用于壬基酚检测的石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的分子印迹传感器的制备方法及应用与流程

本发明属于电分析化学和材料合成技术领域，具体地说，涉及一种用于壬基酚检测的石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的分子印迹传感器的制备方法及应用。

背景技术：

壬基酚（4-np）广泛地存在于制造业所使用的媒介中，如作为润滑油添加剂、抗氧剂等，同时壬基酚也是非离子烷基酚聚氧乙烯醚类表面活性剂降解的产物。人们在食品包装膜、和食品相接触的塑料、玩具及食品中也检测到了壬基酚的存在。壬基酚具有较强的毒性，能严重地污染了环境和自然生态。作为内分泌干扰物，当在环境中的浓度达到10^-6时，可干扰鱼类、爬行动物及哺乳动物的繁殖系统，对人们的生活环境及身心健康带来严重危害。鉴于此，对壬基酚进行快速、灵敏及高选择性的检测就显得尤为重要。

对壬基酚的检测方法主要有固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术及有库伦阵列的液相色谱。气相色谱-质谱联用技术（lc-ms）由于其灵敏度高、选择性好、可靠性高等特点在痕量分析中得到了较好应用。但这些检测技术都需要复杂的仪器设备及相对耗时的萃取工序。相比较而言，电化学检测方法则有着成本低，操作简便，快速、高效等优点。现今采用酶及非酶电极的电化学传感技术、通过壬基酚的氧化峰强检测壬基酚的方法得到了较好应用，如采用玻碳电极、铂电极、金电极及硼掺杂的金刚石电极等对壬基酚进行分析检测。

基于分子印迹的电化学传感器，由于把分子印迹及电化学传感器有效地结合在一起而具有了较高的灵敏度、选择性和重现性。如ai等人用基于au纳米粒子、多壁碳纳米管及石墨烯修饰的分子印迹传感器，实现了壬基酚的高灵敏度检测；huang等人以tio2和au纳米粒子修饰的分子印迹传感器对壬基酚进行了检测，其线性范围为4.80×10⁻⁴to9.50×10⁻⁷moll⁻¹(r=0.998),检出限为3.20×10−⁷moll⁻¹；chen等人通过电化学还原nh2功能化的氧化石墨烯（go），制备了石墨烯修饰的壬基酚分子印迹传感器，其线性范围为0.01-1.0μg/l，检出限为0.0035μg/l。

可以看出，石墨烯由于其大的表面积、良好的导电性及电催化性能也已被广泛地用于电化学传感器，而导电聚合物，特别是聚吡咯，已在诸如燃料电池的催化剂载体、药物传递、光学器件、电池、超级电容器及传感器等方面得到了广泛应用。研究表明，聚吡咯与石墨烯组成的复合材料，由于其较多的活性位点及较大的表面积，可直接用于电极或对电极进行修饰，以提高电化学传感器对目标分子的检测能力。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种用于壬基酚检测的石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的分子印迹传感器的制备方法及应用，该印迹传感器具有较低的检出限和较高的选择性，可以用于实际样品中壬基酚的高灵敏度检测，为壬基酚电化学传感器的制备及实际应用提供了一个新的有效途径。

本发明的技术方案：

本发明的目的是这样实现的：利用原位氧化聚合方法制备石墨烯/聚吡咯纳米复合材料，然后以多巴胺为功能单体，以壬基酚为印迹分子，通过电化学聚合制备了壬基酚印迹传感器。具体步骤如下：

（1）石墨烯/聚吡咯纳米复合材料的制备：把将10mg氧化石墨烯（go）放至15ml去离子水中，超声1h令go分散液混合均匀；在冰水浴条件下放入1ml吡咯单体(py)，强力搅拌2h；将上述混合液放入聚四氟乙烯反应釜中120℃下水热反应12h；获取的物质经离心后按顺序用去离子水、乙醇再离心洗涤各三次，最后在冷冻干燥机中进行干燥即得到石墨烯/聚吡咯纳米复合材料（gr/ppy）。

