基于印跡分子聚合物改性金電極的阿特拉津傳感器

1、基于印跡分子聚合物改性金電極的阿特拉津傳感器Reo Shoji,Toshifumi Takeuchi,and Izumi Kubo 印跡分子聚合物（MIP）已經(jīng)應(yīng)用于人體上。在我們目前的研究中，MIP作為分子識(shí)別元件應(yīng)用于化學(xué)傳感器。我們構(gòu)建了一個(gè)阿特拉津傳感器基于MIP對(duì)阿特拉津和對(duì)金電極電化學(xué)還原的選擇性。阿特拉津是由甲基丙烯酸和乙二醇直接聚合到金電極表面上的高分子聚合物。通過(guò)向MIP加入氯化鋰，使阿特拉津相比Ag/AgCl參比電極減少低于-800mV，pH為3。阿特拉津的陰極電流取決于阿特拉津的濃度在1-10uM的范圍。傳感器的選擇性表現(xiàn)出對(duì)阿特拉津的回應(yīng)。而其他聚合物改性電極并沒(méi)有顯示

2、出對(duì)阿特拉津選擇性反應(yīng)，因此這意味著阿特拉津的印跡分子聚合物作為傳感器的識(shí)別元件。 生物識(shí)別分子如酶、抗體和受體選擇性傳感的研究和利用，目前人工受體印跡分子聚合物（MIPs）在許多實(shí)際應(yīng)用中正在接受檢驗(yàn)。相比較生物受體的昂貴、合成復(fù)雜以及不穩(wěn)定的問(wèn)題使得MIPs在分析化學(xué)更有前途。 MIPs被應(yīng)用于各種分析方法。由于它們特定的親和力，它們主要用作代替抗體，被應(yīng)用于抗原競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合化驗(yàn)使用放射性標(biāo)記配體。分析物如茶堿、安定、嗎啡可以由這種競(jìng)爭(zhēng)性綁定化驗(yàn)。這種方法也可以用于生物活性物質(zhì)如毒品、除草劑、殺蟲(chóng)劑。 MIPs的另一個(gè)應(yīng)用是固相萃取的親和色譜法。在這種應(yīng)用中，微粒的MIPs用作固相集中和單獨(dú)的

3、化學(xué)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)類(lèi)似。例如除草劑阿特拉津、補(bǔ)草凈已經(jīng)用了這種方法。 最近MIPs被用作分子識(shí)別膜或?qū)拥幕瘜W(xué)傳感系統(tǒng)。提出了MIPs和傳感器的組合應(yīng)用。例如：石英晶體微量天平、表面等離子體共振設(shè)備、場(chǎng)效應(yīng)器件、電導(dǎo)測(cè)定法。這些傳感器是基于MIP膜或?qū)咏壎ǖ挠≯E分子引起的。 當(dāng)綁定分析物本身反應(yīng)表面的固體支持MIPs的準(zhǔn)備，可以檢測(cè)出被分析物的反應(yīng)提供一個(gè)簡(jiǎn)單和快速反應(yīng)系統(tǒng)。 在這項(xiàng)研究中，我們旨在建立一個(gè)簡(jiǎn)單的基于MIPs和快速分析系統(tǒng)。為此我們提出一個(gè)利用安培計(jì)的電化學(xué)傳感器綁定分析物的MIPs電化學(xué)反應(yīng)分析方法。為了建立這樣的一個(gè)傳感系統(tǒng)，阿特拉津被選為模型分析物。正如atrazine-im

