基于印迹分子聚合物改性金电极的阿特拉津传感器

1、基于印迹分子聚合物改性金电极的阿特拉津传感器Reo Shoji,Toshifumi Takeuchi,and Izumi Kubo 印迹分子聚合物（MIP）已经应用于人体上。在我们目前的研究中，MIP作为分子识别元件应用于化学传感器。我们构建了一个阿特拉津传感器基于MIP对阿特拉津和对金电极电化学还原的选择性。阿特拉津是由甲基丙烯酸和乙二醇直接聚合到金电极表面上的高分子聚合物。通过向MIP加入氯化锂，使阿特拉津相比Ag/AgCl参比电极减少低于-800mV，pH为3。阿特拉津的阴极电流取决于阿特拉津的浓度在1-10uM的范围。传感器的选择性表现出对阿特拉津的回应。而其他聚合物改性电极并没有显示

2、出对阿特拉津选择性反应，因此这意味着阿特拉津的印迹分子聚合物作为传感器的识别元件。 生物识别分子如酶、抗体和受体选择性传感的研究和利用，目前人工受体印迹分子聚合物（MIPs）在许多实际应用中正在接受检验。相比较生物受体的昂贵、合成复杂以及不稳定的问题使得MIPs在分析化学更有前途。 MIPs被应用于各种分析方法。由于它们特定的亲和力，它们主要用作代替抗体，被应用于抗原竞争结合化验使用放射性标记配体。分析物如茶碱、安定、吗啡可以由这种竞争性绑定化验。这种方法也可以用于生物活性物质如毒品、除草剂、杀虫剂。 MIPs的另一个应用是固相萃取的亲和色谱法。在这种应用中，微粒的MIPs用作固相集中和单独的

3、化学物质分子结构类似。例如除草剂阿特拉津、补草净已经用了这种方法。 最近MIPs被用作分子识别膜或层的化学传感系统。提出了MIPs和传感器的组合应用。例如：石英晶体微量天平、表面等离子体共振设备、场效应器件、电导测定法。这些传感器是基于MIP膜或层绑定的印迹分子引起的。 当绑定分析物本身反应表面的固体支持MIPs的准备，可以检测出被分析物的反应提供一个简单和快速反应系统。 在这项研究中，我们旨在建立一个简单的基于MIPs和快速分析系统。为此我们提出一个利用安培计的电化学传感器绑定分析物的MIPs电化学反应分析方法。为了建立这样的一个传感系统，阿特拉津被选为模型分析物。正如atrazine-im

4、printed聚合物已经被Sergeyevox和Matsui应用于系统中。这些研究利用所需的MIPs准备从甲基丙烯酸（MAA）和乙二醇相比其他反应具有良好的灵敏度聚合得到。 Pospisil报道了电化学还原的阿特拉津。根据Pospisil的报道，除草剂阿特拉津等可以减少汞电极水溶液虽然很少的溶解度。这让我们考虑一个电极改性的阿特拉津MIPs选择性的电化学反应。 在这项研究中，我们描述了一个基于电化学还原的阿特拉津传感系统和印迹分子聚合物层金电极作为识别元素。表面的电极与聚合物改性，而阿特拉津不绑定或与其他化合物结合程度较轻。绑定阿特拉津可以降低电极表面的电化学原理。在本文中，我们描述了一个阿特

5、拉津传感器的制造工序准备，从一个金电极和阿特拉津MIPs的电化学特性。也讨论了MIPs作为分子识别元件的效率。实验部分材料：阿特拉津是来自关东大化学品(日本东京)。西玛津和MCC从日本和光制药公司购买为除草剂测试标准的化学物质。EDMA、MAA、DMF、在使用前先蒸馏净化以消除稳定剂使用。其他实验室使用前未经纯化。MIP-Modified电极的制备：本研究中使用的电极是QA-A9-Au和从日本精工株式会社购买的最初用于商业石英晶体微量天平传感器、层积和捏造的黄金的石英晶体、电极的形状是平的，因此适合MIPs表面的直接聚合。 电极的表面用溅射离子镀膜机清理3060s，后立即将电极浸没在乙醇/水（

6、4:1）包含烯丙硫醇(53M)和丁硫醇（13M）的溶液中至少反应两小时。其目的是引入乙烯基组到金电极表面，以上步骤都是在干燥氮气的环境中进行。 将12mg的阿特拉津溶解于500L的DMF和15mL的MAA中总共有250L的EDMA交联单体和5mg的2，2-偶氮二异丁腈混合添加在一起。混合物的表面用氮气净化10s。 待电极在氮气中干燥后立即放在玻璃板上，将反应混合物滴落在金电极表面，然后盖上盖玻片。聚合是在4摄氏度寒冷的空间中进行紫外线照射。保持这些条件维持2h。空白聚合物改性电极准备使用相同的反应混合物没有添加试样。空白聚合物可以用作NIP修改控制电极。 图1所示:MIP电极的制备过程：(a)

