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1 2010 年第 68 卷化学学报 Vol. 68, 2010 第 5 期, 431~436 ACTA CHIMICA SINICA No. 5, 431~436 研究论文 新型多壁碳纳米管 / 白藜芦醇印迹溶胶 - 凝胶层层组装电化学传感器研究 张朝晖 *,a,b 胡宇芳 a 张华斌 a 曹娇 ( a 吉首大学化学化工学院吉首 ) ( b 湖南大学化学传感与计量国家重点实验室长沙 ) a 姚守拙 b 摘要采用电化学沉积方法将印迹溶胶 - 凝胶膜沉积到功能化碳纳米管 (MWNT-COOH) 修饰的碳电极表面, 成功研制一种新型多壁碳纳米管 / 白藜芦醇印迹溶胶 - 凝胶电化学传感器. 采用扫描电镜 (SEM), 循环伏安法 (CV), 方波伏安法 (SWV) 和计时电流法 (i-t) 详细考察该印迹溶胶 - 凝胶膜的形态和电化学性能. 结果表明该传感器对白藜芦醇具有较高的选择性和亲和性. 与无多壁碳纳米管修饰的印迹传感器比较, MWNT 层修饰的印迹传感器电流响应信号明显提高. 白藜芦醇与印迹溶胶 - 凝胶膜的特异性结合使该传感器的电流发生变化, 电流变化与白藜芦醇浓度在 ~ mol L -1 范围内呈良好线性关系, 检测限为 mol L -1, 该传感器成功应用于葡萄酒中白藜芦醇含量的检测. 关键词印迹溶胶 - 凝胶 ; 多壁碳纳米管 ; 层层组装 ; 电化学传感器 ; 电沉积 Novel Layer-by-layer Assembly Multi-walled Carbon Nanotube/ Resveratrol Imprinted Sol-gel Electrochemical Sensor Zhang, Zhaohui*,a,b Hu, Yufang a Zhang, Huabin a Cao, Jiao a Yao, Shouzhuo b ( a College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou ) ( b State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics, Hunan University, Changsha ) Abstract Thin film of molecularly imprinted sol-gel polymers with specific binding sites for resveratrol and a multi-wall carbon nanotube (MWNT) layer was cast on a carbon electrode by combining electrochemical imprinted deposition with layer-by-layer assembly technology. A novel kind of composite multi-walled carbon nanotube/sol-gel imprinted electrochemical sensor for the determination of resveratrol was developed. The performance of the imprinted film was characterized by cyclic voltammetry (CV), square wave voltammetry (SWV) and amperometric i-t curve. Scanning electron microscopy (SEM) was employed to observe the morphology of the imprinted film. Results suggested that the imprinted film exhibited high selectivity and affinity toward resveratrol. The linear range of the imprinted electrode was over the range from to mol L -1, and the limit of detection was mol L -1. Finally, the imprinted sensor was employed to detect resveratrol in grape wine successfully. Keywords imprinted sol-gel; multi-walled carbon nanotube; layer-by-layer assembly; electrochemical sensor; electrodeposition 分子印迹技术是从仿生角度, 采用人工合成方法制 备对模板分子具有专一结合性能和特定空间结构的聚 * zhaohuizhang77@hotmail.com; Tel.: Received July 24, 2009; revised September 21, 2009; accepted October 23, 湖南省自然科学基金 (No. 08JJ4004) 湖南省教育厅优秀青年项目(No. 07B061) 化学生物传感与计量国家重点实验室开放基金(No ) 和吉首大学研究生校级课题 (No. 09JDY007) 资助项目.

