碳纳米管修饰电极分子印迹传感器快速测定沙丁胺醇

碳纳米管修饰电极分子印迹传感器快速测定沙丁胺醇
齐玉冰;刘瑛;宋启军
【摘要】A novel amperometric sensor based on electropolymerized molecularly imprinted polymer (MIP) for salbutamol detection is reported. The poly(o-phenylenediamine) (POPD) film was prepared by the cyclic voltammetric deposition of o-phenylenediamine(OPD) with and without a template mole cule, salbutamol, on the single-walled carbon nanotubes(SWNTs) modified electrodes. Template can be quickly removed by electrochemical method. The performance of the imprinted and non-imprinted (NIP) films was evaluated by liner sweep voltammetry(LSV) in the presence of a supporting electrolyte. A linear amperometric response of salbutamol was obtained within the concentration range of 7. 94 ×10-8-1. 36 ×10-5 mol/L with a detection limit of 6. 08 × 10-8 mol/L. The sensor was success fully applied to the determination of salbutamol in pork meat with a recovery rates between 92. 1 ％ -113 ％.%以单壁碳纳米管(SWNTs)为电极材料,应用分子印迹技术,以邻苯二胺为功能单体、沙丁胺醇为模板,采用电化学聚合法制备了一种新型的快速检测沙丁胺醇分子印迹传感器,并运用电化学方法去除模板.在磷酸盐缓冲溶液(PBS)中,利用线性溶出伏安法对印迹和非印迹膜的性能进行了比较,对分子印迹膜的影响因素进行了优化.实验表明,本传感器检测沙丁胺醇具有很高的灵敏性和特异性,检测线性范围为7.94×10(-8)～1.36×10(-5)mol/L,检出限为6.08×10(-8)mol/L.此传感器只需对样品进行简单处理即可用于猪肉中沙丁胺醇的测定,加标回收率为92.1%～113%.
【期刊名称】《分析化学》
【年(卷),期】2011(039)007
【总页数】5页(P1053-1057)
【关键词】分子印迹膜;电化学聚合;邻苯二胺;沙丁胺醇
【作者】齐玉冰;刘瑛;宋启军
【作者单位】江南大学化学与材料工程学院,无锡,214122;江南大学化学与材料工
程学院,无锡,214122;江南大学化学与材料工程学院,无锡,214122
【正文语种】中文
沙丁胺醇(Sal,结构式为是人工合成的β-肾上腺素受体兴奋剂,可促进动物生长,使动物体内的营养成分由脂肪组织向肌肉组织转化。

但β-受体兴奋剂会在动物组织中
残留,可通过食物链进入人体,严重影响身体健康。

因此,建立一种快速、简便的检测沙丁胺醇的方法十分必要。

目前,检测沙丁胺醇的方法主要有高效液相色谱法[1]、
液相色谱-质谱法[2]、气相色谱-质谱法[3]、酶联免疫法[4]和电化学方法[5～8]等。

其中,电化学方法因仪器设备简单,检测速度快而备受关注。

但是电化学测定的灵敏
度取决于测定对象在电极上的响应。

沙丁胺醇在裸金电极和玻碳电极上的响应比较弱,分析灵敏度不高。

采用新型碳纳米材料,如多壁碳纳米管和C60等,对电极进行
修饰,可显著提高检测灵敏度[4,8]。

但是这种修饰电极选择性仍不理想,尚不能用于复杂样品的分析。

分子印迹膜具有很强的选择性,可以弥补此点[9～12]。

尤其是采用电聚合法,可在电极表面制备稳定高效且具有优异选择性的薄层分子印迹膜[13],
克服了悬涂法等传统方法存在的膜比较厚、传质和电荷传递速率慢、响应时间长和可逆性差等缺点[14,15]。

本研究以邻苯二胺为单体、沙丁胺醇为模板,在单壁碳纳米管修饰的玻碳电极(GCE)表面通过电聚合的方法制备分子印迹膜,并运用电化学方法对模板加以去除,成功研制了一种性能优良的分子印迹传感器。

2.1 仪器与试剂
IM 6电化学工作站(德国Zahner公司);工作电极为直径为2 mm的玻碳(GC)电极,铂丝为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极。

沙丁胺醇(中国药品生物制品检定所);盐酸克伦特罗、三氯生(A lfa Aesar公司);邻苯二胺(分析纯,国药集团化学试剂公司);单壁碳纳米管(SWNTs,批号P027,Carbon Nanotechnologies.Inc.TX);其余试剂均为国产分析纯;实验用水为超纯水。

2.2 实验方法
2.2.1 玻碳电极的预处理将玻碳电极依次用0.5和0.05μm的A l2O3悬浊液在麂皮上抛光后,分别于无水乙醇和超纯水中超声清洗3 min。

