[文献][11.24]基于分子印迹聚吡咯纳米管的用于草甘膦检测的电化学传感器

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基于分子印迹聚吡咯纳米管的用于草甘膦检测的电化学传感器

作者:Shichao Ding, Zhaoyuan Lyu, Suiqiong Li, XiaofanRuan, Mingen Fei, Yang Zhou, Xiangheng Niu, Wenlei Zhu, Dan Du, Yuehe Lin.
文章信息:Biosensors and Bioelectronics.
报告人:刘志芳
导语:已经开发了一种基于分子印迹聚吡咯纳米管 (MIPN)的电化学传感器,用于检测草甘膦(Gly) ,具有高灵敏度和特异性。在此,MIPNs 是通过在聚吡咯(PPy) 纳米管表面印记 Gly 位点来制备的。合成的 MIPNs 具有高导电性并表现出快速的吸附速率、增强的对 Gly 的亲和力和特异性。通过将 MIPNs 修饰的丝网印刷电极与 3D 印刷电极支架组装在一起,制造了一种用于 Gly 检测的电化学传感器,该传感器具有高度的便携性,适用于实时检测。结果表明,基于MIPNs 的草甘膦电化学传感器具有 2.5-350 ng/mL 的宽检测范围,检测限 (LOD) 为 1.94 ng/mL。此外,Gly 传感器具有良好的稳定性、重现性和对其他干扰物的优异选择性。通过检测橙汁和大米饮料中的甘氨酸,验证了该传感器的实用性,表明该传感器适用于实际食品和环境样品中的农药监测。
主要内容
介绍了一种分子印迹聚吡咯纳米管 (MIPN) 的一锅合成方法,其中在纳米管表面形成了特定的 Gly 识别位点。Gly 传感器是通过在丝网印刷电极 (SPE) 的表面上涂覆一层薄薄的 MIPN 来制造的。获得的 MIPN 得到了充分表征。此外,使用 3D 打印设计和制造了一个 SPE 支架以与 Gly 传感器集成。通过差分脉冲伏安法(DPV)分析基于 MIPNs 的传感器的电化学性能。结果表明,与非分子印迹的聚吡咯纳米管 (NIPN) 相比,该传感器在感测 Gly 方面表现出优异的灵敏度和特异性。

二、电化学表征:

SEM和TEM分析结果表明,合成的MIPNs具有中空的纳米管结构(图1b-d)。同时测定了这些纳米管的平均直径和壁厚,分别为~120 nm和~39 nm(图1c和d)。研究了印迹位点的有效性和印迹层厚度之间的关系。其有效厚度一般在20nm ~80nm之间。(MIPN的厚度在39 nm左右,在正常的有效厚度范围内,从而保证了壁中的印迹位点对信号响应的贡献。此外,如图S2所示,NIPNs也具有与MIPNs相似的纳米管结构,这意味着MIPNs与NIPNs在进一步检测性能上的差异不是来自形貌和结构的影响,而是印迹位点的影响。通过Barrett-Joyner-Halenda (BJH)方法证明了MIPN的特定孔隙分布,如图S3所示,允许分析物容易穿透到纳米管内部。用FTIR光谱对所得材料进行了验证。如图2a所示,与吡咯单体相比,MIPNs和NIPNs表现出明显的特征峰位移,表明PPy合成成功。与NIPNs相比,MIPNs中的几个峰向更高的波数转移,表明MIPNs中的PPy链比纯NIPN短。这可能是由于存在于MIPN中的大量印迹位点。此外,在788 cm?1处出现一个明显的峰,意味着MIPNs和NIPNs都具有α-α连接结构,这将有利于它们的电导率。通过XPS光谱分析MIPNs的元素组成,其C1s、O1s和N1s峰如图2b所示。C1s的化学成分分析(图2b)采用高斯-洛伦兹曲线拟合反褶积方法进行。所有这些结果也证实了MIPN具有PPy的分子结构。此外,能量色散x射线能谱(EDS)元素分析的元素制图结果(图2c)进一步证实了MIPN中的元素组成和分布。

在本研究中使用循环伏安法(CV)研究了MIPNs对Gly的电化学响应,获得了测量Gly前后MIPNs的CV曲线如图3a所示。在这里,原始SPE没有氧化还原峰。由于PPy转化的电化学过程,MIPN中出现了显著的响应峰。在Gly的作用下,由于吸附的Gly阻碍了电子的转移,降低了电化学活性表面积,使得MIPN的响应电流显著降低。MIPNs和NIPNs的电化学活性表面积不同,导致其电化学氧化性能不同。此外,对电化学阻抗谱(EIS)进行了全面表征(图3b)。在Nyquist图中,频率较高的半圆部分表示电子传递受限过程,而频率较低的线性部分表示扩散控制过程。裸SPE表现出非常低的电子转移电阻且只显示了一条直线。将MIPNs修饰到SPE上后,电极的半圆直径明显增大,进一步证明了MIPNs涂层的成功。经Gly孵育后,MIPNs修饰电极的半圆直径明显增大。这是因为在MIPN中的印迹位点捕获了草甘膦,而嵌入的草甘膦阻碍了电子的转移,导致响应电流降低。此外,Nyquist图中低频区斜率的减小表明随着Gly继续进入MIPNs的印迹腔,MIPNs层中的扩散速率减小。此外,NIPNs的半圆直径较大,低频区斜率较慢,说明它们的相互作用位点较差,扩散能力较慢。电化学表征结果表明,基于MIPNs的电化学传感器对草甘膦具有较高的灵敏度,证明了MIPNs作为高性能传感材料的有效性。

