基于电化学沉积与分子印迹的BPA电化学传感器及其制备方法

摘要

一种基于电化学沉积与分子印迹的BPA电化学传感器及其制备方法，传感器电极表面的复合薄膜为纳米金颗粒与分子印迹聚合物，纳米金基底膜具有三维结构基础上的多层次的空间结构。制备时，首先采用电化学沉积法在金电极表面合成了纳米金膜，然后采用电化学聚合技术在纳米金膜表面沉积分子印迹聚合物薄膜，最后用电化学法洗脱去除BPA模板分子。本发明解决了传统液相色谱法无法在线检测、识别能力有限、样品前处理繁琐等问题。该传感器具有超灵敏度和相对较大的BPA吸附量，检测限达到0.8~1.5×10-8mol/L，该传感器在BPA中的响应信号强度约是平面金电极分子印迹传感器的1.5~3倍。

权利要求

1.一种基于电化学沉积与分子印迹的BPA分子印迹传感器，其特征在于，该传感器电极表面的复合薄膜为纳米金颗粒与分子印迹聚合物，纳米金颗粒为60～120nm；60～

120nm的纳米金颗粒的表面有5-10nm的纳米金颗粒，纳米金基底膜具有三维结构基础上的多层次的空间结构；

所述的纳米金颗粒为球形或菱形；

具体步骤如下：(1)电化学沉积制备纳米金膜所用溶液为氯金酸乙腈溶液，电解液用量为10mL，氯金酸浓度为0.6g/L；四丁基高氯酸铵作为辅助电解质不参与氯金酸的还原反应，其浓度为5mmol/L；氯金酸与四丁基高氯酸铵在乙腈溶液中的含量比值约为2:5；

(2)在制备分子印迹聚合物膜之前，AuNPs-Au电极表面需要进行自组装修饰，自组装过程在4-巯基苯胺的乙腈溶液中进行，时间为10～18h，4-巯基苯胺浓度20mmol/L；

(3)功能单体与模版分子BPA的浓度比为6:1，4-巯基苯胺与2-巯基苯胺作为两种功能单体浓度比为2:1；

(4)模板的洗脱方法为电化学洗脱，洗脱液为0.05～0.2mol/LPBS缓冲溶液，循环伏安扫面30次左右，直到出现稳定的扫描曲线。

说明书

基于电化学沉积与分子印迹的BPA电化学传感器及其制备

方法

技术领域

[0001] 本发明是一种通过电沉积和分子印迹技术，在金基底表面制备的基于三维纳米金膜修饰的BPA(Bisphenol A)分子印迹传感器，属于水体污染及防治，电化学传感器技术领域。

背景技术

[0002] BPA是一种内分泌干扰物，对生物和人体的正常内分泌机能有不利的影响，而且具有浓度低不易检测,生物累积性等特点。BPA是聚碳酸酯PC的重要原料，可能存在于许多日常消费品中如食品包装容器,婴儿奶瓶等。BPA在加热时能析出到食物和饮料当中，对人体造成危害，是一种潜在的危险性很大的化学物质。传统的BPA检测方法有气相色谱-质谱联用,高效液相色谱法,液相色谱-质谱联用等，但传统检测方法具有不能现场检测,样品前处理过程繁琐等缺点。

[0003] 基于分子印迹技术制备的分子印迹聚合物(MIP)具有识别性高，能在高温,高压,强酸,强碱,有机溶剂等苛刻环境中使用的特点，已经能够实现对除草剂,重金属,医药,毒素和水质等的检测或吸附去除。分子印迹电化学传感器是将分子印迹聚合物作为识别元件制备的具有特异选择性的仿生传感器，这种传感器采用电化学检测手段对目标污染物进行检测，具有灵敏度高,小型化便于携带,现场快速检测的优点。在电化学检测过程中，BPA与印迹聚合物识别位点的特异性结合是检测信号的主要来源，并以电信号的形式呈现。基于分子印迹技术的电化学传感器是目前BPA检测的研究热点。

[0004] 利用自组装原理，在金电极表面制备二维自组装膜可以有效促进电极表面对BPA活性基团(双-OH)的吸附以及加强电子的传递作用；在二维自组装膜的基础上通过电化学沉积法合成BPA分子印迹聚合物薄膜，可以实现对BPA的特异性检测，其中4-巯基苯胺分子的-NH2与BPA分子的双-OH之间的氢键作用力是绑定BPA分子形成特异性识别位点的主要能量来源。