将电极置于5 mmol/L K3Fe(CN)6溶液中扫描,直到得到合适的循环伏安曲线(氧化峰与还原峰高之比约为1,峰电位差小于80 mV)为止。

2.2.2 修饰电极的制备将0.6 mg SWNTs加入2 m L十二烷基硫酸钠(SDS,质量分数为1%)溶液中,超声分散30 min,得到0.3 g/L浅黑色SWNTs-SDS悬浮液。

取500μL分散液用200 m L超纯水稀释,减压过滤到纤维素滤膜上,充分水洗后室温晾干,得到单壁碳纳米管-纤维素复合膜(SWNTs-MCE)。

剪一小块纤维素膜,将SWNTs-MCE的SWNTs侧用少量水粘在玻碳电极表面,置于滤纸上,用力按压后放入丙酮溶液中浸泡3 min,取出晾干,即得到SWNTs/GC电极。

以SWNTs/GC电极为工作电极,以含6 mmol/L邻苯二胺和0.02 mol/L沙丁胺醇的乙酸缓冲溶液(pH 5.3)为聚合底液,在扫描速度为50 mV/s、电位范围为0～0.8 V时,循环扫描聚合20圈即得到嵌有沙丁胺醇的聚邻苯二胺(POPD)单壁碳纳米管玻碳电极(Sal/POPD/SWNTs/GC)。

将此电极置于0.05 mol/L PBS中,以50
mV/s的扫描速度,在0～2.0 V循环伏安扫描4圈,即可除去聚合膜中的沙丁胺醇,得到沙丁胺醇印迹的邻苯二胺单壁碳纳米管玻碳电极(M IP/POPD/SWNTs/GC)。

以裸玻碳电极为工作电极,用同样的方法修饰,可得到沙丁胺醇印迹的聚邻苯二胺玻碳电极(M IP/POPD/GC)。

非印迹膜(不含沙丁胺醇的聚邻苯二胺膜)电极
(NIP/POPD/SWNTs/GC)的制备除不加模板分子沙丁胺醇外,其余步骤与M
IP/POPD/SWNTs/GC电极的制备完全相同。

电极用完后,置于PBS中,在0～1.0 V扫描3～5圈,室温晾干后即可重复使用。

3.1 邻苯二胺在电极表面的电聚合
以沙丁胺醇为模板,邻苯二胺在不同电极上的聚合曲线见图1。

其中,图1a为邻苯二胺在裸玻碳电极上的电聚合曲线;图1b为邻苯二胺在SWNTs修饰玻碳电极上的电聚合曲线。

由图1a可知,邻苯二胺在裸玻碳电极上的电聚合是完全不可逆过程。

随着扫描圈数的增多,邻苯二胺在电极表面逐渐形成不导电的聚合膜,使电流响应逐渐变弱。

图1b表明,邻苯二胺在碳纳米管修饰电极上具有更高的初始峰电流,表明SWNTs增加了电极的反应位点[16],对邻苯二胺的氧化具有增敏作用,但随着扫描圈数增多,邻苯二胺也在碳纳米管表面形成不导电致密聚合膜,导致电流响应逐渐变弱。

3.2 修饰电极的性能
图2为不同电极在K3Fe(CN)6溶液中的循环伏安曲线。

将制备好的
Sal/POPD/SWNTs/GC电极置于K3Fe(CN)6溶液中进行循环伏安扫描,几乎无电流响应(曲线1),表明电极表面被致密的不导电聚合膜覆盖。

将聚合物膜中的沙丁胺醇去除后,膜表面留下孔穴,离子得以到达电极表面进行电子传递,因此将去除模板的M IP/POPD/GC电极(曲线2)和M IP/POPD/SWNTs/GC电极(曲线3)于
K3Fe(CN)6溶液中扫描时都出现了氧化还原峰。

由于SWNTs特殊的理化性质,加大了电极表面的反应位点,增加了电极的有效反应面积,因此M
IP/POPD/SWNTs/GC电极在K3Fe(CN)6溶液中的电流响应(曲线3)与M
IP/POPD/GC电极(曲线2)相比显著提高。

3.3 去除模板分子
文献中常用甲醇、乙醇或酸碱溶液等为洗脱液浸泡电极,以去除模板[9～12]。

本实验先运用上述方法对传感器进行了清洗,去除效果均不理想。

本研究采用电化学方法去除模板,以提高洗脱效率。

具体方法为:将电极置于0.05 mol/L PBS溶液中,以50 mV/s的扫描速度,在0～2.0 V循环伏安扫描数圈后于K3Fe(CN)6溶液中循环伏安扫描,观察K3Fe(CN)6峰电流的变化。

结果显示,K3Fe(CN)6峰电流随扫描圈数逐渐增大,表明沙丁胺醇模板被逐渐去除。

当扫描4圈后,峰电流不再增大,表明沙丁胺醇已被去除干净。

3.4 沙丁胺醇在不同电极上的伏安响应
以裸电极、SWNTs/GC电极、M IP/POPD/SWNTs/ GC电极和M IP/POPD/GC 电极为工作电极,用线性溶出伏安法(LSVs)测定8μmol/L沙丁胺醇溶液,结果如图3所示。

