纳米材料电化学与生物传感器

1、第24卷第4期2012年4月化学进展PROGRESS IN CHEMISTRYVol.24No.4Apr.2012收稿:2011年8月,收修改稿:2011年10月国家重点基础研究发展计划(973项目(No.2011CB933700、国家自然科学基金青年基金项目(No.21105073和中国科学院“引进海外杰出人才”百人计划资助Corresponding authoremail:wanglun;xingjiuhuang纳米材料电化学与生物传感器有机微污染物检测新途径尉艳1,2,3刘中刚3高超3王伦2刘锦淮3黄行九3(1.皖南医学院化学教研室芜湖241002;2.安徽师范大学化学与材料科学学院芜湖

2、241000;3.中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所合肥230031摘要本文介绍了近年来纳米材料电化学与生物传感器在有机微污染物检测中的研究现状,分析了这些传感器中纳米材料修饰电极的特点,重点阐述了纳米材料在有机微污染物检测中的重要作用,列举了一些纳米材料电化学与生物传感器在有机微污染物检测中的应用。最后对纳米材料电化学与生物传感器用于有机微污染物的检测研究进行了简要评述和展望。关键词纳米材料电化学传感器电化学生物传感器修饰电极电化学检测有机微污染物中图分类号:O657.1;TB383;X132文献标识码:A文章编号:1005281X(201204061612Electrochemic

3、al Sensors and Biosensors Based on Nanomaterials :A New Approach for Detection of Organic MicropollutantsWei Yan 1,2,3Liu Zhonggang 3Gao Chao 3Wang Lun 2Liu Jinhuai 3Huang Xingjiu 3(1.Department of Chemistry,Wannan Medical College,Wuhu 241002,China;2.College of Chemistry and Materials Science,Anhui

4、Normal University,Wuhu 241000,China;3.Institute of Intelligent Machines,Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,ChinaAbstract The presence of organic micropollutants in an aquatic ecosystem impacts directly or indirectly tobiota and human being,which results in

5、an increasing demand for the detection of organic micropollutants.In this review we examine recent development and current status of electrochemical detection of organic micropullutants using electrochemical sensors and biosensors based on nanomaterials,and discuss the sensing principles of the nano

6、materials modified electrodes in these sensors.Emphasis is given to the important effect of related nanomaterials on the detection of organic micropullutants.Finally,key challenges and opportunities on the directions toward future development are outlined.Key words nanomaterials;electrochemical sens

7、ors;electrochemical biosensors;modified electrodes;electrochemical detection;organic micropollutantsContents1Introduction2Organophosphate and carbamate pesticides2.1Detection by electrochemical enzyme biosensorsbased on nanomaterials第4期尉艳等纳米材料电化学与生物传感器有机微污染物检测新途径·617·2.2Detection by electr

8、ochemical nonenzyme sensorsbased on nanomaterials3Phenolic compounds3.1Detection by electrochemical enzyme biosensorsbased on nanomaterials3.2Detection by electrochemical nonenzyme sensorsbased on nanomaterials4Nitroaromatic compounds5Other targets of organic micropollutants6Conclusions and outlook1

9、引言环境问题一直广受关注,而有机微污染物是导致环境问题的一个关键因素。有机微污染物是指对人和生态系统具有直接或间接危害的微量有机污染物,常见的有:有机磷类和氨基甲酸酯类有机农药杀虫剂、酚类、硝基芳香类、多氯联苯类(PCBs、有机卤化合物以及多环芳烃类(PAHs等。有机微污染物一般可在环境中长期存在,并可长距离迁移,具有致畸性、致癌性和神经毒性16,而且因其较强的亲脂憎水性,可在生物组织器官内积累并随食物链逐渐放大,部分污染物的分解产物依然具有很强毒性,严重危害人类健康和环境卫生7。常用检测有机微污染物的方法有色谱法、色谱-质谱联用、毛细管电泳、光谱法等814,这些方法虽然可达到检测的目的,但又

10、不可避免地存在耗时、成本高、仪器复杂难操作、难以在现场及时检测等缺点1518,而且检测前样品须经特殊处理19,种种缺陷敦促人们探究新型高效灵敏的检测方法。相比而言,电化学方法的化学与生物传感器规模小、成本低、灵敏度高、选择性好、响应迅速、易操作,是可用于现场分析的理想技术16,18,2024,因而逐渐被深入研究并应用于污染物检测中。电化学与生物传感器的灵敏度和选择性主要取决于电极上的敏感材料。而纳米材料具有传统材料所无法比拟的优异性能,如优异的电子传导性;大的比表面积,高的表面自由能使吸附性能提高,可有效吸附检测物;表面效应使其具有高的化学活性22,25,26等。基于此,将其应用于电极修饰,制

