基于印跡分子聚合物改性金電極的阿特拉津傳感器

1、基于印跡分子聚合物改性金電極的阿特拉津傳感器Reo Shoji,Toshifumi Takeuchi,and Izumi Kubo 印跡分子聚合物（MIP）已經應用于人體上。在我們目前的研究中，MIP作為分子識別元件應用于化學傳感器。我們構建了一個阿特拉津傳感器基于MIP對阿特拉津和對金電極電化學還原的選擇性。阿特拉津是由甲基丙烯酸和乙二醇直接聚合到金電極表面上的高分子聚合物。通過向MIP加入氯化鋰，使阿特拉津相比Ag/AgCl參比電極減少低于-800mV，pH為3。阿特拉津的陰極電流取決于阿特拉津的濃度在1-10uM的范圍。傳感器的選擇性表現出對阿特拉津的回應。而其他聚合物改性電極并沒有顯示

2、出對阿特拉津選擇性反應，因此這意味著阿特拉津的印跡分子聚合物作為傳感器的識別元件。 生物識別分子如酶、抗體和受體選擇性傳感的研究和利用，目前人工受體印跡分子聚合物（MIPs）在許多實際應用中正在接受檢驗。相比較生物受體的昂貴、合成復雜以及不穩(wěn)定的問題使得MIPs在分析化學更有前途。 MIPs被應用于各種分析方法。由于它們特定的親和力，它們主要用作代替抗體，被應用于抗原競爭結合化驗使用放射性標記配體。分析物如茶堿、安定、嗎啡可以由這種競爭性綁定化驗。這種方法也可以用于生物活性物質如毒品、除草劑、殺蟲劑。 MIPs的另一個應用是固相萃取的親和色譜法。在這種應用中，微粒的MIPs用作固相集中和單獨的

3、化學物質分子結構類似。例如除草劑阿特拉津、補草凈已經用了這種方法。 最近MIPs被用作分子識別膜或層的化學傳感系統。提出了MIPs和傳感器的組合應用。例如：石英晶體微量天平、表面等離子體共振設備、場效應器件、電導測定法。這些傳感器是基于MIP膜或層綁定的印跡分子引起的。 當綁定分析物本身反應表面的固體支持MIPs的準備，可以檢測出被分析物的反應提供一個簡單和快速反應系統。 在這項研究中，我們旨在建立一個簡單的基于MIPs和快速分析系統。為此我們提出一個利用安培計的電化學傳感器綁定分析物的MIPs電化學反應分析方法。為了建立這樣的一個傳感系統，阿特拉津被選為模型分析物。正如atrazine-im

4、printed聚合物已經被Sergeyevox和Matsui應用于系統中。這些研究利用所需的MIPs準備從甲基丙烯酸（MAA）和乙二醇相比其他反應具有良好的靈敏度聚合得到。 Pospisil報道了電化學還原的阿特拉津。根據Pospisil的報道，除草劑阿特拉津等可以減少汞電極水溶液雖然很少的溶解度。這讓我們考慮一個電極改性的阿特拉津MIPs選擇性的電化學反應。 在這項研究中，我們描述了一個基于電化學還原的阿特拉津傳感系統和印跡分子聚合物層金電極作為識別元素。表面的電極與聚合物改性，而阿特拉津不綁定或與其他化合物結合程度較輕。綁定阿特拉津可以降低電極表面的電化學原理。在本文中，我們描述了一個阿特

5、拉津傳感器的制造工序準備，從一個金電極和阿特拉津MIPs的電化學特性。也討論了MIPs作為分子識別元件的效率。實驗部分材料：阿特拉津是來自關東大化學品(日本東京)。西瑪津和MCC從日本和光制藥公司購買為除草劑測試標準的化學物質。EDMA、MAA、DMF、在使用前先蒸餾凈化以消除穩(wěn)定劑使用。其他實驗室使用前未經純化。MIP-Modified電極的制備：本研究中使用的電極是QA-A9-Au和從日本精工株式會社購買的最初用于商業(yè)石英晶體微量天平傳感器、層積和捏造的黃金的石英晶體、電極的形狀是平的，因此適合MIPs表面的直接聚合。 電極的表面用濺射離子鍍膜機清理3060s，后立即將電極浸沒在乙醇/水（

6、4:1）包含烯丙硫醇(53µM)和丁硫醇（13µM）的溶液中至少反應兩小時。其目的是引入乙烯基組到金電極表面，以上步驟都是在干燥氮氣的環(huán)境中進行。 將12mg的阿特拉津溶解于500µL的DMF和15mL的MAA中總共有250µL的EDMA交聯單體和5mg的2，2-偶氮二異丁腈混合添加在一起?；旌衔锏谋砻嬗玫獨鈨艋?0s。 待電極在氮氣中干燥后立即放在玻璃板上，將反應混合物滴落在金電極表面，然后蓋上蓋玻片。聚合是在4攝氏度寒冷的空間中進行紫外線照射。保持這些條件維持2h?？瞻拙酆衔锔男噪姌O準備使用相同的反應混合物沒有添加試樣?？瞻拙酆衔锟梢杂米鱊IP修改控