（2）石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的分子印迹传感器的制备：取10mggr/ppy复合材料于10ml蒸馏水中形成均匀的分散液，通过循环伏安法循环扫描十圈（循环电位：-1.3v~1v，扫描速率：0.025v/s）得到石墨烯/聚吡咯修饰的碳电极（gr/ppy/ce）。以上述的gr/ppy/ce为工作电极，放入25ml乙醇中，加入0.05g壬基酚和5.0mmol多巴胺进行混合均匀。使用循环伏安法（循环电位：0～0.8v，扫描速率：0.025v/s）电沉积8圈得到gr/ppy修饰的壬基酚印迹传感器（mip/gr/ppy/ce）。将得到的印迹传感器置于甲醇和乙酸的洗脱液中将模板分子洗脱，洗脱剂中甲醇和乙酸的配比为7:3，洗脱时间为8min。

一种用于壬基酚检测的石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的分子印迹传感器的制备方法制备的分子印迹传感器用于壬基酚的检测。

具体的检测方法：

（1）将洗脱后的壬基酚印迹传感器置于壬基酚溶液中进行孵化，孵化时间为16分钟，然后在pbs溶液中进行dpv测试；

（2）电化学方法检测：选择甘汞电极为参比电极、5mm×5mm铂丝电极为辅助电极、修饰的碳电极为工作电极的三电极体系，称取0.4938g的铁氰化钾溶于30ml水中制备5.0×10^-3mol/l[fe(cn)6]^3-/4-的pbs溶液，进行循环伏安和差分脉冲伏安法检测，cv测试时循环电位设定在-0.4～0.8v，扫描速度设定为0.05v/s，dpv脉冲电位设定为0～0.4v，扫描速度0.05v/s。

本发明的有益效果：

1、本发明通过原位插层聚合的方法制备石墨烯/聚吡咯纳米复合材料，并以多巴胺为功能单体，以壬基酚为印迹分子，通过电化学聚合方法制备了石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的壬基酚印迹传感器，为壬基酚的有效检测提供了一个新的途径。

2、本发明所制备的石墨烯/聚吡咯纳米复合材料，由于聚吡咯的原位插层作用，有效避免了氧化石墨烯的团聚现象，提高了材料的稳定性。同时通过水热处理，将氧化石墨烯还原成了石墨烯，提高了材料的导电性，降低了内阻。这些都为印迹传感器对壬基酚的稳定和有效检测提供了保障。

3、本发明通过电沉积的方法将石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰到碳电极上，并进一步在其表面电沉积制备了分子印迹膜，不仅修饰材料稳定不易脱落，而且其厚度均匀可控。

4、本发明以多巴胺为功能单体制备的分子印迹膜，由于多巴胺的成膜性和生物相容性，充分保证了制备的壬基酚印迹传感器的灵敏度和选择性，为其实际应用进一步奠定了基础。

附图说明

图1为本发明go(a)、gr/ppy(b)、mip/gr/ppy/ce洗脱前(c)及洗脱后(d)的扫描电子显微图(sem)。

图2本发明修饰电极的cv（a）图和dpv（b）图：ce(a)、go/ce(b)、gr/ppy/ce(c)、mip/gr/ppy/ce（d）及洗脱后的mip/gr/ppy/ce（e）。

图3本发明dpv响应值对洗脱液配比(a)、洗脱时间（b）及孵化时间（c）的关系图。

图4本发明dpv对不同浓度下4-np的响应(a)和响应电流（△i）与4-np浓度的负对数（-lgc）关系图（b）。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作以进一步的阐述，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不以此限制本发明。