[0005] 复合电沉积法可以在含有自组装膜的金电极表面合成纳米金分子印迹聚合物复合薄膜，该方法使传感器表现出良好的选择性。复合电沉积过程将有机分子(功能单体和模板分子)与氯金酸混合后电沉积，此过程中，纳米金形成的同时也完成了自组装，使得纳米金颗粒表面带有不同的官能团，这种带有官能团的纳米金被称为功能化纳米金，Brust等人于1994年首次采用两相法(水和甲苯为溶剂)，用硼氢化钠还原氯金酸,制得表面形成硫醇单分子层的功能化纳米金。随后科学家们采用均相法，以各种带巯基(-SH)的小分子或大分子作为配体，得到表面带有不同的官能团(-NH2、-COOH、蛋白质分子等)的纳米金粒子。2008年J.AM.CHEM.SOC.第130期第30卷报道了一种复合电沉积法制备的具有特异性识别的复合薄膜，报道中这种基于金基地电极的复合薄膜传感器对三硝基甲苯的检测限达-8到7.4×10 mol/L。

[0006] 研究表明复合电沉积法制备复合薄膜的过程中，纳米金颗粒的含量较少，含有纳米金的印迹聚合物复合薄膜与金电极基地的联结不够致密，电极的重现性与稳定性并不理想。而本发明在电化学沉积与自组装技术的基础上首次制备出一种新型纳米金分子印迹聚合物复合膜，该传感器在水样检测中表现出良好的灵敏度与稳定性。

发明内容

[0007] 本发明解决了传统液相色谱法无法在线检测、识别能力有限、样品前处理繁琐等问题。该传感器与普通传感器想比，具有超灵敏度和相对较大的BPA吸附量，可促进传感器的小型化发展。

[0008] 本发明采用电化学沉积法形成的纳米金颗粒与金电极基底结合致密，且反应过程中无有机分子参与，与复合电沉积相比拥有更高的电子传导效率。

[0009] 本发明合成的纳米金颗粒将二维基底转变成为三维基底，增大了电极比表面积，同时纳米金颗粒较强的表面效应可以促使分子印迹聚合物自组装膜的形成，从而可使电极表面形成更多的BPA有效结合位点。

[0010] 本发明制备的MIPs薄膜可与纳米金颗粒有效结合，纳米金颗粒镶嵌分布于薄膜中，能够有效地完成薄膜表面与基底之间的电子传递，进一步提高了传感器灵敏度。

[0011] 本发明首先采用电化学沉积法在金电极表面合成了纳米金膜(AuNPs)；接着将纳米金膜浸入4-巯基苯胺的乙腈溶液中进行自组装，使纳米金膜表面形成一层自组装单分子层；然后基于分子印迹技术，采用电化学聚合法在纳米金膜表面合成分子印迹聚合物薄膜(MIPs)；最后用电化学法洗脱去除BPA模板分子，制备出了基于三维纳米金膜修饰的BPA分子印迹电极传感器。

[0012] 具体步骤如下：

[0013] (1)电化学沉积制备纳米金膜所用溶液为氯金酸的乙腈溶液(10mL)，氯金酸浓度为0.6g/L。通过在三电极系统下循环伏安扫描，将氯金酸还原为纳米金。浓度为5mmol/L四丁基高氯酸铵作为辅助电解质不参与氯金酸的还原反应，氯金酸与四丁基高氯酸铵在乙腈溶液中的含量比值约为2:5。

[0014] (2)在制备分子印迹聚合物膜之前，AuNPs-Au电极表面需要进行自组装修饰，自组装过程在4-巯基苯胺的乙腈溶液中进行，4-巯基苯胺浓度为20mmol/L，自组装时间为10～18h，自组装过程形成一层基于Au-S键作用力的单分子层。分子印迹聚合物膜与纳米金膜的结合，采用电化学聚合法。

[0015] (3)功能单体与模版分子BPA的浓度比为6:1，其中两种功能单体包括4-巯基苯胺与2-巯基苯胺两种，4-巯基苯胺为主要功能单体，2-巯基苯胺做辅助用作联结聚合物支架。4-巯基苯胺与2-巯基苯胺的浓度比为2:1。

[0016] (4)模板的洗脱方法为电化学洗脱，洗脱液为0.1mol/LPBS缓冲溶液(pH＝7.1)，循环伏安扫描30次左右，直到出现稳定的扫描曲线。稳定后的扫描曲线相似于裸金电极在相同条件PBS缓冲溶液中的曲线。

[0017] (5)本发明对0.5-2.5μmol/L浓度范围内BPA具有良好的响应能力，检测限为-81.47×10 mol/L(S/N＝3)。可以用于实际水样的检测。

