采用分子印迹功能化修饰电极的光电化学分析方法

摘要

本发明公开一种采用分子印迹功能化修饰电极的光电化学分析方法，涉及一种基于分子印迹技术的高选择性TiO2NTs修饰电极的制备方法，以及采用该修饰电极作为光阳极，用于对内分泌干扰物，尤其是非电化学活性内分泌干扰物2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)的高选择性、高灵敏的检测方法。与现有技术相比，本发明首次将分子印迹聚合物用于光电传感电极的选择性修饰，大大提高了电极的选择性和检测的灵敏度，可以排除多种共存小分子的干扰，检测限达到10-8mol·L-1数量级，电极稳定，检测方法具有良好的重现性。

说明书

技术领域

本发明涉及属于纳米材料、光电化学分析与环境监测技术领域，尤其是涉及 一种采用分子印迹技术制备的TiO₂NTs修饰电极的光电化学分析方法及装置。

背景技术

内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals，即EDCs)是一种外源性干扰内 分泌系统的化学物质。农药中的各种杀虫剂、除草剂以及塑料制品中的增塑剂等都 是重要的内分泌干扰物。目前水体中内分泌干扰物污染主要来源于农田废水的排 放，并可以通过饮用水的摄入进入人体造成累积，是导致性早熟，生育能力下降以 及恶性肿瘤等问题的重要因素。因此，对水源以及引用水中内分泌干扰物进行监测 和定量分析具有重要的环境意义。除草剂2，4-二氯苯氧乙酸(简称2，4-D)是一 种人工合成的植物激素，与生长素具有类似作用，是重要的内分泌干扰物。目前2， 4-D的检测主要采用高效液相色谱，液质联用等大型精密仪器以及生物分析等手 段。但是这些检测方法仪器昂贵，过程复杂，样品常常需要进行预处理，非常不适 合用于具有复杂组成成分的实际水体中单一物质的全自动实时在线监测。因此，开 发响应快速，成本低廉，具有高选择性和高灵敏度的，便携型适合在场检测的分析 方法具有重要的应用价值。

然而，2，4-D是一种非电化学活性物质，无法采用便携、灵敏的电化学传感 技术进行直接检测。与电化学分析方法相比较，光电化学检测方法也是一种灵敏度 高，响应快速，成本低廉的分析方法，尤其适用于全自动的在场分析。该方法利用 具有高效光催化活性的电极材料，在光照的条件下，产生光生电子和空穴；空穴被 电极表面附近的待测物质捕捉，而光生电子在施加偏压的作用下进入外电路产生光 电流，从而可以利用光电流强度与电极表面待测物质浓度之间的线性关系对其进行 定量。光电化学分析方法解决了电化学传感技术不能用于非电化学活性物质检测的 难题，凡是可以在电极表面捕获光生空穴的物质均可以用这种方法进行方便快捷的 高灵敏检测，因而具有广阔的应用前景；但是同时我们认识到，由于光催化氧化本 身选择性差的缺点使得该检测方法也不具有良好的选择性，因此需要对电极表面进 行分子识别能力的功能化，赋予电极表面优异的选择性，进而提高光电化学检测的 专一性，使其具有更适用于成分复杂的实际样品的检测能力。

分子印迹聚合物(Molecular imprinted polymers，MIP)是一类稳定的具有优秀 分子识别能力的高分子材料，用于电极的表面修饰，可以使电极具有选择性的分子 识别功能。本发明中采用聚吡咯作为分子印迹的基底材料，其特点是：聚吡咯具有 良好的化学稳定性，环境和生物兼容性，并且可以采用电聚合的方法进行方便的原 位合成与生长。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种引入分子印 迹技术解决了一般光电化学传感器选择性差的缺点，使得该修饰电极具有了良好的 分子识别能力，避免了检测过程中其他共存小分子的干扰，并且检测方法具有良好 的重现性和较高的灵敏度，达到10^-8mol/L数量级的采用分子印迹功能化修饰电极 的光电化学分析方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

