大学化学, 2020, 35(4): 132-136 doi: 10.3866/PKU.DXHX201911058

 

电聚合制备分子印迹电极及其特异性表征

吴志铭, 张佳宁, 李仕菊, 许新华,, 刘梅川,

Molecularly Imprinted Electrode Prepared by Electropolymerization Method and its Characterization

Wu Zhiming, Zhang Jianing, Li Shiju, Xu Xinhua,, Liu Meichuan,

通讯作者: 许新华, Email: xxh01@tongji.edu.cn刘梅川, Email: liumc@tongji.edu.cn

收稿日期: 2019-11-26   接受日期: 2019-12-16  

Received: 2019-11-26   Accepted: 2019-12-16  

摘要

本实验设计以邻苯二胺为功能单体,以双酚A为目标分子,采用简单快速的电聚合方法,制备了对双酚A具有特异性识别能力的分子印迹电极。采用差分脉冲伏安法和石英晶体微天平对印迹电极的特异识别性能进行表征。结果表明,印迹电极对双酚A表现出较高的特异性识别能力。与非印迹电极相比,识别能力提高一个数量级。同时,该电极对100倍浓度的阿特拉津、17β-雌二醇的信号响应仅为十分之一,表明该电极在复杂体系中具有良好的抗干扰能力。此外,该实验方案目标分子选择灵活,能制备针对不同目标分子的印迹电极,可满足自主设计实验的需求。通过该创新实验,可以有效帮助学生深入了解分子间的相互作用,体验在分子层次设计材料的过程。

关键词: 实验设计 ; 分子印迹 ; 电极 ; 电聚合法 ; 特异性

Abstract

In this experiment, molecularly imprinting polymers (MIP) electrodes with specific recognition ability of bisphenol A (BPA) were prepared by electropolymerization method. O-phenylenediamine was used as the polymeric monomer and BPA as the target molecule. The MIP electrodes were characterized by differential pulse voltammetry and quartz crystal microbalance. Results showed that the electrodes had highly specific recognition ability for BPA. In comparison with the non-imprinting polymers electrode, the recognition ability of MIP was improved by one order of magnitude. 100-fold concentration of atrazine or 17β-estradiol only altered the signal by one-tenth, indicating high selectivity of BPA-MIP electrode in complex matrix. In addition, this experimental design allows flexible target selection. Therefore, after changing the target molecules, the similar MIP electrode could be also successfully prepared by the same method. This experiment allows students to design experiments by themselves. And students can gain an in-depth understanding of the interaction between molecules, and experience the process of designing materials at the molecular level.

Keywords: Experimental design ; Molecularly imprinting ; Electrodes ; Electropolymerization ; Specificity

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吴志铭, 张佳宁, 李仕菊, 许新华, 刘梅川. 电聚合制备分子印迹电极及其特异性表征. 大学化学[J], 2020, 35(4): 132-136 doi:10.3866/PKU.DXHX201911058

Wu Zhiming. Molecularly Imprinted Electrode Prepared by Electropolymerization Method and its Characterization. University Chemistry[J], 2020, 35(4): 132-136 doi:10.3866/PKU.DXHX201911058

分子印迹技术也称为分子模板技术。它以特定目标分子作为模板,模板分子与聚合物单体接触会形成多重作用位点,当通过聚合形成分子印迹聚合物(Molecularly Imprinting Polymers,MIP)时,这些作用会被记忆下来;去除模板分子后,聚合物基质内会形成与模板分子的空间构型及功能基团排列相匹配的空腔,从而对模板分子具有良好的特异性、选择性识别能力[1, 2]。MIP材料可以根据不同目标分子“量体定做”,具有对环境适应性强、稳定性好、成本低、易制备等优点,被广泛应用于生物工程、临床医学、环境监测、食品工业等众多领域[36]

常用的MIP制备方法包括涂覆法[7]、自由基热聚合法[8]、分子自组装法[9]、溶胶-凝胶分子印迹膜法[10]、电聚合法[11]等,其中电聚合法因具有操作简便、形态易控、成本低廉等优势而被广泛应用[11]。通过选择适当的功能单体,控制聚合电位范围和聚合圈数即可制备得到印迹位点分布均匀、结构稳定且厚度可调的分子印迹聚合物膜[12]。因此,采用电聚合法制备分子印迹电极的实验在本科实验教学中具有较高的可行性。通过本次实验,不仅能提高学生的综合实验操作技能和综合实验设计思路,还能让学生接触超分子化学中较为前沿的科学研究,激发学生的创新潜能及对科研的兴趣。

1 实验目的

(1)了解分子特异性识别的常见方法,分子印迹技术的基本概念、基本原理和主要方法。

(2)熟悉循环伏安法、差分脉冲伏安法和石英晶体微天平的基本原理和基本操作。

(3)掌握分子印迹聚合物电极的电聚合制备方法。

(4)了解常见的电化学表征方法,学会分析差分脉冲伏安法和石英晶体微天平信号谱图。

2 实验方案

实验的设计内容包括电极制备和表征两个部分,实验工作均在如图1所示的装置体系中展开。

图1

图1   实验装置图

(a)石英金晶电极;(b)银/氯化银电极;(c)铂丝电极;(d)电解池;(e)电化学屏蔽箱;(f) EQCM振荡器;(g)石英晶体微天平电化学工作站


制备时以裸金(Au)电极为基底电极,选用邻苯二胺(o-PD)为功能单体,以双酚A (BPA)为目标分子,通过循环伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)在基底电极上生成镶嵌BPA的聚邻苯二胺薄膜;将BPA分子从聚合物薄膜中洗脱,获得BPA-MIP电极。

