CN110057886B - 一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法。首先在丝网印刷电极表面修饰薄层二硫化钼，采用电化学技术将其制备成还原态二硫化钼，然后利用多巴胺的自发聚合特性，形成分子印迹聚合物薄膜，最后利用聚多巴胺的氨基和羟基官能团，在其表面原位还原生长纳米金颗粒，得到基于二硫化钼/聚多巴胺/纳米金分子印迹聚合物膜修饰的可抛式电化学传感器。本发明同现有技术相比，合成分子印迹聚合物的过程操作简单，不需要引入交联剂和引发剂，能够降低成本且环境友好，解决了现有技术制备过程繁琐，方法识别能力有限等问题；制备得到的可抛式电化学传感器能实现对目标分子的高选择性检测，结合便携式电化学工作站，能满足现场高通量的实际检测需求。

Description

一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及新型纳米功能材料制备方法和电化学传感技术领域，尤其是涉及一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法。

背景技术

电化学传感器具有灵敏度高、检测速度快、成本低和装配便携等突出优点，其在环境检测、药物分析和生物催化等领域得到了快速发展。然而实际检测中，往往基体复杂，待测分子含量低且结构类似物众多，因而对于电化学传感元件的抗干扰能力提出了很高的要求。分子印迹聚合物(MIP)，由于其对靶分子有特异性识别和选择性吸附的能力、制备成本低廉、稳定性好和可重复性使用等优点，因此将其与电化学传感技术相结合，就可以提供一种同时具有高选择性和高灵敏度的分析方法。

然而，目前的MIP多为合成化合物，尽管有耐高温高压和有机溶剂，不易被破坏等优点，但在制备过程中通常需要加入交联剂和引发剂引发功能单体进行聚合；并且分子印迹电化学传感器的合成通常需要在室温水溶液条件下进行，因而适合的功能单体种类有限；此外，分子印迹膜的厚度难以控制导致电化学传感器导电性、灵敏度和重现性降低等问题，也限制了MIP-电化学传感器的实际应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

寻找新的聚合物功能单体，以及开发新型分子印迹聚合物的合成方法及其电化学传感器的制备方法，具有重要的研究意义和应用价值。多巴胺作为一种天然的功能单体，在碱性和溶解氧条件下容易自聚形成聚多巴胺(pDA)，生物相容性好，反应条件温和，pDA印迹膜厚度可控，无需引入其他试剂；且pDA表面富含活性基团，聚合能在多种材料表面发生，可以进一步修饰改性，是一种理想的分子印迹聚合材料和电化学传感材料。本发明针对上述现有分子印迹电化学传感器制备过程中出现的问题，提供了一种新型基于层层自组装方法的可抛式分子印迹电化学传感器的制备方法。

本发明中的方法包括以下步骤：

S1：在活化好的丝网印刷电极(SPE)表面滴涂薄层MoS₂，并采用电化学还原法对电极表面的MoS₂进行还原，得到还原态MoS₂修饰的电极(rMoS₂/SPE)，增强丝网印刷电极的导电性和比表面积；

S2：将还原态MoS₂修饰的电极(rMoS₂/SPE)浸入含有模板分子和多巴胺(pDA)的聚合液中，常温下搅拌，得到分子印迹聚合物薄膜(MIPs)修饰的电极(pDA-MIPs/rMoS₂/SPE)，之后通过洗脱液洗脱去除模板分子，得到洗脱后的分子印迹聚合物薄膜修饰的电极(pDA-ir-MIP/rMoS₂/SPE)，其中利用多巴胺的自发聚合特性，在还原态二硫化钼表面将多巴胺与模板分子进行原位聚合自组装，形成分子印迹聚合物薄膜；

