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西草净分子印迹电化学传感器的制备及应用

陈昱安 顾丽莉 师君丽 朱潇 李子怡 佟振浩 杜康 孔光辉

引用本文:
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西草净分子印迹电化学传感器的制备及应用

    作者简介: 陈昱安,男,研究方向为分离工程,E-mail:1714810721@qq.com.
    通讯作者: 顾丽莉, liligu001@163.com
  • 中图分类号: TQ450.699

Preparation and application of simetryn molecular imprinted electrochemical sensor

    Corresponding author: Lili GU, liligu001@163.com ;
  • CLC number: TQ450.699

  • 摘要: 为了解决大型检测仪器在检测过程中的局限性,利用分子印迹技术,以西草净为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体,采用原位引发聚合法,在玻碳电极表面进行热聚合成膜,制备出西草净分子印迹电化学传感器,并将其用于样品中西草净含量的检测。采用循环伏安法 (CV) 对印迹电极的电化学性能进行了测试,并使用超高效液相色谱-串联质谱法 (UPLC-MS/MS) 对测试结果进行验证。结果表明:在滴涂量为10 μL、60 ℃下热聚合制备出的西草净电化学传感器具有良好的选择性、重复性和稳定性,其线性范围为0.5~1 μmol/L(1) 和2~30 μmol/L(2),对应的线性关系分别为I1(μA) = −3.33c(μmol/L)+39.03,I2(μA) = −0.75c(μmol/L)+35.52,相关系数分别为r1 = 0.985,r2 = 0.997,检出限 (LOD) 分别为LOD1 = 0.13 μmol/L和LOD2 = 0.89 μmol/L。将所建立的西草净分子印迹电化学检测方法用于烟叶添加样品提取液中西草净的检测,该印迹电极能够在8 min内完成对烟叶添加样品提取液中西草净的吸附,回收率为76%~88%,相对标准偏差为2.7%~7.6%,该方法能够初步满足烟草中西草净快速检测的需求。
  • 图 1  分子印迹电化学传感器制备过程及检测原理图

    Figure 1.  Preparation and detection principle of molecularly imprinted electrochemical sensor

    图 2  不同SMT-MIP/GCE的循环伏安曲线图

    Figure 2.  The CV curves of different SMT-MIP/GCE

    图 3  SMT-MIP/GCE在不同洗脱液中的循环伏安曲线图

    Figure 3.  The CV curves of SMT-MIP/GCE in different eluents

    图 4  滴涂量与SMT-MIP/GCE峰电流值、洗脱效果和吸附效果的关系

    Figure 4.  The relationship between the dosage of polymerization solution with the peak current, the elution efficiency and the adsorption efficiency of SMT-MIP/GCE

    图 5  SMT-MIP/GCE的洗脱时间与峰电流值和SMT含量的关系

    Figure 5.  The relationship between the elution time with the peak current value and the SMT content for SMT-MIP/GCE

    图 6  SMT-MIP/GCE的吸附时间与峰电流值和SMT含量的关系

    Figure 6.  The relationship between the adsorption time with the peak current value and the SMT content for SMT-MIP/GCE

    图 7  SMT-MIP/GCE测定不同浓度西草净溶液的循环伏安曲线以及其峰电流值与SMT浓度的关系

    Figure 7.  The CV curves of standard solution determined and the relationship between peak current value with SMT concentration by SMT-MIP/GCE

    图 8  SMT-MIP/GCE在不同溶液中的循环伏安曲线图

    Figure 8.  The CV curve of SMT-MIP/GCE in different solutions

    图 9  印迹聚合物对6种三嗪类除草剂的吸附量

    Figure 9.  The adsorption capacity of SMT-MIP for 6 triazine herbicides

    表 1  超高效液相色谱分离的流动相梯度洗脱程序

    Table 1.  The separate condition of gradient elution program with UPLC

    时间
    Time/min
    流动相A
    Mobile phase A/%
    流动相B
    Mobile phase B/%
    09010
    52080
    62080
    6.59010
    79010
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    表 2  SMT-MIP/GCE对烟叶和纯水的添加回收率和相对标准偏差 (n = 3)

