CN101324541B - 四环素分子印迹聚合物膜电极及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及四环素分子印迹聚合物，及用该聚合物制备电极的电化学检测应用。是由电极基体和基体上覆盖的经过洗脱模板分子的四环素分子印迹聚合物膜构成的，四环素分子印迹聚合物膜是将模板分子、功能单体、交联剂、引发剂、致孔剂混合并超声溶解后通过光聚合法在电极基体上聚合得到的。四环素分子印迹聚合物膜电极可用于电化学法检测水体中的四环素，将膜电极作为工作电极，根据电流-四环素浓度的对应关系，建立标准曲线，用于检测四环素。该检测方法成本低，操作简便，耗时短，可用于畜牧业污水及水产养殖污水样品中四环素残留量的现场快速检测。
Description
技术领域
本发明涉及四环素分子印迹聚合物，及用该聚合物制备电极及其电化学检测应用。
背景技术
四环素(Tetracycline，简称TC)分子式为C22H26N2O7，分子量430.45，属于四环素类中的一种广谱抗菌药物，是一种两性物质，可与碱或酸反应而成盐。通常在碱性水溶液中易降解，在酸性水溶液中则较稳定。在我国，医药行业不合理使用抗生素，以及在畜牧水产养殖业中大量使用抗生素的现象非常普遍，造成抗生素在动物体内、粪便和水土中的残留程度非常高。而这些残留的抗生素作为环境外源性化学物对环境生物及生态产生广泛而深远的影响，并最终可能对人类的健康和生存造成不利的影响。为了很好地控制、监测四环素的残留和污染情况，世界各国对四环素的残留量和检测手段都做了严格的规定，并制备了具体的实施标准。我国在《水产品中渔药残留限量》中规定四环素的残留量不得超过100μg/kg。检测手段主要包括高效液相色谱以及液相色谱-串联质谱等，这些方法都需要大型仪器、复杂的前处理过程，而且不适用于现场检测。
分子印迹技术是一种聚合物技术，采用目标分子作为模板，使用单体和交联剂在一定条件下发生聚合反应，然后将目标物洗脱，可以形成具有与目标分子相匹配的空间结构和结合位点。分子印迹聚合物具有特殊识别能力、化学性质稳定。Cai等在《Separation and PurificationTechnology》(纯化与分离技术)2004，(35)，215-221上发表的文章“Molecularly-imprintedpolymers selective fortetracyclinebinding”(分子印迹聚合物选择性结合四环素)中描述了一种四环素分子作为模板的分子印迹聚合物的制备，并考察了选择性结合四环素的能力，论述了交联度和溶剂极性的影响因素。中国专利申请“一种四环素分子印迹聚合物及其应用”(申请号：200710070753.X)公开了一种分子印迹聚合物，其模板分子为盐酸四环素分子、功能单体为甲基丙烯酸、交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯、引发剂为偶氮二异丁腈，经原位聚合得到，为小颗粒状，用作固相萃取柱的填充材料，可以从其他四环素类抗生素中分离出四环素的峰。以上现有技术可以提供水体中四环素选择性萃取的填料，可用于固相萃取装置，但在检测水体中四环素残留量时，仍需要后续大型仪器分析提供检测结果，不适宜于现场检测。相对于四环素使用的广泛程度，这些方法不适合我国国情。
发明内容
本发明的目的，是提供一种利用四环素分子印迹聚合物实现简单快速测量水体中四环素残留量的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种四环素分子印迹聚合物膜电极，其特征在于，是由电极基体和电极基体上覆盖的四环素分子印迹聚合物膜构成的，电极基体为以下电极中的一种：铂、钯、金、玻碳电极，经过电沉积铂或钯或金的钛、铂、钯、金电极；四环素分子印迹聚合物膜是将模板分子、功能单体、交联剂、引发剂、致孔剂混合并超声溶解后通过光聚合法在电极基体上聚合、再洗脱模板分子得到的，其中模板分子为盐酸四环素，功能单体为苯乙烯，交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯，引发剂为偶氮二异丁腈，致孔剂为甲醇或氯仿或甲苯；模板分子、功能单体、交联剂的摩尔比为1～3∶2～15∶90，当模板分子的质量为0.1g时，引发剂质量为0.02～0.05g，致孔剂体积为5～10mL。