2 432 化学学报 Vol. 68, 2010 合物 分子印迹聚合物 (Molecularly imprinted polymer, MIP) [1~4]. MIP 因其独特的模拟天然受体的分子识别能力, 已经成功应用于固相萃取或微固相萃取 [5,6], 色 [7] [8,9] 谱或毛细管电泳及传感器等领域. 但是作为印迹材料应用的一个重要方向 印迹传感器, 特别是印迹电化学传感器, 其发展的速度比较缓慢. 电化学传感器具有较低的检测限, 费用少, 易小型化和自动化等优点 [10] [11], 然而传统印迹方法所制备的印迹膜厚度难控制, 电子传递速度慢, 重复性差, 这给分子印迹膜在电化学传感器领域的发展带来困难. 因此寻找新的印迹基质和印迹方法以满足电化学传感器对敏感元件的要求具有重要的研究意义. 印迹溶胶 - 凝胶体系 (MIP/sol-gel) [12,13] 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 [14,15]. 碳纳米管 (CNT) [16,17] 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 实验仪器和药品 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)(10 mm 5 mm) 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 20~30 nm, 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 (Gallic acid), 抗坏血酸 (Ascorbic acid), 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, ph 7.4, 0.2 mol 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. 图 1 五种抗氧化剂的分子结构图 Figure 1 Chemical structure of the five antioxidants 1.2 多壁碳纳米管的预处理取 0.5 g MWNT, 加入到 50 ml 浓硝酸中, 超声 30 min, 在 85 下搅拌反应 24 h. 反应物冷却至室温, 用孔径为 0.22 µm 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 24 h, 即可获得羧基化碳纳米管 (MWNT-COOH). 1.3 印迹电化学传感器的制备将自制碳电极 (10 mm 5 mm) 先后分别用 0.3 µm 和 0.05 µm 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 5.0 mg MWNT-COOH 分散于 10 ml DMF 和二次蒸馏水的等体积混合液中, 超声 30 min 得到均匀的黑色悬浮液, 取 10 µl 该悬浮液滴涂在碳电极表面, 将电极置于室温下干燥 24 h. 将 1.4 ml MTMOS (9.46 mmol), 0.14 ml PTMOS (0.76 mmol), 10.0 ml EME, 0.1 ml 2.0 mol L -1 HCl 溶液和 0.1 ml 二次蒸馏水充分混合均匀. 取 1.4 ml 该混合

3 No. 5 张朝晖等 : 新型多壁碳纳米管 / 白藜芦醇印迹溶胶 - 凝胶层层组装电化学传感器研究 433 溶液和 0.6 ml 1.0 mmol L -1 白藜芦醇乙醇溶液混合搅拌 2 h, 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 24 h, 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 电化学响应 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 [18]. 将 MIP/sol-gel/MWNT/CE, MIP/sol-gel/CE 和 NIP/sol-gel/MWNT/CE 置于含有 1.0 mmol L -1 白藜芦醇的 PBS 中, 浸泡 10 min 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 10 ml PBS 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 300 s 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 mol L -1 变化到 mol L -1, 分别记录稳定的电流响应值. 1.5 选择性实验 将 MIP/sol-gel/MWNT/CE 分别置于含有 1.0 mmol 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 10 min, 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 印迹聚合过程本文采用 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 50 mv 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. 图 2 印迹溶胶 - 凝胶多壁碳纳米管修饰碳电极制作过程示意图 Figure 2 Schematic representation of the preparation of MIP/sol-gel/MWNT/CE

4 434 化学学报 Vol. 68, 2010 图 3 电沉积循环伏安图 Figure 3 The CV of electrodeposition in imprinted sol solution at a scan rate of 50 mv s -1 from -0.4 V to 0.4 V (A) MIP/sol-gel/MWNT/CE; (B) MIP/sol-gel/CE. Scan cycle: (a) 1; (b) 5; (c) 10; (d) 20; (e) 30; (f) 40 电极表面的吸附量. 图 5 方波伏安法图 Figure 5 DPV responses of MIP/sol-gel/MWNT/CE (a), MIP/sol-gel/CE (b) and NIP/sol-gel/MWNT/CE (c) to 0.1 mmol L -1 resveratrol PBS. Pulse height 25 mv, pulse width 50 ms, frequency 10 Hz 图 4 扫描电镜图 Figure 4 SEM images of (a) MWNT/CE and (b) MIP/sol-gel/ MWNT/CE 2.2 电化学响应检测 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 2.3 ph 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 1.0 mmol 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 ph 7.5 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 ph 7.4, 故 ph 7.4 被视为最适宜的 ph 值. 2.4 安培计时电流响应为了探讨 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

5 No. 5 张朝晖等 : 新型多壁碳纳米管 / 白藜芦醇印迹溶胶 - 凝胶层层组装电化学传感器研究 mol L -1 (S/N=3). 2.5 选择性 图 6 ph 对 MIP/sol-gel/MWNT/CE 的影响 Figure 6 Effect of ph of PBS on the current response of the MIP/sol-gel/MWNT/CE. Pulse height 25 mv, pulse width 50 ms, frequency 10 Hz 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. 图 7 安培计时电流响应图 Figure 7 Typical current response (i-t) of MIP/sol-gel/MWNT CE and MIP/sol-gel/CE Applied potential: +0.3 V. Concentration of resveratrol (mol L -1 ): (a) , (b) , (c) , (d) , (e) , (f) , (g) , (h) , (i) , (j) , (k) , (l) , (m) , (n) 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 mol L -1 到 mol 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 mol 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 ~ mol L -1 范围内, 电流与浓度呈线性响应, 线性方程为 : I=0.188C (r=0.973) 其中 I 的单位为 µa, C 的单位为 µmol L -1, 检测限为 图 8 MIP/sol-gel/MWNT/CE 的选择性图 Figure 8 Selectivity of the MIP/sol-gel/MWNT/CE. Pulse height 25 mv, pulse width 50 ms, frequency 10 Hz 2.6 样品分析 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行检测, 结果如表 1 所示. 从表 1 可以看出, 回收率较好, 表明该方法制备的电化学传感器在实际样品的分析应用中是可行的. 3 结论 本文采用白藜芦醇作为模板分子, 以多壁碳纳米管

