CN102535157A - 官能化聚苯胺纳米材料、分子印迹聚合物复合物、分子印迹传感器、电化学检测设备及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种官能化聚苯胺纳米材料，包括在该纳米材料的表面上结合的烯属功能单体或烯属功能单体层。进而，通过修饰在聚苯胺纳米纤维表面的烯属功能单体层中的烯键，诱导印迹聚合选择性发生，成功形成核-壳结构的聚苯胺-分子印迹聚合物复合物。特别地，使用硝基苯类化合物或杀虫剂，优选1，3-二硝基苯(DNB)或对硫磷，作为模板分子，得到用于检测硝基苯类化合物或杀虫剂的聚苯胺-分子印迹聚合物复合物。本发明还涉及用分子印迹聚合物制成的分子印迹传感器和电化学检测设备及其制备方法。

Description

官能化聚苯胺纳米材料、分子印迹聚合物复合物、分子印迹传感器、电化学检测设备及其制备方法

技术领域

本发明涉及分子印迹聚合物领域，包括用于分子印迹聚合物复合物的聚苯胺纳米材料、由该聚苯胺纳米材料形成的核-壳结构的分子印迹聚合物复合物，之后将该分子印迹聚合物复合物用来制备分子印迹传感器，用在检测中，形成包括分子印迹传感器的电化学检测设备。

背景技术

分子印迹聚合物(Molecular Imprinted Polymers，简称MIP)具有机械稳定性好、化学选择性高、成本低，制备容易的优点，在分离、检测、化学传感器和生物医学材料等方面具有广泛的用途，引起越来越多的研究人员的兴趣。在合成过程中，根据待检测对象(印迹分子或模板分子)不同，选择合适的功能单体和交联剂，合成具有特异性识别功能的分子印迹聚合物。

传统的分子印迹聚合物的合成包括以下几个步骤：先使模板分子(也称作印迹分子)与功能单体在溶液中，以共价键或非共价键相连接，形成配合物，然后在交联剂的作用下模板分子-功能单体配合物和交联剂发生聚合反应，形成刚性的分子印迹聚合物。将该刚性的印迹聚合物研磨和筛分，然后从聚合物中洗脱模板分子或将模板分子水解，由此在印迹聚合物中留下与模板分子大小和形状相匹配的立体孔穴，同时孔穴中包含了精确排列的与模板分子官能团互补的由功能单体提供的功能基团，这种分子印迹聚合物就象锁-钥匙一样具有专属选择性。由此，赋予该分子印迹聚合物特异的“记忆”功能，即类似生物自然的识别系统，这样的空穴将对模板分子及其类似物具有选择识别特性。

虽然传统的分子印迹聚合物具有机械稳定性好、化学选择性高、成本低、制备容易等优点，然而，用这种方法得到的分子印迹聚合物通常存在以下缺陷：由于研磨过程的可控性差，会产生大量不规则粒子，同时破坏部分印迹空腔；所制备的是高度交联的聚合物，致使内部模板分子的洗脱比较困难，残留的模板分子在使用过程中发生缓慢脱吸，给痕量分析等应用带来较大误差；印迹位点分布不均一，一部分处于粒子孔壁上，模板分子向这部分位点的传质速率较快，而另一些则包埋在聚合物本体之中，受位阻影响，这部分印迹空穴可接近性差，再结合模板分子的速率慢，从而降低了印迹位点的利用率，尤其对生物大分子而言，影响更为严重。

近来，已有一些研究小组开始探索开发分子印迹纳米材料的新途径。纳米结构的印迹材料的特点是尺寸小、表面体积比大，因此，可使大多数模板分子位于材料表面附近。图1示出脱除模板分子后的有效结合位点在传统印迹材料(a)和纳米印迹材料(b)中的分布。假设在图1(a)中左侧所示的尺寸为d的传统印迹块体材料中，如右向箭头所示，仅脱除与表面相距x纳米范围内的模板，所产生的模板分子结合位点可用模板分子再次结合(如左向箭头所示)，因此传统材料可再次结合模板分子的有效体积为[d³-(d-2x)³]。虽然在以往印迹合成中使用成孔剂亦即溶剂，但传统材料的x值通常是非常小的。针对图1(b)，如果以2x纳米尺寸的纳米结构的形式制备图1(b)中左侧所示的小尺寸的印迹材料，则可如右向箭头所示，从高度交联的基质中除去几乎所有模板分子，由此产生的位点可吸附更多量的模板分子(如左向箭头所示)，能够再次结合模板分子的有效体积可达2x³。因此，纳米印迹材料有望改善印迹材料的结合容量、结合动力学和位点可接近性。(参见D.M.Gao，Z.P.Zhang，M.H.Wu，C.G.Xie，G.J.Guan，D.P.Wang，J.Am.Chem.Soc.129(2007)7859)。

导电聚苯胺(Polyaniline Nanomaterials，PANI)纳米材料由于其导电性可调、环境稳定性良好而得到广泛研究。虽然聚苯胺纳米纤维具有独特的导电特性和较大的表面积，但目前尚未见通过理想的官能化PANI纳米材料合成分子印迹聚合物的报道。

目前，需要一种印迹分子聚合物，希望该分子印迹聚合物具有下列的一种或多种的特性：

选择性或专一性，要求得到的分子印迹聚合物，可选择性地或专一地识别印迹分子；

稳定性，由此得到的分子印迹聚合物具有高度的稳定性和长的使用寿命；

灵敏性，该分子印迹聚合物能够检测出非常低含量的印迹分子；

快捷性，要求能够快速的检测印迹分子；

预定性，可以根据不同的目的制备不同的分子印迹聚合物，以满足各种不同的需要。

发明内容

本发明者经过深入研究后发现：在聚苯胺纳米材料表面导入烯属功能单体，能够得到官能化聚苯胺纳米材料。通过该官能化的聚苯胺纳米材料结合的烯属功能单体，得到在聚苯胺纳米材料表面上的包含模板分子的印迹分子聚合物层，根据需要脱除模板分子形成核-壳结构的聚苯胺-分子印迹聚合物复合物，并由此完成了本发明。通过该核-壳结构的聚苯胺-分子印迹聚合物复合物，形成分子印迹传感器，用于电化学检测设备。