具体实施方式

[0018] 以下结合技术方案详细叙述本发明的实施例。

[0019] 实施例1：BPA分子印迹传感器的制备方法

[0020] (1)金电极处理：首先将直径为2mm的金盘电极在1200目金相砂纸上打磨至平滑；并置于尼龙抛光布上用0.3μm氧化铝粉抛光，然后在乙醇,去离子水中各超声5分钟；接着在1mol/L硫酸溶液中，在0～1.5V扫描电压范围内进行重复循环伏安扫描，直至出现稳定的氧化还原峰；取出后去离子水冲洗，氮气吹干备用。

[0021] (2)AuNPs-Au电极的制备：AuNPs-Au电极的制备采用电化学沉积法，将处理好的裸金电极置于含四丁基高氯酸铵(5mmol/L),HAuCl4(0.4g/L)的乙腈溶液中，采用三电极系统进行电化学沉积，循环伏安扫描电压范围为-1.0～1.0V，扫描速率为100mV/s，扫描次数为30次。电极取出后分别用乙醇,去离子水冲洗，氮气吹干备用。

[0022] (3)MIPs-AuNPs-Au电极的制备：先采用2.2的方法合成纳米金膜，然后将AuNPs-Au电极置于20mmol/L 4-巯基苯胺的乙腈溶液中进行自组装18h，接着置于10mmol/L BPA乙腈溶液中浸泡4h。分子印迹聚合物薄膜的制备过程采用电化学工作站(上海辰华)三电极系统：铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，自组装膜修饰之后的金电极为工作电极。电极制备所用溶液为含4-巯基苯胺(20mmol/L),2-巯基苯胺(10mmol/L),BPA(0.5mmol/L)的PBS缓冲溶液(0.1mol/L，pH＝7.1)。制备方法为循环伏安法，在-0.4～0.8V扫描电压范围内循环伏安扫描30次(扫描速率为100mV/s)。电化学聚合过程完成后将金电极先后置于乙醇,去离子水中，各浸泡5分钟，接着将电极置于空白PBS缓冲溶液(0.1mol/L，pH＝7.1)中进行循环伏安扫描直至出现稳定的循环伏安曲线，以彻底洗脱BPA模板分子。电极取出后去离子水冲洗，氮气吹干备用。

[0023] 实施例2：检测实验结果分析

[0024] 本发明采用线性扫描伏安法(LSV)考察了MIPs-AuNPs-Au电极在PBS溶液(0.1mol/L，pH＝7.1)中对不同浓度BPA的响应，BPA浓度范围为0.5-10μmol/L，扫描电压为100mV/s。在检测浓度范围内，电极的响应电流随BPA浓度的增大而不断增大，电流增加趋势相对变缓。表明随着浓度的增大，电极对BPA的吸附过程逐渐达到平衡状态，响应电流逐渐趋于稳定，当浓度超过一定范围时响应电流将不再增加。在0.5-2.5μmol/L浓度范2
围内，BPA浓度与响应峰电流成良好的线性关系，回归方程曲线为y＝-2.7687x-0.1454(R-8
＝0.998)，检测限为1.47×10 mol/L(S/N＝3)。

[0025] 本发明选择与BPA具有相似结构的酚类化合物对硝基苯酚(p-Nitrophenol)、间苯二酚(Hydroxyphenol)、苯酚(Phenol)作为干扰物来验证MIPs-AuNPs-Au电极的选择-5性。在BPA和干扰物的浓度均为1×10 mol/L的PBS缓冲溶液中进行循环伏安测试，结果显示BPA氧化峰电位为0.57V，该电位处MIPs-AuNPs-Au电极对BPA,硝基苯酚,间苯二酚-5 -6 -6 -6
和苯酚响应电流分别为1.22×10 A,1.21×10 A,0.93×10 A和0.59×10 A。从而得出MIPs-AuNPs-Au电极对BPA与硝基苯酚,间苯二酚和苯酚的选择比分别为：10.08倍,13.12倍和20.68倍，表明MIPs-AuNPs-Au电极对BPA具有较好选择性。每隔24h对MIPs-AuNPs-Au电极的响应能力进行测试，15天内的测试结果显示：电极的响应信号基本保持稳定，响应信号相对标准偏差小于5％。表明电极具有良好的重现性与稳定性。

[0026] 实施例3

[0027] 将采集到的水样过滤后，分别以各种水样为溶剂配制PBS缓冲溶液(0.1mol/L，pH