一種多壁碳納米管白藜蘆醇印跡溶膠-凝膠電化學傳感器的研制

一種多壁碳納米管白藜蘆醇印跡溶膠-凝膠電化學傳感器的研制

分子印花技術從模仿的角度采用合成方法，并與模型分子一起制作具有特定結構性能和特定結構的聚合物。由于其獨特的模擬自然受體的分子識別能力，mip成功應用于固相萃取或微相萃取、鉻或毛細管電泳和傳感器。然而，作為一種打印材料應用的重要方向，尤其是印刷電子顯微鏡，其開發(fā)速度相對較慢，尤其是印刷電子顯微鏡。電子顯微鏡的傳輸速度慢，重復性差，這為電子顯微鏡傳感器帶來了很大的好處。然而，傳統(tǒng)的打印方法無法控制打印膜的厚度，電子傳染速度慢，重復性差，這使得在電子顯微傳感器領域發(fā)展精細印刷膜帶來困難。因此，為了滿足appstore對敏感元件的要求，必須找到新的打印基質和打印方法。印跡溶膠-凝膠體系(MIP/sol-gel)是一類具有特異性識別、大孔、剛性結構的無機/有機雜化聚合物.這些多孔聚合物膜可以允許無機或有機分子在里面自由穿透,而其堅硬的物理結構能維持其原始特性在遭受強酸或強堿處理時不被破壞.電化學聚合技術是制備分子印跡傳感器敏感膜最有潛力的方法之一,印跡溶膠-凝膠膜容易在電極表面生成并牢固地附著在電極表面,而且膜的厚度能通過控制流通電荷量來進行調(diào)節(jié),是一種被廣泛應用的傳感器制備技術.碳納米管(CNT)自1991年被Iijima等發(fā)現(xiàn)以來,因其獨特的物理化學性質,如大的比表面積、快的電子轉移速度、極高的機械強度引起人們極大的興趣,特別是將羧基化碳納米管引入到電極表面,不僅改善碳納米管在電極表面的分散性,還增加所制備傳感器的比表面積,給傳感器制備提供了新的研究方向.本文將多壁碳納米管、溶膠-凝膠技術和分子印跡技術相結合,基于碳納米管快的電子傳遞能力與大的比表面積效應和溶膠-凝膠印跡敏感層的良好選擇性,克服傳統(tǒng)印跡基質存在的困難,采用電化學沉積技術,在碳納米管修飾碳電極表面成功構建一種新型白藜蘆醇印跡溶膠-凝膠電化學傳感器.該傳感器制備方便、成本低廉,具有良好穩(wěn)定性,對白藜蘆醇表現(xiàn)出高選擇性,且多壁碳納米管基底對電極響應信號起到良好的增敏作用.1實驗部分1.1實驗試劑和儀器CHI660B電化學工作站(上海辰華儀器公司),三電極體系:自制碳電極(CE)(10mm×5mm)為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑電極為輔助電極;KQ-250E型超聲波清洗器(昆峰超聲儀器有限公司);掃描電鏡(日本日立公司).多壁碳納米管(MWNT,直徑20~30nm,成都碳納米管有限公司),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)(湖南匯虹試劑有限公司),白藜蘆醇(Resveratrol),沒食子酸(Gallicacid),抗壞血酸(Ascorbicacid),D-果糖(D-levulose),維生素E(Alpha-tocopherol)(浙江醫(yī)藥股份有限公司),它們的化學結構如圖1所示.磷酸緩沖溶液(PBS,pH7.4,0.2mol·L-1),除特殊說明外,文中所有電化學實驗均在該緩沖溶液中進行;所用試劑均為分析純;實驗用水均為二次蒸餾水.1.2羧基化碳納米管的制備取0.5gMWNT,加入到50mL濃硝酸中,超聲30min,在85℃下攪拌反應24h.反應物冷卻至室溫,用孔徑為0.22μm的微孔濾膜過濾,濾餅用二次蒸餾水清洗至濾液成中性,在真空狀態(tài)下干燥24h,即可獲得羧基化碳納米管(MWNT-COOH).1.3mip/sol-gel/mwnt/ce的制備將自制碳電極(10mm×5mm)先后分別用0.3μm和0.05μm氧化鋁機械拋光至鏡面,再用無水乙醇超聲清洗,然后用二次蒸餾水反復清洗,最后置于室溫中風干備用.取5.0mgMWNT-COOH分散于10mLDMF和二次蒸餾水的等體積混合液中,超聲30min得到均勻的黑色懸浮液,取10μL該懸浮液滴涂在碳電極表面將電極置于室溫下干燥24h.