根据本发明的一个技术方案，提供了官能化的聚苯胺纳米材料，包括在聚苯胺纳米材料表面上引入具有不饱和基团的烯属单体层。

根据本发明的另一个技术方案，提供了核-壳结构的分子印迹聚合物复合物，包括将聚苯胺纳米材料用作核，在该聚苯胺纳米材料的表面上，具有壳结构的分子印迹聚合物层。

根据本发明的再一个技术方案，提供了分子印迹传感器，包括施用在电极表面的分子印迹聚合物复合物。

根据本发明的又一个技术方案，提供了电化学检测器，其中包括分子印迹传感器，在该分子印迹传感器的电极上施用了聚苯胺纳米材料-分子印迹聚合物复合物。

附图说明

图1示出脱除模板分子后的有效结合位点在传统印迹材料(a)和纳米印迹材料(b)的表面分子印迹原理的示意图。

图2中图2A～2D是本发明的聚苯胺纳米纤维E-100(A)、E-300(B)、E-500(C)和聚苯胺纳米粒子PANI-NPs(D)的电子显微镜(SEM)图像；图2E是未官能化的PANI(E-100)的SEM图像；图2F是丙烯酰基官能化聚苯胺(3C-FUN-PANI)的电子显微镜图像；图2G是模板分子DNB洗脱前的3C-FUN-PANI-MIP-DNB的电子显微镜图像。

图3中图3A是(a)聚苯胺(PANI)、(b)丙烯酰基官能化聚苯胺(3C-FUN-PANI)和(c)对硫磷印迹的丙烯酰基官能化聚苯胺(3C-FUN-PANI-MIP-对硫磷)的FT-IR光谱；图3B是(a)PANI、(b)3C-FUN-PANI和(c)DNB印迹的丙烯酰基官能化聚苯胺(3C-FUN-PANI-MIP-DNB)的FT-IR光谱；图3C是PANI(a)、丙烯酰基化官能化聚苯胺(3C-FUN-PANI)(b)和戊烯酰基官能化聚苯胺(5C-FUN-PANI)(c)的FT-IR光谱。

图4是PANI(A)、3C-FUN-PANI(B)和3C-FUN-PANI-MIP(C)以20℃的速率从室温升温至800℃的热重分析图(TGA)。

图5示出分子印迹聚合物(MIP)和非分子印迹聚合物(NIP)膜的电化学行为，其中，图5(A)涂敷了DNB的印迹膜(a)、非印迹膜(b)和在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中超声脱除了印迹分子的MIP复合物之后的膜(c)的玻碳电极的线性扫描伏安(DPV)响应；图5(B)涂敷了对硫磷印迹膜(a)、非印迹膜(b)和在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中超声脱除了印迹的MIP复合物之后的膜(c)的玻碳电极的差分脉冲伏安(DPV)响应；图5(C)：涂敷了DNB印迹分子3C-FUN-PANI膜(A)、用DNB印迹5C-FUN-PANI膜(B)、在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中超声洗脱模板分子DNB后的5C-FUN-PANI膜(C)和非印迹膜(D)的玻璃电极的差分脉冲伏安(DPV)响应。

图6是印迹FUN-PANI-MIP传感器对4.0×10^-3mol/L的DNB吸附时间的DPV响应：0.5，1，2，4，6，8，10分钟(a-g)；其中，插图为印迹聚合物对DNB的动力学吸附曲线图。

图7是印迹FUN-PANI-MIP传感器对不同浓度的DNB响应的校准曲线。

图8是DNB印迹传感器和非印迹传感器对4种浓度为4.0×10^-6mol/L的硝基芳香族化合物的选择性吸附的对比图。

图9是比较传统分子印迹材料和纳米聚苯胺分子印迹材料脱除模板DNB的超声时间的响应。其中，图9(A)比较例1的AA-MIP传感器：0、4、8、12、16、24小时(从a至f)；图9(B)实施例4的FUN-PANI-MIP传感器：0、2、4、6小时(从a至d)。

图10是AA-MIP传感器对4.0×10^-3mol/L的DNB在不同的吸附时间的DPV响应：0.5、1、3、4、6、8、10、12、14分钟(从a至h)；插图：印迹聚合物对DNB的吸附动力学图表。

图11是AA-MIP印迹传感器对DNB的响应的校准曲线。

图12显示了FUN-PANIs-MIP和FUN-PANIs-NIPs传感器对硫磷的选择性。

具体实施方式

官能化聚苯胺纳米材料

本发明提供了一种官能化聚苯胺纳米材料，其中聚苯胺纳米材料表面上结合有烯属官能团单体(层)。

在官能化的聚苯胺纳米材料中用到的聚苯胺纳米材料可以是现有技术中已知的聚苯胺纳米材料。例如，Anikumar等开发的用腰果仁行业中的工业废弃物和污染物腰果酚作为掺杂剂、制备聚苯胺纳米纤维的方法(参见P.Anikumar，M.Jayakannan，Langmuir 22(2006)5952)。

适用的聚苯胺纳米材料可以是任何形状，优选为纤维、针状、颗粒、(类)球形等及其混合。该聚苯胺纳米材料的平均直径优选为30-300nm，优选为50-200nm，更优选为100nm以下。其中，“平均直径”是指三维方向上最短维度的平均尺寸。

该聚苯胺纳米材料优选是掺杂的聚苯胺纳米材料。在聚苯胺中，可以掺杂质子酸改善聚苯胺的电化学电容行为。通常，可用来掺杂的质子酸有草酸、柠檬酸等低级有机酸或低级有机多元酸、苯磺酸、萘磺酸等芳烃磺酸。近年来，使用工业废弃物腰果酚或其衍生物作为掺杂剂的技术得到开发并广泛利用。在本发明中，可以直接使用腰果酚，也可以使用由腰果酚衍生的4-(4-磺酸基苯基)偶氮基腰果酚或十二烷基苯磺酸中的任一种。在本发明中，可进行聚合的单体苯胺与掺杂剂，例如腰果酚类，的摩尔比为优选为1,000∶1至10∶1，更优选为300∶1～30∶1，最优选为150∶1～60∶1。

