（应用化学专业论文）四种新型分子印迹电化学传感器的研究及应用.pdf

山东农业大学硕士学位论文 中文摘要 分子印迹聚合物( m i p ) 是一种具有分子识别能力的新型高分子材料， 由于它具有预定性、识别性和实用性三大特点，因此近年来发展非常迅速。 与生物抗体相比，m i p 的易于放大生产，具有抗恶劣环境的能力，表现出 高度的稳定性和使用寿命长等优点。本论文将分子印迹技术与电化学检测 技术相结合，成功的制备了四种分子印迹电化学传感器。本论文主要开展 了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 以2 巯基苯并咪唑为聚合单体，l 色氨酸为模板分子，采用循环 伏安法直接在金电极表面聚合制得l 色氨酸的分子印迹膜，作为电化学 传感器，用以检测l 色氨酸。由于l 色氨酸本身无电化学活性，实验中 以铁氰化钾作为探针分子，采用恒电位计时安培法对l - 色氨酸进行快速 检测，响应在1 0 0s 内达到稳定，并且有良好的选择识别性和重现性。测 定的线性范围为3 1 0 1 0 8 8 3 x 1 0 4m o l l - l , 并讨论了该传感器的最佳检 测条件。 ( 2 ) 以苏丹红i 为印迹分子，邻氨基硫酚为功能单体，利用循环伏安 法电聚合制备了对苏丹红i 有较好选择性的分子印迹传感器。利用恒电位 计时安培法对苏丹红i 进行了测定，实验结果表明该传感器对苏丹红i 具 有良好的选择性和敏感度，苏丹红i 浓度在5 o x l o 2 o x l 0 巧m o l l “范 围内与电流增量成线性关系，检出限为5 0 x l o 8 t o o l 。l 1 ，回收率在 9 3 3 1 0 8 6 之间。 ( 3 ) 报道了一种对莠去津有识别特性的分子印迹膜的制备，即在含和 不含模板分子( 莠去津) 的情况下，通过循环伏安技术在金电极表面沉积 2 巯基苯并咪唑，制备了2 巯基苯并咪唑聚合膜。利用循环伏安法对印迹 和非印迹膜进行评价，对分子印迹膜的影响因素进行了筛选和优化。实验 表明，该分子印迹膜对莠去津具有良好的选择性和灵敏度。莠去津的还原 峰电流与莠去津的浓度在1 2 x l o - 3 8 0 x 1 0 - 5m o l l 1 范围内具有良好的线 性关系( f 0 9 9 8 6 ) ，检出限可达3 o x l 0 - 9m o l - l 1 。将此传感器用于土壤 中莠去津的测定，回收率在9 0 8 , - , 9 8 2 之间，取得了很好的结果。 ( 4 ) 报道了一种溶菌酶分子印迹电极的制备，并研究了其对溶菌酶的 识别性能。通过循环伏安技术在玻碳电极表面制备了溶菌酶的分子印迹 堑型坌王婴鎏皇些堂堡壁墅竺竺壅墨壁星 膜。利用电化学阻抗法对分子印迹电极进行了评价，并对影响印迹电极性 能的因素进行了优化。实验表明，该分子印迹电极对溶菌酶具有良好的选 择性和灵敏度。在检测混合溶液中的溶菌酶时，印迹电极对溶菌酶有稳定 的、可重复的响应。 关键词：分子印迹；电化学传感器；分子识别：l 色氨酸；苏丹红i ； 莠去津；溶菌酶 i i 一一一 些銮奎些奎兰堕主堂垡笙壅 a b s t r a c t m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r ( m i p ) i san e wk i n do fm a c r o m o l e c u l a r m a t e r i a lw i t hh i 出m o l e c u l a rr e c o g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o w i n g t o p r e d e t e r m i n e dp r o p e r t y w i t h s p e c i f i cr e c o g n i t i o nc a p a b i l i t y a n dw i d e p r a c t i c a b i l i t y , i th a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yi nr e c e n ty e a r s c o m p a r e dw i t h n a t u r a la n t i b o d y , m i pc a nb ee a s i l yp r e p a r e di nl a r g eq u a n t i t i e sa n di t a l s o s h e w e dm u c hh i g h e rs t a b i l i t ye v e nu n d e re x t r e m ec o n d i t i o n s i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，f o u rk i n d so fn e wm o l e c u l a r l yi m p r i n t e de l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s w e r ed e v e l o p e db yc o m b i n i n