6 436 化学学报 Vol. 68, 2010 表 1 MIP/sol-gel/MWNT/CE 的样品分析 Table 1 Samples analysis in different grape wine at MIP/sol-gel/MWNT/CE No. Wine type Added amount/ Found/ (µg ml -1 ) (µg ml -1 ) Recovery a /% ±1.3 Dry red wine ±1.4 (2 µg ml -1 ) ± ±1.3 Red wine ±2.0 (1 µg ml -1 ) ± ±1.4 White wine ±1.8 (0.2 µg ml -1 ) ±2.1 a Average of three experiment results. 为基底, 利用电沉积技术将印迹溶胶 - 凝胶膜修饰到碳 电极表面, 从而制得新型白藜芦醇印迹电化学传感器. 实验结果表明, 碳纳米管的引入不仅可以增加电子传递速率, 且和印迹溶胶 - 凝胶膜结合后, 使印迹材料的比表面积增加, 电流响应信号增强, 从而提高该传感器的 灵敏度. 该传感器具有灵敏度高和选择性好的优点, 并 成功用于实际样品中白藜芦醇的直接检测. References 1 Zhang, M.; He, X.-W.; Qin, L.; Li, W.-Y.; Chen, L.-X.; Zhang, Y.-K. Chem. J. Chin. Univ. 2008, 29, 498 (in Chinese). ( 张茉, 何锡文, 秦磊, 李文友, 陈朗星, 张玉奎, 高等学校化学学报, 2008, 29, 498.) 2 Suedee, R.; Intakong, W.; Dickert, F. L. Anal. Chim. Acta 2006, 569, Liu, Q.-Y.; Li, W.-Y.; He, X.-W.; Chen, L.-X.; Zhang, Y.-K. Acta Chim. Sinica 2008, 66, 56 (in Chinese). ( 刘秋叶, 李文友, 何锡文, 陈朗星, 张玉奎, 化学学报, 2008, 66, 56.) 4 Xiong, Y.; Wang, H.; Jin, L.; Feng, G.-L.; Zhang, S.-Z.; Yang, Y.-J. Acta Chim. Sinica 2009, 67, 442 (in Chinese). ( 熊芸, 王宏, 靳磊, 冯桂龙, 张圣祖, 杨亚江, 化学学报, 2009, 67, 442.) 5 Kala, R.; Gladis, J. M.; Rao, T. P. Anal. Chim. Acta 2004, 518, Vonderheide, A. P.; Boyd, B.; Ryberg, A.; Yilmaz, E.; Hieber, T. E.; Kauffmanc, P. E.; Garrisd, S. T.; Morgana, J. N. J. Chromatogr. A 2009, 1216, Zaidi, S. A.; Cheong, W. J. J. Chromatogr. A 2009, 1216, Xu, X.-L.; Zhou, G.-L.; Li, H.-X.; Liu, Q.; Zhang, S.; Kong, J.-L. Talanta 2009, 78, Shoji, R.; Takeuchi, T.; Kubo, I. Anal. Chem. 2003, 75, Bakker, E.; Qin, Y. Anal. Chem. 2006, 78, Sallacan, N.; Zayats, M.; Bourenko, T. Anal. Chem. 2002, 74, Patel, A. K.; Sharma, P. S.; Prasad, B. B. Mater. Sci. Eng. C 2009, 29, Yang, H.-H.; Zhang, S.-Q.; Yang, W.; Chen, X.-L.; Zhuang, Z.-X.; Xu, J.-G.; Wang, X.-R. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, Malitesta, C.; Losito, I.; Zambonin, P. G. Anal. Chem. 1999, 71, Zhou, L.; Ye, G.-R.; Yuan, R.; Cai, Y.-Q.; Chen, S.-M. Sci. China, Ser. B: Chem. 2007, 37, 48 (in Chinese). ( 周路, 叶光荣, 袁若, 柴雅琴, 陈素明, 中国科学 B 辑 : 化学, 2007, 37, 48.) 16 Iijima, S. Nature 1991, 354, Gan, T.; Li, K.; Wu, K.-B. Sens. Actuators, B 2008, 132, Zhang, Z.-H.; Long, Y.-M.; Liu, Y.-J.; Yao, S.-Z. Chin. J. Chem. 2003, 21, 550. (A Cheng, F.)

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