11、备成纳米材料修饰电极的传感器,这类传感器可以整合纳米材料和电极自身的优良性能,从而取得优异的检测效果,使电极更稳定,检测更快、更灵敏。本文以有机微污染物的种类为主线,详细阐述了不同纳米材料的电化学与生物传感器对有机微污染物检测的研究现状,分析了相关纳米材料修饰电极的特点,并对该研究方向的发展提出展望。2有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂是广泛使用的有机杀虫剂。其使用范围广且使用历史长,在有机微污染物中占比重较大,其中以有机磷类研究最多。常见的有机磷类杀虫剂主要有对氧磷(paraoxon、甲基对氧磷(methyl paraoxon、对硫磷(parathion、甲基对硫磷(m

12、ethyl parathion、毒死蜱(chlorpyrifos、久效磷(monocrotophos、马拉硫磷(malathion、乐果(dimethoate、草甘膦(glyphosate、三唑磷(triazophos、敌敌畏(dichlorvos和杀螟松(fenitrothion等。常见的氨基甲酸酯类杀虫剂主要有西维因(carbaryl、呋喃丹(carbofuran和黄草灵(asulam等。2.1基于纳米材料电化学酶生物传感器的检测对有机磷类和氨基甲酸酯类有机杀虫剂的检测,研究多是基于乙酰胆碱酯酶(AChE传感器。其检测机理是对AChE活性的抑制,通过酶活性的改变来间接检测该类物质。固定到电

13、极表面的AChE可催化底液中硫代乙酰胆碱(ATCl水解,产生电活性物质硫代胆碱(TCh,在一定电势下,TCh 可经电化学氧化,产生氧化电流。因有机磷类和氨基甲酸酯类有机杀虫剂能不可逆地与AChE结合,使AChE失活,进而抑制了ATCl的水解反应,使TCh的浓度降低,从而使测得的氧化电流降低。基于此,该类有机杀虫剂的浓度可通过TCh的氧化电流来定量测定1,27。虽然AChE传感器已得到广泛研究,但是如何将酶有效地固定到电极表面并保持其良好的生物活性仍制约电化学酶生物传感器的应用。为了解决这一难题,各种各样的基底材料被用来尝试酶的固定。而纳米材料因具有利于酶固定的有序结构和大的活性表面积以及性能的

14、可设计性而得到广泛应用,大大地改善了该类传感器的灵敏度、稳定性和检出限。2.1.1基于金属纳米粒子的电化学酶生物传感器金纳米粒子(Au NPs具有优异的导电传感界面和催化性能以及良好的生物相容性,能为酶等生物活性物质提供适宜的微环境,保持了酶的活性。这使得Au NPs广泛用于构建电化学酶生物传感器的研究中。然而,Au NPs本身不稳定,易团聚,从而失去其优异特性。对此,可采用不同物质,如溶胶凝胶、聚合物、生物物质、表面活性剂等,用于稳定和·618·化学进展第24卷分散Au NPs,同时,这些物质也能很好地固定酶并保持其活性。硅酸盐溶胶凝胶具有良好的化学惰性、多孔性、热力学稳

15、定性和物理韧性,适用于分散Au NPs 和固定酶。Du 等17,28将Au NPs 与硅酸盐溶胶凝胶(SiSG结合修饰于玻碳电极上,然后将AChE 固定于其上,制备得到性能优良的酶传感器用以检测图1(aAChE 电化学传感器检测杀虫剂原理28;(b安培法检测久效磷杀虫剂的抑制曲线17;(c线性伏安法检测马拉硫磷的伏安曲线30Fig.1(aPrinciple of AChE electrochemical biosensor used for determination of pesticide 28.(bRelationship between peak currents and concen

16、trations of monocrotophos.Insets:Calibrationcurvesformonocrotophosdetermination 17.(c Linear sweep voltammograms ofAChECHITAuNPs /Au after incubation in 0,0.1,0.5,4,6,8,10,15,20,100ng ·ml -1malathion for 15min and bare gold for reductive desorption of thiocholine in 0.1M KOH from -1.3to -0.9V.I

17、nsets:linear relationshipbetween desorption currents and concentrations30久效磷、甲基对硫磷和西维因(图1。硅酸盐溶胶凝胶所含的大量羟基基团为酶催化提供了良好的微环境。壳聚糖(CHIT是常用的生物相容性聚合物,具有优异的成膜能力、良好的附着性和高的机械强度。另外,CHIT 具有大量的羟基和氨基官能团而易于化学修饰,同样适用于分散Au NPs 和固定酶。该课题组将AChE 直接固定于CHIT 修饰的Au 电极29,该电极的特性在于AChE 作用的产物TCh 可以在该修饰电极表面催化Au NPs 的产生,而无需添加籽晶,生长的