模板、功能单体和交联剂配比等印迹材料合成参数是影响印迹材料亲和和识别性能的重要因素。在本研究中采用的合成方法中,吡咯具有功能单体和交联剂的双重作用,因此,本文研究了模板与吡咯的比例,以优化材料性能。在图4a中,将浓度固定在275 ng/ mL,研究Gly和PPy的不同比例(1:5、1:10、1:15和1:20),可以发现识别性能存在一定差异。对于这种基于PPy纳米管的传感器,在合成步骤中加入的模板数量较少,导致印迹位点较少,从而降低了吸附能力。随着模板比从1:20增加到1:10,增加的印迹位点也会增加,从而提高了MIPN的识别性能。但是,在合成过程中加入过量的模板改变了反应的微环境,导致聚合阻碍纳米管结构的形成。因此,信号响应的强度迅速增加,然后在更高的模板比率下降。当甘氨酸和吡咯的比例为1:10时,MIPNs传感器的最大DPV电流响应得到。在此条件下,印迹传感器可以提供最大的印迹位点,从而促进目标从溶液到电极的传输。因此,选择比例为1:10作为制备MIPNs传感器的最佳条件。

为了优化固相萃取支架中的培养时间进行了几种DPV测量。结果表明,在图4b中,信号响应随时间的增加而增加,并在20 min左右趋于稳定。这是因为纳米管外溶液和内溶液之间的Gly浓度差异产生扩散力,促进了其吸附率。IF值表示Gly在传感材料上的特异性结合。结果表明,表面印迹和空心结构的协同作用提高了吸附率和识别效率。如图4b所示,所研制传感器的IF值在5分钟后达到最大值。进一步增加测试次数并没有明显提高其识别性能。因此,我们选择5 min作为MIPNs Gly检测的潜伏期。考察了不同条件下MIPNs对草甘膦的吸附能力。制备不同pH值的草甘膦溶液,滴在传感器上。待孵卵后,用水冲洗MIPNS修饰的传感器,然后以0.1 M PBS (pH =7.4)作为电解质,用DPV测量。由于有机磷农药在碱性介质中容易失活降解,因此我们只选择了Gly溶液在酸性条件下的pH范围。从图4c可以看出,电流响应随着pH的升高而逐渐增大,在pH =6.0时达到最大值。随着pH值的不断增加,电流响应逐渐减小。因此,确定最佳pH值为6.0,也作为后续实验的执行条件。基于本文的设计,印刷SPE支架可以提供一个简单和便携式的草甘膦传感平台。在这里,为了有效检测Gly优化了最优的样品加载量。将不同体积的Gly标准溶液(10、25和50 μL)分别投到检测区,得到的DPV信号如图4d所示。当样品体积小于10 μL时,得到浅电流信号变化,表明分析物扩散不足。当样品体积从10 μL增加到50 μL时,信号响应随着甘氨酸体积的增加而增强。然而,过量的样品体积可能会导致解决方案克服疏水障碍,从而会湿电触点并产生噪音。50 μL样品体积检测到的电流响应与25μL样品体积检测到的电流响应几乎没有变化,这可能是由于样品过载造成的。从图4d可以看出,加载25 μL样品的灵敏度大约是加载10 μL样品的两倍,而加载50 μL和25 μL样品的传感器性能相似。因此,选择25 μL的加样体积作为最直接、最敏感的设计。在优化的实验条件下,利用MIPNs传感器对不同浓度草甘膦进行DPV测量,得到了标定曲线。如图5a所示,随着浓度的增加,电流峰值降低。此外,从图5b可以看出,在2.5-350 ng/mL范围内,氧化峰的电流强度与草甘膦浓度呈良好的线性关系。这种高性能是由于纳米管结构提供的超高表面积,拥有更多丰富的印迹位点。
三、结论:
综上所述,合成了一种基于MIPNS的电化学传感器,具有较高的灵敏度和特异性。通过在PPy纳米管表面印迹高亲和力和特异性的草甘膦结合位点,MIPN具有较高的特异性、优良的电导率和较大的可及表面。MIPNs继承了表面印迹技术的所有优点,为快速识别提供了集中的驱动力。该电化学传感器通过将基于MIPN的SPE与3D打印SPE支架组装起来,实现便携式监测应用。草甘膦检测性能好,检测限低,检测范围广,选择性好。通过在真实样品基质中检测草甘膦,验证了该传感器的实用性,这表明其在食品和环境分析中具有广阔的应用前景。


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