    Table 2.  Recoveries and RSD of SMT-MIP/GCE for tobacco and water(n = 3)

    样品
    Sample
    初始浓度
    Initial concentration(μmol/L)
    添加水平
    Spiked level
    (μmol/L)
    测定值
    Detection quantity (μmol/L)
    回收率
    Recovery/%
    相对标准偏差
    Relative standard deviation/%
    烟叶添加样品提取液
    Extract solution of SMT-tobacco
    0 10 8.33 83 4.2
    0 20 17.65 88 7.6
    0 30 22.89 76 2.7
    SMT水溶液
    Aqueous solution of SMT
    0 10 9.88 99 6.8
    0 20 19.93 100 1.2
    0 30 29.56 99 3.9
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    表 3  SMT分子印迹电极的重现性和使用寿命

    Table 3.  The reproducibility and service life of SMT-MIP/GCE

    测定项目
    The measured items
    峰电流值
    The peak current value/μA
    检测值/初
    始值
    Test value
    /initial value/%
    相对标
    准偏差
    RSD/%
    重现性 The reproducibility
    电极序号
    The number of electrode
    1 41.37 - 3.1
    2 38.88
    3 40.04
    4 42.13
    5 40.52
    使用寿命 The service life
    使用次数
    The number of applica- tion times
    0 41.18 100 -
    1 40.09 97
    2 38.76 94
    3 36.17 88
    4 31.97 78
    5 23.34 57
    稳定性 The stability
    静置时间
    Time/d
    0 40.71 100 -
    7 40.36 99
    14 40.16 99
    21 39.91 98
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-01
  • 网络出版日期:  2020-02-26

西草净分子印迹电化学传感器的制备及应用

    通讯作者: 顾丽莉, liligu001@163.com
    作者简介: 陈昱安,男,研究方向为分离工程,E-mail:1714810721@qq.com
  • 1. 昆明理工大学 化工学院,昆明 650500
  • 2. 云南省烟草农业科学研究院,云南 玉溪 653100

DOI: 10.16801/j.issn.1008-7303.2020.0070

摘要: 为了解决大型检测仪器在检测过程中的局限性,利用分子印迹技术,以西草净为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体,采用原位引发聚合法,在玻碳电极表面进行热聚合成膜,制备出西草净分子印迹电化学传感器,并将其用于样品中西草净含量的检测。采用循环伏安法 (CV) 对印迹电极的电化学性能进行了测试,并使用超高效液相色谱-串联质谱法 (UPLC-MS/MS) 对测试结果进行验证。结果表明:在滴涂量为10 μL、60 ℃下热聚合制备出的西草净电化学传感器具有良好的选择性、重复性和稳定性,其线性范围为0.5~1 μmol/L(1) 和2~30 μmol/L(2),对应的线性关系分别为I1(μA) = −3.33c(μmol/L)+39.03,I2(μA) = −0.75c(μmol/L)+35.52,相关系数分别为r1 = 0.985,r2 = 0.997,检出限 (LOD) 分别为LOD1 = 0.13 μmol/L和LOD2 = 0.89 μmol/L。将所建立的西草净分子印迹电化学检测方法用于烟叶添加样品提取液中西草净的检测,该印迹电极能够在8 min内完成对烟叶添加样品提取液中西草净的吸附,回收率为76%~88%,相对标准偏差为2.7%~7.6%,该方法能够初步满足烟草中西草净快速检测的需求。

English Abstract

  • 西草净 (simetryn,SMT) 属三嗪类除草剂,常用于防除稗草、牛毛草等杂草,但不易降解,且具有一定的致癌、致畸、致突变作用[1]。目前,中国仅规定了西草净在糙米中的最大残留限量值为0.05 mg/kg[2]。对三嗪类除草剂残留的检测方法主要有气相色谱法[3]、高效液相色谱法[4]、气相色谱-串联质谱法[5]和液相色谱-串联质谱法[4]。苏趋等[6]以加速溶剂萃取为前处理方法,采用高效液相色谱检测土壤中的11种三嗪类除草剂,检出限为2.0~100.0μg/L。方灵等[7]以多壁碳纳米管、N-丙基乙二胺、C18、MgSO4为净化剂分散净化样品,使用气相色谱-串联质谱法对乌龙茶及土壤中10种三嗪类除草剂进行检测,检出限为5.0~10 μg/L,回收率在75%~111%之间。曲丽萍等[8]N-丙基乙二胺为净化剂,采用超高效液相色谱-串联质谱法检测了稻田土壤中的丙草胺和西草净,其中西草净的检出限为20 μg /L,回收率在75%~107.3%之间。这些检测技术虽然灵敏度和回收率都能满足检测需求且效果良好,但对溶剂要求严苛,并需要昂贵的仪器和专业分析人员。因此,开发高选择性、高灵敏性的快速检测方法十分必要。

