專利名稱：采用分子印跡功能化修飾電極的光電化學分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及屬于納米材料、光電化學分析與環(huán)境監(jiān)測技術領域，尤其是涉及一種采用分子印跡技術制備的TiO2NTs修飾電極的光電 化學分析方法及裝置。
背景技術：
內分泌干擾物(Endocrine Disrupting Chemicals,即EDCs)是一種外源性干擾內分泌系統(tǒng)的化學物質。農藥中的各種殺蟲劑、除草劑以及塑料制品中的增塑劑等都是重要的內分泌干擾物。目前水體中內分泌干擾物污染主要來源于農田廢水的排放，并可以通過飲用水的攝入進入人體造成累積，是導致性早熟，生育能力下降以及惡性腫瘤等問題的重要因素。因此，對水源以及引用水中內分泌干擾物進行監(jiān)測和定量分析具有重要的環(huán)境意義。除草劑2，4_ 二氯苯氧乙酸(簡稱2，4-D)是一種人工合成的植物激素，與生長素具有類似作用，是重要的內分泌干擾物。目前2，4-D的檢測主要采用高效液相色譜，液質聯(lián)用等大型精密儀器以及生物分析等手段。但是這些檢測方法儀器昂貴，過程復雜，樣品常常需要進行預處理，非常不適合用于具有復雜組成成分的實際水體中單一物質的全自動實時在線監(jiān)測。因此，開發(fā)響應快速，成本低廉，具有高選擇性和高靈敏度的，便攜型適合在場檢測的分析方法具有重要的應用價值。然而，2，4_D是一種非電化學活性物質，無法采用便攜、靈敏的電化學傳感技術進行直接檢測。與電化學分析方法相比較，光電化學檢測方法也是一種靈敏度高，響應快速，成本低廉的分析方法，尤其適用于全自動的在場分析。該方法利用具有高效光催化活性的電極材料，在光照的條件下，產生光生電子和空穴；空穴被電極表面附近的待測物質捕捉，而光生電子在施加偏壓的作用下進入外電路產生光電流，從而可以利用光電流強度與電極表面待測物質濃度之間的線性關系對其進行定量。光電化學分析方法解決了電化學傳感技術不能用于非電化學活性物質檢測的難題，凡是可以在電極表面捕獲光生空穴的物質均可以用這種方法進行方便快捷的高靈敏檢測，因而具有廣闊的應用前景；但是同時我們認識至IJ，由于光催化氧化本身選擇性差的缺點使得該檢測方法也不具有良好的選擇性，因此需要對電極表面進行分子識別能力的功能化，賦予電極表面優(yōu)異的選擇性，進而提高光電化學檢測的專一性，使其具有更適用于成分復雜的實際樣品的檢測能力。分子印跡聚合物(Molecular imprinted polymers, MIP)是一類穩(wěn)定的具有優(yōu)秀分子識別能力的高分子材料，用于電極的表面修飾，可以使電極具有選擇性的分子識別功能。本發(fā)明中采用聚吡咯作為分子印跡的基底材料，其特點是聚吡咯具有良好的化學穩(wěn)定性，環(huán)境和生物兼容性，并且可以采用電聚合的方法進行方便的原位合成與生長。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種引入分子印跡技術解決了一般光電化學傳感器選擇性差的缺點，使得該修飾電極具有了良好的分子識別能力，避免了檢測過程中其他共存小分子的干擾，并且檢測方法具有良好的重現(xiàn)性和較高的靈敏度，達到10-8mOl/L數(shù)量級的采用分子印跡功能化修飾電極的光電化學分析方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析方法，選用非電化學活性內分泌干擾物除草劑2，4-D作為檢測對象，將配制的不同濃度的待測物質2，4-D的標準溶液，依次分別加入到電解池中作為電解液，攪拌10分鐘后，靜置；采用i-t曲線的方法，在紫外光照射下，施加偏壓0. 2V，測定光電流，根據(jù)光電流與標準溶液濃度的線性關系繪制工作曲線，然后采用相同的操作方法測定實際樣品的光電流，并根據(jù)工作曲線計算實際樣品的濃度，其特征在于每次測定后將電解池中的工作電極置于0. 2MNa2HP04溶液 ，控制電位為I. 3V下，恒電位氧化20min，除去鍵合的2，4-D分子，實現(xiàn)電極表面的再生和更新。所述的實際樣品是分別將待測物質2，4-D與100倍于2，4-D濃度的干擾物質，如殺蟲劑啶蟲脒，除草劑阿特拉津或百草枯的混合溶液加入到電解池中作為電解液，實現(xiàn)待測分子的選擇性檢測。所述的工作電極為分子印跡化的聚吡咯薄膜修飾的TiO2NTs電極。所述的TiO2NTs電極采用以下步驟制作以打磨拋光后的Ti板為陽極，Pt片為陰極，以0. 27M的HF水溶液為電解液，在雙電極體系中進行Ih的預氧化，電極間距為1cm，電壓為20V，預氧化后，在相同的體系中，改用0. 27M的NH4F的乙二醇溶液為電解液，繼續(xù)進行陽極氧化，時間為2h，將陽極氧化得到的TiO2NTs在500°C氧氣氣氛下進行燒結3h，升降溫速率為1°C /min。