gm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dt e c h n o l o g yw i t he l e c t r i c c h e m i s t r ya n a l y s i st e c h n o l o g y t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si ss u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h e2 - m e r c a p t o b e n z i m i d a z o l ea n dl t r y p t o p h a n a r es e l e c t e da s m o n o m e ra n dt e m p l a t em o l e c u l e ，r e s p e c t i v e l y ，t h em o l e c u l a ri m p r i n t i n g c o a t i n gw h i c hc o u l db eu s e dt od e t e c tl t r y p t o p h a ni sp r e p a r e dd i r e c t l yo n t h e s u r f a c eo fag o l de l e c t r o d eb yc y c l i cv o l t a m m e t r ym e t h o d b e c a u s eo f l t r y p t o p h a nh a sn oe l e c t r i c a la c t i v i t y , t h ep o t a s s i u mf e r r i c y a n i d ew a s u s e d 躯 am o l e c u l a rp r o b et od e t e c tl - t r y p t o p h a nb yc o n s t a n tp o t e n t i a la m p e r o m e t r y t h er e s p o n s ea c h i e v es t a b l ei n10 0s t h es e n s o re x h i b i t e dg o o ds e l e c t i v i t y a n ds e n s i t i v i t yt ol - t r y p t o p h a n t h el i n e a rr a n g ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no f l - t r y p t o p h a ni sf r o m3 1 0 l f f 5t o8 8 3 1 0 4 m o l l ，a n dt h eb e s td e t e c t a b i l i t y c o n d i t i o no ft h i ss e n s o rw e r ed i s c u s s e d ( 2 ) am o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r w a sp r e p a r e db ym o l e c u l a r i m p r i n t e dt e c h n i q u eu s i n g2 - a m i n o t h i o p h e n o l a sm o n o m e r ，s u d a nia s t e m p l a t e m o l e c u l e t h es e n s i t i v e f i l mw a s p r e p a r e dt h r o u g h t h e e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o no fo - a m i n o p h e n o lo nag o l de l e c t r o d ei nt h ep r e s e n c eo f t e m p l a t e ( s u d a ni ) c y c l i cv o l t a m m e t r y a n da m p e r o m e t r i ci - tc u r v ea r eu s e d t os t u d yo nt h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n db i n d i n gc h a r a c t e r i s t i c si ns u d a ni m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r t h es e n s o re x h i b i t e dg o o ds e l e c t i v i t y a n d s e n s i t i v i t yt os u d a ni t h ed e t e r m i n a t i o nl i m i tw a s5 0 x 10 喝m o l l 1 ，a n da l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec u r r e n ta n dt h ec o n c e n t r a t i o nw a sf o u n di nt h e i i i 新型分子印迹电化学传感器的研咒及应用 r a n g eo f5 o o x10 - 7 2 o o x1 0 。