CN108802132B - 一种百草枯分子印迹电极、制备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种百草枯分子印迹电极、制备及应用，属于农残快速检测技术领域。本发明通过以百草枯分子类似物为模板，采用表面印迹技术将含金电极置于含有单体、交联剂、模板、引发剂的电聚合液中进行电聚合，洗脱模板分子，得到所述百草枯分子印迹电极。本发明制备的分子印迹电极可实现对百草枯的直接检测，具有灵敏、快速、特异性高等优点，并且价格低廉，适用于基层或现场检测百草枯。

Description

一种百草枯分子印迹电极、制备及应用

技术领域

本发明涉及一种百草枯分子印迹电极、制备及应用，具体涉及一种百草枯分子印迹玻碳电极、制备及其在检测百草枯及百草枯类似物中的应用，属于农残快速检测技术领域。

背景技术

百草枯(paraquat，PQ)又名克无踪、对草快，化学名为1,1’-二甲基-4,4’-联吡啶阳离子盐，纯品为白色晶体，蒸汽压﹤1×10^-5Pa(25℃下)，300℃以上分解，25℃下的相对密度为1.55，极易溶于水，微溶于丙酮、低分子量的醇类，不溶于烃类等多数有机溶剂，其盐的化学性质与游离态相同。在酸性条件下稳定，在pH11时能被水解，对金属有腐蚀性。在水溶液中，紫外光照射下发生光解。其分子式为：C₁₂H₁₄N₂(阳离子)，结构式为：

百草枯(PQ)是一种联吡啶类灭生性除草剂，因其具有广谱、速效、安全等特点，广泛应用于园林除草、非耕地化学除草(例如棉花、向日葵、大豆、玉米、蔬菜、休闲地等的除草)，能杀灭大部分禾本科及阔叶杂草，绿叶接触药液数小时后便开始枯死。药液接触土壤后能被土壤胶体迅速、强烈吸附，并完全钝化而不影响作物根部。自1955年英国ICI作物保护公司发现百草枯以来，其商品化生产规模逐年扩大，在世界上130多个国家和地区推广和应用，尤其是在亚洲和南北美洲，目前使用量在进一步扩大，我国是百草枯最大的生产和使用国之一。百草枯，是一种广谱灭生性除草剂，被广泛应用于种植农作物、栽培药用植物和改造牧场时控制或清除杂草。由于百草枯对人类和动物也具有较高的毒性，严格控制百草枯在环境样品、农副产品和药用植物中的残留，对于保障农产品和中药材质量具有重要意义。

分子印迹是一种新的通用技术，其涉及合成具有模板诱导的识别空腔的廉价聚合物基质以优先于其他结构相似类似物来识别感兴趣的分析物(模板和/或靶分子)。一般来说，这些高吸附性和选择性的聚合物基质是通过官能单体和交联剂在模板存在下与引发剂在适当溶剂中共聚而制备的。聚合后，去除模板，在模板的尺寸，形状和化学功能上互补的三维结构空腔在聚合物基质内部产生，其能够识别并特异性结合目标分子。

分子印迹技术又称分子烙印，属于超分子化学中主客体化学的范畴，是基于生物分子识别的基础上，应用该原理对一些小分子的分离与检测的一种前沿技术，是高分子化学、生物化学和材料化学等多学科的边沿科学。近几年来，随着分子印迹技术飞速发展，以分子印迹聚合物作为传感器敏感材料的分子印迹电化学传感器，成为分子印迹技术应用研究的一个重要方向。分子印迹聚合物敏感材料具有耐高温、高压、酸、碱和有机溶剂，可用标准化学方法合成，不易被生物降解破坏，可多次重复使用，易于保存等优点。分子印迹电化学传感器是将分子印迹测定法和传感技术相结合而构建的一类新型亲和性“人工抗体”传感器。