7、在改性金电极表面滴加烯丙硫醇和丁硫醇，(）保持紫外线照射，（）从MIP中去除阿特拉津，（d）介绍电解质溶液 将电极放在甲醇/醋酸（7：3）中清洗2小时以去除试样。将电解液引入聚合物层，聚合物-涂层电极浸在0.1M的电解质溶液中，例如氯化锂溶解在DMF电化学测试之前。相比聚合物涂层电极或没有支持的电解质。仪器：进行电化学测量与计算机控制的伏安法分析仪（BAS:CV-50W,日本.东京）和三电级电化学电池聚合物改性电极作为工作电极，Ag/AgCl(3mol/L NaCl)为参比电极和铂丝辅助电极从BAS购买。与这三个电极进行电化学测量。所有的电化学测量在一个装有10mL 0.1mol/L KCL的

8、缺氧小玻璃瓶中进行。对传感器响应的评测：所有的实验都是在之前完全真空的环境下反应。聚合物改性电极放置在装满10Ml 0.1mol/L的KCL瓶里。在阿特拉津溶液注入瓶后，让电极反应至少10分钟以上，以让阿特拉津扩散到聚合物和绑定。另外之前电化学实验研究中，我们测量了吸收阿特拉津MIP与使用紫外可见光谱的载玻片的准备时间。这些吸收的研究表明，10min的反应时间足够反应充分。循环伏安法减少了阿特拉津的含量。测量后，聚合物改性电极用甲醇/乙酸溶液清洗以去除拉特阿津的MIP。结果与讨论：阿特拉津的电化学还原：在这项研究中，我们针对准备的一个MIP改性电极进行实验。从目的来看由于金电极表面的修饰及研究

9、，所以金电极是合适的选择。图2:循环伏安法在0.1mol/L KCL溶液中扫描速率100mv/s的没有阿拉特津的裸金电极扫描图。Au-S电极。首先，测试用金电极的循环伏安法减少阿特拉津的电化学还原。图2显示了电极有或没有阿特拉津的阴极电流。在阿特拉津的存在下，阿特拉津的浓度增加，增加了阴极电流观测。其他研究已经表明，阿特拉津水溶液使汞电极在极谱测量模式下化学电位低于0.9V，我们的研究结果表明，阿特拉津也减少了金电极的电化学电位，其原理与汞电极几乎相同。小肩膀在pH为3.0没有阿特拉津的电极电位为-0.85V，是由于质子减少造成的。这个肩膀具有观察pH在6.0到9.0的能力。阿特拉津MIP修饰

10、电极的电化学还原：首先将MIP改性电极在甲醇/醋酸溶液中彻底清洗，然后浸入0.1mol/L 的氯化钾溶液中，用循环伏安法的阴极电流测量裸金电极。然而，随着这个过程进行，MIP改性电极没有任何明显的阿特拉津阴极电流，即使MIP改性电极与阿特拉津接触要60分钟，但是阴极电流仅略有增加。很有可能MIP膜不易被水沾湿导致电解质在水溶液中溶解扩散到膜里。仅能够渗透到膜里，将电解质溶液于DMF用于制备MIPs。氯化锂、高氯化锂和高氯酸乙胺作为检测电解质的候选物。将这些电解质加入MIP中，再将MIP改性电极放入装有0.1mol/L DMF溶液中反应/h。反应完成后将电极放在0.1mol/L 氯化钾水溶液中进

11、行循环伏安法研究。如表1所示，含有TEAClO4的MIP没有减小；含有阿特拉津的LiCCO4略有减少。图3：循环伏安法在0.1mol/L PH=3.0的KCC溶液扫描速度为1100mv/s没有MIP改性电极的阿拉特津扫描图。在这些电解质中，含有LiCl的MIP改性电极的电化学根据阿拉特津的浓度如预期MIP改性电极阴极电流减少一致。这可以解释阿特拉津和DMF可以在小孔隙中创建聚合而TEAClO4或LiCLO4渗透结构不允许。氯化锂的分子是最小的在检查电解质和MIP中容易分散。再进一步的实验中，将MIP改性电极放入0.1mol/L LiCL/DMF中。如图1所示。 阿特拉津在0.1mol/L KL

12、C溶液中电化学电位降低。如图3所示，没有阴极峰可以发现阿提拉津的缺失。观察到存在阿特拉津的阴极电流电位低于-0.8V。MIP改性电极准备在这里被认为是远离模板，因为MIP改性电极与剩余的模板显示当前的阿特拉津。MIP改性电极的阴极峰电位比裸金电极低。一般来说，减少高峰时将有一层限制自由扩散，这可能归因于MIP的限制扩散层。当前测量电流和缺失阿特拉津的电流测量方法不同。当前的差异取决于阿特拉津的浓度。 所有的电化学步骤都是在完全真空的电化学实验条件中进行的，通常还原电流溶解的氧是可以忽略的。其他亲水物质排除在外，因为他们不容易扩散到疏水性MIP层。一些疏水的电活性物质导致的影响分析如下。pH的影