5 t o o l l t h er e c o v e r yr a t e so fs u d a ni r a n g i n gf r o m9 3 3 10 8 6 ( 3 ) p r e p a r a t i o no fam o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r ( m i p ) f i l ma n di t s r e c o g n i t i o np r o p e r t yf o ra t r a z i n ea r ei n v e s t i g a t e d t h e2 - m e r c a p t o b e n z i m i d a z o l ep o l y m e rf i l mw a sd e p o s i t e di n2 - m e r c a p t o b e n z i m i d a z o l es o l u t i o nw i t h a n dw i t h o u tat e m p l a t em o l e c u l e ( a t r a z i n e ) o nag o l de l e c t r o d eb yc y c l i c v o l t a m m e t r i ct e c h n o l o g y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r i n t e da n d n o n i m p r i n t e d ( n i p ) f i l mw e r e e v a l u a t e db yc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) t 1 1 e p e r f o r m a n c eo ft h ei m p r i n t e df i l mw a si n v e s t i g a t e da n do p t i m i z e d 。砀e m o l e c u l a r l yi m p r i n t e df i l me x h i b i t e dah i g hs e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yt o w a r d a t r a z i n e t h er e d u c t i o np e a kc u r r e n to fa t r a z i n ed e p e n d e do nt h ec o n c e n t r a t i o n o fa t r a z i n ea tt h er a n g eo f1 2 x l o 一- - - 8 o x l o 5m o l l 1a n dt h ed e t e c t i o nl i m i t w a s3 o xl o 9m o l 。l 以( r = 0 9 9 8 6 ) t h es e n s o rh a sb e e na p p l i e dt ot h ea n a l y s i s o fa t r a z i n ei ns o i ls a m p l e sw i t hr e c o v e r yr a t e sr a n g i n gf r o m9 0 8 t o9 8 2 ， i n d i c a t i n gt h a tt h i sm e t h o d h a sg o o da c c u r a c y ( 4 ) p r e p a r a t i o no fam o l e c u l a r l yi m p r i n t e de l e c t r o d ea n di t sr e c o g n i t i o n p r o p e r t yf o rl y s o z y m ew a si n v e s t i g a t e d t h ep o l y p y r r o l ef i l mw a sp r e p a r e db y t h ec y c l i cv o l t a m m e t r i cd e p o s i t i o no fp y r r o l eo nag l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e t h e p e r f o r m a n c eo ft h ei m p r i n t e de l e c t r o d ew a se v a l u a t e db ye