專利名稱：基于電化學(xué)沉積與分子印跡的bpa電化學(xué)傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種通過電沉積和分子印跡技術(shù)，在金基底表面制備的基于三維納米金膜修飾的BPA (Bisphenol A)分子印跡傳感器，屬于水體污染及防治，電化學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
BPA是一種內(nèi)分泌干擾物，對生物和人體的正常內(nèi)分泌機能有不利的影響，而且具有濃度低不易檢測，生物累積性等特點。BPA是聚碳酸酯PC的重要原料，可能存在于許多日常消費品中如食品包裝容器，嬰兒奶瓶等。BPA在加熱時能析出到食物和飲料當(dāng)中，對人體造成危害，是一種潛在的危險性很大的化學(xué)物質(zhì)。傳統(tǒng)的BPA檢測方法有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，高效液相色譜法，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等，但傳統(tǒng)檢測方法具有不能現(xiàn)場檢測，樣品前處理過程繁瑣等缺點?；诜肿佑≯E技術(shù)制備的分子印跡聚合物(MIP)具有識別性高，能在高溫，高壓，強酸，強堿，有機溶劑等苛刻環(huán)境中使用的特點，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對除草劑，重金屬，醫(yī)藥，毒素和水質(zhì)等的檢測或吸附去除。分子印跡電化學(xué)傳感器是將分子印跡聚合物作為識別元件制備的具有特異選擇性的仿生傳感器，這種傳感器采用電化學(xué)檢測手段對目標(biāo)污染物進行檢測， 具有靈敏度高，小型化便于攜帶，現(xiàn)場快速檢測的優(yōu)點。在電化學(xué)檢測過程中，BPA與印跡聚合物識別位點的特異性結(jié)合是檢測信號的主要來源，并以電信號的形式呈現(xiàn)?；诜肿佑≯E技術(shù)的電化學(xué)傳感器是目前BPA檢測的研究熱點。利用自組裝原理，在金電極表面制備二維自組裝膜可以有效促進電極表面對BPA活性基團(雙-0H)的吸附以及加強電子的傳遞作用；在二維自組裝膜的基礎(chǔ)上通過電化學(xué)沉積法合成BPA分子印跡聚合物薄膜，可以實現(xiàn)對BPA的特異性檢測，其中4-巰基苯胺分子的4 與BPA分子的雙-OH之間的氫鍵作用力是綁定BPA分子形成特異性識別位點的主要能量來源。復(fù)合電沉積法可以在含有自組裝膜的金電極表面合成納米金分子印跡聚合物復(fù)合薄膜，該方法使傳感器表現(xiàn)出良好的選擇性。復(fù)合電沉積過程將有機分子(功能單體和模板分子)與氯金酸混合后電沉積，此過程中，納米金形成的同時也完成了自組裝，使得納米金顆粒表面帶有不同的官能團，這種帶有官能團的納米金被稱為功能化納米金，Brust等人于1994年首次采用兩相法(水和甲苯為溶劑)，用硼氫化鈉還原氯金酸，制得表面形成硫醇單分子層的功能化納米金。隨后科學(xué)家們采用均相法，以各種帶巰基(-SH)的小分子或大分子作為配體，得到表面帶有不同的官能團(_NH2、-C00H、蛋白質(zhì)分子等)的納米金粒子。2008年J.AM.CHEM.S0C.第130期第30卷報道了一種復(fù)合電沉積法制備的具有特異性識別的復(fù)合薄膜，報道中這種基于金基地電極的復(fù)合薄膜傳感器對三硝基甲苯的檢測限達(dá)到 7.4X10_8mol/L。研究表明復(fù)合電沉積法制備復(fù)合薄膜的過程中，納米金顆粒的含量較少，含有納米金的印跡聚合物復(fù)合薄膜與金電極基地的聯(lián)結(jié)不夠致密，電極的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性并不理想。