对该电极对双酚A的特异性识别能力的表征分为两个部分:(1)引入干扰分子,考查MIP电极对特定结构分子的识别能力与抗干扰能力,干扰分子为100倍浓度的阿特拉津(ATZ)和17β-雌二醇(E2);(2)引入非分子印迹聚合物电极(NIP),即不镶嵌BPA的纯聚邻苯二胺电极,比较MIP与NIP电极对目标分子识别能力的差异。实验所采用的表征方法为差分脉冲伏安法(Differential Pulse Voltammetry,DPV)和电化学石英晶体微天平(Electrochemical Quartz Crystal Microbalance,EQCM),前者通过电信号的变化反映电极表面附着物的多少,后者对电极表面吸附、脱附过程中极微小的质量变化(纳克级,10–9 g)进行测量,直观反映MIP电极对目标分子的高灵敏性识别。

3 仪器与试剂

仪器:石英晶体微天平电化学工作站(上海辰华,CHI440A)、石英晶体微天平振荡器(上海辰华)、铂丝对电极、银/氯化银参比电极、石英金晶电极、金电极、烧杯、容量瓶、移液枪。

试剂:BPA标准溶液、干扰物标准溶液,使用磷酸盐缓冲溶液定容,其中干扰物为ATZ和E2,浓度为BPA溶液100倍;BPA分子印迹聚合液、非分子印迹聚合液,使用醋酸缓冲溶液定容,铝箔包裹避光存放13 h;稀硫酸溶液;食人鱼溶液(98%浓硫酸与30%过氧化氢溶液,体积比7 : 3);铁氰化钾溶液(K3Fe(CN)6,K4Fe(CN)6,KCl);MIP洗脱液(无水甲醇与无水乙酸,体积比9 : 1)。本实验所用试剂均为分析纯(A.R.)。

4 实验步骤

4.1 BPA-MIP电极的制备

(1) Au电极预处理:取少量食人鱼溶液滴加在金晶电极表面,浸泡10 min,重复清洗2次,除去钝化膜。以硫酸溶液作为电解液,进行CV扫描活化,电位范围−0.2 – 1.55 V,扫速0.05 V∙s−1,扫描20圈。

(2)电聚合:取3.00 mL BPA分子印迹聚合液作为电解液,在Au电极上采用CV进行电聚合,电位范围0.0–0.8 V,扫速0.05 V∙s−1,扫描15圈。

(3)洗脱:聚合完成后倒出电解液,取1.00 mL洗脱液加入电解池中,静置5 min后更换洗脱液,重复洗脱10次,制得BPA-MIP电极。

将(2)中电解液更换为非分子印迹聚合液,重复步骤(2)、(3)制备得NIP电极。

4.2 BPA-MIP电极的表征

采用DPV和QCM分别对聚合前后及洗脱前后的BPA-MIP电极、NIP电极进行表征。

(1) DPV表征:以铁氰化钾溶液作为电解液,使用DPV扫描,电位范围−0.1 – 0.5 V,脉冲幅度0.05 V,脉冲宽度0.2 s,脉冲周期0.5 s。

(2) QCM表征:取5.00 mL蒸馏水作为介质,使用QCM扫描,基线平稳后,停止扫描。

4.3 BPA-MIP电极的特异性识别

(1)对BPA的识别:将BPA-MIP电极浸泡在2.00 mL BPA溶液中孵育8 min,用高纯水淋洗电极表面,进行DPV和QCM测定。

(2)对干扰分子识别:将BPA-MIP电极浸泡在2.00 mL的E2溶液中孵育8 min,用高纯水淋洗电极表面后,进行DPV和QCM测定。更换为ATZ溶液孵育,重复上述步骤。

(3) NIP电极对比实验:将NIP电极浸泡在2.00 mL BPA溶液中孵育8 min,用高纯水淋洗电极表面,进行DPV和QCM测定。

5 结果与讨论

5.1 分子印迹电极的制备过程

在功能单体与目标物质共存的体系中进行电聚合,是本实验中分子印迹电极制备的关键步骤。在含有目标分子双酚A和功能单体邻苯二胺的BPA分子印迹聚合液的电解液中,以预处理好的裸Au电极作为工作电极,在0–0.8 V电位范围内进行CV扫描电聚合,得到电聚合循环伏安曲线(如图2(a)所示),在0.40和0.55 V附近出现两个邻苯二胺的氧化峰。氧化峰峰电流值的变化和聚合程度有关,在图2(b)中能观察到随着循环扫描圈数的增加,峰电流的强度逐渐减小,这归因于在聚合过程中形成了聚合物膜,阻碍电子的传递;在电聚合扫描的最初几圈,峰电流下降明显,表明电聚合在不断地进行;当聚合准备结束时,峰电流值基本稳定,聚合已基本达到饱和。