18、Au NPs 具有良好的导电性,可明显增大峰电流,减小峰电势差。该修饰电极(AChECHITAu NPs /Au 对马拉硫磷检出限达0.03ng·ml -1。随后该课题组通过对TCh 的化学吸附/解吸过程,用线性扫描伏安(LSV对马拉硫磷进行了检测30。聚吡咯(PPy是一种重要的导电聚合物,其制备简单、稳定性好、导电性高,广泛应用于酶修饰电极中酶的固定,特别是PPy 纳米线因其有序的链状结构、高的体表面积比而得到极大关注。Gong 等31利用PPy 纳米线分散Au NPs 和固定酶,构建了AChEAuPPy /GCE 三维网状结构修饰电极,其中Au NPs 均匀分散在交错的PPy 纳

19、米线基底上,有效地催化氧化了AChE 作用的产物TCh,对甲基对硫磷检出限可达2ng·ml -1。另外,Yin 等32借助良好生物相容性的蚕丝蛋白及Au NPs 构建AChE 酶修饰电极,可有效、快速、稳定地检测甲基对氧磷、呋喃丹和倍腈松,对甲基对氧磷的检出限可达20pM。近来,双金属纳米粒子体系可结合两种金属纳米粒子表面特性,具有显著的催化性能而备受关注。Upadhyay 等33研究了AuPt 双金属纳米粒子体系。Au 纳米粒子的生物相容性有利于酶固定,且表面积大、导电性好,而Pt 纳米粒子对H 2O 2有显著的氧化还原能力,可增强传质作用,降低对H 2O 2的氧化过电势,而氧化过

20、电势的降低可以避免其他电活性物质对测定的干扰。他们构建了双酶双金属体系的生物传感器来检测有机磷杀虫剂,其中用3氨丙基三乙氧基硅烷(3APTES作偶联剂将AuPt 双金属纳米粒子电沉积至GCE 表面,然后将AChE 和胆碱氧化酶(ChOx经戊二醛交联固定于修饰电极上。其检测机理为:AChE 催化乙酰胆碱水解为胆碱,ChOx 可进一步氧化胆碱产生H 2O 2,而H 2O 2具有电化学活性,可经电化学氧化产生电流信号,基于有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂对AChE 活性的抑制,通过测定H 2O 2氧化电流的减小即可测得对氧磷和涕灭威的浓度。该传感器可在低电势下进行检测,从而有效避免其他电活性物质对测定的

21、干扰。2.1.2基于CNTs 的电化学酶生物传感器碳纳米管(CNTs以其特有的力学、电学、化学特性一直广受研究人员的青睐34。碳纳米管可分为单壁碳纳米管(SWCNTs 和多壁碳纳米管(MWCNTs。CNTs 特殊的电子结构,使其具有高导电性,此外,还具有较高的机械强度、良好的吸附能力、较大的比表面积、长径比和较多的催化位点以及较好的生物相容性,易于固定酶并保持其活性。因此,CNTs 非常适合应用于电化学与生物传感器,以提高其检测性能。在AChE 传感器中,硫代胆碱第4期尉艳等纳米材料电化学与生物传感器有机微污染物检测新途径·619·(TCh在裸电极表面的氧化需要非常高的工作

22、电势,易造成电极表面污染,通过修饰CNTs则可有效改善。然而,CNTs用于电极敏感材料的主要限制在于其疏水性,且易于聚成束状而影响其性能。通过强酸或强氧化剂氧化CNTs可以提高其溶解性,但是会使其结构产生大量缺陷,损害其性能。针对这种现象,目前已报道的改善方法主要有:(1经聚合物分散,如CHIT、全氟磺酸(Nafion、聚苯胺(PANI等;(2经自组装单层膜(SAMs分散;(3经与有机分子结合分散,如环糊精;(4经离子液体分散;(5经表面活性剂分散;(6经DNA分子包覆分散等。这些方法不仅可以很好地分散和稳定CNTs,还使其保持良好的生物相容性,能为酶等生物活性物质提供适宜的微环境,有利于固定

23、酶和保持其生物活性。Du课题组在这方面做了一系列工作。他们利用不同的CNTs分散方法,如MWCNTs混合于CHIT 与硅溶胶凝胶(SiSG中35;MWCNTs与CHIT构建复合网状结构36;MWCNTs控制吸附至己硫醇(C6H13SH自组装单层37;分散性良好且多孔的环糊精与MWCNTs复合38;聚吡咯聚苯胺共聚物包覆MWCNTs39等,构建了一系列基于AChE的电化学酶生物传感器,用于有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂的检测。离子液体(ILs有良好的导电性和较宽的电化学窗口,常被用作电解质和电极材料,而且对CNTs 有很好的分散性。Zamfir等40利用MWCNTs与离子液体1丁基3甲基咪唑四氟硼