采用分子印迹功能化的修饰电极的光电化学分析方法，选用非电化学活性内分 泌干扰物除草剂2，4-D作为检测对象，将配制的不同浓度的待测物质2，4-D的 标准溶液，依次分别加入到电解池中作为电解液，搅拌10分钟后，静置；采用i-t 曲线的方法，在紫外光照射下，施加偏压0.2V，测定光电流，根据光电流与标准 溶液浓度的线性关系绘制工作曲线，然后采用相同的操作方法测定实际样品的光电 流，并根据工作曲线计算实际样品的浓度，其特征在于：每次测定后将电解池中的 工作电极置于0.2MNa₂HPO₄溶液中，控制电位为1.3V下，恒电位氧化20min，除 去键合的2，4-D分子，实现电极表面的再生和更新。

所述的实际样品是分别将待测物质2，4-D与100倍于2，4-D浓度的干扰物 质，如杀虫剂啶虫脒，除草剂阿特拉津或百草枯的混合溶液加入到电解池中作为电 解液，实现待测分子的选择性检测。

所述的工作电极为分子印迹化的聚吡咯薄膜修饰的TiO₂NTs电极。

所述的TiO₂NTs电极采用以下步骤制作：以打磨抛光后的Ti板为阳极，Pt片 为阴极，以0.27M的HF水溶液为电解液，在双电极体系中进行1h的预氧化，电 极间距为1cm，电压为20V，预氧化后，在相同的体系中，改用0.27M的NH₄F的 乙二醇溶液为电解液，继续进行阳极氧化，时间为2h，将阳极氧化得到的TiO₂NTs 在500℃氧气气氛下进行烧结3h，升降温速率为1℃/min。

所述的工作电极采用以下步骤制作：将阳极氧化的方法制备得到的TiO₂NTs 电极作为工作电极，以含有一定浓度的支持电解质LiClO₄，聚合单体吡咯，模板 分子(即待测物质2，4-D)的混合溶液作为电解液，在电化学工作站上采用循环 伏安法对吡咯进行电聚合，在TiO₂NTs表面原位生长分子印迹的聚吡咯薄膜；进 而采用恒电位氧化的方法除去模板分子2，4-D，得到分子印迹聚合物薄膜修饰的 TiO₂NTs电极。

本发明的采用分子印迹功能化的TiO₂NTs修饰电极的光电化学分析方法，将 含有待测分子2，4-D或者待测分子和干扰物质(啶虫脒，阿特拉津或百草枯)的 混合溶液作为电解液，搅拌10分钟，以利于待测分子在电极表面的选择性富集； 静置，打开紫外光源；选择i-t曲线的方法，在施加偏压(0.2V(Vs.SCE))的条件 下测定光电流。通过光电流的大小对2，4-D进行定量。测试结束后，将修饰电极 在0.2M Na₂HPO₄溶液中，恒电位1.3V(Vs.SCE)氧化20min，去除电极表面分子印 迹层中键合的2，4-D分子，使得电极表面实现更新与再生。其特点在于：测试过 程简单，选择性强，灵敏度高，并且可以方便的通过恒电位氧化的方法实现电极表 面的更新再生，电极表面稳定，使用寿命长，可重复使用多次，并获得稳定的光电 化学信号。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

(1)采用分子印迹聚合物对TiO₂NTs电极进行修饰，并首次用于光电化学检 测中。通过分子印迹层对待测分子(2，4-D)的选择性富集作用，大大提高了电 极的选择性检测能力以及灵敏度，使得该修饰电极能够在100倍于待测物质浓度的 干扰物质中选择性的识别出待测分子，且对待测分子的光电化学响应造成的影响均 小于1％。

(2)聚吡咯膜具有良好的化学稳定性，使得在电极富集、键合待测分子后， 可以简单的采用恒电位氧化的方法重新去除，实现电极表面的再生更新。使电极可 以多次重复使用，光电化学信号稳定，灵敏度高。