將1.4mLMTMOS(9.46mmol),0.14mLPTMOS(0.76mmol),10.0mLEME,0.1mL2.0mol·L-1HCl溶液和0.1mL二次蒸餾水充分混合均勻.取1.4mL該混合溶液和0.6mL1.0mmol·L-1白藜蘆醇乙醇溶液混合攪拌2h,得印跡溶膠.MIP/sol-gel/MWNT/CE的制備過程如圖2所示.將MWNT-COOH修飾碳電極、參比電極和輔助電極置于印跡溶膠中,在三電極體系下利用循環(huán)伏安法掃描30圈.掃描結束將電極置于乙醇中反復浸泡,以洗脫模板分子.最后電極置于室溫下干燥24h,制得MIP/sol-gel/MWNT/CE.采用同樣的方法不修飾MWNT-COOH制得MIP/sol-gel/CE,不加模板分子制得NIP/sol-gel/MWNT/CE.1.4白導體的電化學響應檢測電化學性能表征利用三電極體系,采用方波伏安法(SWV)和安培計時電流法(i-t)探討該印跡電極的電化學響應性能.所有電化學實驗溫度均控制在(25±0.5)℃.在配制白藜蘆醇標準溶液時我們采用少量的乙醇作為助溶劑.將MIP/sol-gel/MWNT/CE,MIP/sol-gel/CE和NIP/sol-gel/MWNT/CE置于含有1.0mmol·L-1白藜蘆醇的PBS中,浸泡10min后,采用方波伏安法(SWV)進行電化學響應檢測.同樣條件下,將MIP/sol-gel/MWNT/CE置于10mLPBS中,采用安培計時電流法檢測不同濃度白藜蘆醇的電流響應,電流響應值達到穩(wěn)定后,每隔300s向溶液中連續(xù)加入不同濃度的白藜蘆醇標準溶液,使溶液中的白藜蘆醇的濃度從5.0×10-7mol·L-1變化到8.0×10-3mol·L-1,分別記錄穩(wěn)定的電流響應值.1.5mip/sol-gel/mwnt/ce的制備將MIP/sol-gel/MWNT/CE分別置于含有1.0mmol·L-1白藜蘆醇,沒食子酸,抗壞血酸,D-果糖,維生素E的PBS中浸泡10min,采用方波伏安法(SWV)探討MIP/sol-gel/MWNT/CE對被測物的選擇性能,記錄其響應值.2結果與討論2.1碳電極掃描轉速nd技術本文采用PTMOS為功能單體,因為它既有疏水性又可與模板分子上的苯環(huán)產(chǎn)生親和力.而MTMOS的加入會進一步提高溶膠的疏水性和穩(wěn)定性.交聯(lián)劑MTMOS和功能單體PTMOS之間通過離子鍵及芳環(huán)的π-π鍵相連接,利用π-π鍵和疏水作用促進溶膠混合物的特異性結合;而白藜蘆醇分子含有二個苯環(huán),通過與溶膠混合物的網(wǎng)絡結構產(chǎn)生相互作用進行鍵合,洗脫后形成具有與白藜蘆醇相匹配的印跡孔穴,由此制得具有良好選擇識別能力的MIP/sol-gel/MWNT/CE.碳電極的電沉積循環(huán)伏安曲線如圖3所示.研究表明,掃描速度的大小對印跡膜的選擇性和絕緣能力有很大的影響,掃描速度較大時,形成的膜不緊密,絕緣性能較差,對模板分子的識別能力下降,不宜做電化學傳感器;掃描速度越小,形成的膜越致密,膜的絕緣能力越強.但掃描速度太小,花費時間太長,因此選擇掃描速度為50mV·s-1.由圖3可知,隨著掃描圈數(shù)的增加峰電流越來越小,表明印跡溶膠不斷地電沉積到電極表面,印跡溶膠-凝膠膜的絕緣性導致電流減少.圖3A為覆蓋碳納米管層電極的電沉積圖,比較圖3A和3B可以發(fā)現(xiàn),碳納米管的引入增加了電子傳遞作用,從而使峰電流回路明顯變寬.當掃描圈數(shù)超過30圈時,循環(huán)伏安曲線基本在同一位置重復,表明碳電極表面已經(jīng)完全被覆蓋.因此,我們選擇30圈作為沉積圈數(shù).為了進一步研究印跡溶膠-凝膠膜,采用掃描電鏡來表征印跡溶膠-凝膠膜形貌,結果如圖4所示.