24、酸盐构成的凝胶修饰碳糊电极,构建AChE传感器用以检测毒死蜱(CPF。凝胶层有效促进电子传导和催化硫代胆碱氧化,降低氧化电势,避免了酶流失和离子液体对酶的影响。其对CPF的检出限可达4nM;用双复磷(obidoxime可再活化酶,使修饰电极表现出良好的稳定性和重现性。聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA是一种水溶性阳离子聚合物电解质,可改变CNTs的疏水性而不破坏其特殊结构,可用于分散CNTs。Liu等41用PDDA作联接剂,通过自组装,层层交替堆积AChE 和PDDA于CNTs上,制备了PDDA/AChE/PDDA/ CNTs/GCE修饰电极,用以检测对氧磷,经6min抑制后检出限即可达0.4p

25、M。同样地,Firdoz等42将SWCNTs分散于PDDA中,通过选择合适的pH值,将AChE与PDDA通过静电结合,层层组装形成AChE/(PDDASWCNTsn/GCE修饰电极。研究发现,n为5时,检测西维因显示较高的选择性、良好的稳定性和灵敏度,检出限可达10-12g·L-1。Viswanathan等43先以单链DNA(ssDNA分子包覆在SWCNTs上,再将其自组装到金电极上,然后将苯胺和AChE分别经电化学聚合并固定其上,得到AChE/PANI/ssDNASWCNT/Au修饰电极,用以检测甲基对硫磷和毒死蜱,检出限可达1.0pM。其中以ssDNA包覆的SWCNTs分散性良好

26、,增强了催化能力,而聚苯胺作为重要的导电膜,具有良好的电化学行为,可以放大电信号,消除电极污染44。为充分利用Au NPs和CNTs,Jha等45(图2和Du等46将Au NPs作用于MWCNTs表面,构建AChE传感器以检测对氧磷和马拉硫磷,得到极低的检出限,分别为25nM和0.6ng·ml-1。另外,Qu 等47基于层层自组装技术分别将CNTs、树枝状聚酰胺(PAMAMAu NPs纳米复合物、AChE修饰于GCE表面,有效检测了呋喃丹,检出限达4.0nM。图2Au NPsMWCNTs材料的透射电镜(TEM图,插图:Au NPsMWCNTs的高分辨透射电镜(HRTEM图45 Fig

27、.2TEM image of Au NPsMWCNTs nanocomposite. Inset:HRTEM image of Au NPsMWNTs nanocomposite45金属(尤其是过渡金属酞菁配合物(MPc因其特有的结构、稳定的物理化学性质和优异的电催化活性而受到关注48,49。Ivanov等20研究了一种简单实用的AChE酶传感器,将SWCNTs和Co酞菁经一步沉积到丝网印刷电极(SPE上,再将AChE 经碳二亚胺键结合到SWCNTs,用于检测对氧磷和马拉氧磷,检出限分别为3ppb和2ppb。基于酶的生物传感器一直在被不断地深入研究并改进。Lin等50将AChE和CHOx结合,

28、固定CNTs并修饰于SPE上以检测甲基对硫磷。但AChE或AChE/CHOx的酶传感器选择性较差,不能区分有机磷与氨基甲酸酯两类杀虫剂。而基于有机·620·化学进展第24卷磷水解酶(OPH的酶传感器则具有较好的选择性,可用以直接检测有机磷杀虫剂。OPH酶传感器的检测机理是基于OPH催化有机磷化合物水解产生硝基苯酚,而硝基苯酚是电化学活性物质,氧化产生电流信号,通过检测硝基苯酚的氧化电流可检测有机磷杀虫剂的浓度。Deo等51将化学气相沉积合成的CNTs与OPH结合用以检测甲基对硫磷,检出限达1.0nM。Choi等52将三种离子液体(BMIMBF4,BMIMPF6,BMIMNT

29、F2分别与MWCNTs 混合成凝胶,并分别修饰于Au电极,再将OPH固定其上,比较了三种修饰电极检测对氧磷的性能。研究发现,以BMIMPF6修饰的电极响应最灵敏,以BMIMNTF2修饰的电极电子传导率最高。除了金属纳米粒子和CNTs,基于其他纳米材料的AChE电化学酶传感器也有报道,如表面覆载Au NPs的Si纳米线19,片状纳米石墨53,氧化硅介孔泡沫材料(MSF54,CdS和石墨烯纳米复合材料55等。其中MSF具有大比表面积和强吸附能力,不仅可以富集检测物,还可以为酶固定提供位点,稳定酶活性并促进酶催化。而石墨烯作为近来的“明星”材料,也是一种固定生物酶分子的良好基体。如上所述,AChE酶