而本發(fā)明在電化學(xué)沉積與自組裝技術(shù)的基礎(chǔ)上首次制備出一種新型納米金分子印跡聚合物復(fù)合膜，該傳感器在水樣檢測中表現(xiàn)出良好的靈敏度與穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了傳統(tǒng)液相色譜法無法在線檢測、識別能力有限、樣品前處理繁瑣等問題。該傳感器與普通傳感器想比，具有超靈敏度和相對較大的BPA吸附量，可促進傳感器的小型化發(fā)展。本發(fā)明采用電化學(xué)沉積法形成的納米金顆粒與金電極基底結(jié)合致密，且反應(yīng)過程中無有機分子參與，與復(fù)合電沉積相比擁有更高的電子傳導(dǎo)效率。本發(fā)明合成的納米金顆粒將二維基底轉(zhuǎn)變成為三維基底，增大了電極比表面積，同時納米金顆粒較強的表面效應(yīng)可以促使分子印跡聚合物自組裝膜的形成，從而可使電極表面形成更多的BPA有效結(jié)合位點。本發(fā)明制備的MIPs薄膜可與納米金顆粒有效結(jié)合,納米金顆粒鑲嵌分布于薄膜中，能夠有效地完成薄膜表面與基底之間的電子傳遞，進一步提高了傳感器靈敏度。本發(fā)明首先采用電化學(xué)沉積法在金電極表面合成了納米金膜(AuNPs );接著將納米金膜浸入4-巰基苯胺的乙腈溶液中進行自組裝，使納米金膜表面形成一層自組裝單分子層；然后基于分子印跡技術(shù)，采用電化學(xué)聚合法在納米金膜表面合成分子印跡聚合物薄膜(MIPs);最后用電化學(xué)法洗脫去除BPA模板分子，制備出了基于三維納米金膜修飾的BPA分子印跡電極傳感器。具體步驟如下:(I)電化學(xué)沉積制備納米金膜所用溶液為氯金酸的乙腈溶液(10mL)，氯金酸濃度為0.6g/L。通過在三電極系統(tǒng)下循環(huán)伏安掃描，將氯金酸還原為納米金。濃度為5mmol/L四丁基高氯酸銨作為輔助電解質(zhì)不參與氯金酸的還原反應(yīng)，氯金酸與四丁基高氯酸銨在乙腈溶液中的含量比值約為2:5。(2)在制備分子印跡聚合物膜之前，AuNPs-Au電極表面需要進行自組裝修飾，自組裝過程在4-巰基苯胺的乙腈溶液中進行，4-巰基苯胺濃度為20mmol/L，自組裝時間為l(Tl8h，自組裝過程形成一層基于Au-S鍵作用力的單分子層。分子印跡聚合物膜與納米金膜的結(jié)合，采用電化學(xué)聚合法。(3)功能單體與模版分子BPA的濃度比為6:1，其中兩種功能單體包括4-巰基苯胺與2-巰基苯胺兩種，4-巰基苯胺為主要功能單體，2-巰基苯胺做輔助用作聯(lián)結(jié)聚合物支架。4-巰基苯胺與2-巰基苯胺的濃度比為2:1。(4)模板的洗脫方法為電化學(xué)洗脫，洗脫液為0.lmol/LPBS緩沖溶液(pH=7.1)，循環(huán)伏安掃描30次左右，直到出現(xiàn)穩(wěn)定的掃描曲線。穩(wěn)定后的掃描曲線相似于裸金電極在相同條件PBS緩沖溶液中的曲線。(5)本發(fā)明對0.5-2.5 iimol/L濃度范圍內(nèi)BPA具有良好的響應(yīng)能力，檢測限為1.47X 10 8mol/L (S/N=3)?？梢杂糜趯嶋H水樣的檢測。
具體實施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的實施例。實施例1:BPA分子印跡傳感器的制備方法(I)金電極處理:首先將直徑為2mm的金盤電極在1200目金相砂紙上打磨至平滑；并置于尼龍拋光布上用0.3 U m氧化鋁粉拋光，然后在乙醇，去離子水中各超聲5分鐘；接著在lmol/L硫酸溶液中，在(Tl.5V掃描電壓范圍內(nèi)進行重復(fù)循環(huán)伏安掃描，直至出現(xiàn)穩(wěn)定的氧化還原峰；取出后去離子水沖洗，氮氣吹干備用。