本发明人意外地发现：通过在聚苯胺纳米材料的表面上结合具有不饱和键的单体，形成在聚苯胺纳米材料表面上具有不饱和官能团的官能化的聚苯胺纳米材料。所述不饱和官能团可以以任何方式引入，例如可以通过与聚苯胺纳米材料表面反应而导入。优选，在聚苯胺纳米材料表面上引入具有不饱和基团的烯属单体的方式包括通过共价键或非共价键引入具有不饱和基团的烯属单体，从而在聚苯胺纳米材料的表面上引入不饱和基团，例如乙烯基。

根据一个实施方式，提供了官能化的聚苯胺纳米材料，在聚苯胺纳米材料表面上引入具有不饱和基团的烯属单体层。

在本发明中，对可用于官能化的功能单体，没有特殊限制，只要不对模板分子产生不利反应，可以是任何具有不饱和基团的烯属可聚合单体。功能单体优选(甲基)丙烯基酰类化合物，例如(甲基)丙烯基酰氯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺。该(甲基)丙烯基酰类化合物可以具有烷基或烯基取代基，所述取代基是直链的或是分支的，优选具有8个以下的碳原子。如果碳原子数过大，则不利于提供引入模板分子的聚合反应效率。优选用于官能化的功能单体是丙烯酰氯或4-戊烯酰氯，更优选丙烯酰氯。

根据本发明的一个实施方案，提供了(甲基)丙烯酰基或乙烯基官能化聚苯胺纳米材料。

根据本发明的又一个实施方案，提供了官能化的聚苯胺纳米材料，其中该聚苯胺纳米材料为纳米纤维或纳米颗粒。

根据本发明的再一个实施方案，提供了官能化的掺杂聚苯胺纳米材料，其中用于掺杂的掺杂剂优选为质子酸，例如包括草酸、柠檬酸等低级有机酸或低级有机多元酸、苯磺酸、萘磺酸等芳烃磺酸。用于掺杂的试剂为质子酸，优选选自草酸、柠檬酸、苯磺酸和萘磺酸。对掺杂剂的量，没有特别要求，只要在聚苯胺纳米材料表面形成/接上足以与模板分子、引发剂形成分子印迹聚合物的量即可。

通常，在聚苯胺纳米材料的表面上会形成2-3倍于传统印迹材料洗脱层厚度的分子印迹聚合物层。优选，在聚苯胺纳米材料表面上形成具有单或双层模板分子的分子印迹聚合物层。优选，用于在聚苯胺纳米材料的表面上引入具有不饱和基团的功能单体的量可以基于聚苯胺纳米材料，特别是其中的仲胺的量，进行选择或确定。通常，功能单体的量与聚苯胺材料上的仲胺的量有关系，其比例优选为1∶1(摩尔或重量)，一般聚苯胺纳米材料大概含有50％(摩尔或重量)的仲胺，进而可以确定出功能单体与聚苯胺纳米材料的比例。

该官能化的聚苯胺纳米材料可以用作核，进一步形成分子印迹聚合物壳，得到具有核-壳结构的具有模板分子并可脱出模板分子的分子印迹聚合物复合物。

分子印迹聚合物复合物

以官能化的聚苯胺纳米材料作为核，进一步提供了核-壳结构的分子印迹聚合物复合物，其中在官能化的聚苯胺纳米材料表面上包括分子印迹聚合物层。

该分子印迹聚合物层是通过将官能化的聚苯胺纳米材料，特别是结合在聚苯胺纳米材料表面的烯属基团，与模板分子和交联剂发生聚合反应，而在上述官能化聚苯胺纳米材料表面上形成分子印迹聚合物壳层。

用于分子印迹聚合物复合物的分子印迹聚合物层中的模板分子，可以根据需要进行选自。本发明中，合适的所述模板分子包括，但不限于，硝基苯类化合物或杀虫剂，优选1，3-二硝基苯(DNB)或对硫磷。

优选的模板分子例如有下列化学式1表示的1，3-二硝基苯(DNB)，

〔化学式1〕

或下列化学式2表示的对硫磷(化学名：O，O-二乙基-O-(4-硝基苯基)硫代磷酸酯)。

〔化学式2〕

DNB在有机合成和染料工业中具有广泛的用途，是重要的化工中间体，并且可以用来制造炸药，因此，其安全性问题一种受到密切关注，另外，DNB还具有很高的毒性，是高铁血红蛋白形成剂，容易经皮肤吸收，危害人体健康。

对硫磷则是一种广谱杀虫剂，但因其为高毒类农药，已被国家禁用。其在水体中的浓度等一直受到国家环境监测部门的监测。

因此，开发出灵敏度高、简便有效的DNB和对硫磷分子印迹传感器具有重要的经济利益和社会意义。

为了形成分子印迹聚合物，作为交联剂，可以使用二乙烯基苯或聚甲基丙烯酸酯等，但从所得分子印迹聚合物对模板分子具有高选择性的角度考虑，优选二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)。

聚合优选在引发剂的存在下进行。对在本发明中使用的引发剂无特别限制，例如可以是常用的偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过硫酸铵等，但在使用聚苯胺纳米材料结构的本发明中，所说引发剂优选为过硫酸铵。对引发剂的添加量无特殊限制，但相对于模板分子100重量份，引发剂的添加量最好在20-2000重量份的范围内。

根据一个实施方案，提供了核-壳结构的聚苯胺纳米材料-分子印迹聚合物复合物，其中所述复合物是通过官能化的聚苯胺纳米材料、模板分子和交联剂聚合得到的，所述模板分子选自1，3-二硝基苯和对硫磷。

根据另一个实施方案，提供了核-壳结构的聚苯胺纳米材料-分子印迹聚合物复合物，其中所述复合物是通过官能化的聚苯胺纳米材料、模板分子和交联剂聚合得到的，其中所述分子印迹聚合物复合物包括脱出模板分子的孔穴，且其中模板分子选自1，3-二硝基苯和对硫磷。

分子印迹传感器和电化学检测设备

本发明还涉及一种分子印迹传感器，其是聚苯胺纳米材料-分子印迹聚合物涂布在分子印迹传感器电极上，在需要的时候，脱出分子印迹聚合物中的模板分子而形成的用于识别样品中的模板分子的电极。

