一种多壁碳纳米管白藜芦醇印迹溶胶-凝胶电化学传感器的研制

一种多壁碳纳米管白藜芦醇印迹溶胶-凝胶电化学传感器的研制

分子印花技术从模仿的角度采用合成方法，并与模型分子一起制作具有特定结构性能和特定结构的聚合物。由于其独特的模拟自然受体的分子识别能力，mip成功应用于固相萃取或微相萃取、铬或毛细管电泳和传感器。然而，作为一种打印材料应用的重要方向，尤其是印刷电子显微镜，其开发速度相对较慢，尤其是印刷电子显微镜。电子显微镜的传输速度慢，重复性差，这为电子显微镜传感器带来了很大的好处。然而，传统的打印方法无法控制打印膜的厚度，电子传染速度慢，重复性差，这使得在电子显微传感器领域发展精细印刷膜带来困难。因此，为了满足appstore对敏感元件的要求，必须找到新的打印基质和打印方法。印迹溶胶-凝胶体系(MIP/sol-gel)是一类具有特异性识别、大孔、刚性结构的无机/有机杂化聚合物.这些多孔聚合物膜可以允许无机或有机分子在里面自由穿透,而其坚硬的物理结构能维持其原始特性在遭受强酸或强碱处理时不被破坏.电化学聚合技术是制备分子印迹传感器敏感膜最有潜力的方法之一,印迹溶胶-凝胶膜容易在电极表面生成并牢固地附着在电极表面,而且膜的厚度能通过控制流通电荷量来进行调节,是一种被广泛应用的传感器制备技术.碳纳米管(CNT)自1991年被Iijima等发现以来,因其独特的物理化学性质,如大的比表面积、快的电子转移速度、极高的机械强度引起人们极大的兴趣,特别是将羧基化碳纳米管引入到电极表面,不仅改善碳纳米管在电极表面的分散性,还增加所制备传感器的比表面积,给传感器制备提供了新的研究方向.本文将多壁碳纳米管、溶胶-凝胶技术和分子印迹技术相结合,基于碳纳米管快的电子传递能力与大的比表面积效应和溶胶-凝胶印迹敏感层的良好选择性,克服传统印迹基质存在的困难,采用电化学沉积技术,在碳纳米管修饰碳电极表面成功构建一种新型白藜芦醇印迹溶胶-凝胶电化学传感器.该传感器制备方便、成本低廉,具有良好稳定性,对白藜芦醇表现出高选择性,且多壁碳纳米管基底对电极响应信号起到良好的增敏作用.1实验部分1.1实验试剂和仪器CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器公司),三电极体系:自制碳电极(CE)(10mm×5mm)为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂电极为辅助电极;KQ-250E型超声波清洗器(昆峰超声仪器有限公司);扫描电镜(日本日立公司).多壁碳纳米管(MWNT,直径20~30nm,成都碳纳米管有限公司),苯基三甲氧基硅烷(PTMOS,97%,Aldrich),甲基三甲氧基硅烷(MTMOS,Aldrich),乙二醇乙醚(EME),二甲基甲酰胺(DMF)(湖南汇虹试剂有限公司),白藜芦醇(Resveratrol),没食子酸(Gallicacid),抗坏血酸(Ascorbicacid),D-果糖(D-levulose),维生素E(Alpha-tocopherol)(浙江医药股份有限公司),它们的化学结构如图1所示.磷酸缓冲溶液(PBS,pH7.4,0.2mol·L-1),除特殊说明外,文中所有电化学实验均在该缓冲溶液中进行;所用试剂均为分析纯;实验用水均为二次蒸馏水.1.2羧基化碳纳米管的制备取0.5gMWNT,加入到50mL浓硝酸中,超声30min,在85℃下搅拌反应24h.反应物冷却至室温,用孔径为0.22µm的微孔滤膜过滤,滤饼用二次蒸馏水清洗至滤液成中性,在真空状态下干燥24h,即可获得羧基化碳纳米管(MWNT-COOH).1.3mip/sol-gel/mwnt/ce的制备将自制碳电极(10mm×5mm)先后分别用0.3µm和0.05µm氧化铝机械抛光至镜面,再用无水乙醇超声清洗,然后用二次蒸馏水反复清洗,最后置于室温中风干备用.