l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c em e t h o d s e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r sc o n t r o l l i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft l l ee l e c t r o d ew a so p t i m i z e d t h em o l e c u l a r l yi m p r i n t e de l e c t r o d ee x h i b i t e d ah i g hs e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yt o w a r dl y s o z y m e i m p r i n t e de l e c t r o d es h o w e d as t a b l ea n dr e p r o d u c i b l et ol y s o z y m ei nt h em i x t u r es o l u t i o n s k e yw o r d s ：m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ；e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s ；m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ；l - t r y p t o p h a n ；s u d a ni ；a t r a z i n e ；l y s o z y m e i v 符号说明 c v ：c y c l i cv o l t a m m e t r y , 循环伏安法 d p v ：d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y , 示差脉冲伏安法 e i s ：e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y , 电化学阻抗法 g c e ：g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ，玻碳电极 p b s ：p h o s p h a t eb u f f e r e ds a l i n e ，磷酸盐缓冲液 r ：l i n e a rc o r r e l a t i o n ，线性相关系数 r s d ：r e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n ，相对标准偏差 s d s ：s o d i u md o d e c y ls u l f a t e ，十二烷基硫酸钠 m i p ：m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r , 分子印迹聚合物 m i t ：m o l e c u l a r l yi m p r i n t i n gt e c h n i q u e s ，分子印迹技术 s u d a n ：苏丹红 2 - m b i ：2 - m e r c a p t o b e n z i m i d a z o l e ，2 巯基苯并咪唑 p p y ：p o l y p y r o l e ，聚吡咯 o - a t ：o - a m i n o t l l i o l ，邻氨基硫酚 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行 科学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮 助和做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本 声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文 的规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送 交论文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文，同时授权中国科学技术信 息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：墨至 导师签名：堂呈蔓二全 1 日期：塑翌! ：曼：坦 山东农业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 分子印迹技术的概念 在漫长的生物进化过程中，分子识别发挥着特殊重要的作用。化学家 们利用一些天然化合物或合成化合物模拟生物体系进行分子识别研究，在 一定意义上构成了分子印迹技术( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u e ，m i t ) 的 雏形。近年来，分子印迹技术在传感器、人工抗体模拟及色谱固相分离等 方面得以发展，并由此使其成为化学和生物学交叉的新兴领域之一。 