所述分子印迹传感器中，模板分子优选为1，3-二硝基苯(DNB)或对硫磷。

本发明还涉及一种电化学检测设备，包含涂布了聚苯胺纳米材料-分子印迹聚合物层的电极的传感器。

本发明还提供一种电化学检测设备，其具有由本发明的分子印迹聚合物形成的传感器。

所述电化学检测设备通常由电极表面上涂布有本发明的分子印迹聚合物的传感器、电化学检测器、数据处理器和电子显示屏组成。

所述电子显示屏优选为由发光二极管(LED)制成。

制备方法

本发明还涉及一种分子印迹聚合物的制备方法，它是在优选掺杂的聚苯胺纳米材料上导入不饱和官能团。

然后，将模板分子、聚苯胺纳米材料-功能单体和交联剂聚合而在聚苯胺纳米材料上形成分子印迹聚合物层。

根据一个实施方案，本发明的分子印迹聚合物的制备方法是，首先在掺杂的聚苯胺纳米材料上导入(甲基)丙烯酰基或乙烯基官能团得到聚苯胺纳米材料-(甲基)丙烯酰基或乙烯基单体，然后将模板分子、聚苯胺纳米材料-(甲基)丙烯酰基或乙烯基单体和交联剂聚合，在聚苯胺纳米材料上形成分子印迹聚合物层。优选，聚合反应在引发剂的存在下进行。

在本发明的分子印迹聚合物的制备方法中，脱出模板分子的过程中，优选使用稀释剂。所述稀释剂例如可以使用乙醇、己醇、环己醇等醇类、乙醚等醚类、甲苯等芳香族类、三氯甲烷等卤化烃类、二甲基甲酰胺等极性非质子类溶剂。从模板分子容易溶解的角度考虑，对于模板分子DNB，所述稀释剂优选为乙醇、乙醚和甲苯，对于对硫磷，所述稀释剂优选为二甲基甲酰胺。稀释剂的添加量通常为模板分子摩尔量的2～200倍。如果低于2倍，则不能有效地起到稀释作用，有可能无法在聚合物链上形成足够的识别位点，而如果添加量大于200倍，则形成的分子印迹聚合物的耐压性不够。

根据本发明，本发明者开发了一种新的分子印迹技术，它能够通过表面分子印迹技术合成对硫磷和DNB印迹的官能化聚苯胺纳米纤维传感器。本发明的特点在于，在聚苯胺纳米纤维表面导入不饱和，优选烯属基团(功能单体)，该烯属基团官能化的聚苯胺纳米材料、对硫磷或DNB优选在引发剂的存在下诱导功能性单体和交联剂的聚合。本发明的方法不仅在分子印迹技术方面能够产生许多新的应用，而且可以在聚苯胺纳米材料上形成各种官能性涂层。

根据本发明，在掺杂的聚苯胺纳米纤维表面导入具有烯属基团的功能单体，与传统分子印迹方法比较，能够诱导印迹聚合选择性发生，从而能够得到热稳定性、模板分子吸附动力学、选择性、重现性和稳定性更加优异的分子印迹传感器，并能够非常令人满意地测定痕量的模板分析。

实施例

下面通过实施例对本发明作更具体地说明，但这些实施例不应认为是对本发明范围的限制。

试剂和材料

在下面的实施例中，作为反应试剂使用的1，3-二硝基苯(DNB)、对硫磷(O，O-二乙基-O-(4-硝基苯基)硫代磷酸))、2，4，6-三硝基甲苯(TNT)(1mg/mL乙腈溶液)、1，3，5-三硝基苯(TNB)、2，4-二硝基甲苯(DNT)，丙烯酰胺(AA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、偶氮二异丁腈(AIBN)和丙烯酰氯购自Sigma-Aldrich Chemical Co.，USA。

腰果酚是通过按M.L.Santos，G.C.Magabhaes，J.Braz.Chem.Soc.10(1999)13的方法在3-4mm汞柱(400-533Pa)的条件下双真空蒸馏而进行纯化并收集220-235℃的馏分而得到的。

其他化学试剂都是分析纯，购自Sinopharm Chemical Regent Co.，Ltd。

磷酸缓冲液(PBS 7.0)是由双蒸馏水配制的NaH₂PO₄和Na₂HPO₄制备。

仪器和测量

所有电化学实验在室温下用CHI 832B分析仪(美国CH Instruments公司产品)进行，使用以玻碳电极(直径＝3mm；日本Bioanalytical system公司产品)为工作电极、饱和甘汞电极(SCE)(江苏电分析仪器厂产品)为参比电极、铂丝为对电极的传统的三电极系统。支持电解质均为磷酸缓冲溶液(PBS 7.0)，在各实验之前通过吹入氮气(N₂99.99％)而彻底去氧。

FT-IR光谱使用NEXUS 470型傅立叶变换红外光谱仪(Thermo Nicolet公司产品)，通过KBr法进行测定。

样品的形态结构用HITACHI S-4800扫描电子显微镜(日本Hitachi公司产品)测定。

热重分析(TGA)采用TGA851e/SF/1100型热分析仪(瑞士Mettler Toledo公司产品)进行，在空气中以20℃/分钟的速率从室温加热至规定温度。

实施例1A  掺杂的聚苯胺纳米纤维E-100、E-300和E-500的合成

聚苯胺纳米纤维的合成通过对Anikumar等的方法(P.Anikumar，M.Jayakannan，Langmuir 22(2006)5952)进行改良而实施。具体合成步骤如图式1所示。

图式1：

掺杂剂的合成

聚苯胺纳米纤维的制备

1)掺杂剂的合成

将含磺胺酸(0.036mol)和碳酸钠(0.016mol)的水溶液60mL加热至60～70℃，然后冷却至5℃，加入含亚硝酸钠(0.032mol)的水溶液6mL。将所得溶液倾入含浓盐酸6.0mL的冰40g中，在5℃搅拌30分钟，然后加入到含氢氧化钠(0.09mol)和腰果酚9mL(0.03mol)的水溶液30mL的烧瓶中，在冰冷却状态下搅拌3小时。用30mL浓盐酸在60g冰中的混合物进行中和。将沉淀物水洗，重结晶纯化，得到掺杂剂4-(4-磺酸基苯基)偶氮基腰果酚(产率为89.6％)。