现有技术采用气相色谱法、高效液相色谱法、质谱联用法、分光光度法等手段检测百草枯，这些方法耗时较长，且灵敏度没有电化学方法高。

发明内容

本发明的第一个目的是提供了一种能够用于电化学分子印迹技术检测百草枯的百草枯分子印迹电极的制备方法，以便得到能够识别并特异性结合百草枯的分子印迹电化学传感器。

为了实现本发明的第一个目的，本申请采用的技术方案如下：

所述方法是基于分子印迹技术，通过以百草枯分子类似物为模板，采用表面印迹技术将含金电极置于含有单体、交联剂、模板、引发剂的电聚合液中进行电聚合，洗脱模板分子，得到所述百草枯分子印迹电极；其中所述单体为对巯基苯胺，所述交联剂为四丁基高氯酸铵，所述模板为4,4’-联吡啶，所述引发剂为高氯酸。对巯基苯胺可与金纳米粒子形成金硫键使对巯基苯胺附着在电极表面，四丁基高氯酸可使模板与对巯基苯胺交联在一起，最后洗脱形成孔穴，高氯酸可导电，电聚合时作为引发剂。

选用含金电极，便于含单体对巯基苯胺的聚合膜结合在电极上，所述含金电极优选为修饰有壳聚糖-金纳米十字复合材料的玻碳电极，也可以是其他含金电极，如镀金电极。

优选的，在进行电聚合之前，将所述修饰有壳聚糖-金纳米十字复合材料的玻碳电极先后依次浸入单体对巯基苯胺溶液、模板4,4’-联吡啶溶液中以进行预聚合。先在电极表面进行预聚合，再进行电聚合，可以在电极表面形成致密的聚合膜，空穴也更密，检测更灵敏。

优选的，所述对巯基苯胺的浓度为5-15mmol/L、四丁基高氯酸铵的浓度为30-80mol/L、4,4’-联吡啶的浓度为5-15mol/L，高氯酸的浓度为0.2-0.6g/L。进一步的优化：所述对巯基苯胺的浓度为10mmol/L、四丁基高氯酸铵的浓度为50mol/L、4,4’-联吡啶的浓度为10mol/L，高氯酸的浓度为0.4g/L。

优选的，所述电聚合采用循环伏安法扫描进行，其中电聚合电压为-0.2V～0.6V，扫描速率为50mv/s，扫描圈数为6。

优选的，将所述百草枯分子印迹玻碳电极置于乙醇水溶液中充分浸泡，并用超纯水淋洗，以洗脱模板，所述乙醇水溶液浓度为v/v为4～8/1，浸泡5～20min。

为了能够使得检出效果更加灵敏，采用在玻碳电极表面修饰壳聚糖-金纳米十字，用于增强而后电聚合的分子印迹聚合膜的接触比表面积，增加电子传递速率，从而增大灵敏度；所述壳聚糖-金纳米十字是由1％的壳聚糖与80％的金纳米十字混合制成，壳聚糖增强了分子印迹膜在玻碳电极上的稳定性。选用壳聚糖-金纳米十字对玻碳电极进行修饰，便于将对巯基苯胺通过金巯键连接在修饰有壳聚糖-金纳米十字玻碳电极上，再通过氢键将4,4’-联吡啶与对巯基苯胺连接，从而将模板分子先固定在玻碳电极上。

本发明的第二个目的是提供了一种能够用于电化学分子印迹技术灵敏检测百草枯的百草枯分子印迹电极。

本发明的第三个目的是提供了一种百草枯分子印迹电极在采用分子印迹技术检测百草枯中的应用，即应用所述百草枯分子印迹电极检测百草枯或百草枯类似物的应用，具有灵敏度高、特异性强、响应速度快、操作简单、成本低廉等特点。根据分子印迹电极特异性结合的特点，本发明制备得到的百草枯分子印迹电极也可以用于检测百草枯分子结构类似物的检测。