S3：将步骤S2中洗脱后的分子印迹聚合物薄膜修饰的电极浸入含1.0～2.0×10^{- 3}mol·L^-1 HAuCl₄的溶液中，最后利用聚多巴胺的氨基和羟基官能团特性，采用原位还原生长法在洗脱后的分子印迹聚合物薄膜修饰的电极表面生长纳米金颗粒，得到可抛式电化学传感器成品(AuNPs/pDA-ir-MIPs/rMoS₂/SPE)。

进一步地，所述的步骤S1中的电化学还原法为：将滴涂有薄层MoS₂的丝网印刷电极浸入0.05mol·L^-1的NaCl溶液中，在惰性气体N₂保护下，采用循环伏安法进行电还原，扫描电位范围为-1.1～1.1V，扫速为50mV·s^-1，稳定扫描8～10圈，得到还原态二硫化钼修饰的电极。

进一步地，所述的模板分子为四环素、诺氟沙星和氟苯尼考中的任一种。

进一步地，所述的步骤S2中的搅拌时间为5h。

进一步地，所述的聚合液是由多巴胺和模板分子溶解于pH值为8.5的Tris-HCl缓冲溶液中溶解摇匀得到，其中多巴胺浓度为0.01～0.03mol·L^-1，模板分子浓度为1.0～3.0×10^-3mol·L^-1。

进一步地，所述的步骤S2中的洗脱液为由乙醇、浓氨水和水按7:2:1的比例混合而成，

进一步地，所述的步骤S2中的洗脱过程在超声环境中进行。

进一步地，所述的步骤S2中的洗脱时间为20～40min，洗脱完成的标志为通过紫外-可见分光光度计无法检测到洗脱后溶液中的模板分子。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明中所采用的基于层层自组装法的分子印迹聚合物的合成及其可抛式电化学传感器的制备，方法简单，操作方便，能够实现对实际样品的高选择性和高灵敏度检测，并且绿色环保，成本低廉，可应用于便携式现场快速检测，具有潜在的应用前景。

2)本发明中在rMoS₂修饰的可抛式电极表面上自发聚合功能单体形成分子印迹膜，一方面利用rMoS₂大的比表面积和优异的导电性负载更多分子印迹聚合物，提高了检测灵敏度；另一方面本发明利用天然化合物DA在碱性和溶解氧条件下容易自聚形成pDA这一特点，无需在分子印迹聚合物合成过程中引入其它试剂，简化制备过程、减少了检测干扰、节约了成本、减少了环境污染。

3)本发明中可通过控制DA浓度、聚合时间、聚合温度来调控pDA层的厚度，从而显著提高该电化学传感器的重现性和稳定性；本发明利用pDA表面富含的氨基和羟基的还原性，在pDA表面直接原位还原生长纳米金颗粒，缩短了目标分子与电子媒介体的距离，从而进一步增强了电化学传感器的电子传递能力，提高了电化学传感器的灵敏度，最终降低了检出限。

附图说明

图1为AuNPs/pDA-MIPs/rMoS₂/SPE分子印迹电化学传感器制备流程示意图；

图2为AuNPs/pDA-MIPs/rMoS₂/SPE的扫描电镜图；

图3为AuNPs/pDA-ir-MIPs/rMoS₂/SPE吸附不同浓度的四环素模板分子(1.0×10^-11～1.0×10^-4mol·L^-1)的差示脉冲伏安图(DPV)；

图4为AuNPs/pDA-ir-MIPs/rMoS₂/SPE吸附不同浓度的四环素模板分子(1.0×10^-11～1.0×10^-4mol·L^-1)的线性拟合图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例基于二硫化钼/聚多巴胺/纳米金的层层自组装分子印迹技术聚合物膜的合成及其可抛式电化学传感器的制备方法，具体流程参见图1，包括如下步骤：

S1：丝网印刷电极预处理：在铁氰化钾溶液中，在-0.3～0.6V电压范围内进行循环伏安扫描，直至出现可逆稳定的氧化还原峰；用电流-时间曲线技术对SPE在0.1mol·L^-1pH值为7.0的PBS溶液中进行活化，活化电位2.0V，时间200s。