4、printed聚合物已經(jīng)被Sergeyevox和Matsui應(yīng)用于系統(tǒng)中。這些研究利用所需的MIPs準(zhǔn)備從甲基丙烯酸（MAA）和乙二醇相比其他反應(yīng)具有良好的靈敏度聚合得到。 Pospisil報(bào)道了電化學(xué)還原的阿特拉津。根據(jù)Pospisil的報(bào)道，除草劑阿特拉津等可以減少汞電極水溶液雖然很少的溶解度。這讓我們考慮一個(gè)電極改性的阿特拉津MIPs選擇性的電化學(xué)反應(yīng)。 在這項(xiàng)研究中，我們描述了一個(gè)基于電化學(xué)還原的阿特拉津傳感系統(tǒng)和印跡分子聚合物層金電極作為識(shí)別元素。表面的電極與聚合物改性，而阿特拉津不綁定或與其他化合物結(jié)合程度較輕。綁定阿特拉津可以降低電極表面的電化學(xué)原理。在本文中，我們描述了一個(gè)阿特

5、拉津傳感器的制造工序準(zhǔn)備，從一個(gè)金電極和阿特拉津MIPs的電化學(xué)特性。也討論了MIPs作為分子識(shí)別元件的效率。實(shí)驗(yàn)部分材料：阿特拉津是來(lái)自關(guān)東大化學(xué)品(日本東京)。西瑪津和MCC從日本和光制藥公司購(gòu)買(mǎi)為除草劑測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)物質(zhì)。EDMA、MAA、DMF、在使用前先蒸餾凈化以消除穩(wěn)定劑使用。其他實(shí)驗(yàn)室使用前未經(jīng)純化。MIP-Modified電極的制備：本研究中使用的電極是QA-A9-Au和從日本精工株式會(huì)社購(gòu)買(mǎi)的最初用于商業(yè)石英晶體微量天平傳感器、層積和捏造的黃金的石英晶體、電極的形狀是平的，因此適合MIPs表面的直接聚合。 電極的表面用濺射離子鍍膜機(jī)清理3060s，后立即將電極浸沒(méi)在乙醇/水（

6、4:1）包含烯丙硫醇(53µM)和丁硫醇（13µM）的溶液中至少反應(yīng)兩小時(shí)。其目的是引入乙烯基組到金電極表面，以上步驟都是在干燥氮?dú)獾沫h(huán)境中進(jìn)行。 將12mg的阿特拉津溶解于500µL的DMF和15mL的MAA中總共有250µL的EDMA交聯(lián)單體和5mg的2，2-偶氮二異丁腈混合添加在一起?；旌衔锏谋砻嬗玫?dú)鈨艋?0s。 待電極在氮?dú)庵懈稍锖罅⒓捶旁诓ＡО迳?，將反?yīng)混合物滴落在金電極表面，然后蓋上蓋玻片。聚合是在4攝氏度寒冷的空間中進(jìn)行紫外線(xiàn)照射。保持這些條件維持2h?？瞻拙酆衔锔男噪姌O準(zhǔn)備使用相同的反應(yīng)混合物沒(méi)有添加試樣。空白聚合物可以用作NIP修改控

7、制電極。 圖1所示:MIP電極的制備過(guò)程：(a)在改性金電極表面滴加烯丙硫醇和丁硫醇，(）保持紫外線(xiàn)照射，（）從MIP中去除阿特拉津，（d）介紹電解質(zhì)溶液 將電極放在甲醇/醋酸（7：3）中清洗2小時(shí)以去除試樣。將電解液引入聚合物層，聚合物-涂層電極浸在0.1M的電解質(zhì)溶液中，例如氯化鋰溶解在DMF電化學(xué)測(cè)試之前。相比聚合物涂層電極或沒(méi)有支持的電解質(zhì)。儀器：進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量與計(jì)算機(jī)控制的伏安法分析儀（BAS:CV-50W,日本.東京）和三電級(jí)電化學(xué)電池聚合物改性電極作為工作電極，Ag/AgCl(3mol/L NaCl)為參比電極和鉑絲輔助電極從BAS購(gòu)買(mǎi)。與這三個(gè)電極進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量。所有的電化學(xué)測(cè)