(3)在检测过程中，采用了较低的施加偏压，有利地避免了聚吡咯膜的光电 化学氧化，利于保持电极的稳定性。

(4)本发明的光电化学检测方法实现了非电化学活性的待测物质2，4-D的 检测，采用的仪器廉价便携，方法简单易行，并具有较高的灵敏度，检测限达到 10^-8mol/L。适用于环境监测中的在场分析。

附图说明

图1为采用分子印迹功能化的修饰电极的光电化学分析装置的结构示意图。

图中1为工作电极、2为参比电极、3为辅助电极、4为搅拌装置、5为电解池、 6为搅拌器、7为搅拌子、8为电极支架、9为进样口、10为电极线、11为电化学 分析仪、12为数据线、13为计算机、14为紫外灯源、15为灯头、16为灯杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明中使用的TiO₂NTs电极是参照了Maggie Paulose等在文献(Anodic  Growth of Highly Ordered TiO₂ Nanotube Arrays to 134nm in Length，Maggie Paulose， Karthik Shankar et al，J.Phys.Chem.B，2006，110，16179-16184)中报道的阳极氧化 方法制备所得，并进行了相应的改善，具体是以打磨抛光后的Ti板为阳极，Pt片 为阴极，以0.27M的HF水溶液为电解液，在双电极体系中进行1h的预氧化，电 极间距为1cm，电压为20V。预氧化后，在相同的体系中，改用0.27M的NH₄F的 乙二醇溶液为电解液，继续进行阳极氧化，时间为2h。将阳极氧化得到的TiO₂NTs 在500℃氧气气氛下进行烧结，升温速率为1℃/min。

以上述方法制备的TiO₂NTs为工作电极，Pt电极为辅助电极，饱和甘汞电极 为参比电极，在三电极体系中，以5×10-4mol·L-12，4-D，1×10-4mol·L-1吡咯， 0.1mol·L-1LiClO₄的混合溶液为电解液，采用循环伏安法对吡咯进行电聚合，扫描 电位为-0.2～1.0V(Vs.SCE)，扫描圈数为10圈，扫描速率为50mV·s-1。电聚合后， 将所得到的电极在0.2M的Na₂HP₄溶液中恒电位1.3V(Vs.SCE)氧化20min，除去 模板分子2，4-D，得到分子印迹化的聚吡咯薄膜修饰的TiO₂NTs电极。

实施例2

采用0.1M pH为7的PBS缓冲液，配制一系列不同浓度的2，4-D标准溶液。 首先，利用示意图1中所示的光电化学分析装置，以0.1M pH为7的PBS缓冲液 为电解液4，以分子印迹化的聚吡咯薄膜修饰的TiO₂NTs为工作电极1，采用循环 伏安法进行扫描，得到稳定的伏安曲线，扫描电位为-0.2～0.2V(Vs.SCE)，扫描速 率为50mV/s。将扫描后的电极用蒸馏水仔细冲洗后，依次换用含有一定浓度的2， 4-D溶液为电解液4，打开搅拌器，搅拌10min，使得2，4-D在工作电极表面快速 的选择性富集。关闭搅拌器，静置，打开紫外光源14，设定0.2V(Vs.SCE)的施加 电位，利用电化学分析仪11采用i-t曲线的方法，测定光电流，并通过计算机13 记录。使用过的工作电极可以通过在0.2M的Na₂HP₄溶液中恒电位1.3V(Vs.SCE) 氧化实现表面的更新与再生。根据2，4-D浓度与相应的光电流的线性关系绘制工 作曲线，2，4-D的检测限可达到10^-8mol·L-1。