2)掺杂的聚苯胺纳米纤维(PANI)的合成

将上述所得掺杂剂0.053g(0.11mmol)溶解在20mL水中，在30℃搅拌1小时。加入11mmol苯胺，在30℃搅拌1小时。然后再加入过硫酸铵水溶液(1.1mol/L，10mL)，在5℃搅拌1小时。将生成的绿色产物在5℃静置15小时。滤取固体，用水、甲醇和乙醚依次洗涤，在60℃真空干燥箱干燥48小时。得到产物E-100。

用NEXUS 470型傅立叶变换红外光谱仪测定所得产物E-100的FT-IR光谱，结果见图3A和3B中的曲线a。从曲线a中可观察到在1302，1037和815cm^-1有吸收峰，可分别归属于O＝S＝O(sym)、聚合物链与掺杂剂之间的NH⁺SO₃ ^-相互作用以及S-O伸缩振动。这些吸收峰表明，掺杂剂成功掺杂在聚苯胺中。

用扫描电子显微镜(SEM)观察所得聚合物PANI的形态结构。结果见图2A。图2A示出所得聚合物PANI为一簇直径约50-100nm的高度均匀的纳米纤维。

由此可以确认，通过上述制备方法，最终得到了腰果酚掺杂的聚苯胺纳米纤维。

另外，按与上述同样的方法分别制备掺杂的聚苯胺纳米纤维E-300和E-500，所不同的是，在上述方法中，苯胺的添加量分别为33mmol和55mmol。

用扫描电子显微镜观察腰果酚掺杂的聚苯胺纤维E-300和E-500，结果示于图2B和2C。与E-100相比，E-300和E-500的结构的规则性劣于E-100，直径在100-200nm的范围内。

实施例1B  掺杂的聚苯胺纳米粒子PANI-NPs的合成

按下面的图式2所示，用十二烷基苯磺酸(DBSA)作为掺杂剂，合成聚苯胺纳米粒子(PANI-NPs)。

图式2：聚苯胺纳米粒子PANI-NPs的制备

聚合在20℃的恒温槽中进行。将等摩尔量(0.13摩尔)的苯胺和DBSA加入到100mL水中，在圆底烧瓶中机械搅拌1小时。然后滴加100mL的1.3M过硫酸铵，形成乳白色苯胺/DBSA溶液。聚合反应2.5小时后，得到深绿色分散液。将该分散液用分子量截值为12000的透析膜(D25mm，载流范围8000-14000，Sigma公司)在Milli-Q水(超纯水)中透析48小时。透析后，将该分散液以10000rpm的速率离心10分钟。滗去上澄液，在沉淀的固体中加入约100mL的Milli-Q水并振荡，使固体再分散。然后在10000rpm离心10分钟，重复4次，以除去DBSA。得到聚苯胺纳米粒子PANI-NPs。

用扫描电子显微镜(SEM)观察PANI-NPs的表面结构。结果示于图2D。图2D显示，PANI-NPs的直径约为300nm，非纤维状，不规则。

实施例2官能化聚苯胺(FUN-PANI)的合成

按图式3所示合成丙烯酰基官能化聚苯胺纳米纤维。

图式3：聚苯胺纳米纤维的丙烯酰基官能化

将由实施例1A得到的腰果酚掺杂的聚苯胺纳米纤维E-100(0.37g)悬浮在三乙胺(4mmol)和二甲基亚砜(DMSO，10mL)的混合液中，冰浴中搅拌。用45分钟滴加丙烯酰氯(4mmol)，除去冰浴，将混合物在室温搅拌4小时。滤取所得产物，用苯洗涤，重结晶纯化，真空干燥箱中干燥8小时，得到具有丙烯酰基(3C)侧基的丙烯酰基官能化聚苯胺纳米纤维3C-FUN-PANI。

用NEXUS 470型傅立叶变换红外光谱仪测定3C-FUN-PANI的FT-IR光谱，结果见图3A和3B中的曲线b。从曲线b中可观察到在1726cm^-1(C＝O)和1601cm^-1(C＝C)有特征性伸缩振动峰，表明由丙烯酰氯(CH₂＝CHCOCl)导入的羰基和烯键的存在。

用扫描电子显微镜(SEM)观察3C-FUN-PANI的形态结构。结果见图2F(图2E是作为对照的未用丙烯酰氯进行官能化的PANI(E-100)的SEM图像)。图2F显示，用CH₂＝CHCOCl进行了官能化后，PANI的SEM图像发生显著变化。由于新导入的丙烯酰基的存在，FUN-PANI图像变得模糊了。

另外，在上述方法中用4-戊烯酰氯代替丙烯酰氯，合成具有4-戊烯酰基(5C)侧基的官能化聚苯胺纳米材料(5C-FUN-PANI)。

用NEXUS 470型傅立叶变换红外光谱仪测定5C-FUN-PANI的FT-IR光谱，结果见图3C中的曲线c。从曲线c中可观察到在1719cm^-1(C＝O)和1624cm^-1(C＝C)有特征性伸缩振动峰，表明由戊烯酰基CH₂＝CHCH₂CH₂COCl导入的羰基和烯键的存在。

实施例3丙烯酰基官能化聚苯胺纳米纤维分子印迹聚合物 (FUN-PANI-MIP)的合成

按图式4所示，分别用1，3-二硝基苯(DNB)和对硫磷作为模板，合成丙烯酰基官能化聚苯胺纳米纤维DNB分子印迹聚合物(FUN-PANI-MIP-DNB)和对硫磷分子印迹聚合物(FUN-PANI-MIP-对硫磷)。

图式4：

FUN-PANI-MIP-DNB的合成

FUN-PANI-MIP-对硫磷的合成

在烧瓶中加入15mL乙腈和25mL甲苯，并再加入由实施例1得到的3C-FUN-PANI 0.04g，搅拌并用N₂吹拂。再加入溶解在N，N-二甲基甲酰胺(3mL)中的作为模板分子的1，3-二硝基苯(DNB)0.1mmol和丙烯酰胺(AA)0.5mol，搅拌30分钟。在70℃加入二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)2.5mmol和偶氮二异丁腈(AIBN)15mg，反应12小时。离心收集所得产物，用乙醇洗涤。用甲醇和乙酸(9∶1，v/v)洗提分子印迹化合物，直至用电化学方法检测不出DNB。将所得聚合物用乙醇清洗，在真空干燥器中干燥24小时，得到DNB印迹的分子印迹聚合物(3C-FUN-PANI-MIP-DNB)。