所述的工作電極采用以下步驟制作將陽極氧化的方法制備得到的TiO2NTs電極作為工作電極，以含有一定濃度的支持電解質LiClO4，聚合單體吡咯，模板分子(即待測物質2，4-D)的混合溶液作為電解液，在電化學工作站上采用循環(huán)伏安法對吡咯進行電聚合，在TiO2NTs表面原位生長分子印跡的聚吡咯薄膜；進而采用恒電位氧化的方法除去模板分子2，4-D，得到分子印跡聚合物薄膜修飾的TiO2NTs電極。本發(fā)明的采用分子印跡功能化的TiO2NTs修飾電極的光電化學分析方法，將含有待測分子2，4-D或者待測分子和干擾物質(啶蟲脒，阿特拉津或百草枯)的混合溶液作為電解液，攪拌10分鐘，以利于待測分子在電極表面的選擇性富集；靜置，打開紫外光源；選擇i-t曲線的方法，在施加偏壓(0. 2V(Vs. SCE))的條件下測定光電流。通過光電流的大小對2，4-D進行定量。測試結束后，將修飾電極在0. 2M Na2HPO4溶液中，恒電位I. 3V(Vs.SCE)氧化20min，去除電極表面分子印跡層中鍵合的2，4-D分子，使得電極表面實現(xiàn)更新與再生。其特點在于測試過程簡單，選擇性強，靈敏度高，并且可以方便的通過恒電位氧化的方法實現(xiàn)電極表面的更新再生，電極表面穩(wěn)定，使用壽命長，可重復使用多次，并獲得穩(wěn)定的光電化學信號。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(I)采用分子印跡聚合物對TiO2NTs電極進行修飾，并首次用于光電化學檢測中。通過分子印跡層對待測分子(2，4-D)的選擇性富集作用，大大提高了電極的選擇性檢測能力以及靈敏度，使得該修飾電極能夠在100倍于待測物質濃度的干擾物質中選擇性的識別出待測分子，且對待測分子的光電化學響應造成的影響均小于1%。(2)聚吡咯膜具有良好的化學穩(wěn)定性，使得在電極富集、鍵合待測分子后，可以簡單的采用恒電位氧化的方法重新去除，實現(xiàn)電極表面的再生更新。使電極可以多次重復使用，光電化學信號穩(wěn)定，靈敏度高。(3)在檢測過程中，采用了較低的施加偏壓，有利地避免了聚吡咯膜的光電化學氧化，利于保持電極的穩(wěn)定性。(4)本發(fā)明的光電化學檢測方法實現(xiàn)了非電化學活性的待測物質2，4_D的檢測，采用的儀器廉價便攜，方法簡單易行，并具有較高的靈敏度，檢測限達到10_8mOl/L。適用于環(huán)境監(jiān)測中的在場分析。


圖I為采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析裝置的結構示意圖。圖中I為工作電極、2為參比電極、3為輔助電極、4為攪拌裝置、5為電解池、6為攪拌器、7為攪拌子、8為電極支架、9為進樣口、10為電極線、11為電化學分析儀、12為數(shù)據(jù) 線、13為計算機、14為紫外燈源、15為燈頭、16為燈桿。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例I本發(fā)明中使用的TiO2NTs電極是參照了 Maggie Paulose等在文獻(Anodic Growthof Highly Ordered TiO2 Nanotube Arrays to 134nm in Length， Maggie Paulose，Karthik Shankar et al，J. Phys. Chem. B，2006，110，16179-16184)中報道的陽極氧化方法制備所得，并進行了相應的改善，具體是以打磨拋光后的Ti板為陽極，Pt片為陰極，以
0.27M的HF水溶液為電解液，在雙電極體系中進行Ih的預氧化，電極間距為Icm,電壓為20V。預氧化后，在相同的體系中，改用0. 27M的NH4F的乙二醇溶液為電解液，繼續(xù)進行陽極氧化，時間為2h。將陽極氧化得到的TiO2NTs在500°C氧氣氣氛下進行燒結，升溫速率為I°C /min。以上述方法制備的TiO2NTs為工作電極，Pt電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，在三電極體系中，以5X10-4mol L-12，4-D，lX10-4mol L-I吡咯，