裸电极对沙丁胺醇几乎无响应,只在0.72 V处出现一个极小的氧化峰(曲线1)。

以M IP/POPD/GC电极为工作电极时,响应曲线如曲线2所示,电流响应有微弱增强,表明沙丁胺醇在分子印迹膜的孔穴中有少量富集,但由于裸电极对其无明显响应,因此,响应仍然不高。

曲线3为SWNTs/GC电极对沙丁胺醇的响应,由于SWNTs良好的电化学性质,增强了沙丁胺醇分子和电极之间的电子转移速度,电极响应明显增强。

而当电极表面修饰SWNTs后再电聚合印迹层时,沙丁胺醇在印迹孔穴中富集,加上SWNTs的增敏效应,导致沙丁胺醇在M IP/POPD/SWNTs/GC 电极上的峰电流相对于其它电极明显增大(曲线4),且氧化峰电位负移至0.68 V。

因此,M IP/POPD/SWNTs/GC电极能显著增强沙丁胺醇的检测灵敏度。

3.5 电化学测定条件的优化
3.5.1 富集电位和富集时间富集电位和富集时间对氧化峰电流均有影响。

在不同的
电位进行富集,峰电流不变,说明沙丁胺醇的测定不受富集电位的影响,所以选择开路富集。

实验发现,在10～180 s范围内,峰电流随富集时间增长而增大;当富集时间大于180 s后,峰电流保持不变。

说明开始时,沙丁胺醇在分子印迹的孔穴内进行富集
和吸附,一段时间后,富集达到饱和状态。

所以选择富集时间为180 s进行测定。

3.5.2 pH值配制不同pH值的PBS溶液,利用循环伏安法研究pH值对峰电流的影响。

研究发现,峰电位随pH值增加而负移,其线性关系为E(V)=1.1496-
0.0663pH,r=0.9976,斜率为66 mV/pH,表明该氧化反应中电子和质子转移数相等[6,7]。

氧化峰值随pH值的变大而先增大后降低,在pH 7.0处达到最大。

本实验选择pH 7.0 PBS缓冲溶液。

3.5.3 扫描速率实验发现,运用线性溶出伏安法,在扫速为30～300 mV/s范围内,沙丁胺醇峰电流(ipa)与扫描速率的平方根(v1/2)成正比,线性方程为
ipa=2.2795v1/2-6.1325,r=0.9969,表明沙丁胺醇在该电极上的电化学氧化受扩散控制[6,7]。

另外,峰电位随扫速增加而增大。

提高扫速,氧化峰电位正移,不利于氧化反应,且充电电流也随之增大。

为获得较大的峰电流,又防止充电电流过大,扫描速率选择为100 mV/s。

3.6 线性范围及重现性
在上述条件下测定沙丁胺醇溶液,其浓度与峰电流在7.94×10-8～1.36×10-
5mol/L范围内呈线性关系,回归方程为:Ipa(μA)=1.085c(μmol/L)+3.2075,
r=0.9966(图4),检出限为6.08×10-8mol/L(S/N=3),低于只用碳纳米管或C60修
饰的电极[6,8]。

平行测定8个8μmol/L沙丁胺醇溶液,响应值的RSD=1.64%,重
现性良好。

将使用过的电极置于PBS溶液中扫描洗脱后使用,连续20次,峰值保持
不变。

用同样方法制得5根电极,平行测定误差在1%～5%之间。

电极洗净晾干,一个月后测定同样浓度的沙丁胺醇溶液,峰值降为原来的84%,表明该电极稳定性良好。

3.7 印迹膜的选择性
本实验选择三氯生、盐酸克伦特罗、2,4-二氯酚、邻苯二酚、间苯二酚等与沙丁胺醇有相似结构的物质以及尿液中含量较高的尿素来考察传感器的选择性。

在
1μmol/L沙丁胺醇溶液中加入适量干扰物质,用本实验设计的传感器进行检测(表1)。

实验表明,以上5种物质对沙丁胺醇的检测基本无干扰。

另外,大量尿素的存在对检测也不产生干扰,为本法应用于尿液检测提供了可能。

3.8 样品分析
将新鲜猪肉搅碎放入冰箱中备用。

称取1 g猪肉样品和适量沙丁胺醇于烧杯中,加
入5 m L甲醇,超声30 min,过滤。

将滤液置于离心管中,以3000 r/m in离心10
m in,取100μL上清液,用水容至25 m L。

用制备的传感器在上述条件下测定样品,结果如表2所示,回收率在92.1%～113%之间。

结果表明,本传感器结合了碳纳米
材料和分子印迹技术的优点,灵敏度高,选择性好,将其应用于实际样品的分析,结果满意。

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