30、传感器对有机磷类和氨基甲酸酯类化合物的检测是基于其对AChE活性的抑制,因此这类化合物中即使一些非电化学活性的物质也可得以检测,从而扩大了分析物的检测范围,但是从另一方面也反映了该类传感器缺乏选择性。此外,虽然基于酶的生物传感器具有较高的灵敏度,但仍存在种种缺陷,如物理和化学稳定性差,易受pH 值、温度、工作电势的影响;对存储条件要求较高,寿命短;易受环境中其他物质的干扰等,难以应用于具有复杂环境的实际检测中。为此,研究人员也在致力于研究基于纳米材料的非酶传感器。2.2基于纳米材料非酶电化学传感器的检测为了克服酶传感器的缺陷,结合纳米材料的大比表面积、强吸附性、电催化活性,以纳米材料非酶电化学

31、传感器来检测有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂同样具有较好的效果。2.2.1基于金属纳米粒子非酶电化学传感器有机磷杀虫剂中甲基对硫磷和对硫磷含有硝基苯基,在电极表面具有优良的电化学活性。但因其为有机大分子,电化学反应产物易于吸附在电极表面,导致电极污染,影响检测性能。通过合理的选择修饰物,可以同时达到改善电极污染、分散与稳定金属纳米粒子和萃取目标分析物的效果。诸如Au NPs和Ag NPs与Nafion56,57或表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS58结合,并修饰于GCE表面,可以检测甲基对硫磷(图3和对硫磷。Gong等18将Pt NPs修饰于Ni/Al层状双氢氧化物(LDHs的夹层中,构建了Pt

32、LDHs/GCE修饰电极,通过溶出伏安法来检测甲基对硫磷,检出限可达0.6ng·ml-1。近年来,分子印迹技术已成为一种获得人工受体的有力手段,有望代替生物受体。基于其空腔的形状、大小及官能团等,由聚合物材料制备的分子印迹模板可以特异性结合目标分子,使其成为检测有机微污染物的有力工具,大大提高了传感器的选择性和灵敏度。通过修饰金属纳米粒子,可增大电极表面积,从而增加印迹位点,进一步提高灵敏度。Xie等59通过表面分子自组装和分子印迹两种技术,用Au NPs装载分子印迹聚合物修饰到GCE上,用于检测毒死蜱,显著提高了分析性能。2.2.2基于金属氧化物纳米材料非酶电化学传感器ZrO2纳米

33、粒子具有很好的导电性,且对有机磷类杀虫剂的磷酸基团具有很强的吸附能力,因此可作为固相萃取剂,用于有机磷杀虫剂的检测(图3。具体工作列于表1。表1ZrO2纳米粒子电化学传感器检测甲基对硫磷/对硫磷Table1Detecting methyl parathion/parathion by electrochemical sensors based on ZrO2nanoparticles method analyte LOD ref ZrO2/Au methyl parathion3ng·ml-11 ZrO2CHIT/GCE methyl parathion1ng·ml-160

34、 mesoZrO2/CPE methyl parathion4.6nM61 ZrO2/MAS/Au parathion0.8ng·ml-162 ZrO2/Au parathion3ng·ml-163 notes:MAS2mercaptoethanesulfonic acid sodium纳米TiO2对磷酸基团同样具有强吸附性。Qu 等15将AuTiO2纳米复合材料用CHIT分散,修饰于GCE以检测对硫磷,检出限为0.5ng·ml-1。Li 等64和Kumaravel等65分别用纳米TiO2聚合膜和纳米TiO2/Nafion复合膜修饰GCE,对杀螟松进行了检测,检出

35、限分别达到了10nM和0.0866M。2.2.3基于CNTs非酶电化学传感器CNTs修饰电极可有效避免电极污染,但却有较高的背景电流,影响检测,通过对CNTs改性,可有效改善这一问题。Zhang等66和Huang等67将Au图3(aZrO2纳米粒子的SEM图像1;(b杀螟硫磷在电极上的电化学机理1;(c甲基对硫磷的循环伏安图61;(d方波伏安法检测甲基对硫磷的伏安图56Fig.3(aTypical SEM image of zirconia nanoparticles formed with10consecutive potential cycling on a gold electrode1

36、;(b The electrochemical mechanism of fenitrothion at the electrode1;(cCyclic voltammograms of methyl parathion at the mesoporous zirconia modified carbon paste electrode(Aand the unmodified carbon paste electrode(Bin phosphate buffer solution at pH= 6.9.accumulation time:210s;scan rate:100mV·s-

37、161;(dSquare wave voltammograms of increasing methyl parathion concentration in0.1M PBS(pH=7.0at AuNPs/Nafion/GCE,from bottom to top,with concentrations of0,0.5,5,15,30, 45,60,75,85,100,120M,respectively.The inset shows the calibration curve56NPs和Pd NPs沉积于MWCNTS上,并修饰于GCE,来检测对硫磷和甲基对硫磷,检出限为0.1M和0.05g&