8、量在一個(gè)裝有10mL 0.1mol/L KCL的缺氧小玻璃瓶中進(jìn)行。對(duì)傳感器響應(yīng)的評(píng)測(cè)：所有的實(shí)驗(yàn)都是在之前完全真空的環(huán)境下反應(yīng)。聚合物改性電極放置在裝滿(mǎn)10Ml 0.1mol/L的KCL瓶里。在阿特拉津溶液注入瓶后，讓電極反應(yīng)至少10分鐘以上，以讓阿特拉津擴(kuò)散到聚合物和綁定。另外之前電化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中，我們測(cè)量了吸收阿特拉津MIP與使用紫外可見(jiàn)光譜的載玻片的準(zhǔn)備時(shí)間。這些吸收的研究表明，10min的反應(yīng)時(shí)間足夠反應(yīng)充分。循環(huán)伏安法減少了阿特拉津的含量。測(cè)量后，聚合物改性電極用甲醇/乙酸溶液清洗以去除拉特阿津的MIP。結(jié)果與討論：阿特拉津的電化學(xué)還原：在這項(xiàng)研究中，我們針對(duì)準(zhǔn)備的一個(gè)MIP改性電

9、極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從目的來(lái)看由于金電極表面的修飾及研究，所以金電極是合適的選擇。圖2:循環(huán)伏安法在0.1mol/L KCL溶液中掃描速率100mv/s的沒(méi)有阿拉特津的裸金電極掃描圖。Au-S電極。首先，測(cè)試用金電極的循環(huán)伏安法減少阿特拉津的電化學(xué)還原。圖2顯示了電極有或沒(méi)有阿特拉津的陰極電流。在阿特拉津的存在下，阿特拉津的濃度增加，增加了陰極電流觀測(cè)。其他研究已經(jīng)表明，阿特拉津水溶液使汞電極在極譜測(cè)量模式下化學(xué)電位低于0.9V，我們的研究結(jié)果表明，阿特拉津也減少了金電極的電化學(xué)電位，其原理與汞電極幾乎相同。小肩膀在pH為3.0沒(méi)有阿特拉津的電極電位為-0.85V，是由于質(zhì)子減少造成的。這個(gè)肩膀具有觀

10、察pH在6.0到9.0的能力。阿特拉津MIP修飾電極的電化學(xué)還原：首先將MIP改性電極在甲醇/醋酸溶液中徹底清洗，然后浸入0.1mol/L 的氯化鉀溶液中，用循環(huán)伏安法的陰極電流測(cè)量裸金電極。然而，隨著這個(gè)過(guò)程進(jìn)行，MIP改性電極沒(méi)有任何明顯的阿特拉津陰極電流，即使MIP改性電極與阿特拉津接觸要60分鐘，但是陰極電流僅略有增加。很有可能MIP膜不易被水沾濕導(dǎo)致電解質(zhì)在水溶液中溶解擴(kuò)散到膜里。僅能夠滲透到膜里，將電解質(zhì)溶液于DMF用于制備MIPs。氯化鋰、高氯化鋰和高氯酸乙胺作為檢測(cè)電解質(zhì)的候選物。將這些電解質(zhì)加入MIP中，再將MIP改性電極放入裝有0.1mol/L DMF溶液中反應(yīng)/h。反應(yīng)完

11、成后將電極放在0.1mol/L 氯化鉀水溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安法研究。如表1所示，含有TEAClO4的MIP沒(méi)有減?。缓邪⑻乩虻腖iCCO4略有減少。圖3：循環(huán)伏安法在0.1mol/L PH=3.0的KCC溶液掃描速度為1100mv/s沒(méi)有MIP改性電極的阿拉特津掃描圖。在這些電解質(zhì)中，含有LiCl的MIP改性電極的電化學(xué)根據(jù)阿拉特津的濃度如預(yù)期MIP改性電極陰極電流減少一致。這可以解釋阿特拉津和DMF可以在小孔隙中創(chuàng)建聚合而TEAClO4或LiCLO4滲透結(jié)構(gòu)不允許。氯化鋰的分子是最小的在檢查電解質(zhì)和MIP中容易分散。再進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，將MIP改性電極放入0.1mol/L LiCL/DMF中