在上述方法中用4-戊烯酰氯代替丙烯酰氯，得到DNB印迹的分子印迹聚合物(5C-FUN-PANI-MIP-DNB)。

按与上述相同的方法制备对硫磷印迹的分子印迹聚合物(3C-FUN-PANI-MIP-对硫磷)，所不同的是，用对硫磷代替DNB。

用NEXUS 470型傅立叶变换红外光谱仪测定聚合反应后、模板分子对硫磷和DNB脱除之前的分子印迹聚合物的FT-IR光谱，结果分别见图3A和3B中的曲线c。图3A中的曲线c显示，对硫磷印迹的丙烯酰基官能化聚苯胺(3C-FUN-PANI-MIP-对硫磷)在1539和1391cm^-1附近有基于N＝O伸缩振动的特征峰。图3B中的曲线c显示，DNB印迹的FUN-PANI在1500和1300cm^-1附近有N＝O的特征峰。DNB印迹的戊烯酰基官能化聚苯胺(5C-FUN-PANI-MIP-DNB)的FT-IR光谱(图3C中的曲线c)显示与3C-FUN-PANI-MIP-DNB基本相同的结构特征。

这些结果清楚地表明，丙烯酰基被导入到PANI表面，且对硫磷和DNB被成功地印迹到分子印迹聚合物中。

另外，用扫描电子显微镜(SEM)观察上述官能化聚苯胺分子印迹聚合物(3C-FUN-PANI-MIP)洗脱模板分子DNB前的形态结构。结果见图2G。图2G显示，加入交联剂EGDMA并进行聚合反应后，所得到的3C-FUN-PANI印迹聚合物(3C-FUN-PANI-MIP)具有更密实的表观结构，高度交联，但仍可观察到一些微孔的存在，这更利于模板分子吸附到空穴里面。

对洗脱模板分子对硫磷前的上述官能化聚苯胺分子印迹聚合物(3C-FUN-PANI-MIP)的形态结构作同样的扫描电子显微镜(SEM)观察，结果与上述DNB印迹的官能化聚苯胺的情况基本相同。

另外，作为后述比较实验中使用的对照，用相同方法制备了不加入模板分子DNB或对硫磷的非印迹聚合物3C-FUN-PANI-NIP。

实施例4分子印迹电极(传感器)的制作

用0.05μ氧化铝膏将玻璃碳电极抛光后，用二次蒸馏水冲洗，然后依次在1∶1硝酸、1mol/L氢氧化钠、丙酮和二次蒸馏水中作超声波清洗。将由上述实施例3得到的MIP-对硫磷1mg和作为粘合剂的1mg/mL壳聚糖(0.5mL)混合，粘合在电极上。将4μL混合物滴加在玻碳电极表面。干燥20分钟后，所得修饰电极用二次蒸馏水清洗。不使用时，电极保存在4℃的PBS缓冲液(0.1M，pH 7.0)中。

用同样的方法，分别使用由实施例3得到的3C-FUN-PANI-MIP-DNB和3C-FUN-PANI-NIP制备DNB印迹电极和NIP电极。

实施例5热重量分析(TGA)测定

用TGA--851e/SF/1100型热分析仪(瑞士Mettler Toledo公司产品)测定由实施例1得到的PANI(E-100)、由实施例2得到的3C-FUN-PANI和由实施例3得到的已脱除模板分子DNB的3C-FUN-PANI-MIP的热稳定性。TGA测定通过在空气中以20℃/分钟的速率从室温加热至800℃来进行。图4A显示，PANI在200℃开始分解，这表明，其在实践中完全能够用作传感器材料。图4B显示，PANI经过官能化反应后，所生成的FUN-PANI的分解温度不变。图4C显示，3C-FUN-PANI-MIP的起始分解温度约为330℃。因此，新的分子印迹聚合物(3C-FUN-PANI-MIP)具有良好的热稳定性。

实施例6分子印迹聚合物(MIP)膜和非分子印迹聚合物(NIP)膜 的电化学行为

使用CHI 832B分析仪(美国CH Instruments公司产品)，在0.1mol/L PBS缓冲液(pH7.0)中检测由实施例4得到的涂敷有DNB印迹膜或非印迹膜的电极的线性扫描伏安特性。电势扫描范围为-0.2V至-0.8V，扫描速率为100mV/s。

图5A是三种玻碳电极的线性扫描伏安图，其中，a是涂敷了DNB印迹膜的玻碳电极的曲线，b是涂敷了非印迹膜(b)的玻碳电极的曲线，c是涂敷了DNB印迹MIP复合物(FUN-PANI-MIP-DNB与壳聚糖的复合物)在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中超声脱除了模板分子DNB之后的膜的玻碳电极的曲线。

由于电化学测定是在无DNB的溶液中进行的，因此，图5A-a中在-0.46V和-0.64V左右出现显著的线性扫描伏安(LSV)反应峰应该完全归因于包埋在复合物内的DNB。

图5A-c显示，在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)中超声波脱除DNB之后，印迹膜的线性扫描伏安曲线中对应前述二个反应峰的电流明显减少。这表明，DNB被有效地除去了。

图5A-b中，作为对照的3C-FUN-PANI-NIP膜未观察到任何反应峰。

另外，使用CHI 832B分析仪(美国CH Instruments公司产品)，在0.1mol/L PBS缓冲液(pH 7.0)中检测由实施例4得到的涂敷有对硫磷印迹膜或非印迹膜的电极的差分扫描伏安特性。电势扫描范围为-0.2V至-1.0V，扫描速率为100mV/s。

图5B是三种玻碳电极的差分脉冲伏安图，其中，a是涂敷了对硫磷印迹膜的玻碳电极的曲线，b是涂敷了非印迹膜(b)的玻碳电极的曲线，c是涂敷了印迹MIP复合物(FUN-PANI-MIP-对硫磷和壳聚糖的复合物)在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中超声脱除了模板分子对硫磷之后的膜的玻碳电极的曲线。