    小分子印迹技术是利用特定的模板分子印迹聚合物 (Molecularly imprinted polymers,MIPs) 对目标分子进行预定性和特异性识别[9],进而实现目标分子的分离或检测。该技术具有操作简单、可重现性强及成本低廉等优点,被广泛应用于食品工程[10]、传感器[11]、环境工程[12]和天然药物[13]等领域。以MIPs作为敏感材料制备的分子印迹电化学传感器既具有高灵敏度和高选择性的优点,又具有检测成本低,稳定性好的优势[14],在环境监测[15]、农作物分析[16]、医药[17]和食品安全[18]等领域的应用前景良好。Hedborg等[19]于1993年首次研制了分子印迹电化学传感器,该传感器以L-苯丙氨酸苯胺为模板分子,在乙醇溶液中,能够对L-苯丙氨酸苯胺分子进行特异性识别并进行检测。Piletsky等[20]以莠去津为模板研制的电导型分子印迹传感器有较强的抗干扰能力,对莠去津的检出限为5nmol/L。Bai等[21]在石墨烯/Au纳米粒子改性的玻碳电极上,通过原位聚合法制备出了对秋水仙碱敏感检测的分子印迹电极,其检出限达到4.8 nmol/L。近20年,分子印迹电化学传感器技术在水体、土壤、动植物等不同体系的农药残留检测中得到了越来越多的关注。然而,关于SMT分子印迹电化学传感器的制备与应用还未见报道。鉴于此,本研究拟采用原位引发聚合法[22],以甲基丙烯酸为功能单体,SMT为模板分子,制备SMT分子印迹电化学传感器,并对制备过程中的滴涂量、洗脱时间及吸附时间等条件进行优化筛选,确定所得印迹电极的检出限,峰电流值与西草净浓度间的对应关系,建立分子印迹电化学传感器检测SMT的快捷方法,并用该方法对烟叶中西草净含量进行加以验证检测。

    • 99.0%西草净 (simetryn,SMT,德国 Dr. Ehrenstorfer);无水甲醇 (分析纯,天津市致远化学试剂有限公司);乙腈,乙醇,无水氯化锂 (分析纯,天津市风船化学试剂科技有限公司);甲基丙烯酸 (MAA),冰乙酸,偶氮二异丁腈 (AIBN)(分析纯,天津市光复精细化工研究所);丙酮 (分析纯,重庆市川东化工有限公司);99.99%氮气 (昆明石头人气体产品有限公司);溴化钾 (分析纯,西陇化工股份有限公司);铁氰化钾 (分析纯,天津市津东天正精细化学试剂厂);乙二醇二甲基丙烯酸酯 (EDGMA),氧化铝 (0.05μm),石墨烯,硫酸 (分析纯,北京百灵威科技有限公司)。

      Zahner/IM6电化学工作站 (德国Zahner公司);三电极体系 (玻碳电极、铂丝电极及饱和甘汞电极,天津艾达恒冕科技发展有限公司);ZKXFB-1电热真空恒温干燥箱 (上海树立仪器仪表有限公司)。

    • 将玻碳电极 (glassy carbon electrode,GCE) 置于鹿皮上,用0.05 μm的氧化铝粉末打磨抛光至电极表面光滑;依次使用乙酸,无水乙醇,超纯水超声清洗5 min以除去电极表面的氧化铝粉末及其他杂质;在0.5 mol/L的H2SO4溶液中于−0.2~1.2V 电位范围内进行循环伏安法扫描,直至得到稳定的循环伏安曲线,作为裸玻碳电极,备用。