7、制電極。 圖1所示:MIP電極的制備過程：(a)在改性金電極表面滴加烯丙硫醇和丁硫醇，(）保持紫外線照射，（）從MIP中去除阿特拉津，（d）介紹電解質溶液 將電極放在甲醇/醋酸（7：3）中清洗2小時以去除試樣。將電解液引入聚合物層，聚合物-涂層電極浸在0.1M的電解質溶液中，例如氯化鋰溶解在DMF電化學測試之前。相比聚合物涂層電極或沒有支持的電解質。儀器：進行電化學測量與計算機控制的伏安法分析儀（BAS:CV-50W,日本.東京）和三電級電化學電池聚合物改性電極作為工作電極，Ag/AgCl(3mol/L NaCl)為參比電極和鉑絲輔助電極從BAS購買。與這三個電極進行電化學測量。所有的電化學測

8、量在一個裝有10mL 0.1mol/L KCL的缺氧小玻璃瓶中進行。對傳感器響應的評測：所有的實驗都是在之前完全真空的環(huán)境下反應。聚合物改性電極放置在裝滿10Ml 0.1mol/L的KCL瓶里。在阿特拉津溶液注入瓶后，讓電極反應至少10分鐘以上，以讓阿特拉津擴散到聚合物和綁定。另外之前電化學實驗研究中，我們測量了吸收阿特拉津MIP與使用紫外可見光譜的載玻片的準備時間。這些吸收的研究表明，10min的反應時間足夠反應充分。循環(huán)伏安法減少了阿特拉津的含量。測量后，聚合物改性電極用甲醇/乙酸溶液清洗以去除拉特阿津的MIP。結果與討論：阿特拉津的電化學還原：在這項研究中，我們針對準備的一個MIP改性電

9、極進行實驗。從目的來看由于金電極表面的修飾及研究，所以金電極是合適的選擇。圖2:循環(huán)伏安法在0.1mol/L KCL溶液中掃描速率100mv/s的沒有阿拉特津的裸金電極掃描圖。Au-S電極。首先，測試用金電極的循環(huán)伏安法減少阿特拉津的電化學還原。圖2顯示了電極有或沒有阿特拉津的陰極電流。在阿特拉津的存在下，阿特拉津的濃度增加，增加了陰極電流觀測。其他研究已經表明，阿特拉津水溶液使汞電極在極譜測量模式下化學電位低于0.9V，我們的研究結果表明，阿特拉津也減少了金電極的電化學電位，其原理與汞電極幾乎相同。小肩膀在pH為3.0沒有阿特拉津的電極電位為-0.85V，是由于質子減少造成的。這個肩膀具有觀

10、察pH在6.0到9.0的能力。阿特拉津MIP修飾電極的電化學還原：首先將MIP改性電極在甲醇/醋酸溶液中徹底清洗，然后浸入0.1mol/L 的氯化鉀溶液中，用循環(huán)伏安法的陰極電流測量裸金電極。然而，隨著這個過程進行，MIP改性電極沒有任何明顯的阿特拉津陰極電流，即使MIP改性電極與阿特拉津接觸要60分鐘，但是陰極電流僅略有增加。很有可能MIP膜不易被水沾濕導致電解質在水溶液中溶解擴散到膜里。僅能夠滲透到膜里，將電解質溶液于DMF用于制備MIPs。氯化鋰、高氯化鋰和高氯酸乙胺作為檢測電解質的候選物。將這些電解質加入MIP中，再將MIP改性電極放入裝有0.1mol/L DMF溶液中反應/h。反應完

11、成后將電極放在0.1mol/L 氯化鉀水溶液中進行循環(huán)伏安法研究。如表1所示，含有TEAClO4的MIP沒有減??；含有阿特拉津的LiCCO4略有減少。圖3：循環(huán)伏安法在0.1mol/L PH=3.0的KCC溶液掃描速度為1100mv/s沒有MIP改性電極的阿拉特津掃描圖。在這些電解質中，含有LiCl的MIP改性電極的電化學根據阿拉特津的濃度如預期MIP改性電極陰極電流減少一致。這可以解釋阿特拉津和DMF可以在小孔隙中創(chuàng)建聚合而TEAClO4或LiCLO4滲透結構不允許。氯化鋰的分子是最小的在檢查電解質和MIP中容易分散。再進一步的實驗中，將MIP改性電極放入0.1mol/L LiCL/DMF中

12、。如圖1所示。 阿特拉津在0.1mol/L KLC溶液中電化學電位降低。如圖3所示，沒有陰極峰可以發(fā)現阿提拉津的缺失。觀察到存在阿特拉津的陰極電流電位低于-0.8V。MIP改性電極準備在這里被認為是遠離模板，因為MIP改性電極與剩余的模板顯示當前的阿特拉津。MIP改性電極的陰極峰電位比裸金電極低。一般來說，減少高峰時將有一層限制自由擴散，這可能歸因于MIP的限制擴散層。當前測量電流和缺失阿特拉津的電流測量方法不同。當前的差異取決于阿特拉津的濃度。 所有的電化學步驟都是在完全真空的電化學實驗條件中進行的，通常還原電流溶解的氧是可以忽略的。其他親水物質排除在外，因為他們不容易擴散到疏水性MIP層。