由图5B-a可知，由于对硫磷同样含有硝基，因此，其在-0.6V附近(相对于饱和甘汞电极)显示出由硝基苯基还原为羟基胺而产生的还原峰。

另从图5B可知，与曲线a相比，曲线b和c在约-0.60V左右的反应峰消失。

用与上述同样的测定方法，对由上述实施例4得到的涂布有DNB印迹的3C-FUN-PANI印迹膜和通过用与上述实施例4同样的方法得到的DNB印迹的5C-FUN-PANI印迹膜的玻璃电极的差分脉冲伏安(DPV)响应进行比较，结果见图5C。其中，A是涂敷了DNB印迹3C-FUN-PANI膜的曲线、B是DNB印迹5C-FUN-PANI膜的曲线、C是在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中超声洗脱模板分子DNB后的5C-FUN-PANI膜的曲线，D是非印迹的膜的曲线。由曲线A和B可知，随着碳链的伸长，DNB的峰电流下降，表明较长的碳链对模板聚合效率不利。另外，曲线C显示，在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)溶液中超声脱除DNB后，印迹膜的DPV的二个峰均显示明显的电流下降(脱除模板分子DNB后的3C-FUN-PANI膜也给出同样的结果。图中未示出)。这表明，DNB被有效除去。作为比较，用由实施例4得到的非印迹(未加入模板分子DNB)的3C-FUN-PANI膜作同样测定，结果见图4D。图4D显示，未观察到响应电流。

上述电化学行为表明，DNB和对硫磷被成功地印迹到FUN-PANI-MIP复合物中，良好地显示出还原峰，从而可以方便地用来对其定量检测。

实施例7印迹FUN-PANI-MIP传感器对DNB的吸附动力学

将由实施例4得到的DNB印迹电极(传感器)浸没在DNB浓度为4.0×10^-3mol/L的PBS水溶液(0.1M，pH7.0)中，以0～10分钟的不同时间进行磁力振荡。然后将电极用水漂洗30秒钟。再将电极移入新鲜配制的0.1mol/L PBS(pH 7.0)缓冲液中，记录差分脉冲伏安(DPV)。结果示于图6。结果显示，本发明的DNB印迹传感器具有快速吸附动力学：在短短的1分钟的振荡期间内实现74.9％的模板分子的结合，并且在6分钟内基本达到吸附平衡。这表明，在本发明的DNB印迹传感器中，通过采用表面印迹法，大大地促进了模板分子向结合位点的扩散，从而使得本发明的DNB印迹传感器能够用于在线检测。

实施例8印迹传感器对不同浓度的DNB响应的线性关系研究

在约-0.68V的还原峰电势测定由实施例4得到的DNB印迹电极(传感器)，使用CHI 832B分析仪(美国CH Instruments公司产品)，在0.1mol/LPBS缓冲液(pH 7.0)中，采用差分脉冲伏安的检测技术，对不同浓度的DNB的磷酸缓冲溶液进行检测，结果见图7。图7显示DNB在8.8×10^-7～1.6×10^-5mol/L的范围内，浓度与响应电流之间存在着良好的线性关系。相关系数(R²)为0.9959。传感器的检测极限为2.9×10^-7mol/L，信噪比(S/N)为3。

实施例9印迹传感器对DNB的选择性研究

按与实施例8相同的方法，测定由实施例4得到的DNB印迹传感器和非印迹传感器对浓度各为4.0×10^-6mol/L的1，3-二硝基苯(DNB)和与其在结构上非常近似的2，4-二硝基甲苯(DNT)、1，3，5-三硝基苯(TNB)及2，4，6-三硝基甲苯(TNT)的吸附容量。结果见图8。

图8结果显示，印迹传感器对DNB的还原电流值高于其他3种化合物，而非印迹聚合物的吸附容量几乎相同。

上述结果表明，由于DNB与功能性单体所形成的聚合高分子化合物的空腔的刚性结构及其特定的功能基团的特性，使得DNB印迹传感器对DNB具有高选择性。

实施例10印迹传感器的重现性和稳定性研究

将由实施例4得到的DNB印迹传感器在DNB浓度为4.0×10^-6mol/L的磷酸缓冲溶液(0.1M，pH7.0)中进行8次并行检测。结果，相对标准偏差(RSD)为5.6％，表明DNB印迹传感器的重现性良好。

另外，将DNB印迹传感器在4℃的PBS缓冲液(0.1mol/L，pH 7.0)中保存10日后，在上述DNB溶液中进行检测，其响应电流由原来的64nA变为61nA，仍可达到初始电流的95％。表明DNB印迹传感器稳定性良好。

实施例11.分子印迹传感器的选择性

图12给出了模板分子为对硫磷时的FUN-PANIs-MIPs和FUN-PANIs-NIPs(未使用模板分子的功能化聚苯胺-分子印迹聚合物)传感器对具有类似结构的对硫磷(parathion)，对氧磷(paraoxon)，甲基对硫磷(parathion-methyl)，吡虫啉(imidacloprid)，敌稗(Propanil)和敌草隆(diuron)的干扰杀虫剂(interferent pesticides)的选择性。根据该图12显示，FUN-PANIs-MIPs对对硫磷的电流响应远高于其他杀虫剂，而FUN-PANIs-NIPs对对硫磷和其他杀虫剂的电流响应几乎相同。

根据该图12，可以看到使用对硫磷作为模板分子时，FUN-PANIs-MIPs对对硫磷的选择性的数量级远高于其他杀虫剂，且远高于FUN-PANIs-NIPs的结果。

比较例1

1)传统的AA-MIP传感器的制备

按与实施例1A和实施例4相同的方法，制备DNB印迹AA-MIP传感器，所不同的是，在实施例1A的方法中，分别用丙烯酰胺(AA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、偶氮二异丁腈作为印迹聚合用的功能单体、交联剂和引发剂，不加入实施例1A中的官能化的聚苯胺纳米材料(FUN-PANI)。

2)印迹传感器中模板分子DNB的超声脱除时间比较

将上述DNB印迹AA-MIP传感器在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中用不同的时间超声脱除模板分子(功率为40KHz)，并对由实施例4得到的DNB印迹FUN-PANI-MIP进行同样处理。