取5.0mgMWNT-COOH分散于10mLDMF和二次蒸馏水的等体积混合液中,超声30min得到均匀的黑色悬浮液,取10µL该悬浮液滴涂在碳电极表面将电极置于室温下干燥24h.将1.4mLMTMOS(9.46mmol),0.14mLPTMOS(0.76mmol),10.0mLEME,0.1mL2.0mol·L-1HCl溶液和0.1mL二次蒸馏水充分混合均匀.取1.4mL该混合溶液和0.6mL1.0mmol·L-1白藜芦醇乙醇溶液混合搅拌2h,得印迹溶胶.MIP/sol-gel/MWNT/CE的制备过程如图2所示.将MWNT-COOH修饰碳电极、参比电极和辅助电极置于印迹溶胶中,在三电极体系下利用循环伏安法扫描30圈.扫描结束将电极置于乙醇中反复浸泡,以洗脱模板分子.最后电极置于室温下干燥24h,制得MIP/sol-gel/MWNT/CE.采用同样的方法不修饰MWNT-COOH制得MIP/sol-gel/CE,不加模板分子制得NIP/sol-gel/MWNT/CE.1.4白导体的电化学响应检测电化学性能表征利用三电极体系,采用方波伏安法(SWV)和安培计时电流法(i-t)探讨该印迹电极的电化学响应性能.所有电化学实验温度均控制在(25±0.5)℃.在配制白藜芦醇标准溶液时我们采用少量的乙醇作为助溶剂.将MIP/sol-gel/MWNT/CE,MIP/sol-gel/CE和NIP/sol-gel/MWNT/CE置于含有1.0mmol·L-1白藜芦醇的PBS中,浸泡10min后,采用方波伏安法(SWV)进行电化学响应检测.同样条件下,将MIP/sol-gel/MWNT/CE置于10mLPBS中,采用安培计时电流法检测不同浓度白藜芦醇的电流响应,电流响应值达到稳定后,每隔300s向溶液中连续加入不同浓度的白藜芦醇标准溶液,使溶液中的白藜芦醇的浓度从5.0×10-7mol·L-1变化到8.0×10-3mol·L-1,分别记录稳定的电流响应值.1.5mip/sol-gel/mwnt/ce的制备将MIP/sol-gel/MWNT/CE分别置于含有1.0mmol·L-1白藜芦醇,没食子酸,抗坏血酸,D-果糖,维生素E的PBS中浸泡10min,采用方波伏安法(SWV)探讨MIP/sol-gel/MWNT/CE对被测物的选择性能,记录其响应值.2结果与讨论2.1碳电极扫描转速nd技术本文采用PTMOS为功能单体,因为它既有疏水性又可与模板分子上的苯环产生亲和力.而MTMOS的加入会进一步提高溶胶的疏水性和稳定性.交联剂MTMOS和功能单体PTMOS之间通过离子键及芳环的π-π键相连接,利用π-π键和疏水作用促进溶胶混合物的特异性结合;而白藜芦醇分子含有二个苯环,通过与溶胶混合物的网络结构产生相互作用进行键合,洗脱后形成具有与白藜芦醇相匹配的印迹孔穴,由此制得具有良好选择识别能力的MIP/sol-gel/MWNT/CE.碳电极的电沉积循环伏安曲线如图3所示.研究表明,扫描速度的大小对印迹膜的选择性和绝缘能力有很大的影响,扫描速度较大时,形成的膜不紧密,绝缘性能较差,对模板分子的识别能力下降,不宜做电化学传感器;扫描速度越小,形成的膜越致密,膜的绝缘能力越强.但扫描速度太小,花费时间太长,因此选择扫描速度为50mV·s-1.由图3可知,随着扫描圈数的增加峰电流越来越小,表明印迹溶胶不断地电沉积到电极表面,印迹溶胶-凝胶膜的绝缘性导致电流减少.图3A为覆盖碳纳米管层电极的电沉积图,比较图3A和3B可以发现,碳纳米管的引入增加了电子传递作用,从而使峰电流回路明显变宽.当扫描圈数超过30圈时,循环伏安曲线基本在同一位置重复,表明碳电极表面已经完全被覆盖.因此,我们选择30圈作为沉积圈数.为了进一步研究印迹溶胶-凝胶膜,采用扫描电镜来表征印迹溶胶-凝胶膜形貌,结果如图4所示.