12、。如圖1所示。 阿特拉津在0.1mol/L KLC溶液中電化學(xué)電位降低。如圖3所示，沒(méi)有陰極峰可以發(fā)現(xiàn)阿提拉津的缺失。觀察到存在阿特拉津的陰極電流電位低于-0.8V。MIP改性電極準(zhǔn)備在這里被認(rèn)為是遠(yuǎn)離模板，因?yàn)镸IP改性電極與剩余的模板顯示當(dāng)前的阿特拉津。MIP改性電極的陰極峰電位比裸金電極低。一般來(lái)說(shuō)，減少高峰時(shí)將有一層限制自由擴(kuò)散，這可能歸因于MIP的限制擴(kuò)散層。當(dāng)前測(cè)量電流和缺失阿特拉津的電流測(cè)量方法不同。當(dāng)前的差異取決于阿特拉津的濃度。 所有的電化學(xué)步驟都是在完全真空的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件中進(jìn)行的，通常還原電流溶解的氧是可以忽略的。其他親水物質(zhì)排除在外，因?yàn)樗麄儾蝗菀讛U(kuò)散到疏水性MIP層。

13、一些疏水的電活性物質(zhì)導(dǎo)致的影響分析如下。pH的影響：測(cè)定pH從3.0到9.0對(duì)電流減少的影響。樣品溶液通過(guò)HCL或NaOH調(diào)整到給定的pH值。 pH值對(duì)阿特拉津的還原電流和MIP改性電極的影響，電流的差異在0.1mol/L KCL和-800mV的條件下測(cè)定的。圖四: pH值對(duì)阿特拉津的還原電流和MIP改性電極的影響，電流的差異在0.1mol/L KCL和-800mV的條件下測(cè)定的。圖五：阿特拉津的典型校準(zhǔn)曲線(xiàn)。電流的差異在0.1mol/L KCL（pH=3.0）和-800mV下測(cè)定的。由于阿特拉津在pH值為3和6或9時(shí)響應(yīng)3或4次一樣大。因此進(jìn)一步進(jìn)行pH=3的實(shí)驗(yàn)。 Pospisil等人報(bào)道

14、的pH值對(duì)阿特拉津的電活學(xué)還原的影響。這種影響與質(zhì)子化作用平衡前電子轉(zhuǎn)換反應(yīng)有關(guān)。質(zhì)子的數(shù)量參與反應(yīng)的關(guān)鍵一步?jīng)Q定于pH從3到2的范圍。 我們的結(jié)果與Pospisil是一致的。 校準(zhǔn)曲線(xiàn):從這些結(jié)果可以看出阿特拉津取決于反應(yīng)的最優(yōu)條件。不同電壓的阿特拉津濃縮之間的關(guān)系已經(jīng)檢測(cè)了。當(dāng)電壓不在-800mV時(shí)不利于阿特拉津的濃縮。圖5顯示了一個(gè)典型的校準(zhǔn)曲線(xiàn)。隨著電壓的增加，阿特拉津濃度上升10µmol。在當(dāng)前檢測(cè)范圍內(nèi)我們觀察到阿特拉津的濃縮與電壓之間存在船型線(xiàn)性關(guān)系。每次濃縮測(cè)定四次或是更多，將五個(gè)電極準(zhǔn)備和比較。每個(gè)電極的校準(zhǔn)曲線(xiàn)斜率介于-2.3和-4.0µA/µ