分子印迹技术，又称为分子烙印技术，属于超分子化学中主客体化学 范畴，是源于高分子化学、生物化学、材料科学等学科的一门交叉学科。 分子印迹技术是一种简便有效的利用目标分子的成分来创建自己的识别 位点的方法，具体做法是选择一个模板( n - i 以是目标分子本身也可以是结 构相近的类似物) ，将其与合适的功能单体( 通常为小分子化合物) 及交 联剂混合使之相互作用并聚合，再用适当的方法除去印迹分子，得到的聚 合物即为印迹聚合物。印迹分子去除后留下的孔穴与印迹分子的形状、大 小、电荷分布具有互补性，通过这种方法将分子记忆引入到聚合物中，聚 合物就能够带有非常高的特异性去结合目标分子。它可以被形象地描绘为 制造识别“分子钥匙”的“人工锁 的技术。 1 2 分子印迹生物传感器的研究现状 电化学生物传感器是指由生物体成分( 酶、抗原、抗体、激素等) 或 生物体本身( 细胞、细胞器、组织等) 作为敏感元件，电极( 固体电极、 离子选择性电极、气敏电极等) 作为转换元件，以电势或电流等电信号为 特征检测信号的传感器( 司士辉，2 0 0 3 ) 。由于使用生物材料作为传感器 的敏感元件，生物传感器的性能主要由材料的性能决定。分子印迹聚合物 的识别位点可根据待测分子的结构和官能团量身定做，具有模拟天然受体 的分子识别能力，此外，它还具有稳定性好，耐酸、碱和有机溶剂，费用 低廉，可长时间保存的优点，因此，分子印迹电化学传感器拥有巨大的发 展潜力。 1 9 8 7 年，t a b u s h 等首次利用分子印迹技术制得电化学传感器( t a b u s h 新型分子印迹电化学传感器的研究及应用 等，1 9 8 7 ) ，他们将十八烷基甲硅烷与接到其中的正十六烷一起共价键合 到二氧化锡电极上，萃取出正十六烷模板分子后，活性的二氧化锡层在吸 收有长、薄疏水链的客体分子如维生素k l ，维生素k 2 ，维生素e 时，表现 出很强的电化学响应，这是利用m i p 伟i 备传感器的第一例。1 0 多年来， m i p 仿生化学传感器获得了长足的发展，新的应用不断出现，目前，国内 外的许多研究机构在做这方面的研究。 1 2 1 分子印迹电化学传感器的分类 按其作用原理不同，分子印迹电化学传感器可分为电流型、电位型、 电导型、电容型。本节对各类传感器的研究进展做简单的介绍。 1 2 1 1 电流型化学传感器 电流型传感器的原理是通过测量比例电流来计算物质浓度的一种技 术。该类传感器有两个优点：( 1 ) 当底物中存在其它具有电化学活性的物 质时，无须进行前处理；( 2 ) 强酸、强碱、重金属等因素不会对分子识别 特性产生显著影响，即使在有机介质中，传感器的活性也不减弱，稳定性 很高。目前，关于电流型分子印迹传感器的报道较多。2 0 0 2 年，s e r g e y 用 电流型分子印迹传感器检测吗啡，检测范围为0 1 1 0m g l 。该传感器最 大的特色是适于苛刻的化学检测环境( s e r g e y 等，2 0 0 2 ) 。2 0 0 3 年，r e o 等人利用甲基丙烯酸和莠去津直接在金电极表面聚合，制得了能选择性检 测莠去津的电流型分子印迹传感器( r e o 等，2 0 0 3 ) 。2 0 0 4 年，宦双燕等 人利用邻氨基硫酚和十二烷基硫醇构建分子印迹膜，用以检测铜离子，并 对利用配位键制备的印迹位点的均相性程度进行了评价，分别采用 s c a t c h a r d 法和l a n g m u i r - f r e u n d l i c h ( l f ) 等温式拟合法计算和比较了识别 位点与目标离子之间的键合常数，并报道了识别位点数和键合常数的分布 情况( 宦双燕等，2 0 0 4 ) 。2 0 0 7 年，y u s u k e 等人制备了6 氯- n ，n 二乙基1 ，3 ，5 三嗪2 ，4 二胺( c a t ) 的电流传感器。该印迹聚合膜以甲基丙烯酸作为功 能单体，以乙二醇双甲基丙烯酸酯作交联剂，该传感器在p h 值为5 0 时对 c a t 有良好的选择识别性( y u s u k e 等，2 0 0 7 ) 。w u 等人利用t i 0 2 制备了 尼古丁的电流型传感器。为了改善电极的性能，在t i 0 2 中掺杂了亚乙二氧 基噻吩。尼古丁在+ 0 8 8v 处氧化峰电流与其浓度在1 5 x 1 0 5 - 5 1 0 3m 范围 内成正比( w u 等，2 0 0 8 ) 。 山东农业大学硕士学位论文 1 2 1 2 电位型传感器 电位型传感器的优点是可避免将模板分子从膜相中除去，以及目标分 子不需要扩散进入膜相，因此模板分子的大小不受限制。k r o g e r 等人将制 备的分子印迹聚合物涂敷于丝网印制电极( $ c r e e 州n t e de l e c t r o d e ) 表 面，研制出可检n 2 ，4 二氯苯氧乙酸( 2 ，4 d ) 的电位型化学传感器( k r o g e r 等，1 9 9 9 ) 。尽管2 ，4 d 在玻璃碳电极上能够直接被还原，但需要很高的 电位( 1 4vv sa g a g c l ) ，在环境分析中容易受到干扰，因此作者以竞 争结合位点的方法进行测定，选用与2 ，4 d 结构相近，具有电化学活性的 2 ，5 一二羟苯乙酸( h g a ) 作为竞争物质。