CN103675050A

CN103675050A - 甲基对硫磷分子印迹电化学传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103675050A
Application number: CN201310702806.0A
Authority: CN
Inventors: 法焕宝; 毛亚丽; 杜艳秋; 尹伟; 成艳梅; 侯长军; 霍丹群; 罗小刚
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种甲基对硫磷分子印迹电化学传感器及其制备方法。该传感器包括玻碳电极，在玻碳电极上覆盖羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层，在所述羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层上具有与甲基对硫磷分子对应的分子印迹孔穴。其制备方法包括羧基石墨烯-纳米金复合材料的合成、用石墨烯-纳米金复合材料修饰玻碳电极、形成甲基对硫磷分子印迹膜板、去除甲基对硫磷分子印迹膜板分子四个步骤。通过电化学性能测试，本发明甲基对硫磷分子印迹传感器的灵敏度较高，用甲基对硫磷溶液浓度为4×10^-8mol.L^-1与浓度为0对比，电流曲线发生了明显变化，实现了对低浓度甲基对硫磷进行微痕量检测。

Description

甲基对硫磷分子印迹电化学传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于分子印迹电化学传感器技术领域，具体涉及一种甲基对硫磷分子印迹电化学传感器及其制备方法。

背景技术

甲基对硫磷是一种典型高效的有机磷酸酯类农药，具有高毒、剧毒等特点，被广泛作用于农业杀虫剂。目前我国农药的生产仍以杀虫剂为主，农药的使用量尤其广泛，就作物而言，我国单位面积农药用量最大的占农作物播种面积10％的蔬菜，而蔬菜中农药残留问题最为严重。由于我国农药现实的生产、使用状况，每年因食用蔬菜而中毒的时间更是屡见不鲜。另外，农药的非法使用导致其他食品安全事件时有发生，据中国农科院的一项统计资料表明，有机氯和拟除虫类没有或略超过国家最大残留限量标准，不是造成蔬菜产品农药残留超标的主要原因。目前造成蔬菜质量安全问题的主要原因是有机磷和氨基甲酸酯类农药，蔬菜中农药残留超标的主要是农药品种是使用了国家禁止在蔬菜上应用的高毒农药。农药残留问题不仅严重影响国民的身体健康，而且对我国农产品出口产生了巨大冲击。因此，发展高灵敏度、高选择性、快速、可靠、低成本的农药残留分析方法显得极为重要。

目前广泛用于检测农药残留的技术手段利用实验室常规大型仪器分析，主要包括气相色谱或气相色谱法-质谱联用技术（GC-MS）、高效液相色谱法(HPLC)、高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)毛细管电泳与质谱联用（CE-MS）、多级质谱联用法等。现有检测方法的选择性差、检测仪器昂贵成本高、样前处理要求高，不易于推广和现场测定缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种甲基对硫磷分子印迹电化学传感器，它对甲基对硫磷溶液的甲基对硫磷的选择识别性好，检测灵敏度高。本发明还提供一种甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的制备方法。

要解决上述技术问题，本发明提供一种甲基对硫磷分子印迹电化学传感器，它包括玻碳电极，在玻碳电极上覆盖羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层，在所述羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层上具有与甲基对硫磷分子对应的分子印迹孔穴。

上述甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的制备方法包括以下步骤：

1、羧基石墨烯-纳米金复合材料的合成

取定量的羧基石墨烯溶于HAuCl₄，超声震荡直至得到悬浊液，向悬浊液中缓慢加入NaBH₄作为还原剂还原Au，并用搅拌子不断搅拌反应液，将反应液与合成的复合材料通过离心分离，移除上层清液再用去离子水洗涤下层的复合材料数次，再转至真空烘箱中烘干，即得到羧基石墨烯-纳米金的复合材料；

2、用石墨烯-纳米金复合材料修饰玻碳电极

将玻碳电极的预处理，再将羧基石墨烯-纳米金的复合材料溶于DMF中，配制其浓度为1.0～1.5mg.mL^-1，取上述混合液 4μL～10μL涂于打磨抛光干净的玻碳电极表面上，让其自然晾干；

3、形成甲基对硫磷分子印迹膜板

将甲基对硫磷分子印迹液5μL～10μL均匀的滴涂在步骤2制得的石墨烯-纳米金复合材料修饰的玻碳电极上，将其置于真空烘箱内热聚合20小时以上；

4、去除甲基对硫磷分子印迹膜板分子

用体积比为1：9的乙酸甲醇混合为洗脱液，采用磁力搅拌，洗脱时间至少3min；并以K₃[Fe(CN)₆]和KCl为背景溶液作循环伏直至峰电流不再变化，确定模板分子被完全洗脱。

通过电化学性能测试，本发明甲基对硫磷分子印迹传感器的灵敏度较高，甲基对硫磷溶液浓度为4×10^-8 mol.L^-1与浓度为0对比，电流曲线发生了明显变化，实现了对低浓度甲基对硫磷进行微痕量检测。