15、M之間。斜率的不同很可能是由于MIP層厚度的差異造成擴(kuò)散速度的不同而造成的。生產(chǎn)的原型MIP電極，厚度沒(méi)有控制，其厚度在50到80µM范圍。厚的MIP導(dǎo)致限制了更多的阿特拉津的擴(kuò)散。校準(zhǔn)曲線(xiàn)的斜率差異應(yīng)該控制MIPs厚度的最小化。 圖6：比較除草劑的電化學(xué)反應(yīng)。電壓在-800mV左右改變，沒(méi)有繪制每個(gè)除草劑。 選擇性:MIP改性電極與其他除草劑的選擇性檢查。在各種除草劑中，西瑪津和MCC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于他們的電化學(xué)活性和結(jié)構(gòu)類(lèi)似。隨著電壓的減小比較每個(gè)試劑在10µM的不同。相比于阿特拉津，MCC和西瑪津在MIP改性電極上電流減少的更小。幾個(gè)小組調(diào)查了MAA和EDMA的阿特拉津

16、聚合物選擇性識(shí)別。Matsui及其同事評(píng)估了MIP粒子的選擇性在色譜的保留時(shí)間。Sergeyeva等人研究了使用MIP膜電導(dǎo)傳感器。羅等人建造了一個(gè)基于薄膜包含MIP粒子的聲波傳感器。所有的MIPs調(diào)查表明阿特拉津的選擇性，相比于莠去津例如西瑪津、三嗪和撲草凈等。在這些試劑中，相比于阿特拉津，撲草津MIPs只有10-30%。另一方面，西瑪津相對(duì)于三嗪顯示出相對(duì)更高的約束力。然而，在這項(xiàng)研究中，雖然西瑪津降低化學(xué)酸性條件水平更高，但相比于阿特拉津，西瑪津的反應(yīng)是其28%。 MIP改性電極。確認(rèn)印跡分子效率，裸金電極和NIP改性電極對(duì)阿特拉津、西瑪津、MCC的響應(yīng)檢查，這些所有反應(yīng)都是在裸金電極上

17、進(jìn)行的，按照應(yīng)對(duì)這些化合物電活性的大小順序是西瑪津、阿特拉津、MCC。在這種情況下NIP限制了阿特拉津、西瑪津、MCC的擴(kuò)散。因此NIP改性電極沒(méi)有對(duì)阿特拉津表現(xiàn)出選擇性。相比于其他電極，MIP改性電極對(duì)阿特拉津的響應(yīng)是最小的。但是阿特拉津?qū)痣姌O響應(yīng)是一樣的。這一結(jié)果表明，在電化學(xué)傳感器印跡分子對(duì)阿特拉津有選擇性。阿特拉津的印跡聚合物都有一個(gè)特定的阿特拉津綁定，但不是西瑪津或MCC。 可重復(fù)性。測(cè)試MIP改性電極的可重復(fù)性。測(cè)試阿特拉津含量從1到10µmol/L逐漸增加。繪制校準(zhǔn)曲線(xiàn)，其斜率是-2.7 µA/µM.在阿特拉津第一輪測(cè)試結(jié)束后，將電極浸在甲醇/乙酸溶液中去除阿特拉津和生成的聚合物。在下一輪測(cè)試之前，將電極放入氯化鋰中一小時(shí)。 第二次斜率是-2.4 µA/µM。阿特拉津的重復(fù)性足以確定。其中一個(gè)穩(wěn)定了4天，但有兩個(gè)電極不夠穩(wěn)定。另一個(gè)電極可以使用三天。當(dāng)時(shí)MIP部分或徹底從金電極表面剝落。用顯微鏡可以觀察到，一層薄薄的MIP原子力仍在金電極表面。因此，烯丙硫醇被認(rèn)為是有效保持MIP在金電極表面上的物質(zhì)。 MIPs的粘合度應(yīng)考慮電極表面。當(dāng)暴露在不同極性中，MIPs可能變形。這種效果對(duì)厚層更加明顯。薄的聚合物層的生產(chǎn)正在研究。另一個(gè)考慮因素是電極粘合度的結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)研究中，我們使用一個(gè)金電極沉積在石