    • 将12.66 mg的SMT和0.02 mL的MAA放于10 mL乙腈中,超声10 min,使其完全溶解。然后置于5 ℃的恒温箱中,预聚合12 h。再依次加入0.124 mL的EGDMA和6.25 mg的AIBN,通氮10 min除氧,得到SMT-MAA聚合溶液。

    • 采用原位引发聚合法[20]制备印迹和非印迹电极。取10 μL的SMT-MAA聚合溶液,均匀滴涂到GCE表面,置于60 ℃真空干燥箱内热聚合6 h,得到印迹电极,分子印迹聚合物的主反应式见公式 (1)。

      $ {{\rm{C}}_{\rm{8}}}{{\rm{H}}_{{\rm{15}}}}{{\rm{N}}_{\rm{5}}}{\rm{S + 3}}{{\rm{C}}_{\rm{4}}}{{\rm{H}}_{\rm{6}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ = }}{{\rm{C}}_{{\rm{20}}}}{{\rm{H}}_{{\rm{33}}}}{{\rm{O}}_{\rm{6}}}{{\rm{N}}_{\rm{5}}}{\rm{S}} $

      (1)

      将该印迹电极放入V(甲醇):V(乙酸) = 9:1混合溶液中,搅拌洗脱12 min,去除模板分子,得到洗脱后的印迹电极,即西草净分子印迹电极 (SMT-MIP/GCE),其制备过程及检测原理如图1所示。非印迹电极的制备除不加SMT外,其余步骤与印迹电极的制备相同。

      图 1  分子印迹电化学传感器制备过程及检测原理图

      Figure 1.  Preparation and detection principle of molecularly imprinted electrochemical sensor

    • 在100 mL的容量瓶中同时加入329.24 mg的K3Fe[(CN)6]和4.24 mg的LiCl,使其均匀溶于超纯水中,定容,配制成含10 mmol/L的K3Fe[(CN)6]和1 mmol/L的LiCl的混合溶液。以此为扫描底液,其中,K3Fe[(CN)6]为分子探针,LiCl为电解质。

    • 将空白烟叶样品用粉碎机打碎,过40目 (孔径0.63 mm) 筛后于50 ℃真空干燥12 h以上,以除去烟叶中的水分;称取0.1 g样品于10 mL离心管中,加入1 mL浓度为5 mmol/L的SMT-乙腈溶液,漩涡振荡5 min,静置14 h后于60 ℃真空干燥1 h,得到烟叶添加样品;加入5 mL乙腈溶液,超声提取1 h,于10 000 r/min下离心10 min;取上清液,旋转蒸发至近干,用超纯水复溶,得到烟叶添加提取液,待检测。

    • 将所制备的SMT-MIP/GCE分别置于纯水、30 μmol/L的西草净-水溶液和30 μmol/L的三唑酮-水溶液中,静置吸附8 min后取出。

      将SMT-MIP/GCE(工作电极)、铂丝电极 (对电极) 和饱和甘汞电极 (参比电极) 组成三电极系统,放入扫描底液中进行循环伏安法扫描检测:起始电位设为0 V,扫描电位范围为−0.2~1.2 V,扫描速率为50 mV/s。扫描结束后,取出SMT-MIP/GCE,置于V(甲醇) : V(乙酸)=9 : 1混合溶液中,搅拌洗脱12 min后取出,置于超纯水中保存,待重复使用。

    • 将制备过程中不同阶段的SMT-MIP/GCE浸没在扫描底液中进行循环伏安法扫描,根据K3Fe[(CN)6]的氧化电流信号 (−0.4~1.2 V) 和还原电流信号 (1.2~−0.4 V) 变化情况,判断分子印迹膜的吸附效应。

    • 适宜的洗脱液应将模板分子从聚合膜中洗脱下来时不会破坏分子印迹聚合膜或破坏最小,最大限度地保持印迹电极的吸附检测效果。将电极分别浸没在V(甲醇) : V(乙酸) = 9 : 1、3 : 1及V(乙酸) : V(水) = 1 : 1、V(甲醇) : V(水) = 1 : 1 4种洗脱溶剂中,搅拌洗脱12 min,取出SMT-MIP/GCE,放入扫描底液中,考察其循环伏安曲线。