38、#183;ml-1。Fan等68以离子液体(BMIMPF6作为黏合剂将SWCNTs修饰于GCE上,可用于直接检测甲基对硫磷,检出限可达到1.0nM。他们还发现,甲基对硫磷水解产物(对硝基苯酚的还原峰不与甲基对硫磷的峰交错,因此可同时检测。如在2.1.2中所述,基于金属酞菁配合物的电催化活性,将其修饰到CNTs上可提高检测性能。Siswana等将氨基取代的Co酞菁配合物69和氨基取代的Ni酞菁配合物70修饰到固定MWCNTs的平面热解石墨电极(BPPGE上,这两种修饰电极可显著催化氧化黄草灵分子,对其检测有较好的选择性。Moraes等71将Co酞菁/MWCNTs修饰于GCE上,采用方波伏安法直接

39、检测西维因。该修饰电极可在水样中直接实时检测西维因,检出限为5.46±0.02nM。另外,Myer等将Cu酞菁/MWCNT修饰于GCE上,通过差分脉冲伏安(DPV间接检测了无电化学活性的草甘膦72。3酚类化合物酚类化合物是指芳香烃中苯环上的氢原子被羟基取代所生成的化合物,根据其分子所含的羟基数目可分为一元酚和多元酚。酚类化合物广泛应用于化学工业,这类物质极具毒性,是水污染的重要来源。3.1基于纳米材料电化学酶生物传感器的检测基于酪氨酸酶(Tyr的酶生物传感器对酚类化合物的检测较为普遍。利用O2分子,酪氨酸酶能催化一元酚的邻羟基化生成邻位二元酚,也能进一步催化生成邻醌。检测机理是:Ty

40、r在电极表面将酚 类化合物氧化成醌,而醌类化合物具有电化学活性,可在电极表面经电化学还原,产生还原电流。该还原电流与酚类化合物的浓度成比例关系,通过测量还原电流信号,便可测定酚类化合物的浓度。 图4(aTyrAuCPE 检测苯酚的电化学机理73;(bA:TyrAuCPE;B:TyrCPE 检测苯酚的稳态电流时间曲线73Fig.4(aThe electrochemical mechanism of phenol at TyrAuCPE73;(b Typical steadystate currenttimeresponse curves for increasing phenol concent

41、ration in 4.0×10-6M steps at TyrAuCPE (Aand TyrCPE (Bat -0.15V.Inset shows the calibration curves at TyrAuCPE(Aand TyrCPE (B73另外,以Tyr 为基础所构建的TyrAuCPE73(图4、TyrZnOGCE 74和TyrCNTsGCE 75修饰电极,对苯酚及苯酚类物质有较好的响应,检出限可达6.1nM 和50nM。基底电极对构建传感器同样起到重要作用。硼掺杂纳米晶金刚石(BDND薄膜电极较GCE 有更好的性能。BDND 具有宽的电化学窗口、低的充电电流、极佳的电化

42、学稳定性和优良的抗污染性。Zhao 等76选用BDND 薄膜电极作为基底电极,将ZnO 纳米棒沉积到BDND 基底上,形成ZnO 纳米棒微阵列(图5,再将Tyr 经共价键作用固定到ZnO 纳米棒表面。该修饰电极对4甲基苯酚、4氯苯酚和苯酚的检出限分别为0.1M,0.25M 和0.2M。基于Tyr 的酶生物传感器可以较好地检测苯酚,但是对硝基苯酚却没有响应。Kafi 等77研究了另一种酶传感器用于硝基苯酚的检测。首先在Ti 基底上经直流阳极氧化形成TiO 2纳米管阵列(图5,经离子溅射技术在其上形成Au 薄膜,然后将辣图5(aZnO 纳米棒阵列76,(bTiO 2纳米管阵列的扫描电镜(SEM图像

43、77Fig.5SEM image of (a tilt view of ZnO nanorodarrays 76,(bTiO 2nanotube arrays directly grown on Ti substrates 77根过氧化酶(HRP、亚甲基蓝(MB和CHIT 固定形成Ti /TiO 2/Au /HRPMB 电极。TiO 2纳米管阵列的大比表面积、均一的结构、良好的生物相容性使其非常适合作为酶的载体;CHIT 因其具有良好的成膜性、生物相容性、机械稳定性而加以辅助使用78;MB 可有效传递电子,显著改善生物传感器的灵敏度;Au 薄膜显著提高了TiO 2纳米管阵列的电化学活性,并有助