测定过程如下：首先，h g a 先在 一定程度上结合识别位点，然后被溶液中的2 ，4 d 取代，用微分脉冲电压 法( 振幅5 0m v ，扫描速度3 0m v s ) 测定结合h g a 的变化情况，进而完 成对2 ，4 d 的定量测定。该方法的检测范围相对较宽，为l 1 0 0 0 x 1 0 击 m o l l 一，与其它以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器相比，测定时间 短，无须进行长时间平衡建立背景电流，一次扫描仅需1 5s ，而且对没有 电活性或者不易标记的分析物也适用。b l a n c o 等人研制了4 羟3 甲氧苯甲 基酸的分子印迹电位传感器。该传感器用分子印迹膜修饰玻璃碳电极，根 据其峰电流出现的电位检测4 羟3 甲氧苯甲基酸( b l a n c o 等，2 0 0 3 ) 。d e o r e 并d f r e u n d 利用氨基苯基丁氮酮酸作为功能单体，采用自组装法制备d 果糖 的电位传感器( d e o r e 等，2 0 0 3 ) 。b l a n c o 等人利用悬滴涂泽法在玻璃碳 电极表面制备分子印迹膜，用以检测尿样中3 甲氧4 羟基苦杏仁酸 ( b l a n c o 等，2 0 0 4 ) 。2 0 0 8 年，j a v a n b a k h t 等人以甲基丙烯酸作为功能单体， 以乙二醇双甲基丙烯酸酯作交联剂，制备了一种分子印迹电位型传感器， 用以检测血液中的羟嗪。该传感器检测的限性范围为1 0 x 1 0 - 6 1 0 l o - 1 m ，检出限为7 0 l o - 7m 。该传感器的不仅响应时间短( 小于1 5s ) ，而且 十分稳定，可以保存五个月之久( j a v a n b a k h t 等，2 0 0 8 ) 。c a b a l l e r o 等人通 过在碳纤维电极表面电聚合苯胺和邻苯二胺制备了可选择性识别4 ，6 二硝 基o 甲苯酚的电位型分子印迹传感器。该传感器的线性范围为8 1 0 - 7 1 0 - 4m 。该传感器对4 ，6 二硝基o 甲苯酚吸附完全符合l a n g m u i r 吸附模型 ( c a b a l l e r o 等，2 0 0 8 ) 。 新型分子印迹电化学传感器的研究及应用 1 2 1 3 电导型传感器 m i p s 电导型传感器主要是利用了被测定离子与印迹膜键合后引起的 导电性能变化来确定被测物的含量。 p i l e t s k y 的研究小组以苯基丙氨酸、6 氨基1 丙基尿嘧啶为模板分子制 备了分子印迹聚合物膜电导传感器，其检测的线性范围为1 - - 5 0i t m o l l - 1 ( p i l e t s k y 等，1 9 9 8 ) 。s e r g e y e v a 等以莠去津为模板，甲基丙烯酸为功能 单体，采用紫外光聚合法，在两块固定距离为6 0 - 1 2 0 岬的石英玻板之间 制备m i p s 膜，将此膜置于电化学检测池的两支铂电极之间，组成电导传 感器( s e r g e y e v a 等，1 9 9 9 ) 。溶液中的待测分子被m i p s 膜吸附后，电导率 发生改变，通过观察电信号的变化测定莠去津的浓度。该传感器的检出限 可低至5n m o l l - 1 ，与莠去津结构相似的特拉津、西玛津和扑草净在1 1 0 0 n m o l l 以对测定的干扰可以忽略，传感器的响应时间与膜的厚度有关。较 薄的膜( 6 0 岬) 的响应时间为6m i n ，较厚的膜( 1 2 0l a m ) 的响应时间为 1 5m i n ，该传感器保存6 个月后，仍具有较好的识别特性。 1 2 1 4 电容型化学传感器 电容型化学传感器的优点是无须加入额外的试剂或标记，而且灵敏度 高，操作简单，价格低廉。在实际应用中超薄膜的制备、自组装单层的构 造及其绝缘性能是制造这种电容型传感器的关键。l i u 等人利用多巴胺为 功能单体直接在金电极表面制得了能选择性识别尼古丁的电容型传感器。 该传感器的检测范围为l 2 5g m o l l 1 ，检出限为o 5p m o l l 。1 ( l i u 等， 2 0 0 6 ) 。此传感器对尼古丁有良好的选择性，灵敏度很高，l i u 用该传感 器做了实际应用，检测效果较好，有较强的实用价值。s u e d e e 等人以t c a a 作分子骨架，以4 v p d 作功能单体，以e d m a 作交联剂制得了卤代乙酸的 压电传感器，可在线检测水相中的卤代乙酸，响应时间为2m i n ( s u e d e e 等，2 0 0 6 ) 。比利时的t h o e l e n 等人利用旋转涂抹法制备的分子印迹电容 传感器；用于检测l 尼古丁。他们利用l 尼古丁溶液被印迹前后紫外吸收 的变化求算了分子印迹聚合物的吸附公式，并用电子显微镜和交流阻抗等 手段表征了分子印迹聚合物的表面结构及性能( t h o e l e n 等，2 0 0 7 ) 。 1 2 2 分子印迹传感器的制备 分子印迹电化学传感器主要由信号转换装置和分子印迹敏感膜组成。 山东农业大学硕士学位论文 信号转换装置要求能检测印迹膜对目标分子的键合过程，并能实时地将其 转化为可处理的电信号；而分子印迹敏感膜与目标分析物的相互作用却要 具有高选择性和良好的亲和性。采用适当的方法将这两个组成部分有机地 结合起来就构成了分子印迹电化学传感器。