(2) AuNPs-Au電極的制備:AuNPs_Au電極的制備采用電化學(xué)沉積法，將處理好的裸金電極置于含四丁基高氯酸銨(5mmol/L)，HAuCl4 (0.4g/L)的乙腈溶液中，采用三電極系統(tǒng)進行電化學(xué)沉積，循環(huán)伏安掃描電壓范圍為1.(Tl.0V,掃描速率為100mV/s,掃描次數(shù)為30次。電極取出后分別用乙醇，去離子水沖洗，氮氣吹干備用。(3)MIPs-AuNPs-Au電極的制備:先采用2.2的方法合成納米金膜，然后將AuNPs-Au電極置于20mmol/L 4-巰基苯胺的乙腈溶液中進行自組裝18h,接著置于IOmmol/L BPA乙腈溶液中浸泡4h。分子印跡聚合物薄膜的制備過程采用電化學(xué)工作站(上海辰華)三電極系統(tǒng):鉬絲電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極，自組裝膜修飾之后的金電極為工作電極。電極制備所用溶液為含4-巰基苯胺(20mmol/L)，2-巰基苯胺(IOmmol/L)，BPA (0.5mmol/L)的PBS緩沖溶液(0.lmol/L, pH=7.1)。制備方法為循環(huán)伏安法，在
0.4^0.8V掃描電壓范 圍內(nèi)循環(huán)伏安掃描30次(掃描速率為100mV/S)。電化學(xué)聚合過程完成后將金電極先后置于乙醇，去離子水中，各浸泡5分鐘，接著將電極置于空白PBS緩沖溶液(0.lmol/L, pH=7.1)中進行循環(huán)伏安掃描直至出現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)伏安曲線，以徹底洗脫BPA模板分子。電極取出后去離子水沖洗，氮氣吹干備用。實施例2:檢測實驗結(jié)果分析本發(fā)明采用線性掃描伏安法(LSV)考察了 MIPs-AuNPs-Au電極在PBS溶液(0.lmol/L, pH=7.1)中對不同濃度BPA的響應(yīng)，BPA濃度范圍為0.5-10 y mol/L，掃描電壓為100mV/s。在檢測濃度范圍內(nèi)，電極的響應(yīng)電流隨BPA濃度的增大而不斷增大，電流增加趨勢相對變緩。表明隨著濃度的增大，電極對BPA的吸附過程逐漸達(dá)到平衡狀態(tài),響應(yīng)電流逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)濃度超過一定范圍時響應(yīng)電流將不再增加。在0.5-2.5iimol/L濃度范圍內(nèi)，BPA濃度與響應(yīng)峰電流成良好的線性關(guān)系，回歸方程曲線為y= 2.7687X-0.1454(R2=0.998)，檢測限為 1.47X 10 8mol/L (S/N=3)。本發(fā)明選擇與BPA具有相似結(jié)構(gòu)的酹類化合物對硝基苯酹(p-Nitrophenol)、間苯二酹(Hydroxyphenol)、苯酹(Phenol)作為干擾物來驗證MIPs_AuNPs_Au電極的選擇性。在BPA和干擾物的濃度均為I X 10 5mol/L的PBS緩沖溶液中進行循環(huán)伏安測試，結(jié)果顯示BPA氧化峰電位為0.57V，該電位處MIPs-AuNPs-Au電極對BPA，硝基苯酚，間苯二酚和苯酚響應(yīng)電流分別為 1.22X10 % 1.21X10 6A, 0.93X 10 6A 和 0.59X 10 6A。從而得出MIPs-AuNPs-Au電極對BPA與硝基苯酚，間苯二酚和苯酚的選擇比分別為:10.08倍，13.12倍和20.68倍，表明MIPs-AuNPs-Au電極對BPA具有較好選擇性。每隔24h對MIPs-AuNPs-Au電極的響應(yīng)能力進行測試，15天內(nèi)的測試結(jié)果顯示:電極的響應(yīng)信號基本保持穩(wěn)定，響應(yīng)信號相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。