电极基体可以采用铂、钯、金等性质稳定的金属电极，或玻碳电极，也可以采用经过电沉积铂或钯、金的钛、铂、钯、金电极；电沉积铂、钯、金的目的是使金属表面呈现微纳米结构，从而提供较大的比表面积，使电极基体与聚合物更好地结合。选择电沉积铂的钛电极为电极基体，成本较低。
本发明选择苯乙烯作为功能单体，可以提高聚合物膜的稳定性，使其适用于本发明的检测环境。
盐酸四环素在甲醇中的溶解度比较大，致孔剂可以优选甲醇。
四环素分子印迹聚合物膜电极的制备方法包括以下步骤：
(1)将模板分子盐酸四环素、功能单体苯乙烯、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯、引发剂偶氮二异丁腈混合并超声溶解到致孔剂中成溶胶状，模板分子、功能单体、交联剂摩尔比为1～3∶2～15∶90，致孔剂为甲醇或氯仿或甲苯，当模板分子的质量为0.1g时，引发剂质量为0.02～0.05g，致孔剂体积为5～10mL。
(2)将电极基体放入步骤(1)制备的溶胶中浸渍10～30秒，使电极基体表面形成一层均匀的溶胶膜，将表面覆有溶胶膜的电极基体密封于石英玻璃管中，向管中充氮气除氧5～10分钟，置于紫外灯下聚合2～6小时。
电极基体为以下电极中的一种：铂、钯、金、玻碳电极，经过电沉积铂或钯或金的钛、铂、钯、金电极。
(3)用步骤(2)形成的电极基体重复步骤(2)1～2次，在电极基体表面形成经2～3次光聚合的聚合物膜。
(4)将覆膜后的电极基体先在乙醇中浸泡3～5小时，再在去离子水中浸泡3～5小时，以洗脱模板分子，得到四环素分子印迹聚合物膜电极。
采用电沉积铂的钛电极时，可将纯度高于99％的钛片打磨抛光并清洗后，在1.5～3g/L氯铂酸溶液中电沉积铂，该氯铂酸溶液还含有0.01～0.03mmol/L的盐酸溶液，沉积电压为-0.40～-0.20V(相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为10～40分钟。
使用铂、钯、金、玻碳电极时，要用Al2O3粉体打磨，并且经过乙醇、水的超声清洗。电沉积钯或者金时，电解液可以选择对应的盐或者酸(比如氯化钯、氯金酸等)；沉积结束后，用去离子水冲洗电极，目的是洗脱表面吸附的氯铂酸以及结合不牢固的铂。
四环素分子印迹聚合物膜电极在电化学法检测四环素中的应用，其特征在于：采用三电极系统，四环素分子印迹聚合物膜电极为工作电极，电解液的PH值为5～8，采用饱和甘汞电极为参比电极时，工作电压为0.2～1.0V；在工作电压下，当电流信号达到稳定状态以后，向反应器中分别加入不同浓度的四环素溶液，测量电流的变化，根据电流-浓度的对应关系，建立标准曲线，用于检测四环素。
电化学检测四环素的原理为：洗脱模板分子后的分子印迹聚合物膜具有特异性结合四环素分子的位点，当四环素加入到电解液后，四环素分子与膜电极上的位点相结合，导致膜电极的电阻发生变化，从而使电流响应发生了改变。
电解液可采用磷酸缓冲液，也可采用醋酸缓冲液或硫酸钠、氯化纳等盐溶液。
参比电极可以采用标准氢电极、饱和甘汞电极、饱和银/氯化银电极、硫酸亚汞电极、其它型号的甘汞电极和银/氯化银电极等常用参比电极。使用不同参比电极，工作电压不同，可根据上述给出的用饱和甘汞电极为参比电极时的工作电压，以及该参比电极相对于标准氢电极的电极电势换算工作电压。对电极可以选择金属铂或镍，其中以铂片或铂网最为常用。
本发明的基于分子印迹技术的检测水体中的四环素方法具有如下优点：
1、与已有的常规检测方法比，不需要大型的仪器，没有复杂的数据处理过程，成本低，操作简便，耗时短，可用于畜牧业污水及水产养殖污水样品中四环素残留量的现场快速检测；
2、分子印迹聚合物具有高选择性，能够专一识别四环素分子，检测范围为0.6～20mg/L，四环素的检出限达到0.08mg/L，与四环素分子结构相似的其它抗生素(氯霉素、盐酸金霉素和土霉素等)对水样中四环素的定量检测没有干扰。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1：沉积铂的钛电极为电极基体的四环素分子印迹聚合物膜电极的制备及其电化学检测应用
取盐酸四环素0.1g、苯乙烯0.048mL、乙二醇二甲基丙烯酸酯3.53mL，(摩尔比为1∶2∶90)，以及偶氮二异丁腈0.05g，混合溶解到10ml甲醇中，将混合液置于超声清洗仪中进行超声溶解混匀，形成溶胶。