S2：rMoS₂/SPE的制备：在活化好的SPE表面滴上已预处理好的单分散MoS₂溶液，在室温下自然风干；将MoS₂/SPE浸入0.05mol·L^-1的NaCl溶液中，在惰性气体N₂的保护下，采用循环伏安法进行电还原，扫描电位范围为-1.1～1.1V，扫速为50mV·s^-1，稳定地扫描8圈，得到rMoS₂/SPE。

S3：pDA-MIP/rMoS₂/SPE的制备：先配制聚合液，将功能单体DA和模板分子溶解于pH值为8.5的Tris-HCl缓冲溶液溶解摇匀得到。其中多巴胺浓度为0.01mol·L^-1，四环素浓度为2.0×10^-3mol·L^-1。将rMoS₂/SPE浸入聚合液中常温搅拌5小时，得到pDA-MIP/rMoS₂/SPE。

S4：pDA-ir-MIP/rMoS₂/SPE的制备：将制备得到的pDA-MIP/rMoS₂/SPE浸入洗脱液中，洗脱液为乙醇、浓氨水和水的混合溶液按比例混合(乙醇：浓氨水：水＝7:2:1)，在洗脱液中超声30分钟进行洗脱，反复多次。利用紫外-可见分光光度计监测350nm处四环素的吸光度值，直至四环素完全洗脱，得到pDA-ir-MIP/rMoS₂/SPE。

S5：AuNPs/pDA-MIP/rMoS₂/SPE的制备：将步骤S4得到的pDA-ir-MIPs/rMoS₂/SPE浸入到含1×10^-4mol·L^-1的HAuCl₄溶液中，HAuCl₄溶液在电极表面被还原成纳米金颗粒，生长出的纳米金颗粒在电子显微镜中的图像参见图2，得到AuNPs/pDA-ir-MIPs/rMoS₂/SPE传感器。

实施例2

本实施方式与实施例1不同的是：步骤二中模板分子为诺氟沙星。其它与实施例1方式相同。

实施例3

本实施方式与实施例1不同的是：步骤二中模板分子为氟苯尼考。其它与实施例1方式相同。

实施例4

本实施方式与实施例1不同的是：步骤二中无模板分子。其它与实施例1方式相同。

将上述实施例1～4所制备的分子印迹电化学传感器，进行模板分子的检测，步骤如下：标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度(1.0×10^-11～1.0×10^-4mol·L^-1)的模板分子的标准溶液，底液为0.01mol·L^-1的硫酸溶液。

工作曲线绘制：将Ag/AgCl作为参比电极，铂丝电极为辅助电极，本发明制备的电极为工作电极组成三电极系统，连接CHI1230C便携式电化学工作站，在-0.2～0.9V电位范围内进行差示脉冲伏安扫描，记录稳定的差示脉冲伏安图，参见图3：空白标样的响应电流强度记为I₀，含有不同浓度的模板分子(以四环素为例)标准溶液的响应电流强度记作I_i，响应电流强度降低的差值为ΔI＝I₀-I_i，ΔI与四环素标准溶液的质量浓度c之间成线性关系，绘制ΔI－C工作曲线；所述的DPV法检测时的参数设置为：电压范围为-0.2～0.9V，步幅为0.05V，脉冲时间为0.05s，采样时间为0.016s，脉冲周期为0.5s；修饰电极对四环素在1.0×10^-11～1.0×10^-4mol·L^-1范围内分别呈现良好的线性关系，检测限为1.0×10^-11mol·L^-1，线性回归方程分别为：I_p＝-2.4885c-29.8646(R²＝0.9905，浓度范围1.0×10^-11～1.0×10^-4mol·L^-1)，具体参见图4。

实施例5

对上海市奉贤区自来水中四环素进行检测。取一定量的样品，以未加入四环素的水样为空白，加入一定质量浓度的四环素标准溶液，进行加标回收实验，以实施例1和4制备的四环素分子印迹电化学传感器，按照实施例4中所提到的步骤进行检测，测定自来水中四环素的回收率，检测结果见表1：