图2

图2   双酚A-MIP电极电聚合过程

(a)循环伏安图;(b)峰电流变化图


5.2 分子印迹电极对BPA的识别

为了探究BPA-MIP电极对目标分子的识别性能,实验设计使用MIP电极和NIP电极进行对比。MIP电极识别BPA后,DPV的峰电流值与识别前相比显著下降;在识别后,由于晶体电极表面质量的增大,导致QCM的振动频率明显下降,该结果与DPV的测定结果一致。与MIP电极相比,NIP电极识别BPA前后的DPV和QCM测定结果无明显的变化,这是因为NIP电极对目标分子没有识别能力,MIP的信号变化完全是由对BPA分子的特异性识别造成的。

经过多次实验证实,MIP电极对目标分子的识别能力会比NIP电极高出一个数量级,说明通过简单的循环伏安法电聚合和溶剂洗脱方法可以制得对目标分子具有高识别能力的分子印迹电极。

5.3 BPA-MIP电极的特异性表征

为了探究BPA-MIP电极在复杂环境体系中对目标分子的选择性识别能力,实验设计使用100倍浓度的ATZ和E2为干扰物进行选择性测定。MIP电极在BPA溶液中测得的电流响应和振动频率均明显下降,在100倍浓度的ATZ和E2溶液中,DPV与QCM测定的峰电流值和频率几乎没有变化,说明MIP电极对非目标分子没有特异性识别能力。

经过多次实验证实,干扰物对于MIP电极的干扰程度仅为十分之一,分子印迹电极对目标分子具有较强的选择性识别作用,对复杂干扰体系具有良好的抗干扰能力。

6 实验注意事项

(1)食人鱼溶液是强酸性强氧化性溶液,使用时应带上手套谨慎操作,滴加时要注意不要让溶液碰触到金晶电极导线,防止腐蚀溶解。

(2) QCM扫描时,仪器需要一定的时间稳定,在此期间应避免剧烈摇晃桌面和在室内跑动,以免影响仪器扫描,同时,在电解池中注满水可以显著减少晃动引起的干扰。

(3)进行DPV表征时,要保持每次测定所用的铁氰化钾溶液的浓度和用量一致。

7 实验组织建议

(1)本实验是分子印迹电极的制备和表征的综合实验,适用于向有一定物理化学和有机化学基础的高年级本科生开设。

(2)在实验开始前,指导教师应向学生介绍电化学工作站的使用,讲解CV、DPV和QCM等方法的原理和操作,让学生了解实验的制备技术和表征技术。

(3)完成双酚A-MIP电极的制备后,可以在条件允许的情况下,让学生自主选择目标分子,制备不同的分子印迹电极进行实验探索,并进行小组交叉比较,由指导教师和学生讨论、点评设计思路和实验结果。

(4)可鼓励和启发学生,通过实验推测识别过程的机理,并查阅文献进行验证,加深对分子印迹识别中多种分子间作用力的理解,进一步了解化学识别的微观过程。

(5)对于实验的教学安排,建议设计成8课时的综合性实验(如图3所示)。同时该实验设计还具有研究性拓展的可能,可以根据实际情况进行拓展。对于4课时的实验安排,可以统一由实验室制备电极,学生进行电极测试。对于实验扩展部分,可以进一步研究聚合圈数对后续实验的影响,或是改变目标分子再次实验,分子印迹技术具有较好的普适性,能满足不同的学习、教学的实验设计的需求。

图3

图3   实验教学安排流程图


8 结语

本文介绍了一个通过简单的电聚合法制备分子印迹膜电极并对其进行电化学表征的实验,制得的电极具有特异性、选择性识别能力和良好的抗干扰能力。整个实验是传统电化学与现代超分子化学的结合,从我们熟悉的经典电化学技术循环伏安法和差分脉冲伏安法入手,联合质量敏感型仪器石英晶体微天平共同检测。综合了电化学、聚合物制备、分子间作用力等知识点。

实验结果表明,通过电聚合方法制备的MIP电极对目标分子BPA具有良好的识别效果,与NIP电极相比,识别能力提高一个数量级。在100倍浓度干扰分子存在时,干扰程度仅为十分之一,证明所制备的MIP膜具有高特异性识别能力。此外,该实验还具有研究性拓展的可能,更换目标分子后仍获得了很好的实验结果,证明了分子印迹聚合物可以根据不同目标分子“量体定做”,对于帮助学生理解分子印迹特异性识别具有重要意义。

实验中采用高灵敏的差分脉冲伏安法与石英晶体微天平联合表征技术,通过宏观的测量方法得到了分子层面的信息,在准分子层面上直观地反映分子修饰与识别过程各步骤的细节。通过实验,不仅可以增强我们的基本科学素养、掌握多种电化学分析方法以及膜电极制备方法,更重要的是通过实验探究了分子间的相互作用关系,能获得对功能材料进行分子层次设计的训练。

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