根据分子印迹聚合物敏感膜与 转换装置整合方式的不同，制备分子印迹电化学传感器的方法主要分为： 涂附分子印迹聚合物颗粒法、原位引发聚合法、电聚合法、溶胶凝胶法、 自组装法。 1 2 2 1 涂附分子印迹聚合物颗粒法 这是一类最简单的制备分子印迹电化学传感器的方法。将预制备的分 子印迹聚合物颗粒用低沸点溶剂分散，然后把混合溶液修饰( 蘸涂、滴涂 或旋涂) 到电极表面，通过溶剂挥发在电极表面形成分子印迹聚合物敏感 膜。蘸涂法是将基底电极浸入到分子印迹聚合物的稀溶液中足够时间，靠 吸附作用自然地形成薄膜：滴涂法是取数微升的分子印迹聚合物稀溶液滴 加到电极表面，使溶剂挥发成膜。旋涂法也称旋转浇铸法，用微量进样器 取少许分子印迹聚合物的稀溶液，滴加在正在旋转的圆盘电极中心处，此 时过多的溶液被抛出电极表面，余留部分在电极表面干燥成膜，这样可以 获得比较均匀的分子印迹聚合物薄层，重复同样的操作，可以得到不同厚 度的分子印迹聚合物修饰膜。h a r t 等人将适量的1 羟基芘( 1 o h p ) 分子 印迹聚合物修饰到丝网印刷电极上，采用循环伏安法研究了模板分子在传 感器上的电化学行为，用脉冲伏安法对1 o h p 进行分析，发现峰电流与 1 - o h p 浓度在0 1 1m m o l l d 范围内有较好的线性关系( h a r t 等，1 9 9 8 ) 。 d i c k e r t 等人制备了病毒的分子印迹压电石英晶体仿生传感器，采用旋转涂 敷，将病毒印迹在金电极表面，检测范围1 0 0n g m l - 11 0m g m l ，可用于 烟草花叶病毒检测( d i c k e r t 等，2 0 0 4 ) 。m o s b a c h 等将对氧磷形成的分子 印迹聚合物制成碳糊电极，构建了磷酸酯酶模拟催化型分子印迹传感器 ( m o s b a c h 等，2 0 0 6 ) 。采用这些方法制备分子印迹电化学传感器简单易 行，所有合成分子印迹聚合物的材料和方法都可以用于构造分子印迹电化 学传感器，分子印迹聚合物在电极表面的覆盖量可以从原始聚合物的浓度 和体积得知，具有好的分子识别特性和电化学特性。但它们都有着难以克 服的局限性：( 1 ) 分子印迹聚合物膜层通常较厚，容易形成扩散壁垒， 新型分子印迹电化学传感器的研究及应用 导致传质受阻，响应时间延长；( 2 ) 单位体积聚合物内的识别位点较少， 灵敏度不够；( 3 ) 敏感材料和换能器件间难以进行电子交换，敏感膜的 电子交换受阻。此外，粗糙的印迹聚合物膜表面使传感器具有稳定性较差， 重现性不够高等缺陷，因而限制了其应用。 1 2 2 2 原位引发聚合法 原位引发聚合法是将含有单体、模板分子、引发剂的混合溶液涂附到 传导装置的表面，然后在光或热的作用下引发聚合，在传导装置表面形成 分子印迹膜。在该类分子印迹电化学传感器中常用的功能单体是甲基丙烯 酸，乙烯基吡啶，丙烯酰胺衍生物。此外，水溶性单体也常用于表面分子 印迹膜的制备。热聚合反应基本上由偶氮二异丁腈( a i b n ) 作为引发剂， 而光聚合反应可由a i b n 、苯甲酮或苯乙酮及其衍生物来引发聚合。为了 减少印迹传感器在水相中使用时的吞噬效应，二甲基亚砜是最常用的致孔 溶剂。 原位光催化聚合形成分子印迹电化学传感器的方法是较为理想的制 备方案。用该方法制备的电化学传感器，其分子印迹膜的厚度、膜的疏水 特征以及膜的通透性都可以人为控制。但通常的更新电极表面的方法在此 使用较为困难，由聚合物膜中的孔穴到达电极表面受到了限制，因此，除 非该体系研究的目标分子的氧化或还原产物能被清除，否则该类方法设计 的分子印迹电化学传感器只能是一次性电极。 1 2 2 3 电聚合法 电聚合是制备分子印迹传感器敏感膜最有潜力的方法。因为聚合物 膜能很容易地在电极表面生成并附着在电极表面，而且膜的厚度也能通 过控制流通电荷的多少来进行调节。迄今为止，聚吡咯，聚苯酚，聚邻 氨基苯酚，聚原卟啉i x 以及聚邻苯二胺等非交联聚合物都已经成功应用 于分子印迹电化学传感器，证实了在电聚合过程中通过加入目标分子可 以诱导聚合物膜的选择性。聚吡咯，聚苯酚以及聚邻苯二胺这三种聚合 物可以在含有其单体的水溶液中通过简单的循环伏安扫描来获得。然而， 与用丙烯酸脂和乙烯基衍生物作为单体合成分子印迹聚合物膜这一成熟 的方法相比，电聚合法合成分子印迹传感器膜的应用还非常有限。h u 等 人利用电聚合法制备了山梨糖醇的分子印迹电化学传感器，该传感器检 6 山东农业大学硕士学位论文 测范围1 1 5m m o l l - 1 ( h u ，2 0 0 4 ) 。王志华等人用邻苯二胺和间苯二酚 的混合溶液作为单体，采用电聚合方式，首次利用电聚合膜在不同介质 中的导电性能，构建了对杀虫剂2 ，4 二氯苯氧乙酸( 2 , 4 一d ) 有选择性响应 的分子印迹电化学传感器( 王志华，2 0 0 6 ) 。w a n g 以3 , 4 - 二羟基苯甲酸 作模板分子，在玻碳电极表面恒电位沉积四甲氧基硅烷和苯基三甲氧基 硅烷，经无水乙醇将模板分子洗脱，制得硅溶胶一凝胶分子印迹膜电极。 该电极能有效地抑制电化学氧化过程中3 , 4 二羟基苯甲酸的电聚合及其 同分异构体2 , 4 二羟基苯甲酸对测定的干扰。实验表明，该修饰电极对 3 ，4 二羟基苯甲酸测定的线性浓度范围为1 0 x 1 0 一- 8 0 x 1 0 4m o l l 1 ，浓度 检出限为5 o 1 0 由m o l l ( w a n g ，2 0 0 8 ) 。 