将大小为20mm×30mm的工业纯钛片(纯度＞99％)依次用350#、500#、800#、1000#以及1200#金刚砂纸打磨后，置于乙醇溶液中超声清洗3分钟，再用去离子水超声清洗20分钟，将钛片彻底清洗干净。采用三电极系统电沉积铂，沉积液为2g/L氯铂酸溶液，该氯铂酸溶液含有0.01mmol/L的盐酸溶液，沉积电压为-0.30V(相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为30分钟。沉积结束后，用去离子水冲洗，以洗脱表面吸附的氯铂酸以及结合不牢固的铂。
将制成的电极基体凉干后，在上述制备的溶胶中浸渍10秒，然后密封于石英玻璃管中，向管中充氮气除氧5分钟，置于紫外灯下光聚合2小时；将该表面覆有聚合物的电极基体从石英玻璃管中取出，再重复浸渍、充氮气除氧以及光聚合过程1次，在电极基体上形成聚合物膜；将覆膜后的电极基体先在乙醇中浸泡3小时，再在去离子水中浸泡4小时，以达到洗脱模板分子的目的，得到四环素分子印迹聚合物膜电极。
电化学检测的电解液为10mL磷酸缓冲液，pH＝7.6，工作电极为所制得的膜电极，对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，工作电压是0.2V。当电流信号达到稳定状态时，向反应器中分别加入浓度为0.6、2.0、5.0、10.0、15.0、20.0mg/L的四环素溶液，根据电流-浓度的对应关系，建立标准曲线，同时按照电流噪音的三倍计算本发明对四环素的检出限为0.08mg/L。
在同样条件下，将含有四环素0.1mg/L的水样用该方法检测，根据测得的电流，与标准曲线对比，得出该水样的四环素浓度为0.11mg/L，误差为10％。
同样条件下，加入5.0mg/L或10.0mg/L的氯霉素，电流没有明显变化，说明氯霉素对检测没有干扰。
实施例2：沉积金的钛电极为电极基体的四环素分子印迹聚合物膜电极的制备及其电化学检测应用
取盐酸四环素0.2g、苯乙烯0.167mL、乙二醇二甲基丙烯酸酯3.53mL，(摩尔比为2∶7∶90)，以及偶氮二异丁腈0.06g，混合溶解到14ml甲醇中，将混合液置于超声清洗仪中进行超声溶解混匀，形成溶胶。
将大小为20mm×30mm的工业纯钛片(纯度＞99％)按实施例1所述工艺打磨清洗后，在2g/L氯金酸溶液中电沉积金，该氯金酸溶液含有0.01mmol/L的盐酸溶液，沉积电压为-0.30V(相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为30分钟。沉积结束后，用去离子水冲洗，以洗脱表面吸附的氯金酸以及结合不牢固的金。
将制成的电极基体凉干后，在上述制备的溶胶中浸渍20秒，然后密封于石英玻璃管中，向管中充氮气除氧7分钟，置于紫外灯下光聚合4小时；将该表面覆有聚合物的电极基体从石英玻璃管中取出，再重复浸渍、充氮气除氧以及光聚合过程2次，在电极基体上形成聚合物膜；将覆膜后的电极基体先在乙醇中浸泡4小时，再在去离子水中浸泡3小时，以达到洗脱模板分子的目的，得到四环素分子印迹聚合物膜电极。
电化学检测的电解液为10mL硫酸钠溶液，pH＝7.0，工作电极为所制得的膜电极，对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，工作电压是0.5V。建立标准曲线过程同实施例1。
在同样条件下，将含有四环素20.0mg/L的水样用该方法检测，根据测得的电流，与标准曲线对比，得出该水样的四环素浓度为20.5mg/L，误差为2.5％。
同样条件下，加入5.0mg/L或10.0mg/L的土霉素，电流没有明显变化，说明土霉素对检测没有干扰。
实施例3：沉积铂的铂电极为电极基体的四环素分子印迹聚合物膜电极的制备及其电化学检测应用
取盐酸四环素0.3g、苯乙烯0.357mL、乙二醇二甲基丙烯酸酯3.53mL，(摩尔比为换3∶15∶90)，以及偶氮二异丁腈0.06g，混合溶解到15ml氯仿中，将混合液置于超声清洗仪中进行超声溶解混匀，形成溶胶。
将大小为20mm×30mm的铂电极(纯度＞99％)，用Al2O3粉体打磨后，置于乙醇溶液中超声清洗3分钟，再用去离子水超声清洗20分钟，将铂电极彻底清洗干净。采用三电极系统电沉积铂，沉积液为2g/L的氯铂酸溶液，该氯铂酸溶液含有0.01mmol/L的盐酸溶液，沉积电压为-0.30V(相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为30分钟。沉积结束后，用去离子水冲洗电极，以洗脱表面吸附的氯铂酸以及结合不牢固的铂。
