advanced Drug Delivery Reviews， 2005， 57（12）： 1742-1778

[8]PRIEGOCAPOTE F， YE L， SHAKIL S， et al Monoclonal behavior of molecularly imprinted polymer nanoparticles in capillary electrochromatography[J] Analytical Chemistry， 2008， 80（8）： 2881-2887

[9]LI S H， WANG J， ZHAO M P Cupric ion enhanced molecular imprinting of bovine serum albumin in hydrogel[J] Journal of Separation Science， 2009， 32（19）： 3359-3363

[10]ZHU X L， CAI J B， YANG J， et al Films coated with molecular imprinted polymers for the selective stir bar sorption extraction of monocrotophos[J] Journal of Chromatography A， 2006， 1131（1-2）： 37-44

[11]ZHANG Y， LIU R J， HU Y L， et al Microwave heating in preparation of magnetic molecularly imprinted polymer beads for trace triazines analysis in complicated samples[J] Analytical Chemistry， 2009， 81（3）： 967-976

[12]YAO J H， LI X， QIN W Computational design and synthesis of molecular imprinted polymers with high selectivity for removal of aniline from contaminated water[J] Analytica Chimica Acta， 2008， 610（2）： 282-288