    • 在打磨抛光后的GCE表面分别滴涂5、10、15和20 μL的SMT-MAA聚合溶液,置于60 ℃真空干燥箱中热聚合6 h。将所制备的SMT-MIP/GCE置于洗脱溶液中洗脱,每隔2 min取出SMT-MIP/GCE,放入扫描底液中进行循环伏安法扫描,直至峰电流值达到最高,取1 mL此时的洗脱液旋转蒸发至近干,再用1 mL乙腈复溶后,使用HPLC-MS/MS对溶液中SMT含量进行检测。

      将洗脱后的4种滴涂量的SMT-MIP/GCE分别置于30 μmol/L的SMT水溶液中进行吸附,每隔1 min取出SMT-MIP/GCE,置于扫描底液中进行循环伏安法扫描,直至SMT-MIP/GCE的峰电流值达到最低值,取0.5 mL此时的吸附溶液旋转蒸发至近干,再用1 mL乙腈复溶后,使用UPLC-MS/MS对溶液中SMT含量进行检测。

      色谱检测条件:Kmetex色谱柱 (2.1 mm × 50 mm, 1.7 μm);流速0.5 mL/min;检测波长228 nm;进样量10 μL;柱温30 ℃;梯度洗脱,流动相A为0.1%甲酸-水溶液,流动相B为0.1%甲酸-乙腈溶液。梯度洗脱程序见表1

      表 1  超高效液相色谱分离的流动相梯度洗脱程序

      Table 1.  The separate condition of gradient elution program with UPLC

      时间
      Time/min
      流动相A
      Mobile phase A/%
      流动相B
      Mobile phase B/%
      09010
      52080
      62080
      6.59010
      79010

      质谱检测条件:电喷雾离子源 (ESI);正离子扫描;多反应监测 (MRM) 模式;离子喷射电压5 500 V;雾化温度550 ℃;源内气体压力276 kPa;气体2压力276 kPa;碰撞气压力medium。

    • 将所制备的SMT-MIP/GCE置于V(甲醇) : V(乙酸)=9 : 1混合溶液中洗脱,每隔2 min取出电极,置于扫描底液中进行循环伏安法扫描。每次取出电极后,混匀洗脱液,取1 mL旋转蒸发至近干,再用1 mL乙腈复溶后,使用UPLC-MS/MS对溶液中SMT含量进行检测。

    • 将SMT-MIP/GCE置于30 μmol/L的SMT水溶液中进行吸附,每隔1 min取出SMT-MIP/GCE,置于扫描底液中进行循环伏安法扫描,每次取出电极后,混匀吸附液,然后取0.5 mL进行旋转蒸发至近干,再用1 mL乙腈复溶后,使用UPLC-MS/MS对溶液中SMT含量进行检测。

    • 将所制备的SMT-MIP/GCE浸入不同浓度的SMT水溶液 (0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、5、10、20、30、40、50和60 μmol/L) 中吸附8 min,然后置于扫描底液中进行循环伏安法扫描,得到每个浓度对应的峰电流值,并进行峰电流值与SMT浓度关系的线性拟合,确定线性范围和检出限。

    • 分别将SMT-MIP/GCE置于梯度浓度的SMT水溶液和SMT烟叶添加样品提取液 (浓度均为10、20、30 μmol/L) 中,静置吸附8 min,然后进行循环伏安法扫描,测得峰电流值,代入线性拟合方程得到对应浓度值,计算回收率和相对标准偏差。

    • 将SMT-MIP/GCE分别置于浓度均为30 μmol/L的SMT水溶液和三唑酮-水溶液中,静置吸附8 min,然后进行循环伏安法扫描,对比峰电流值变化情况。

      将印迹聚合物分别置于浓度为90 μmol/L的氰草津、扑灭净、嗪草酮、西草净、莠去津和特丁津的溶液中进行吸附,对比印迹聚合物对6种三嗪类除草剂的吸附量。

    • 按1.2.2.2的方法制备5只SMT-MIP/GCE,分别放入30 μmol/L的SMT水溶液中吸附8 min,然后进行循环伏安法扫描,观察峰电流值变化情况。