为了实现本发明的第三个目的，本发明采用的技术方案如下：

包含以下步骤：(1)将百草枯玻碳电极分子印迹膜分别浸没在不同浓度的百草枯标样中1～2min，使百草枯与分子空穴进行结合吸附；取出电极，用超纯水淋洗，氮气吹干，然后插入电导液中进行电化学检测，电导液的配置：2.5mmol L^-1[Fe(CN)₆]^3/4和0.1mol L^{- 1}KCl溶液，电压设置范围：-0.2V～0.6V，记录扫描中的电流值；以检测得到的电流值为纵坐标，为百草枯标样浓度为横坐标，绘制标准曲线；(2)将百草枯玻碳电极分子印迹膜浸没在待测样品中，使百草枯与分子空穴进行结合吸附；然后参照步骤(1)测定电流值，将所得电流值代入步骤(1)得到的标准曲线中计算得到百草枯的浓度。

本发明的检测部分需要在电化学检测仪上完成，其构造如下：电化学检测仪为已设定电压的电化学工作站，配备有LED显示屏，用于记录电子从对电极，经过电导液，再从工作电极流回工作站时形成的阻抗值和电流值。

本发明的有益效果：

(1)应用所述百草枯分子印迹玻碳电极检测百草枯，可以实现现场检测，不受样品颜色、浊度的影响，样品可以不经复杂处理、无需分离，所用仪器设备相对简单，广泛应用于食品安全小子分毒性物质的检测。

(2)本发明构建百草枯分子印迹电化学检测，结合壳聚糖-金纳米十字玻碳电极，具有灵敏度高、特异性强、响应速度快、操作简单、成本低廉等特点，能够快速，便捷的检测样品中的百草枯；可用于生产经营企业、质控人员、进出口检商、政府管理部门、医院甚至个人家庭的使用，该检测仪的可以用于其他食品、化学等危害物的快速检测。

AuNCs-CS增强了MIP传感器的灵敏度。最低检测限PQ浓度为2.29×10^-15mol L^-1，线性检测范围扩展至1×10^-10mol L^-1，标准曲线公式为y＝-10.089log^C-66.136(R2＝0.9969)。

附图说明

图1百草枯分子印迹壳聚糖-金纳米十字玻碳电极的制备示意图。

图2百草枯分子印迹电化学检测仪标准曲线检测，图中由上向下的曲线a～i分别代表百草枯浓度从1×10^-15mol L^-1、1×10^-14mol L^-1、1×10^-13mol L^-1、1×10^-12mol L^-1、1×10^-11mol L^-1、1×10^-10mol L^-1、1×10^-9mol L^-1、1×10^-8mol L^-1、1×10^-7mol L^-1。

图3百草枯分子印迹特异性，图中从左向右的三个柱子分别代表除草醚、敌草快、百草枯浓度为1×10^-12mol L^-1时的电流值。

具体实施方式

结合图1，对百草枯分子印迹壳聚糖-金纳米十字玻碳电极的制备进行说明，包括以下步骤：(1)在玻碳电极表面修饰壳聚糖-金纳米十字；(2)将所述壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸置于对巯基苯胺乙醇溶液中，通过金巯键修饰对巯基苯胺；(3)再将修饰了对巯基苯胺的玻碳电极浸置4,4’-联吡啶溶液中，使模板分子与对巯基苯胺结合；(4)将静电吸附后的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸入含有对巯基苯胺，四丁基高氯酸铵，4,4’-联吡啶和高氯酸的电聚合溶液中，采用循环伏安法扫描进行电聚合；(5)最后洗脱模板分子，以完成百草枯分子印迹膜的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极的制备。

实施例1

先在玻碳电极表面修饰壳聚糖-金纳米十字，修饰方法：将1％壳聚糖与80％金纳米十字混合均匀，滴涂在玻碳电极表面，放置在室温使其自然风干；再通过金巯键修饰对巯基苯胺，修饰方法：将壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸置于20mmol/L对巯基苯胺乙醇溶液中，室温浸泡24h，之后用乙醇和水彻底清洗去除未吸附的对巯基苯胺，氮气吹干备用；再将修饰了对巯基苯胺的玻碳电极浸置10mmol/L 4,4’-联吡啶溶液中，室温孵育2h，乙醇和超纯水洗涤后，氮气吹干备用；再将静电吸附后的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸入10mL含有5mmol/L对巯基苯胺，30mol/L四丁基高氯酸铵，5mol/L 4,4’-联吡啶和0.2g/L高氯酸的电聚合溶液中，采用循环伏安法扫描，电聚合电压为：-0.2V～0.6V，扫描速率为：50mv/s，扫描圈数为：6；最后洗脱模板分子，将电聚合4,4’-联吡啶分子印迹膜的玻碳电极浸置于乙醇水溶液(4:1，v/v)中浸泡5min，然后将玻碳电极用超纯水淋洗，已完成百草枯分子印迹膜的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极的制备。