总之，电聚合法制备分子印迹传感器具有以下一些优越性： 1 制备简单，在功能单体和模板分子的溶液中进行循环伏安扫描就能实 现； 2 能够在任何导电基质上获得重现性优良的超薄膜。特别适用于分子尺 寸较大的模板分子，因为它们在较厚的聚合物膜层内扩散会受到很大 的阻碍作用。b l a n e e 比较了这些制备方法，得出了一些有意义的结论。 电化学聚合是一种简单易行的方法，可以通过在聚合介质中加入模板 分子来获得选择性印迹膜，膜的厚度可以通过调节聚合物单体的浓度 及电化学聚合电位和聚合时间来进行控制。但其对模板分子的特异性 吸附基于分子尺寸和电荷排斥效应，因此具有选择性不高的弱点。 1 2 2 4 溶胶一凝胶法 分子印迹溶胶凝胶体系是一类具有特异性识别、大孔、刚性结构的 无机聚合物。这些大孔径的聚合物膜可以允许无机或有机分子在里面自由 穿透，而其坚硬的物理结构能维持其原始特性在遭受强酸、强碱或强热处 理时不被破坏。同时为在室温条件下向无机聚合物膜内掺杂有机组分提供 了一种切实可行的方法。该溶胶与丙烯酸为基质的聚合物膜相比较，膜的 厚度、孔隙率以及传感器的表面积更易于控制，灵敏度、选择性和模板分 子在膜内的扩散更好。这些优良的特性使得溶胶凝胶法非常适用于构建 分子印迹电化学传感器。但是，利用溶胶凝胶膜附着于电极表面形成的 分子印迹电化学传感器却并不多见。m a k o t e 等通过在玻碳电极表面滴涂二 7 新型分子印迹电化学传感器的研究及应用 氧化钛溶胶制备了一种选择性识别多巴胺的伏安传感器，并研究了印迹膜 在水相介质中的选择性和多巴胺在膜内的渗透性( m a k o t e 等，2 0 0 6 ) 。利 用修饰在场效应晶体管晶片表面的分子印迹二氧化钛溶胶凝胶膜，科学 家们实现了4 氯苯氧乙酸和2 ，4 二氯苯氧乙酸，顺、反丁烯二酸，甲氧基 二茂铁羧酸以及苯基磷酸等的选择性测定。s h e l l 等人在石墨电极表面制备 了分子印迹二氧化钛膜，采用伏安法实现了苯酚异构体的选择性识别。他 们研究了对苯二酚的电极过程以及苯二酚异构体和键合位点之间的络合 比例。m a r x 等报道了对硫磷印迹二氧化硅溶胶凝胶膜传感器的制备，研 究了功能单体的作用以及在非共价键合对硫磷时所必须提供的作用位点， 并首次比较了模板分子在气相和液相条件下键合到印迹聚合物膜上的情 况( m a r x 等，2 0 0 4 ) 。h u 等以对一特一杯1 ，4 冠4 作为功能单体，构建了对硫 磷分子印迹电化学传感器。对特杯1 ，4 冠4 具有多个羟基，能和硅氧烷 发生缩聚反应，形成有机一无机杂化膜，使聚合物在电极表面附着更牢固， 重现性更好( h u 等，2 0 0 3 ) 。同时，由苯环构成的空腔能提供一个疏水 环境，有利于对硫磷通过疏水作用和兀- 兀非共价键合与印迹膜发生选择性 吸附，从而缩短其在传感器上的再键合时间。在1 0i x m o l 。1 对硫磷溶液中 达到饱和状态的时间只要2 0m i n ，因此，此传感器被成功用于大米样品中 的对硫磷检测，其检测结果与高效液相色谱结果一致。 1 2 2 5 自组装 一直以来，分子印迹聚合物的研究主要集中在三维网状结构印迹聚合 物。在固体基质上，自组装二维单层膜与传统的分子印迹聚合物区别甚大， 但其有助于分子印迹技术在微电子和化学传感器方面的应用。自组装法 ( s e l f - a s s e m b l i n g ) 又称非共价法，由瑞典的m o s b a c h 及其同事在2 0 世纪8 0 年代后期创立。在此方法中，模板分子( 或印迹分子) 与功能单体之间自 组织排列，以非共价键自发形成具有多重作用位点的单体模板分子复合 物，经交联聚合后这种作用保存下来。常用的非共价作用有氢键、静电引 力、金属螫合作用、电荷转移、疏水作用以及范德华力等，以氢键应用最 多。电化学家之所以对该领域很感兴趣的原因就是分子自组装体系可在电 极，溶液界面间固定分子。s a g i v 最早制备了印迹模板分子的自组装单层， 并研究了它对模板分子的特异性。研究表明，掺杂染料分子后，在玻璃表 山东农业大学硕士学位论文 面自组装形成的烷基硅氧烷单层能有效地再吸附那些形状或尺寸与模板 分子相似的分析物。参照类似的方法，科学家们构建了氨基酸、核酸和维 生素的自组装分子印迹单层膜。但是这些报道都未对分子印迹自组装单层 的稳定性进行研究。p i l c t s k y 等人认为自组装的烷基硅氧烷分子印迹单层 稳定性很差，他们通过将十六烷基硫醇自组装到金电极表面构筑了胆固醇 分子印迹单层膜，其稳定性明显优于硅氧烷组装单层。该印迹传感器对胆 固醇的识别主要来自疏水作用，而且对胆固醇的响应时间仅为5r a i n ( p i l c t s k y 等，19 9 9 ) 。c h a l l a p a k u l 等将长链烷基硫醇和对巯基苯酚吸附到 金电极表面，形成了具有尺寸区分效应的纳米孔结构的自组装单层。这些 单层可以通过模板分子在基质中形成的缺陷来控制到达电极表面的电活 性物质。他们探讨j r u ( n h 3 ) 6 3 + 和【f e ( q d 6 】3 。两种电活性探针在膜内的穿 透性，却忽略了模板分子和结构类似分子对该过程的影响( c h a l l a p a k u l 等，