表1上海市奉贤区自来水中四环素的检测结果

由结果可见本发明中非分子印迹电化学传感的回收率低于90％，而制备的四环素分子印迹电化学传感器对针对四环素的检出回收率在93％～105％间，可见印迹分子电化学传感器的灵敏度较好，检出限较低。

实施例6

对上海市黄浦江水中四环素抗生素、诺氟沙星和氟苯尼考进行检测。取一定量的样品，以未加入抗生素的水样为空白，加入一定质量浓度的抗生素标准溶液，进行加标回收实验，以实施例1～3制备的抗生素分子印迹电化学传感器，按照实施例4的步骤进行检测，测定黄浦江水中三类抗生素的回收率，检测结果见表2。

表2上海市黄浦江水中四环素类抗生素的检测结果

由结果可见本发明中制备的实施例1～3制备的抗生素分子印迹电化学传感器分别对针对上海市黄浦江水中四环素类抗生素的检出回收率均在95％～105％之间，可见电化学传感器的灵敏度较好，检出限较低。

实施例7

对养猪场中猪体内血液中抗生素进行检测。取一定量的样品，以未加入抗生素的水样为空白，加入一定质量浓度的抗生素标准溶液，进行加标回收实验，以实施例1～3制备的抗生素分子印迹电化学传感器，按照实施例4的步骤进行检测，测定猪体内血液中三类抗生素的回收率，检测结果见表3：

表3猪体内血液中四环素类抗生素的检测结果

由结果可见本发明中制备的实施例1～3制备的抗生素分子印迹电化学传感器分别对针对猪体内血液中四环素类抗生素的检出回收率均在95％～102％之间，可见电化学传感器的灵敏度较好，检出限较低。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在活化好的丝网印刷电极表面滴涂薄层MoS₂，并采用电化学还原法对电极表面的MoS₂进行还原，得到还原态MoS₂修饰的电极；

S2：将还原态MoS₂修饰的电极浸入含有模板分子和多巴胺的聚合液中，常温下搅拌，得到分子印迹聚合物薄膜修饰的电极，之后通过洗脱液洗脱去除模板分子，得到洗脱后的分子印迹聚合物薄膜修饰的电极；

S3：将步骤S2中洗脱后的分子印迹聚合物薄膜修饰的电极浸入含1.0 ~ 2.0×10^-3mol•L^-1 HAuCl₄的溶液中，采用原位还原生长法在洗脱后的分子印迹聚合物薄膜修饰的电极表面生长纳米金颗粒，得到可抛式电化学传感器成品；

所述的步骤S1中的电化学还原法为：将滴涂有薄层MoS₂的丝网印刷电极浸入0.05 mol•L^-1的NaCl溶液中，在惰性气体N₂保护下，采用循环伏安法进行电还原，扫描电位范围为-1.1~ 1.1 V，扫速为50 mV•s^-1，稳定扫描8 ~ 10圈，得到还原态二硫化钼修饰的电极；

所述的模板分子为四环素、诺氟沙星和氟苯尼考中的任一种；

所述的聚合液是由多巴胺和模板分子溶解于pH值为8.5的Tris-HCl缓冲溶液中溶解摇匀得到，其中多巴胺浓度为0.01 ~ 0.03 mol•L^-1，模板分子浓度为1.0 ~ 3.0×10^-3 mol•L^-1；

所述的步骤S2中的洗脱液为由乙醇、浓氨水和水按7:2:1的比例混合而成，洗脱过程在超声环境中进行。

2.根据权利要求1所述的一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中的搅拌时间为5h。

3.根据权利要求2所述的一种可抛式电化学印迹传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中的洗脱时间为20~40min，洗脱完成的标志为通过紫外-可见分光光度计无法检测到洗脱后溶液中的模板分子。

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