实施例2

先在玻碳电极表面修饰壳聚糖-金纳米十字，修饰方法：将1％壳聚糖与80％金纳米十字混合均匀，滴涂在玻碳电极表面，放置在室温使其自然风干；再通过金巯键修饰对巯基苯胺，修饰方法：将壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸置于20mmol/L对巯基苯胺乙醇溶液中，室温浸泡24h，之后用乙醇和水彻底清洗去除未吸附的对巯基苯胺，氮气吹干备用；再将修饰了对巯基苯胺的玻碳电极浸置10mmol/L 4,4’-联吡啶溶液中，室温孵育2h，乙醇和超纯水洗涤后，氮气吹干备用；再将静电吸附后的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸入10mL含有10mmol/L对巯基苯胺，50mol/L四丁基高氯酸铵，10mol/L 4,4’-联吡啶和0.4g/L高氯酸的电聚合溶液中，采用循环伏安法扫描，电聚合电压为：-0.2V～0.6V，扫描速率为：50mv/s，扫描圈数为：6；最后洗脱模板分子，将电聚合4,4’-联吡啶分子印迹膜的玻碳电极浸置于乙醇水溶液(4:1，v/v)中浸泡10min，然后将玻碳电极用超纯水淋洗，已完成百草枯分子印迹膜的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极的制备。

实施例3

先在玻碳电极表面修饰壳聚糖-金纳米十字，修饰方法：将1％壳聚糖与80％金纳米十字混合均匀，滴涂在玻碳电极表面，放置在室温使其自然风干；再通过金巯键修饰对巯基苯胺，修饰方法：将壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸置于20mmol/L对巯基苯胺乙醇溶液中，室温浸泡24h，之后用乙醇和水彻底清洗去除未吸附的对巯基苯胺，氮气吹干备用；再将修饰了对巯基苯胺的玻碳电极浸置10mmol/L 4,4’-联吡啶溶液中，室温孵育2h，乙醇和超纯水洗涤后，氮气吹干备用；再将静电吸附后的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸入10mL含有15mmol/L对巯基苯胺，80mol/L四丁基高氯酸铵，15mol/L 4,4’-联吡啶和0.6g/L高氯酸的电聚合溶液中，采用循环伏安法扫描，电聚合电压为：-0.2V～0.6V，扫描速率为：50mv/s，扫描圈数为：6；最后洗脱模板分子，将电聚合4,4’-联吡啶分子印迹膜的玻碳电极浸置于乙醇水溶液(8:1，v/v)中浸泡20min，然后将玻碳电极用超纯水淋洗，已完成百草枯分子印迹膜的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极的制备。

应用百草枯分子印迹膜的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极检测百草枯的方法：

(1)制作标准曲线

将实施例1制备的百草枯玻碳电极分子印迹膜分别浸没在不同浓度的百草枯标样中1～2min，使百草枯与分子空穴进行结合吸附；取出电极，用超纯水淋洗，氮气吹干，然后插入电导液中进行电化学检测，电导液的配置：2.5mmol L^-1[Fe(CN)₆]^3/4和0.1mol L^-1KCl溶液，电压设置范围：-0.2V～0.6V，记录扫描中的电流值。

以检测得到的电流值为纵坐标，为百草枯标样浓度为横坐标，绘制标准曲线。所得标准曲线如图2所示，最低检测限PQ浓度为2.29×10^-15mol L^-1，线性检测范围扩展至1×10^-10molL^-1，标准曲线公式为y＝-10.089log^C-66.136(R2＝0.9969)。