44、于酶的固定和活性的保持。该酶传感器对硝基苯酚的检出限可达9×10-8M(S /N =3。3.2基于纳米材料非酶电化学传感器的检测酚类化合物具有电化学活性的酚羟基,可被电化学氧化。此外,硝基酚中的硝基也具有电化学活性。因此酚类化合物同样可用非酶电化学传感器检测。3.2.1基于金属纳米粒子非酶电化学传感器Su 等79用烷基双硫醇(HS(CH 2n SH,n =3,6,9自组装膜(SAMs分散Au,修饰到金电极表面,用于检测邻苯二酚,其检出限为4.0M。Ndlovu 等80用聚丙烯亚胺(PPI分散Au NPs,共沉积于GCE 上以检测邻硝基苯酚。其检测线性范围为0.61M0.625mM,检

45、出限为0.45M。Chauke 等81将Ta 酞菁与Au NPs 修饰到金电极上,检测双酚A。与裸金电极、仅Au NPs 修饰电极相比,其电子传导阻抗大大减小,并可在较低的正电势下催化氧化双酚A,得到较高的电流响应,检出限可达0.276M。以Pt 为基础的双金属及金属金属氧化物对苯酚类物质有较好的电化学催化特性。Tzang 等82结合过渡金属氧化物RuO 2的电化学活性及过渡金属Pt 的催化活性制备出Pt /RuO 2纳米胶体修饰的碳糊电极,该电极对苯酚检出限可达1.0nM。3.2.2基于CNTs 非酶电化学传感器Wang 等83利用CNTs 修饰GCE 以检测苯酚类物质。实验发现,随反应进行

46、,电极表面形成含醌氢醌氧化还原电子对的表面层,有助于苯酚类有机物进一步氧化。Liu等84以室温离子液体(1丁基3甲基咪唑六氟磷酸盐,BMIMPF6分散MWCNTs,修饰于GCE,研究了其对邻苯二酚的电化学行为。Phanthong等85将硝基苯有机分子液膜和SWCNTs 共同修饰于GCE,其所用硝基苯有机分子液膜可预富集目标4氯苯酚分子,从而有效改善了电极的检测效果,以DPV检测4氯苯酚,检测灵敏度可达1.1×10-5A·nM-1·cm-2。Arribas等24用MWCNTs修饰GCE,结合流动注射体系,检测了2,4二氯苯酚,检出限可达0.037M,并在流动注射体系

47、实验中发现该修饰电极具有长期稳定性,有望在实际检测中应用。为了充分利用金属纳米粒子和CNTs的特性, Wang等86以网状MWCNTs覆载Pt NPs,并修饰到GCE上,经LSV可同时检测萘酚和萘酚这两种同分异构体。Tu等87用带负电的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB作为黏合剂,经静电作用,将带正电的MWCNTs与Au NPs黏合形成杂化膜修饰于GCE表面,经DPV检测双酚A,其检出限为7.5nM。对于类似含有酚羟基的化合物二羟基苯甲酸, Moghaddam等88将SWCNTs和石墨粉(graphite混合制备成SWCNTs/graphite/GCE,检测3,4二羟基苯甲酸。Wu等89还用表面活

48、性剂双十六烷基磷酸酯(DHP分散生物相容性和导电性好的TiO2纳米粒子,在GCE表面形成稳定的膜,可检测五氯苯酚,检出限可达10nM。4硝基芳香类化合物硝基芳香类化合物因硝基的存在,易发生电化学还原,从而可以电化学方法直接检测。Liu等21将DNA经键与CNTs杂化,然后通过层层组装修饰GCE,用于检测2,4,6三硝基甲苯(TNT。DNA与CNTs杂化体具有大量电子和氢键键合位点,可使其成为有效的电子供体,而硝基甲苯具有缺电子性,可作为电子受体,二者相互作用加强了对目标分子的富集,使该修饰电极显示出较高的灵敏度,其响应迅速(15s以内,检出限可达0.5g·L-1。Maduraivee

49、ran等90将Ag NPs植入硅酸盐结构中形成Ag硅酸盐核壳纳米结构,这种结构可使Ag NPs稳定存在而不发生团聚。将该材料修饰GCE,用以检测硝基苯化合物,检出限可达2.5nM。Hrapovic等22研究比较了表面覆载不同金属纳米粒子的CNTs作为电极修饰材料对TNT的检测性能。通过比较Cu、Pt、Au三种金属纳米粒子,发现Cu NPs/SWCNTs修饰的GCE的检测背景电流最小,通过溶出伏安法对TNT的检出限达1ppb,该修饰电极还可在流动分析体系中在线检测TNT。近年来,介孔材料在电化学检测中的应用也较为普遍。介孔SiO2具有高度有序的六角形孔隙(可调孔径约在330nm和高的水热稳定性,