由圖4a可知,碳納米管均勻分散在碳電極表面,而從圖4b可以明顯看到在碳納米管表面覆蓋了一層印跡材料,這是因為印跡溶膠-凝膠有機地吸附在碳納米管表面,從而增加了印跡材料比表面積,有利于提高修飾電極的檢測靈敏度.2.2mip/sol-gel/mwnt/ce圖5修飾碳電極的電化學響應檢測結果如圖5所示.MIP/sol-gel/MWNT/CE(圖5a)和MIP/sol-gel/CE(圖5b)比NIP/sol-gel/MWNT/CE(圖5c)具有更高的電流響應,這是由于洗脫模板分子后,在印跡溶膠-凝膠薄膜內(nèi)形成很多與白藜蘆醇相匹配的特異性結合位點,白藜蘆醇可以自由通過印跡孔穴吸附到電極表面,而在非印跡膜上缺少與白藜蘆醇相匹配的識別點.相對于MIP/solgel/CE,MIP/sol-gel/MWNT/CE對白藜蘆醇顯示出更高的靈敏度,這是由于碳納米管大的比表面積效應、表面帶有較多的功能基團和快的電子傳遞作用而對白藜蘆醇電化學行為產(chǎn)生特有的催化效應,增加了白藜蘆醇在電極表面的吸附量.2.3ph對mip/sol-gel/mwnt/ce電化學響應的影響MIP/sol-gel/MWNT/CE和被測分析物之間的結合是π-π鍵、氫鍵、離子鍵和疏水結合等作用力,溶液pH會影響它們之間的相互作用.采用方波伏安法來檢測不同pH下MIP/sol-gel/MWNT/CE對1.0mmol·L-1白藜蘆醇的電化學響應,結果如圖6所示.如圖6a所示,當pH從5.5增加至8.5,峰電流的響應值隨著pH值的增加先增大,后減少,且最大電流值出現(xiàn)在pH7.5附近.為了精確最適宜的pH,配制pH從7.0增加至7.7的緩沖溶液,峰電流的響應值如圖6b所示,電流最大值出現(xiàn)在pH7.4,故pH7.4被視為最適宜的pH值.2.4白導料/白導料對白隴蘆醇的電流響應為了探討MIP/sol-gel/MWNT/CE對白藜蘆醇濃度變化的影響,采用安培計時電流法進行定量檢測.從圖7可以看出,MIP/sol-gel/MWNT/CE對白藜蘆醇濃度變化的響應比MIP/sol-gel/CE大,這是由于碳納米管對電子傳遞的促進作用和大的比表面積效應.當白藜蘆醇溶液濃度從5.0×10-7mol·L-1到8.0×10-5mol·L-1變化時,MIP/sol-gel/MWNT/CE對白藜蘆醇的電流響應隨著白藜蘆醇濃度的增加而增大,而當白藜蘆醇濃度大于8.0×10-5mol·L-1,電流響應的增加量隨著白藜蘆醇濃度的增加而減少,并慢慢的趨于飽和,這是由于在該膜中存在有限的白藜蘆醇結合位點,當印跡孔穴被白藜蘆醇分子完全填充后,電流響應將不再增加.白藜蘆醇濃度在5.0×10-7~8.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi),電流與濃度呈線性響應,線性方程為:其中I的單位為μA,C的單位為μmol·L-1,檢測限為5.1×10-8mol·L-1(S/N=3).2.5白隴水印刷印刷的選擇性對模板分子具有選擇識別是印跡聚合物的最大優(yōu)點,這對于印跡傳感器在復雜樣品中的分析應用具有很重要的意義,采用方波伏安法進行分析,記錄其響應值結果如圖8所示.由圖8可知,MIP/sol-gel/MWNT/CE對白藜蘆醇具有良好的選擇性,而NIP/sol-gel/MWNT/CE的選擇性響應并不明顯,這表明富于結合位點的印跡膜能夠有效地選擇白藜蘆醇.這是由于印跡膜內(nèi)具有與白藜蘆醇相匹配的印跡孔穴,該識別空穴尺寸和功能基排列與白藜蘆醇分子空間匹配,使白藜蘆醇在印跡膜中的擴散較其它干擾物容易,故白藜蘆醇引起的響應最大而D-果糖、抗壞血酸和維生素E分子結構與白藜蘆醇差異較大,不能有效擴散進入識別位點,印跡電極響應極小.沒食子酸在結構上與白藜蘆醇相似,都含有苯環(huán)且苯環(huán)上都連有羥基,因此也能在一定程度上擴散進入多孔印跡膜,但不能完全與識別孔穴在空間上匹配,引起的電流響應較小.2.6方波伏安法進行的方波伏安法實驗為了驗證印跡電極用于白藜蘆醇分析的可行性,我們對該印跡電極進行重復性和回收率實驗.采用方波伏安法進行樣品分析,對不同類型的葡萄酒中白藜蘆醇含量進