(2)检测百草枯样品

将电极浸没在含百草枯的待检测样品中1～2min，使百草枯与分子孔穴进行结合吸附；取出电极，用超纯水淋洗，氮气吹干，然后插入电导液中进行电化学检测，电导液的配置：2.5mmol L^-1[Fe(CN)₆]^3/4和0.1mol L^-1KCl溶液，电压设置范围：-0.2V～0.6V，记录扫描中的电流值。将所得电流值代入标准曲线，计算得到样品中百草枯的含量。

(3)回收率实验

向自来水中添加不同浓度的百草枯，按照实施例1制备电极，按照(2)的方法检测百草枯含量，得到结果计算加标回收率。加标回收率公式为P＝(C₂-C₁)/C₃×100％，C1:空白样品浓度，C2：加标样品测得浓度，C3加标浓度。

表1回收率实验结果

(4)电极特异性

如图3所示，本发明实施例1制备的电极分别用于检测浓度为1×10^-12mol L^-1的除草醚、敌草快、百草枯时，电极对百草枯有反应电流值。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种制备百草枯分子印迹电极的方法，其特征在于：所述方法是基于分子印迹技术，通过以百草枯分子类似物为模板，采用表面印迹技术将含金电极置于含有单体、交联剂、模板、引发剂的电聚合溶液中进行电聚合，洗脱模板分子，得到所述百草枯分子印迹电极；其中所述单体为对巯基苯胺，所述交联剂为四丁基高氯酸铵，所述模板为4,4’-联吡啶，所述引发剂为高氯酸；所述方法包括以下步骤：(1)在玻碳电极表面修饰壳聚糖-金纳米十字；(2)将所述壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸置于对巯基苯胺乙醇溶液中，通过金巯键修饰对巯基苯胺；(3)再将修饰了对巯基苯胺的玻碳电极浸置4,4’-联吡啶溶液中，使模板分子与对巯基苯胺结合；(4)将静电吸附后的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极浸入含有对巯基苯胺，四丁基高氯酸铵，4,4’-联吡啶和高氯酸的电聚合溶液中，采用循环伏安法扫描进行电聚合；(5)最后洗脱模板分子，以完成百草枯分子印迹膜的壳聚糖-金纳米十字玻碳电极的制备；所述在玻碳电极表面修饰壳聚糖-金纳米十字的修饰方法是将1％壳聚糖与80％金纳米十字混合均匀，滴涂在玻碳电极表面，放置在室温使其自然风干；所述电聚合溶液中对巯基苯胺的浓度为5-15mmol/L、四丁基高氯酸铵的浓度为30-80mol/L、4,4’-联吡啶的浓度为5-15mol/L，高氯酸的浓度为0.2-0.6g/L；将所述百草枯分子印迹电极置于乙醇水溶液中充分浸泡，并用超纯水淋洗，以洗脱模板，所述乙醇水溶液浓度为v/v为4～8/1，浸泡5～20min。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述对巯基苯胺的浓度为10mmol/L、四丁基高氯酸铵的浓度为50mol/L、4,4’-联吡啶的浓度为10mol/L，高氯酸的浓度为0.4g/L。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述电聚合采用循环伏安法扫描进行，电聚合电压为-0.2V～0.6V，扫描速率为50mv/s，扫描圈数为6。

4.一种根据权利要求1～3任一所述的方法制备得到的分子印迹电极。

5.一种定量检测百草枯或百草枯类似物的方法，其特征在于：(1)将权利要求4所述的分子印迹电极分别浸没在不同浓度的百草枯标样中，使百草枯与分子空穴进行结合吸附；取出电极，淋洗、吹干，然后插入电导液中进行电化学检测，记录扫描中的电流值；以检测得到的电流值为纵坐标，以百草枯标样浓度为横坐标，绘制标准曲线；(2)将权利要求4所述的分子印迹电极浸没在待测样品中，使百草枯与分子空穴进行结合吸附；然后参照步骤(1)测定电流值，将所得电流值代入步骤(1)得到的标准曲线中计算得到百草枯的浓度。

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