将经过超声脱除处理的印迹传感器按实施例7中记载的方法，用CHI832B分析仪测定传感器中DNB印迹聚合物在0.1M磷酸缓冲液(PBS 7.0)中的DPV，测定的电势范围为-0.2V～-1.0V。图9A和图9B分别示出上述DNB印迹AA-MIP传感器和由实施例4得到的DNB印迹FUN-PANI-MIP的DPV分析结果。图中，可观察到清晰的DNB的还原峰电流。由于电化学测定是在无DNB溶液中进行的，这意味着还原峰电流是完全来源于包埋在聚合物材料中的DNB。

图9A显示，在甲醇/乙酸(9∶1，v/v)混合液中24小时超声脱除DNB后，上述AA-MIP传感器中的印迹膜的二个电流峰呈明显的下降。另一方面，图9B显示，由实施例4得到的DNB印迹FUN-PANI-MIP传感器则只需6小时就被完全脱除。

3)印迹传感器对DNB的吸附动力学比较

与实施例7相同，将上述DNB印迹AA-MIP传感器浸渍在DNB浓度为4.0×10^-3mol/L的磷酸缓冲溶液(0.1M，pH7.0)中，以0～14分钟的不同时间进行磁力振荡。然后将电极用水漂洗30秒钟。再将电极移入新鲜配制的0.1mol/L PBS缓冲液中，测定差分脉冲伏安(DPV)。结果示于图10。图10的结果显示，在1分钟的振荡期间内，结合率为48.6％，吸附平衡几乎在10分钟内完成。

另一方面，在前面的实施例7中，印迹FUN-PANI-MIP传感器在短短的1分钟的振荡期间内实现74.9％的结合，并且在6分钟内基本达到吸附平衡。这表明，本发明的纳米结构的官能化聚苯胺分子印迹聚合物能够更好地促进模板向结合位点的扩散，从而可应用于在线检测。

4)MIP传感器对DNB响应的线性关系比较

与实施例8中记载的方法类似，将上述印迹AA-MIP传感器在DNB浓度为8.8×10^-6～3.17×10^-4mol/L的范围内测定其响应电流，还原峰电势约为-0.56V。结果见图11。由图11所示结果计算得知，DNB浓度与响应电流之间存在着良好的线性关系，相关系数(R²)为0.9942。另一方面，在前面的实施例8中，由实施例4得到的FUN-PANI-MIP印迹传感器在DNB浓度为8.8×10^-7～1.6×10^-5mol/L的范围内的DNB浓度与响应电流的相关系数(R²)则为0.9959，略高于AA-MIP印迹传感器。

以上公开的具体实施方式和实施例只是对本发明的举例说明，这些说明不应认为是对本发明的限定。本领域的技术人员明白，在权利要求书所定义的本发明的实质和范围内对本发明的具体实施方式进行各种变更和修改是可能的，这些变更和修改应该认为是在本发明的范围内的。

Claims (21)

1.一种官能化聚苯胺纳米材料，包括共价或非共价结合在聚苯胺纳米材料表面上的烯属功能单体或烯属功能单体层。

2.根据权利要求1所述的官能化聚苯胺纳米材料，其中，所述聚苯胺材料是掺杂的聚苯胺纳米材料。

3.根据权利要求1所述的官能化聚苯胺纳米材料，其中，所述聚苯胺纳米材料为纳米纤维或纳米颗粒，所述纳米材料的平均直径为50-200nm。

4.根据权利要求2所述的官能化聚苯胺纳米材料，其中，用于掺杂的试剂为质子酸，选自草酸、柠檬酸、苯磺酸和萘磺酸。

5.根据权利要求2所述的官能化聚苯胺纳米材料，其中，所述烯属功能单体选自(甲基)丙烯酸类单体。

6.一种核-壳结构的分子印迹聚合物复合物，其中，权利要求1-5中任一项的聚苯胺纳米材料用作核，在聚苯胺纳米材料的表面上，包括作为壳结构的分子印迹聚合物层。

7.根据权利要求6所述的分子印迹聚合物复合物，其中，所述作为壳结构的分子印迹聚合物层是通过在聚苯胺纳米材料表面上的烯属基团、模板分子、交联剂发生聚合反应形成的聚合物。

8.根据权利要求7所述的分子印迹聚合物复合物，其中，所述模板分子为硝基苯类化合物或杀虫剂。

9.根据权利要求7所述的分子印迹聚合物复合物，其中，所述模板分子为1，3-二硝基苯或对硫磷。

10.根据权利要求7所述的分子印迹聚合物复合物，其中，所述交联剂选自二乙烯基苯和聚甲基丙烯酸酯，优选二甲基丙烯酸乙二醇酯。

11.根据权利要求7所述的分子印迹聚合物复合物，其中，在所述聚合反应中还包括引发剂。

12.根据权利要求6-11中任一项所述的分子印迹聚合物复合物，其中，在分子印迹聚合物层中脱除了模板分子。

13.根据权利要求6-11中任一项所述的分子印迹聚合物复合物，其中，所述聚苯胺纳米材料是掺杂的聚苯胺纳米材料。

14.一种分子印迹传感器，包括电极，在该电极表面施用权利要求6-13中任一项所述的分子印迹聚合物复合物。

15.根据权利要求14的分子印迹传感器，其中在电极上的所述分子印迹聚合物复合物为膜的形式。

16.一种电化学检测设备，其中包括权利要求14或15所述的分子印迹传感器。

17.权利要求6-13的分子印迹聚合物复合物的制备方法，包括下列步骤：

在聚苯胺纳米材料上引入不饱和基团得到聚苯胺纳米材料-烯属官能单体，

将聚苯胺纳米材料-烯属官能单体、模板分子和交联剂进行聚合反应而在聚苯胺纳米材料上形成分子印迹聚合物层。

18.根据权利要求17的方法，其中，在引发剂的存在下，进行所述聚合反应。

19.根据权利要求17或18的方法，将分子印迹聚合物层中的模板分子洗脱，在分子印迹聚合物层中形成孔穴。

20.根据权利要求19的方法，用于洗脱分子印迹聚合物层中的模板分子的试剂为甲醇/乙酸洗脱剂。

21.根据权利要求20的方法，其中甲醇/乙酸洗脱剂中甲醇：乙酸为1∶9-9∶1(v/v)。

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