将制成的电极基体凉干后，在上述制备的溶胶中浸渍30秒，然后密封于石英玻璃管中，向管中充氮气除氧10分钟，置于紫外灯下光聚合6小时；将该表面覆有聚合物的电极基体从石英玻璃管中取出，再重复浸渍、充氮气除氧以及光聚合过程1次，在电极基体上形成聚合物膜；将覆膜后的电极基体先在乙醇中浸泡5小时，再在去离子水中浸泡5小时，以达到洗脱模板分子的目的，得到四环素分子印迹聚合物膜电极。
电化学检测的电解液为10mL醋酸缓冲液，pH＝5.0，工作电极为所制得的膜电极，对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，工作电压是1.0V。建立标准曲线过程同实施例1。
在同样条件下，将含有四环素1.0mg/L的水样用该方法检测，根据测得的电流，与标准曲线对比，得出该水样的四环素浓度为0.96mg/L，误差为4％。
同样条件下，加入5.0mg/L或10.0mg/L的盐酸金霉素，电流没有明显的变化，说明盐酸金霉素对检测没有干扰。
Claims (7)
1.一种四环素分子印迹聚合物膜电极，其特征在于，是由电极基体和电极基体上覆盖的四环素分子印迹聚合物膜构成的，电极基体为以下电极中的一种：铂、钯、金、玻碳电极，经过电沉积铂或钯或金的钛、铂、钯、金电极；四环素分子印迹聚合物膜是将模板分子、功能单体、交联剂、引发剂、致孔剂混合并超声溶解后通过光聚合法在电极基体上聚合、再洗脱模板分子得到的，其中模板分子为盐酸四环素，功能单体为苯乙烯，交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯，引发剂为偶氮二异丁腈，致孔剂为甲醇或氯仿或甲苯；模板分子、功能单体、交联剂的摩尔比为1～3∶2～15∶90，当模板分子的质量为0.1g时，引发剂质量为0.02～0.05g，致孔剂体积为5～10mL。
2.根据权利要求1所述的四环素分子印迹聚合物膜电极，其特征在于所述的致孔剂为甲醇，所述的电极基体为经过电沉积铂的钛电极。
3.如权利要求1所述的四环素分子印迹聚合物膜电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将模板分子盐酸四环素、功能单体苯乙烯、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯、引发剂偶氮二异丁腈混合并超声溶解到致孔剂中成溶胶状，模板分子、功能单体、交联剂摩尔比为1～3∶2～15∶90，致孔剂为甲醇或氯仿或甲苯，当模板分子的质量为0.1g时，引发剂质量为0.02～0.05g，致孔剂体积为5～10mL；
(2)将电极基体放入步骤(1)制备的溶胶中浸渍10～30秒，使电极基体表面形成一层均匀的溶胶膜，将表面覆有溶胶膜的电极基体密封于石英玻璃管中，向管中充氮气除氧5～10分钟，置于紫外灯下聚合2～6小时；
电极基体为以下电极中的一种：铂、钯、金、玻碳电极，经过电沉积铂或钯或金的钛、铂、钯、金电极；
(3)用步骤(2)形成的电极基体重复步骤(2)1～2次，在电极基体表面形成聚合物膜；
(4)将覆膜后的电极基体先在乙醇中浸泡3～5小时，再在去离子水中浸泡3～5小时，以洗脱模板分子，得到四环素分子印迹聚合物膜电极。
4.根据权利要求3所述的四环素分子印迹聚合物膜电极的制备方法，其特征在于致孔剂选用甲醇。
5.根据权利要求3或4所述的四环素分子印迹聚合物膜电极的制备方法，其特征在于所述的电极基体选用经过电沉积铂的钛电极。
6.如权利要求1所述的四环素分子印迹聚合物膜电极在电化学法检测四环素中的应用。
7.根据权利要求6所述的四环素分子印迹聚合物膜电极在电化学法检测四环素中的应用，其特征在于，采用三电极系统，四环素分子印迹聚合物膜电极为工作电极，电解液的PH值为5～8，采用饱和甘汞电极为参比电极时，工作电压为0.2～1.0V；在工作电压下，当电流信号达到稳定状态以后，向反应器中分别加入不同浓度的四环素溶液，测量电流的变化，根据电流—浓度的对应关系，建立标准曲线，用于检测四环素。
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| CN101324541A (zh) | 2008-12-17 |
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