      将SMT-MIP/GCE置于30 μmol/L的SMT水溶液中,静置吸附8 min后,洗脱12 min,检测其峰电流值。重复5次,对比峰电流值变化情况。

      将SMT-MIP/GCE置于超纯水中静置,每隔7 d进行一次循环伏安法扫描,记录其峰电流值并与初始峰电流值对比。

    • 图2可以看出,与裸玻碳电极 (2a) 相比,洗脱前的MIP/GCE(2b) 表面几乎观察不到氧化还原峰,说明聚合形成的SMT印迹膜具有致密结构,阻碍了K3Fe[(CN)6]探针在底液和电极表面间的氧化-还原反应。当洗脱除去模板SMT后,聚合膜内出现了SMT的特有识别孔穴,K3Fe[(CN)6]可通过印迹孔穴扩散至MIP/GCE表面,表现为其峰电流增加 (2c)。当MIP/GCE吸附溶液中的SMT后,识别孔穴被SMT重新填充,传质通道被封闭,氧化-还原电流强度减弱,峰电流降低 (2d)。由此,根据K3Fe[(CN)6]峰电流变化建立了一种直接检测SMT含量的方法。

      图 2  不同SMT-MIP/GCE的循环伏安曲线图

      Figure 2.  The CV curves of different SMT-MIP/GCE

    • 图3可知:V(甲醇) : V(乙酸) = 9 : 1混合溶液去除模板效果最好 (3a);V(甲醇) : V(乙酸) = 3 : 1混合溶液 (3b) 和V(乙酸):V(水) = 1:1溶液 (3d) 可能因为乙酸含量过高,破坏了聚合物膜的空间结构,使得洗脱后的SMT-MIP/GCE无法再次对SMT进行吸附;而V(甲醇) : V(水) = 1 : 1溶液难以洗脱模板 (3c)。因此,选择V(甲醇) : V(乙酸) = 9 : 1混合溶液作为洗脱溶液。

      图 3  SMT-MIP/GCE在不同洗脱液中的循环伏安曲线图

      Figure 3.  The CV curves of SMT-MIP/GCE in different eluents

    • 在SMT-MIP/GCE制备过程中,滴涂SMT-MAA聚合溶液是分子印迹电极制备最关键的一步,滴涂量影响分子印迹聚合膜的厚度及其吸附量。

      图4a可以看出:随着滴涂量增加,峰电流值增加,并在10 μL达到最大;之后随滴涂量再增加,SMT-MIP/GCE的峰电流值反而减小,这是由于滴涂量的增加使膜变厚,阻碍了GCE与分子探针的接触,造成了峰电流值的降低。

      图 4  滴涂量与SMT-MIP/GCE峰电流值、洗脱效果和吸附效果的关系

      Figure 4.  The relationship between the dosage of polymerization solution with the peak current, the elution efficiency and the adsorption efficiency of SMT-MIP/GCE

      图4b中的洗脱效果是SMT-MIP/GCE实际洗脱出的SMT量与理论上SMT-MIP/GCE应洗脱出的SMT量的百分比,从中可以看出,随着滴涂量的增加,SMT-MIP/GCE的洗脱效果不断降低,这是因为滴涂量增多,印迹膜增厚,印迹膜深处的模板分子难以洗脱所致。

      SMT-MIP/GCE实际吸附量与理论上SMT-MIP/GCE最高吸附量的百分比即是该SMT-MIP/GCE的吸附效果,SMT-MIP/GCE最高吸附量应为SMT-MIP/GCE洗脱过程中实际洗脱出的SMT量。由图4c可以看出,随着滴涂量的增加,吸附效果呈先增加后降低的趋势,这是因为随滴涂量增加,印迹膜厚度增加,而膜深处的吸附阻力增大所致。