对甲基对硫磷分子印迹传感器电化学性能的测试包括：

（1）循环伏安法检测：选用几种不同的甲基对硫磷电化学传感器，作为上述甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的对比，以这些电化学传感器为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂丝为对电极；并以5mMK₃[Fe(CN)₆]以及0.1 mol.L^-1KCl的混合液为背景溶液，采用CV法对工作电极进行检测，获得对比的测试曲线。

（2）差分脉冲法检测：用DPV法对不同浓度的甲基对硫磷进行检测，以PBS为背景液，配制甲基对硫磷溶液，浓度范围在10^-8mol.L^-1～10^-6 mol.L^-1，取0、2×10^-8 mol.L^-1、4×10^-8 mol.L^-1、8×10^-8 mol.L^-1、2×10^-7mol.L^-1、4×10^-7mol.L^-1、8×10^-7mol.L^-1、2×10^-6mol.L^-1、4×10^-6mol.L^-1、8×10^-6mol.L^-1条件下，测试上述甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的电流响应的线性关系。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为不同电极在5×10^-3 mol.L^-1 K₃[Fe(CN)₆]以及0.1 mol.L^-1KCl的混合液中的循环伏安图；

图2为本发明的电化学传感器以PBS为背景液，浓度检测范围在10^-8 mol.L^-1～10^-6mol.L^-1的甲基对硫磷差分脉冲图。

图1中：a石墨烯/纳米金复合材料电极；

b裸玻碳电极；

c去除模板分子印迹电极；

d去除模板分子后与2×10^-5 mol.L^-1甲基对硫磷重新结合的印迹电极；

e非分子印迹电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的构思是：采用石墨烯-纳米金复合材料修饰在玻碳电极上作为基底电极，将甲基对硫磷分子印迹液滴加在修饰好基底电极表面上，通过热聚合法形成分子印迹膜，再采用合适的洗脱剂和洗脱方法去除模板分子，使该传感器膜留下对甲基对硫磷分子识别的分子印迹孔穴；因为印迹孔穴具有与特定结构的模板分子相结合的特性，表现出与相应的模板分子具有较高的选择性，所以本发明的甲基对硫磷分子印迹电化学传感器实现了对甲基对硫磷良好的选择识别性。

本发明的甲基对硫磷分子印迹电化学传感器包括玻碳电极，在玻碳电极上覆盖羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层，在所述羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层上具有与甲基对硫磷分子对应的分子印迹孔穴。

制备甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的方法包括以下步骤：

1、羧基石墨烯-纳米金复合材料的合成

取1mg的羧基石墨烯溶于5mLHAuCl₄溶液中，超声震荡30min直至得到悬浊液；向悬浊液中缓慢加入5mL40mMNaBH4，并通过搅拌子不断搅拌30min，将反应液与合成的复合材料通过离心分离，移除上层清液再用去离子水洗涤下层的复合材料数次，再转至真空烘箱中烘干，即得到羧基石墨烯-纳米金的复合材料；

2、用石墨烯-纳米金复合材料修饰玻碳电极

玻碳电极的预处理：将玻碳电极在鹿皮上依次用1.0um、0.3um、0.5um的氧化铝粉上抛光，然后置于体积比是1:1的硝酸中超声5min，再置于无水乙醇中超声5min，最后在一定浓度的铁氰化钾溶液中作CV，直至氧化峰和还原峰的差值小于80mV以下，保存在超纯水中备用；

羧基石墨烯-纳米金复合材料修饰电极：取上述羧基石墨烯-纳米金复合材料1mg溶解在1mLDMF中，超声震荡30min，取4μL～10μL均匀的滴涂在预处理的玻碳电极上，自然晾干，即得。

3、形成甲基对硫磷分子印迹膜板

分子印迹液制备：向4.5mL溶剂乙醇中，依次加入0.25mM模板分子甲基对硫磷、1mM功能单体甲基丙烯酸、5mM交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯、12mg引发剂剂偶氮二异丁氰超声波溶解5～10min，通入氮气5min；

取5μL～10μL分子印迹液均匀涂在步骤2制得的羧基石墨烯-纳米金复合材料修饰玻碳电极表面上，将其置于60℃的真空烘箱内热聚合24小时。

4、去除甲基对硫磷分子印迹膜板分子

用体积比为1：9的乙酸甲醇混合为洗脱液，采用磁力搅拌，洗脱时间至少3min；并以K₃[Fe(CN)₆]和KCl为背景溶液作循环伏直至峰电流不再变化；再用去离子水洗去制得的甲基对硫磷分子印迹电化学传感器（简称分子印迹电极）表面上的甲醇乙酸溶液，然后将该分子印迹电极保存于去离子水中备用。