壬基酚（4-np）是一种可影响发育、毒性较强的内分泌干扰素，因此对壬基酚的检测显得较为重要。本发明以多巴胺为功能单体在石墨烯（gr）/聚吡咯（ppy）纳米复合材料的基础上建构了一种测定壬基酚的新型分子印迹电化学传感器。循环伏安（cv）及差分脉冲伏安法（dpv）电化学测试结果表明，gr/ppy修饰的分子印迹传感器对4-np具有良好的特异性识别能力及较佳的选择性和灵敏度。响应电流（△i）与壬基酚在2.0×10^-5~8.0×10^-10moll^-1的范围浓度的负对数（-lgc）呈良好的线性关系，该印迹传感器的检出限为2.75×10^-11mol/l（s/n=3）。该电化学印迹传感器实现了对水体中的壬基酚的有效检测，其回收率为92%-103%。结合国家推荐的环境允许的4-np最高值为1µg/l，所以本发明为壬基酚电化学传感器的制备及实际应用提供了一个新的有效途径。

实施例

1、把制得的10mg氧化石墨烯（go）放至15ml去离子水中，超声1h令go分散液混合均匀；在冰水浴条件下放入1ml吡咯单体(py)，强力搅拌2h；将上述混合液放入聚四氟乙烯反应釜中120℃下水热反应12h；获取的物质经离心后按顺序用去离子水、乙醇再离心洗涤各三次，最后在冷冻干燥机中进行干燥即得到石墨烯/聚吡咯纳米复合材料（gr/ppy）。取10mggr/ppy复合材料于10ml蒸馏水中形成均匀的分散液，通过循环伏安法循环扫描十圈（循环电位：-1.3v~1v，扫描速率：0.025v/s）得到石墨烯/聚吡咯修饰的碳电极（gr/ppy/ce）。以上述的gr/ppy/ce为工作电极，放入25ml乙醇中，加入0.05g壬基酚和5.0mmol多巴胺进行混合均匀。使用循环伏安法（循环电位：0～0.8v，扫描速率：0.025v/s）电沉积8圈得到gr/ppy修饰的壬基酚印迹传感器（mip/gr/ppy/ce）。图1为go(a)、gr/ppy(b)、mip/gr/ppy/ce洗脱前(c)及洗脱后(d)的扫描电子显微图(sem)。图1b中可以观察到插层后的石墨烯负载了聚吡咯纳米粒子，粒子直径约在13nm左右。由于聚吡咯的插层作用使得石墨烯片层进一步得到了分散，克服了石墨烯极易团聚的缺点，增大了复合材料的比表面积，保证了复合材料修饰的电极具有良好的电化学性能。图1c为通过电化学聚合方法将含有壬基酚印迹分子的多巴胺聚合在gr/ppy修饰的电极表面所形成的印迹膜的表面形貌图，膜相对完整。图1d为洗脱后分子印迹膜的表面形态，可以观察到薄膜表面由于洗脱所形成的纹理结构。

2、在铁氰化钾的pbs溶液中使用循环伏安法对修饰的电极进行电化学性能测试，结果如图2所示。在图2a中，曲线a为ce的循环伏安曲线，可观察到明显的氧化还原峰；当go修饰在ce表面时，其氧化还原峰有所加强，是由于go的导电性使铁氰化钾的氧化还原加强，如图曲线b；对于gr/ppy/ce，由于gr的比表面积和ppy的插层作用使其导电能力得到增大，促进了电子的转移，因此可观察到其氧化还原峰进一步得到增大，如图曲线c；当使用多巴胺作为功能单体将壬基酚印迹在电极表面时，峰电流明显减小，这是由于表面壬基酚分子阻碍了电子的转移，如图曲线d所示；当壬基酚被洗脱后，得到的印迹电极的峰电流值又显著增大（图e），这是由于洗脱后阻碍电子转移的因素被消除的结果。通过洗脱前后的循环曲线的对比，证明印迹分子对电化学的响应性。