      综上,最终选用滴涂量10 μL制备SMT-MIP/GCE。

    • 图5a所示,随着洗脱时间的增加,模板分子从SMT-MIP/GCE表面洗脱下来,其峰电流值不断提高,在12 min达到最高值,为45.75 μA。之后,随着洗脱时间的延长,印迹膜结构受损,膜上的空穴塌陷,反而阻碍了K3Fe[(CN)6]探针的氧化-还原反应,致使峰电流值下降,因此,洗脱时间不宜过长。从图5b可知,洗脱8 min后,洗脱液中SMT的增量已经很小,洗脱12 min后,SMT的含量几乎不变。因此,选择洗脱时间为12 min。

      图 5  SMT-MIP/GCE的洗脱时间与峰电流值和SMT含量的关系

      Figure 5.  The relationship between the elution time with the peak current value and the SMT content for SMT-MIP/GCE

    • 图6a可以看出,随着吸附时间的增加,峰电流值不断降低,当吸附时间超过8 min后,峰电流值趋于稳定,表明吸附接近饱和。从图6b可以看出,吸附溶液中的SMT含量随着吸附时间的增加而降低,这说明吸附溶液中的SMT被SMT-MIP/GCE捕捉,8 min后吸附溶液中的SMT几乎不再变化,说明SMT-MIP/GCE的吸附接近饱和。因此,在SMT的定量分析中,选择吸附时间为8 min。

      图 6  SMT-MIP/GCE的吸附时间与峰电流值和SMT含量的关系

      Figure 6.  The relationship between the adsorption time with the peak current value and the SMT content for SMT-MIP/GCE

    • 用所制备的SMT-MIP/GCE吸附不同浓度的西草净溶液后,通过循环伏安法扫描得到相对应的峰电流值,将西草净浓度与对应的峰电流值进行线性拟合,得到峰电流值-浓度的线性方程。如图7(b)所示,该SMT-MIP/GCE分别在0.5~1 μmol/L和2~30 μmol/L两个浓度范围内呈良好的线性关系,对应的线性回归方程分别为:I1(μA)= −3.33c(μmol/L)+39.03,I2(μA) = −0.75c(μmol/L)+35.52,相关系数分别为r1 = 0.985,r2 = 0.997,检出限 (LOD) 分别为LOD1 = 0.13 μmol/L和LOD2 = 0.89 μmol/L。

      图 7  SMT-MIP/GCE测定不同浓度西草净溶液的循环伏安曲线以及其峰电流值与SMT浓度的关系

      Figure 7.  The CV curves of standard solution determined and the relationship between peak current value with SMT concentration by SMT-MIP/GCE

    • 分别向纯水和空白烟叶中添加SMT进行检测,结果如表2所示,在纯水中,SMT-MIP/GCE对于SMT的平均回收率为99%~100%之间,相对标准偏差为1.2%~6.8%;在烟叶添加样品提取液中,SMT-MIP/GCE对SMT的回收率在76%~88%之间,相对标准偏差为2.7%~7.6%。

      表 2  SMT-MIP/GCE对烟叶和纯水的添加回收率和相对标准偏差 (n = 3)

      Table 2.  Recoveries and RSD of SMT-MIP/GCE for tobacco and water(n = 3)

      样品
      Sample
      初始浓度
      Initial concentration(μmol/L)
      添加水平
      Spiked level
      (μmol/L)
      测定值
      Detection quantity (μmol/L)
      回收率
      Recovery/%
      相对标准偏差
      Relative standard deviation/%
      烟叶添加样品提取液
      Extract solution of SMT-tobacco
      0 10 8.33 83 4.2
      0 20 17.65 88 7.6
      0 30 22.89 76 2.7
      SMT水溶液
      Aqueous solution of SMT
      0 10 9.88 99 6.8
      0 20 19.93 100 1.2
      0 30 29.56 99 3.9
    • 图8可知:SMT-MIP/GCE在纯水中的峰电流值为45.75 μA,此值即为该电极的初始峰电流值,其在30 μmol/L三唑酮-水溶液中的峰电流值为44.31 μA,与初始峰电流值几乎重合,说明SMT-MIP/GCE没有对三唑酮进行吸附,而该电极在30 μmol/L西草净-水溶液中的峰电流值为9.51 μA,与初始峰电流值相差较大,说明该电极对SMT具有特异性吸附。