由图4a可知,碳纳米管均匀分散在碳电极表面,而从图4b可以明显看到在碳纳米管表面覆盖了一层印迹材料,这是因为印迹溶胶-凝胶有机地吸附在碳纳米管表面,从而增加了印迹材料比表面积,有利于提高修饰电极的检测灵敏度.2.2mip/sol-gel/mwnt/ce图5修饰碳电极的电化学响应检测结果如图5所示.MIP/sol-gel/MWNT/CE(图5a)和MIP/sol-gel/CE(图5b)比NIP/sol-gel/MWNT/CE(图5c)具有更高的电流响应,这是由于洗脱模板分子后,在印迹溶胶-凝胶薄膜内形成很多与白藜芦醇相匹配的特异性结合位点,白藜芦醇可以自由通过印迹孔穴吸附到电极表面,而在非印迹膜上缺少与白藜芦醇相匹配的识别点.相对于MIP/solgel/CE,MIP/sol-gel/MWNT/CE对白藜芦醇显示出更高的灵敏度,这是由于碳纳米管大的比表面积效应、表面带有较多的功能基团和快的电子传递作用而对白藜芦醇电化学行为产生特有的催化效应,增加了白藜芦醇在电极表面的吸附量.2.3ph对mip/sol-gel/mwnt/ce电化学响应的影响MIP/sol-gel/MWNT/CE和被测分析物之间的结合是π-π键、氢键、离子键和疏水结合等作用力,溶液pH会影响它们之间的相互作用.采用方波伏安法来检测不同pH下MIP/sol-gel/MWNT/CE对1.0mmol·L-1白藜芦醇的电化学响应,结果如图6所示.如图6a所示,当pH从5.5增加至8.5,峰电流的响应值随着pH值的增加先增大,后减少,且最大电流值出现在pH7.5附近.为了精确最适宜的pH,配制pH从7.0增加至7.7的缓冲溶液,峰电流的响应值如图6b所示,电流最大值出现在pH7.4,故pH7.4被视为最适宜的pH值.2.4白导料/白导料对白陇芦醇的电流响应为了探讨MIP/sol-gel/MWNT/CE对白藜芦醇浓度变化的影响,采用安培计时电流法进行定量检测.从图7可以看出,MIP/sol-gel/MWNT/CE对白藜芦醇浓度变化的响应比MIP/sol-gel/CE大,这是由于碳纳米管对电子传递的促进作用和大的比表面积效应.当白藜芦醇溶液浓度从5.0×10-7mol·L-1到8.0×10-5mol·L-1变化时,MIP/sol-gel/MWNT/CE对白藜芦醇的电流响应随着白藜芦醇浓度的增加而增大,而当白藜芦醇浓度大于8.0×10-5mol·L-1,电流响应的增加量随着白藜芦醇浓度的增加而减少,并慢慢的趋于饱和,这是由于在该膜中存在有限的白藜芦醇结合位点,当印迹孔穴被白藜芦醇分子完全填充后,电流响应将不再增加.白藜芦醇浓度在5.0×10-7~8.0×10-5mol·L-1范围内,电流与浓度呈线性响应,线性方程为:其中I的单位为µA,C的单位为µmol·L-1,检测限为5.1×10-8mol·L-1(S/N=3).2.5白陇水印刷印刷的选择性对模板分子具有选择识别是印迹聚合物的最大优点,这对于印迹传感器在复杂样品中的分析应用具有很重要的意义,采用方波伏安法进行分析,记录其响应值结果如图8所示.由图8可知,MIP/sol-gel/MWNT/CE对白藜芦醇具有良好的选择性,而NIP/sol-gel/MWNT/CE的选择性响应并不明显,这表明富于结合位点的印迹膜能够有效地选择白藜芦醇.这是由于印迹膜内具有与白藜芦醇相匹配的印迹孔穴,该识别空穴尺寸和功能基排列与白藜芦醇分子空间匹配,使白藜芦醇在印迹膜中的扩散较其它干扰物容易,故白藜芦醇引起的响应最大而D-果糖、抗坏血酸和维生素E分子结构与白藜芦醇差异较大,不能有效扩散进入识别位点,印迹电极响应极小.没食子酸在结构上与白藜芦醇相似,都含有苯环且苯环上都连有羟基,因此也能在一定程度上扩散进入多孔印迹膜,但不能完全与识别孔穴在空间上匹配,引起的电流响应较小.2.6方波伏安法进行的方波伏安法实验为了验证印迹电极用于白藜芦醇分析的可行性,我们对该印迹电极进行重复性和回收率实验.采用方波伏安法进行样品分析,对不同类型的葡萄酒中白藜芦醇含量进