甲基对硫磷分子印迹传感器的电化学性能测试

(1)循环伏安法检测：

取30mL5mMK₃[Fe(CN)₆]以及0.1mol.L^-1KCl的混合液为背景液，用CHI660E型电化学工作站循环伏安法对不同玻碳电极进行扫描，工作电位-0.5～1.0V，扫描速度0.1V·S^-1。用不同的玻碳电极为工作电极，这些电极有：a石墨烯-纳米金复合材料电极；b裸玻碳电极；c去除模板分子印迹电极；d去除模板分子后与2×10^-5 mol.L^-1甲基对硫磷重新结合的印迹电极；e非分子印迹电极（指未经步骤3和步骤4处理的玻碳电极）。饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，构成三电极体系，并以Fe(CN)₆ ^3-为探针扫描的循环伏安图见图1。

如图1所示，K₃[Fe(CN)₆]在石墨烯-纳米金复合材料电极a的峰电流最大，因为复合材料本身就是具有良好导电性；b电极比a电极峰电流小，因为b是裸电极没有修饰材料故导电性比a电极弱；去除模板分子后与2×10-5mol/L重新结合的印迹电极d比去除模板分子电极c峰电流较小，是因为c电极在去除模板分子后，在印迹膜表面产生了许多“孔穴”，当甲基对硫磷与分子印迹电极作用后，由于印迹膜上的“孔穴”被模板分子不同程度的堵塞，形成了d峰电流低于c；非分子印迹电极e峰电流最小，因为非分子印迹膜上有致密的表面结构，从而阻碍了Fe(CN)₆ ^3-向电极表面扩散导致其没有峰电流出现；以上说明分子印迹膜成功修饰在电极上。

（2）差分脉冲法检测：

以pH=6.86的PBS缓冲液为背景液，配制甲基对硫磷溶液，浓度范围在10-8～10^-6mol/L，0；2×10^-8 mol.L^-1；4×10^-8 mol.L^-1；8×10^-8mol.L^-1；2×10^-7mol.L^-1；4×10^-7 mol.L^-1；8×10^-7mol.L^-1；2×10^-6mol.L^-1；4×10^-6mol.L^-1；8×10^-6mol.L^-1。以分子印迹电极为工作电极，用差分脉冲法进行测定，工作电位-0.8～0.4V，扫描速度0.1V·S^-1，脉冲振幅50mV，配制脉冲周期0.2s，脉冲宽度50ms，吸附时间5min。甲基对硫磷在10-8～10-6 mol.L^-1浓度范围内与电流呈现良好变化趋势见图2。

如图2所示，研究甲基对硫磷溶液在10^-8 mol.L^-1～10^-6mol.L^-1不同浓度范围，随着浓度的增加峰电流依次增大，因为甲基对硫磷上的-NO还原成-NHOH，当分子印迹电极与不同浓度的甲基对硫磷作用时，甲基对硫磷的浓度越大发生还原能力就越强，峰电流就越大。

从图2中可以看出：本发明的甲基对硫磷分子印迹电化学传感器灵敏度较高，在甲基对硫磷溶液浓度为4×10^-8 mol.L^-1时，与浓度为0的电流对比，曲线发生了明显变化，峰电流越来越大，能实现对低浓度甲基对硫磷进行微痕量检测。使用本发明的甲基对硫磷分子印迹电化学传感器能实现甲基对硫磷毒性物质进行电化学检测。

Claims

1.一种甲基对硫磷分子印迹电化学传感器，包括玻碳电极，其特征是：在玻碳电极上覆盖羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层，在所述羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层上具有与甲基对硫磷分子对应的分子印迹孔穴。

2.一种制备权利要求1所述的甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的方法，包括以下步骤：

（1）羧基石墨烯-纳米金复合材料的合成；

（2）用石墨烯-纳米金复合材料修饰玻碳电极，在玻碳电极上覆盖羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层；

（3）在石墨烯-纳米金复合材料修饰的玻碳电极上，形成甲基对硫磷分子印迹膜板；

（4）去除甲基对硫磷分子印迹膜板分子，在羧基石墨烯-纳米金复合材料涂层上产生甲基对硫磷分子印迹孔穴。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：所述步骤（1）中，取定量的羧基石墨烯溶于HAuCl₄，超声震荡直至得到悬浊液，向悬浊液中缓慢加入NaBH₄作为还原剂还原Au，并用搅拌子不断搅拌反应液，将反应液与合成的复合材料通过离心分离，移除上层清液再用去离子水洗涤下层的复合材料数次，再转至真空烘箱中烘干。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述步骤（2）中，将玻碳电极的预处理，再将羧基石墨烯-纳米金的复合材料溶于DMF中，配制其浓度为1.0～1.5mg.mL^-1，取上述混合液 4μL～10μL涂于打磨抛光干净的玻碳电极表面上，让其自然晾干。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述步骤（3）中，将甲基对硫磷分子印迹液5μL～10μL均匀的滴涂在步骤2制得的石墨烯-纳米金复合材料修饰的玻碳电极上，将其置于真空烘箱内热聚合20小时以上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤（4）中，用体积比为1：9的乙酸甲醇混合为洗脱液，采用磁力搅拌，洗脱时间至少3min；并以K₃[Fe(CN)₆]和KCl为背景溶液作循环伏直至峰电流不再变化，确定模板分子被完全洗脱。