13、一些疏水的電活性物質導致的影響分析如下。pH的影響：測定pH從3.0到9.0對電流減少的影響。樣品溶液通過HCL或NaOH調整到給定的pH值。 pH值對阿特拉津的還原電流和MIP改性電極的影響，電流的差異在0.1mol/L KCL和-800mV的條件下測定的。圖四: pH值對阿特拉津的還原電流和MIP改性電極的影響，電流的差異在0.1mol/L KCL和-800mV的條件下測定的。圖五：阿特拉津的典型校準曲線。電流的差異在0.1mol/L KCL（pH=3.0）和-800mV下測定的。由于阿特拉津在pH值為3和6或9時響應3或4次一樣大。因此進一步進行pH=3的實驗。 Pospisil等人報道

14、的pH值對阿特拉津的電活學還原的影響。這種影響與質子化作用平衡前電子轉換反應有關。質子的數量參與反應的關鍵一步決定于pH從3到2的范圍。 我們的結果與Pospisil是一致的。 校準曲線:從這些結果可以看出阿特拉津取決于反應的最優(yōu)條件。不同電壓的阿特拉津濃縮之間的關系已經檢測了。當電壓不在-800mV時不利于阿特拉津的濃縮。圖5顯示了一個典型的校準曲線。隨著電壓的增加，阿特拉津濃度上升10µmol。在當前檢測范圍內我們觀察到阿特拉津的濃縮與電壓之間存在船型線性關系。每次濃縮測定四次或是更多，將五個電極準備和比較。每個電極的校準曲線斜率介于-2.3和-4.0µA/µ

15、M之間。斜率的不同很可能是由于MIP層厚度的差異造成擴散速度的不同而造成的。生產的原型MIP電極，厚度沒有控制，其厚度在50到80µM范圍。厚的MIP導致限制了更多的阿特拉津的擴散。校準曲線的斜率差異應該控制MIPs厚度的最小化。 圖6：比較除草劑的電化學反應。電壓在-800mV左右改變，沒有繪制每個除草劑。 選擇性:MIP改性電極與其他除草劑的選擇性檢查。在各種除草劑中，西瑪津和MCC進行實驗。由于他們的電化學活性和結構類似。隨著電壓的減小比較每個試劑在10µM的不同。相比于阿特拉津，MCC和西瑪津在MIP改性電極上電流減少的更小。幾個小組調查了MAA和EDMA的阿特拉津

16、聚合物選擇性識別。Matsui及其同事評估了MIP粒子的選擇性在色譜的保留時間。Sergeyeva等人研究了使用MIP膜電導傳感器。羅等人建造了一個基于薄膜包含MIP粒子的聲波傳感器。所有的MIPs調查表明阿特拉津的選擇性，相比于莠去津例如西瑪津、三嗪和撲草凈等。在這些試劑中，相比于阿特拉津，撲草津MIPs只有10-30%。另一方面，西瑪津相對于三嗪顯示出相對更高的約束力。然而，在這項研究中，雖然西瑪津降低化學酸性條件水平更高，但相比于阿特拉津，西瑪津的反應是其28%。 MIP改性電極。確認印跡分子效率，裸金電極和NIP改性電極對阿特拉津、西瑪津、MCC的響應檢查，這些所有反應都是在裸金電極上

17、進行的，按照應對這些化合物電活性的大小順序是西瑪津、阿特拉津、MCC。在這種情況下NIP限制了阿特拉津、西瑪津、MCC的擴散。因此NIP改性電極沒有對阿特拉津表現出選擇性。相比于其他電極，MIP改性電極對阿特拉津的響應是最小的。但是阿特拉津對金電極響應是一樣的。這一結果表明，在電化學傳感器印跡分子對阿特拉津有選擇性。阿特拉津的印跡聚合物都有一個特定的阿特拉津綁定，但不是西瑪津或MCC。 可重復性。測試MIP改性電極的可重復性。測試阿特拉津含量從1到10µmol/L逐漸增加。繪制校準曲線，其斜率是-2.7 µA/µM.在阿特拉津第一輪測試結束后，將電極浸在甲醇/乙酸溶液中去除阿特拉津和生成的聚合物。在下一輪測試之前，將電極放入氯化鋰中一小時。 第二次斜率是-2.4 µA/µM。阿特拉津的重復性足以確定。其中一個穩(wěn)定了4天，但有兩個電極不夠穩(wěn)定。另一個電極可以使用三天。當時MIP部分或徹底從金電極表面剝落。用顯微鏡可以觀察到，一層薄薄的MIP原子力仍在金電極表面。因此，烯丙硫醇被認為是有效保持MIP在金電極表面上的物質。 MIPs的粘合度應考慮電極表面。當暴露在不同極性中，MIPs可能變形。這種效果對厚層更加明顯。薄的聚合物層的生產正在研究。另一個考慮因素是電極粘合度的結構。在這項研究中，我們使用一個金電極沉積在石