0.Imol L-ILiClO4的混合溶液為電解液，采用循環(huán)伏安法對吡咯進行電聚合，掃描電位為-0.2 I. OV (Vs. SCE)，掃描圈數(shù)為10圈，掃描速率為50mV s-1。電聚合后，將所得到的電極在0. 2M的Na2HP4溶液中恒電位I. 3V (Vs. SCE)氧化20min，除去模板分子2，4-D，得到分子印跡化的聚吡咯薄膜修飾的TiO2NTs電極。實施例2采用0. IM pH為7的PBS緩沖液，配制一系列不同濃度的2，4_D標準溶液。首先，利用示意圖I中所示的光電化學分析裝置，以0. IM pH為7的PBS緩沖液為電解液4，以分子印跡化的聚吡咯薄膜修飾的TiO2NTs為工作電極1，采用循環(huán)伏安法進行掃描，得到穩(wěn)定的伏安曲線，掃描電位為-0. 2 0. 2V(Vs. SCE)，掃描速率為50mV/s。將掃描后的電極用蒸餾水仔細沖洗后，依次換用含有一定濃度的2，4-D溶液為電解液4，打開攪拌器，攪拌lOmin，使得2，4-D在工作電極表面快速的選擇性富集。關閉攪拌器，靜置，打開紫外光源14，設定
0.2V(Vs. SCE)的施加電位，利用電化學分析儀11采用i-t曲線的方法，測定光電流，并通過計算機13記錄。使用過的工作電極可以通過在0. 2M的Na2HP4溶液中恒電位I. 3V(Vs. SCE)氧化實現(xiàn)表面的更新與再生。根據(jù)2，4-D濃度與相應的光電流的線性關系繪制工作曲線，
2.4-D的檢測限可達到10_8mol L-I0實施例3首先，按照實施例2中所述，將使用過的工作電極在0. 2M的Na2HP4溶液中恒電位
1.3V(Vs. SCE)氧化20min，實現(xiàn)表面的更新與再生，然后在0. IM pH為7的PBS緩沖液中循環(huán)掃描得到穩(wěn)定的伏安曲線。將電極仔細沖洗后作為工作電極1，以含有一定濃度2，4-D或
2.4-D和100倍濃度于2，4-D的干擾物質，如啶蟲脒，阿特拉津或百草枯的混合溶液為電解液4，用0. IM pH = 7的PBS緩沖液調節(jié)其pH值。在示意圖I中所示的光電化學分析系統(tǒng)中，采用實施例2中設定的測試條件，測定溶液的光電流，并根據(jù)實施例2中繪制的工作曲線計算得到實際溶液中2，4-D的濃度。結果顯示，100倍于2，4-D濃度的其他小分子干擾物 對2，4-D的光電流造成的影響均小于1%。體現(xiàn)了該分子印跡修飾的TiO2NTs電極的良好的選擇性分析能力。實施例4采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析方法，將配制的不同濃度的待測物質的標準溶液，依次分別加入到電解池中作為電解液，攪拌10分鐘后，靜置；采用i-t曲線的方法，在紫外光照射下，施加偏壓0. 2V，測定光電流，根據(jù)光電流與標準溶液濃度的線性關系繪制工作曲線，然后采用相同的操作方法測定實際樣品的光電流，并根據(jù)工作曲線計算實際樣品的濃度，每次測定后將電解池中的工作電極置于0. 2MNa2HP04溶液中，控制電位為I. 3V下，恒電位氧化20min，除去鍵合的待測分子，實現(xiàn)電極表面的再生和更新，實際樣品是將待測物質與100倍于待測分子的干擾物質的混合溶液加入到電解池中作為電解液，實現(xiàn)待測分子的選擇性檢測。采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析裝置，其結構如圖I所示，該裝置包括光電化學反應系統(tǒng)、光源、工作站系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采控系統(tǒng)，具體為工作電極I、參比電極
2、輔助電極3、攪拌裝置4、電解池5、攪拌器6、攪拌子7、電極支架8、進樣口9、電極線10、電化學分析儀11、數(shù)據(jù)線12、計算機13、紫外燈源14、燈頭15、燈桿16。工作站系統(tǒng)為電化學分析儀11，光源為LA-410UV紫外光源14，通過燈頭15及燈桿16實現(xiàn)對電解液的輻照功能。數(shù)據(jù)采控系統(tǒng)為安裝了電化學分析儀工作軟件的計算機13，通過數(shù)據(jù)線12將電化學分析儀11與計算機13連接，光電化學反應系統(tǒng)由單室結構的電解池I、電解池頂端設有的電極支架8、穿透電極支架8進入電解池I并與電極支架8固定連接的工作電極I、參比電極
2、輔助電極3組成的三電極體系及攪拌裝置4，電極支架8上還設置有進樣口 9。工作電極I為聚吡咯分子印跡膜修飾的TiO2NTs電極，輔助電極3為市售的鉬電極，參比電極2為市售的飽和甘汞電極，三電極分別通過電極線10與電化學分析儀11連接。電解池5的底部設置有攪拌子7與攪拌器6，實現(xiàn)對電解液的攪拌工作電極I采用以下步驟制作以TiO2NTs為工作電極，Pt電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，在三電極體系中，以5X10_4mol .L—1模板分子2，4-D、lX10_4mol L—1吡咯、0. Imol L-1LiClO4的混合溶液為電解液，采用循環(huán)伏安法對吡咯進行電聚合，掃描電位為-0. 