      图 8  SMT-MIP/GCE在不同溶液中的循环伏安曲线图

      Figure 8.  The CV curve of SMT-MIP/GCE in different solutions

      图9可以看出:印迹聚合物对6种三嗪类除草剂的吸附能力存在明显差异,从大到小分别为西草净>扑草净>嗪草酮>莠去津>特丁津>氰草津,由此可见,由SMT-MIP的预聚合液所制备的SMT-MIP/GCE对三嗪类除草剂具有良好的特异性识别能力。

      图 9  印迹聚合物对6种三嗪类除草剂的吸附量

      Figure 9.  The adsorption capacity of SMT-MIP for 6 triazine herbicides

    • 重现性和使用寿命是影响分子印迹电化学传感器应用的两个重要指标。以相同的步骤制备5只SMT-MIP/GCE,分别放在30 μmol/L的SMT溶液中吸附8 min后进行循环伏安法测定,其峰电流值如表3所示,5只SMT-MIP/GCE的峰电流值相对标准偏差 (RSD) 为3.1%,说明利用该方法制备的SMT-MIP/GCE具有良好的重现性。

      表 3  SMT分子印迹电极的重现性和使用寿命

      Table 3.  The reproducibility and service life of SMT-MIP/GCE

      测定项目
      The measured items
      峰电流值
      The peak current value/μA
      检测值/初
      始值
      Test value
      /initial value/%
      相对标
      准偏差
      RSD/%
      重现性 The reproducibility
      电极序号
      The number of electrode
      1 41.37 - 3.1
      2 38.88
      3 40.04
      4 42.13
      5 40.52
      使用寿命 The service life
      使用次数
      The number of applica- tion times
      0 41.18 100 -
      1 40.09 97
      2 38.76 94
      3 36.17 88
      4 31.97 78
      5 23.34 57
      稳定性 The stability
      静置时间
      Time/d
      0 40.71 100 -
      7 40.36 99
      14 40.16 99
      21 39.91 98

      将SMT-MIP/GCE置于SMT溶液中,静置吸附8 min后,洗脱12 min,检测其峰电流值,之后,再次吸附、洗脱和检测峰电流值,重复5次。从表3可以看出,印迹膜的吸附效果随着洗脱次数的增加而降低,这是因为多次洗脱导致印迹电极膜破损,对西草净的特异性吸附量下降,所以印迹电极的使用次数有限,但玻碳电极可反复多次使用,且重复制备的印迹电极性能几乎一致。

      将SMT-MIP/GCE置于超纯水中静置,每隔7 d进行一次循环伏安扫描,记录其峰电流值并与初始峰电流值对比。结果显示,该SMT-MIP/GCE在21 d内的峰电流值为初始值的98%~99%,说明具有良好的稳定性。

    • 采用原位引发聚合法,以SMT为模板分子,MAA为功能单体热聚合制备了SMT分子印迹电化学传感器SMT-MIP/GCE。对影响传感器性能较大的因素,如洗脱剂、聚合液的滴涂量、洗脱时间和吸附时间进行了筛选优化,发现滴涂量为10 μL、使用V(甲醇) : V(乙酸) = 9 : 1混合溶液进行洗脱8 min得到的SMT-MIP/GCE性能良好。该SMT-MIP/GCE能够在8 min内完成对SMT的吸附,并以此建立了SMT的印迹传感器检测方法。该印迹传感器在SMT浓度为0.5~1 μmol/L和2~30 μmol/L范围内呈良好的线性关系,检出限 (LOD) 分别为0.13 μmol/L和0.89 μmol/L。该方法用于检测纯水中SMT的平均回收率为99%~100%,相对标准偏差为1.2%~6.8%;用于检测烟叶中的SMT时,回收率在76%~88%之间,相对标准偏差为2.7%~7.6%,可以满足烟叶中SMT的快速检测需求。但是该方法还有一定的局限性,存在很大的提升空间,比如所制备的印迹电极使用寿命不太理想,还需优化;借助新型材料的改性,如石墨烯、纳米金等修饰材料,可强化峰电流信号,进而增加传感器的灵敏度,提高传感器的性能。

参考文献 (22)

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