图2b为在pbs溶液中对ce、go/ce、gr/ppy/ce、mip/gr/ppy/ce及洗脱后的mip/gr/ppy/ce所测试的dpv对比图（电位设定为-0.2～0.5v）。因为gr的导电性和导电高分子ppy的插层作用，导致gr/ppy/ce的电流响应明显增大。当将壬基酚印迹在gr/ppy/ce时，由于壬基酚分子对电子转移的阻碍作用，使得响应电流明显减小，如图2b中曲线d所示；当壬基酚被洗脱后，印迹电极的响应电流值又得到明显增大（图2b-e），与cv的响应性相一致。

3、将得到的印迹传感器置于甲醇和乙酸的洗脱液中将模板分子洗脱，通过控制洗脱剂中甲醇和乙酸的配比及洗脱时间达到洗脱效果。选择不同配比的洗脱液对印迹分子进行洗脱，然后在5.0×10^-3mol/l[fe(cn)6]^3-/4-的pbs溶液进行dpv测试。如下图所示，在同样的洗脱时间下甲醇和乙酸的体积比为7:3的条件下，洗脱效果最佳（图3a）。同样在不同洗脱时间下的mip/gr/ppy/ce在pbs溶液中进行dpv测试，结果表明最佳洗脱时间为8min（图3b）。对将洗脱后的mip/gr/ppy/ce置于2.0×10^-5mol/l壬基酚溶液中进行孵化时间优化，dpv响应电流在经过16分钟孵化后，基本稳定在0.03ma左右，因此可确定最佳的孵化时间为16分钟（图3c）。

4、采用灵敏度高的dpv法测试印迹传感器对不同浓度的壬基酚的电化学相应性能（图4a）。将洗脱后的mip/gr/ppy/ce分别置于浓度为2×10^-5，8×10^-6，2×10^-6，8×10^-7，2×10^-7，8×10^-8，2×10^-8，8×10^-9，2×10^-9，8×10^-10mol/l的壬基酚溶液中进行侵泡，16分钟后在pbs溶液中进行dpv测试。结果表明，空白试验的响应电流值最大，并且随着壬基酚浓度的增加，其响应电流值变小，响应电流△i逐渐增大。这是由于壬基酚和洗脱后印记传感器电极表面的结合位点发生了特异性结合，从而减小了电子的扩散通量，并且随着浓度的梯度增加，电流值呈现规律性的梯度减小。如图4b所示，该印迹传感器的响应电流（△i）与壬基酚在2×10^-5~8.0×10^-10mol/l范围内的浓度负对数（-lgc）呈良好的线性关系，其线性方程为△i（ma）=0.018lgc(mol/l)+0.19，相关系数r=0.996，该印迹传感器的检出限为2.75×10-11mol/l（s/n=3）。

5、选择性和重现性实验：选择辛基酚、双酚a与壬基酚结构类似的物质作为干扰物，配制浓度为2×10^-5mol/l的辛基酚、双酚a溶液，将印迹传感器分别置于两种溶液中孵化16分钟，取出后使用三电极体系在pbs溶液中dpv测试。结果表明，该电极对辛基酚和双酚a的响应电流δi分别为0.034ma、0.011ma，该印迹传感器对壬基酚的响应电流最大，证明了该传感器对壬基酚良好的选择性。使用同一印迹传感器反复洗脱并对浓度为2×10-5mol/l的壬基酚溶液进行三次检测，响应电流δi只比初次检测值减小了10.6%，这表明此印迹传感器具有良好的重现性。

6、gr/ppy修饰的壬基酚印迹传感器的实用性实验：选择实验室的自来水，雪水和农村的河水作为检验样品。取三种样品分别用微孔过滤膜过滤，分别加入相应浓度的壬基酚，将壬基酚印迹传感器置于样品中孵化16分钟后，在配置好的pbs溶液中利用三电极体系进行差分脉冲法测试响应电流值，并根据△i的数值带入线性方程求得检测浓度，如表1所示，本发明方法制得的印迹传感器对三种水样中壬基酚的回收率为92%~103%，因此所得的gr/ppy修饰的壬基酚印迹传感器可应用于实际水样中壬基酚的检测，具有实用价值。