表明電極具有良好的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性。實施例3將采集到的水樣過濾后，分別以各種水樣為溶劑配制PBS緩沖溶液(0.lmol/L,pH=7.1)，各取IOml進行檢測。采用線性掃描伏安法測出0.57V電位處氧化峰電流值，帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線得出對應(yīng)的BPA濃度值，對每種樣品均測量五次求出相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。每次測試完畢后，均將電極置于空白PBS緩沖溶液中進行電化學(xué)洗脫。表I實際水樣中BPA的檢測

權(quán)利要求
1.一種基于電化學(xué)沉積與分子印跡的BPA分子印跡傳感器，其特征在于，該傳感器電極表面的復(fù)合薄膜為納米金顆粒與分子印跡聚合物，納米金顆粒為6(Tl20nm ;6(Tl20nm的納米金顆粒的表面有5-10nm的納米金顆粒，納米金基底膜具有三維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的多層次的空間結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電化學(xué)沉積與分子印跡的BPA分子印跡傳感器，其特征在于，所述的納米金顆粒為球形或菱形。
3.權(quán)利要求1或2所述的基于電化學(xué)沉積與分子印跡的BPA分子印跡傳感器的制備方法，其特征在于， (1)電化學(xué)沉積制備納米金膜所用溶液為氯金酸乙腈溶液，電解液用量為IOmL,氯金酸濃度為0.6g/L;四丁基高氯酸銨作為輔助電解質(zhì)不參與氯金酸的還原反應(yīng)，其濃度為5mmol/L ;氯金酸與四丁基高氯酸銨在乙腈溶液中的含量比值約為2:5 ； (2)在制備分子印跡聚合物膜之前，AuNPs-Au電極表面需要進行自組裝修飾，自組裝過程在4-巰基苯胺的乙腈溶液中進行，時間為l(Tl8h，4-巰基苯胺濃度20mmol/L ； (3)功能單體與模版分子BPA的濃度比為6:1，4_巰基苯胺與2-巰基苯胺作為兩種功能單體濃度比為2:1 ； (4)模板的洗脫方法為電化學(xué)洗脫，洗脫液為0.05、.2mol/LPBS緩沖溶液，循環(huán)伏安掃面30次左右，直到出現(xiàn)穩(wěn)定的掃描曲線。
全文摘要
一種基于電化學(xué)沉積與分子印跡的BPA電化學(xué)傳感器及其制備方法，傳感器電極表面的復(fù)合薄膜為納米金顆粒與分子印跡聚合物，納米金基底膜具有三維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的多層次的空間結(jié)構(gòu)。制備時，首先采用電化學(xué)沉積法在金電極表面合成了納米金膜，然后采用電化學(xué)聚合技術(shù)在納米金膜表面沉積分子印跡聚合物薄膜，最后用電化學(xué)法洗脫去除BPA模板分子。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)液相色譜法無法在線檢測、識別能力有限、樣品前處理繁瑣等問題。該傳感器具有超靈敏度和相對較大的BPA吸附量，檢測限達(dá)到0.8~1.5×10-8mol/L，該傳感器在BPA中的響應(yīng)信號強度約是平面金電極分子印跡傳感器的1.5~3倍。
文檔編號G01N27/48GK103207231SQ201310142970
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者石勇, 趙廣超, 李新勇, 薛方紅, 李春艷, 肇啟東 申請人:大連理工大學(xué)