实施例3

首先，按照实施例2中所述，将使用过的工作电极在0.2M的Na₂HP₄溶液中 恒电位1.3V(Vs.SCE)氧化20min，实现表面的更新与再生，然后在0.1M pH为7 的PBS缓冲液中循环扫描得到稳定的伏安曲线。将电极仔细冲洗后作为工作电极 1，以含有一定浓度2，4-D或2，4-D和100倍浓度于2，4-D的干扰物质，如啶 虫脒，阿特拉津或百草枯的混合溶液为电解液4，用0.1M pH＝7的PBS缓冲液调 节其pH值。在示意图1中所示的光电化学分析系统中，采用实施例2中设定的测 试条件，测定溶液的光电流，并根据实施例2中绘制的工作曲线计算得到实际溶液 中2，4-D的浓度。结果显示，100倍于2，4-D浓度的其他小分子干扰物对2，4-D 的光电流造成的影响均小于1％。体现了该分子印迹修饰的TiO₂NTs电极的良好的 选择性分析能力。

实施例4

采用分子印迹功能化的修饰电极的光电化学分析方法，将配制的不同浓度的待 测物质的标准溶液，依次分别加入到电解池中作为电解液，搅拌10分钟后，静置； 采用i-t曲线的方法，在紫外光照射下，施加偏压0.2V，测定光电流，根据光电流 与标准溶液浓度的线性关系绘制工作曲线，然后采用相同的操作方法测定实际样品 的光电流，并根据工作曲线计算实际样品的浓度，每次测定后将电解池中的工作电 极置于0.2MNa₂HPO₄溶液中，控制电位为1.3V下，恒电位氧化20min，除去键合 的待测分子，实现电极表面的再生和更新，实际样品是将待测物质与100倍于待测 分子的干扰物质的混合溶液加入到电解池中作为电解液，实现待测分子的选择性检 测。

采用分子印迹功能化的修饰电极的光电化学分析装置，其结构如图1所示，该 装置包括光电化学反应系统、光源、工作站系统和数据采控系统，具体为工作电极 1、参比电极2、辅助电极3、搅拌装置4、电解池5、搅拌器6、搅拌子7、电极支 架8、进样口9、电极线10、电化学分析仪11、数据线12、计算机13、紫外灯源 14、灯头15、灯杆16。工作站系统为电化学分析仪11，光源为LA-410UV紫外光 源14，通过灯头15及灯杆16实现对电解液的辐照功能。数据采控系统为安装了 电化学分析仪工作软件的计算机13，通过数据线12将电化学分析仪11与计算机 13连接，光电化学反应系统由单室结构的电解池1、电解池顶端设有的电极支架8、 穿透电极支架8进入电解池1并与电极支架8固定连接的工作电极1、参比电极2、 辅助电极3组成的三电极体系及搅拌装置4，电极支架8上还设置有进样口9。工 作电极1为聚吡咯分子印迹膜修饰的TiO₂NTs电极，辅助电极3为市售的铂电极， 参比电极2为市售的饱和甘汞电极，三电极分别通过电极线10与电化学分析仪11 连接。电解池5的底部设置有搅拌子7与搅拌器6，实现对电解液的搅拌

工作电极1采用以下步骤制作：以TiO₂NTs为工作电极，Pt电极为辅助电极， 饱和甘汞电极为参比电极，在三电极体系中，以5×10^-4mol·L^-1模板分子2，4-D、 1×10^-4mol·L^-1吡咯、0.1mol·L^-1LiClO₄的混合溶液为电解液，采用循环伏安法对吡 咯进行电聚合，扫描电位为-0.2～1.0V(Vs.SCE)，扫描圈数为10圈，扫描速率为 50mV·s^-1，电聚合后，将所得到的电极在0.2M的Na₂HP₄溶液中恒电位1.3V(Vs.SCE) 氧化20min，除去模板分子2，4-D，得到分子印迹化的聚吡咯薄膜修饰的TiO₂NTs 电极。其中的TiO₂NTs电极采用以下步骤制作：以打磨抛光后的Ti板为阳极，Pt 片为阴极，以0.27M的HF水溶液为电解液，在双电极体系中进行1h的预氧化， 电极间距为1cm，电压为20V，预氧化后，在相同的体系中，改用0.27M的NH₄F 的乙二醇溶液为电解液，继续进行阳极氧化，时间为2h，将阳极氧化得到的TiO₂NTs 在500℃氧气气氛下进行烧结3h，升降温速率为1℃/min。