2 I. OV(Vs. SCE)，掃描圈數(shù)為10圈，掃描速率為50mV s'電聚合后，將所得到的電極在0. 2M的Na2HP4溶液中恒電位I. 3V (Vs. SCE)氧化20min，除去模板分子2，4-D，得到分子印跡化的聚吡咯薄膜修飾的TiO2NTs電極。其中的TiO2NTs電極采用以下步驟制作以打磨拋光后的Ti板為陽極，Pt片為陰極，以0. 27M的HF水溶液為電解液，在雙電極體系中進行Ih的預氧化，電極間距為1cm，電壓為20V，預氧化后，在相同的體系中，改用0. 27M 的NH4F的乙二醇溶液為電解液，繼續(xù)進行陽極氧化，時間為2h，將陽極氧化得到的TiO2NTs在500°C氧氣氣氛下進行燒結3h，升降溫速率為1°C /min。
權利要求
1.采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析方法，其特征在于采用分子印跡功能化的TiO2NTs電極作為工作電極，實現(xiàn)對實際樣品中非電活性內分泌干擾物2，4_ 二氯苯氧乙酸(2，4-D)的高靈敏、高選擇性光電化學檢測，其檢測靈敏度達到10_8mol L'
2.根據(jù)權利要求I所述的采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析方法，其特征在于，所述的工作電極為分子印跡化的聚吡咯薄膜修飾的TiO2NTs電極，采用以下步驟制作以Ti基底陽極氧化的方法制得的TiO2NTs為工作電極，Pt電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，以 5X10_4mol .171 模板分子 2，4-D、lX10_4mol L—1 吡咯、0. Imol .[1LiClO4的混合溶液為電解液，米用循環(huán)伏安法對卩比咯進行電聚合，掃描電位為-0. 2 I. OV(Vs.SCE)，掃描圈數(shù)為10圈，掃描速率為50mV -s^1,電聚合后，將所得到的電極在0. 2M的Na2HPO4溶液中恒電位I. 3V(Vs. SCE)氧化20min，除去模板分子2，4-D，得到分子印跡化的聚吡咯薄膜修飾的TiO2NTs電極。
3.根據(jù)權利要求I所述的采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析方法，其特征在于該方法具體包括以下步驟配制一系列不同濃度的待測物質2，4-D的標準溶液，并 依次分別加入到電解池中作為電解液，攪拌10分鐘后，靜置；采用i-t曲線的方法，在紫外光照射下，施加偏壓0. 2V，測定光電流，根據(jù)光電流與標準溶液濃度的線性關系繪制工作曲線，然后采用相同的操作方法測定實際樣品的光電流，并根據(jù)工作曲線計算實際樣品的濃度，每次測定后將電解池中的工作電極置于0. 2MNa2HP04溶液中，控制電位為I. 3V下，恒電位氧化20min,除去鍵合的2,4_D,實現(xiàn)電極表面的再生和更新。
4.根據(jù)權利要求I或3所述的采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析方法，其特征在于，所述的實際樣品是將待測物質2，4-D分別與100倍于2，4-D的干擾物質的混合溶液加入到電解池中作為電解液，實現(xiàn)待測分子2，4-D的選擇性檢測。
5.根據(jù)權利要求4所述的采用分子印跡功能化的修飾電極的光電化學分析方法，其特征在于，所述的干擾物質包括殺蟲劑啶蟲脒、除草劑阿特拉津或百草枯。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用分子印跡功能化修飾電極的光電化學分析方法，涉及一種基于分子印跡技術的高選擇性TiO2NTs修飾電極的制備方法，以及采用該修飾電極作為光陽極，用于對內分泌干擾物，尤其是非電化學活性內分泌干擾物2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)的高選擇性、高靈敏的檢測方法。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明首次將分子印跡聚合物用于光電傳感電極的選擇性修飾，大大提高了電極的選擇性和檢測的靈敏度，可以排除多種共存小分子的干擾，檢測限達到10-8mol·L-1數(shù)量級，電極穩(wěn)定，檢測方法具有良好的重現(xiàn)性。
文檔編號G01N27/333GK102735720SQ20111008633
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權日2011年4月7日
發(fā)明者劉梅川, 史慧杰, 趙國華 申請人:同濟大學