50、可有效增大电极反应表面积,是理想的电极修饰材料。Liu 等7通过层层组装将介孔SiO2(图6修饰于GCE 表面,该修饰电极用DPV可以检测1nM0.1M的2,4,6三硝基甲苯(TNT、1,3,5三硝基苯(TNB、2,4二硝基甲苯(DNT和1,3二硝基苯(DNB。研究发现,修饰电极的灵敏度受修饰层数、电解液离子强度和pH值等因素影响。Zhang等23以介孔SiO2修饰GCE,制备了可检测TNT和TNB的电化学传感器,其中对TNT的检出限达1.8nM。Filanovsky 等16以介孔TiO2作为载体分别嵌入/沉积Ru NPs、Pt NPs和Au NPs,并比较了其对TNT的检测性能,研究发现,以

51、TiO2Pt NPs和TiO2Au NPs作为电极修饰材料,显示出较TiO2Ru NPs更好的电化学活性 。图6介孔SiO2的TEM图7:(a侧视;(b俯视Fig.6TEM images of side(aand top views(bof mesoporous SiO27导电聚合物聚苯胺(PANI纳米材料因其制备简单、热稳定性好、生物相容性好、电催化活性高等优点而在电极修饰材料方面得到广泛研究。Wang 等91利用PANI的这些特性,将多肽掺杂其上形成纳米纤维,并修饰于GCE表面,用于检测TNT。多肽中含有谷氨酸和赖氨酸,其中谷氨酸通过羧基提供质子给PANI中的亚胺而与其相连,而赖氨酸的氨基

52、由于亲水作用暴露在外,可通过形成电荷转移配合物与TNT连接,起富集作用,从而提高了检测TNT的灵敏度,检出限达100nM。5其他有机微污染物基于纳米材料的电化学与生物传感器对其他一些有机微污染物,如苯、有机卤化物、多环芳香化合物(PAHs、苯氧基类化合物等检测的研究相对较少,因原理与前所述基本相同,这里不再赘述,列表以供参考(表2。表2纳米材料电化学与生物传感器检测有机微污染物Table 2Detecting organic micropollutants by electrochemical sensors and biosensors based on nanomaterialsorgan

53、icmicropollutant methodanalyteref benzenesoctadecylamine functionalized graphene chemiresistorsbenzene,toluene ethylbenzene,xylene72organohalidesPt NPsZnporphyrin /GCE CCl 4,CHCl 3,pentachlorophenol,chlorobenzene,hexachlorobenzene 92 Ag NPs /MWCNTs /GCEtrichloroacetic acid 84TH /TNTs /CHIT /GCEtrich

54、loroacetic acid 93PAHs dendritic SiO 2NPs modifiedelectrochemical immunosensorbenzoapyrene 3phenoxybenzyltype compoundsPQQTyrAu NPs /GCE 2,4dichlorophenoxyacetic acid 94Sbdoped SnO 2NPs /BDDE2,4dichlorophenoxyacetic acid95polyaniline /MWCNTs /GCE polypyrrole /MWCNTs /GCE cypermethrin,deltamethrin,fe

55、nvalerate96othersCu NPs /MWCNTs /GCE tricresylphosphate 97SWCNTssheet /GCEethidium bromide 98MWCNTs /CPEamitrole 99polyFeTAPc /MWCNT /BPPGEamitrole 100electrochemical immunosensor based onthreedimensional gold nanoclusters picloram101fullereneferroceneionic liquid modifiedelectrochemical immunosenso

56、rparaquat 102notes:TH,thionine;TNTs,titanate nanotubes;CHIT,chitosan;PAHs,polycyclic aromatic hydrocarbons;PQQ,pyrroloquinoline quinone;BDDE,borondoped diamond electrodes;FeTAPc,iron(tetraaminophthalocyanine complex;BPPGE,basal plane pyrolytic graphite electrode另外,我们课题组对有机微污染物的检测也做了一些研究。多氯联苯(PCBs为环境

57、中普遍存在的一类持久性污染物,现已禁止生产和使用,但它们通过各种途径残留在环境中。由于PCBs 的绝缘性,难以以电化学方法直接检测PCBs。而我们103巧妙地采用电化学交流阻抗(EIS技术,成功地检测了多氯联苯PCB77。该工作借助芘基环糊精(PyCD与CNTs 间的共轭作用,将SWCNT 与PyCD 结合修饰到GCE 表面,PyCD 是理想的主体分子,外缘亲水而内腔疏水,可俘获适当的客体分子。当PCB77分子被PyCD 俘获时,形成主客体配合物,由于PCBs 分子的绝缘性,阻碍了探针分子的电子传递过程,引起电子传递阻抗增大,增大的阻抗与捕捉的客体分子,即多氯联苯的分子数目有关,进而可测得PCBs 的浓度。图7电化学交流阻抗(EIS检测PCB77103