13、响：测定pH从3.0到9.0对电流减少的影响。样品溶液通过HCL或NaOH调整到给定的pH值。 pH值对阿特拉津的还原电流和MIP改性电极的影响，电流的差异在0.1mol/L KCL和-800mV的条件下测定的。图四: pH值对阿特拉津的还原电流和MIP改性电极的影响，电流的差异在0.1mol/L KCL和-800mV的条件下测定的。图五：阿特拉津的典型校准曲线。电流的差异在0.1mol/L KCL（pH=3.0）和-800mV下测定的。由于阿特拉津在pH值为3和6或9时响应3或4次一样大。因此进一步进行pH=3的实验。 Pospisil等人报道的pH值对阿特拉津的电活学还原的影响。这种影响与

14、质子化作用平衡前电子转换反应有关。质子的数量参与反应的关键一步决定于pH从3到2的范围。 我们的结果与Pospisil是一致的。 校准曲线:从这些结果可以看出阿特拉津取决于反应的最优条件。不同电压的阿特拉津浓缩之间的关系已经检测了。当电压不在-800mV时不利于阿特拉津的浓缩。图5显示了一个典型的校准曲线。随着电压的增加，阿特拉津浓度上升10mol。在当前检测范围内我们观察到阿特拉津的浓缩与电压之间存在船型线性关系。每次浓缩测定四次或是更多，将五个电极准备和比较。每个电极的校准曲线斜率介于-2.3和-4.0A/M之间。斜率的不同很可能是由于MIP层厚度的差异造成扩散速度的不同而造成的。生产的原

15、型MIP电极，厚度没有控制，其厚度在50到80M范围。厚的MIP导致限制了更多的阿特拉津的扩散。校准曲线的斜率差异应该控制MIPs厚度的最小化。 图6：比较除草剂的电化学反应。电压在-800mV左右改变，没有绘制每个除草剂。 选择性:MIP改性电极与其他除草剂的选择性检查。在各种除草剂中，西玛津和MCC进行实验。由于他们的电化学活性和结构类似。随着电压的减小比较每个试剂在10M的不同。相比于阿特拉津，MCC和西玛津在MIP改性电极上电流减少的更小。几个小组调查了MAA和EDMA的阿特拉津聚合物选择性识别。Matsui及其同事评估了MIP粒子的选择性在色谱的保留时间。Sergeyeva等人研究了

16、使用MIP膜电导传感器。罗等人建造了一个基于薄膜包含MIP粒子的声波传感器。所有的MIPs调查表明阿特拉津的选择性，相比于莠去津例如西玛津、三嗪和扑草净等。在这些试剂中，相比于阿特拉津，扑草津MIPs只有10-30%。另一方面，西玛津相对于三嗪显示出相对更高的约束力。然而，在这项研究中，虽然西玛津降低化学酸性条件水平更高，但相比于阿特拉津，西玛津的反应是其28%。 MIP改性电极。确认印迹分子效率，裸金电极和NIP改性电极对阿特拉津、西玛津、MCC的响应检查，这些所有反应都是在裸金电极上进行的，按照应对这些化合物电活性的大小顺序是西玛津、阿特拉津、MCC。在这种情况下NIP限制了阿特拉津、西玛

17、津、MCC的扩散。因此NIP改性电极没有对阿特拉津表现出选择性。相比于其他电极，MIP改性电极对阿特拉津的响应是最小的。但是阿特拉津对金电极响应是一样的。这一结果表明，在电化学传感器印迹分子对阿特拉津有选择性。阿特拉津的印迹聚合物都有一个特定的阿特拉津绑定，但不是西玛津或MCC。 可重复性。测试MIP改性电极的可重复性。测试阿特拉津含量从1到10mol/L逐渐增加。绘制校准曲线，其斜率是-2.7 A/M.在阿特拉津第一轮测试结束后，将电极浸在甲醇/乙酸溶液中去除阿特拉津和生成的聚合物。在下一轮测试之前，将电极放入氯化锂中一小时。 第二次斜率是-2.4 A/M。阿特拉津的重复性足以确定。其中一个稳定了4天，但有两个电极不够稳定。另一个电极可以使用三天。当时MIP部分或彻底从金电极表面剥落。用显微镜可以观察到，一层薄薄的MIP原子力仍在金电极表面。因此，烯丙硫醇被认为是有效保持MIP在金电极表面上的物质。 MIPs的粘合度应考虑电极表面。当暴露在不同极性中，MIPs可能变形。这种效果对厚层更加明显。薄的聚合物层的生产正在研究。另一个考虑因素是电极粘合度的结构。在这项研究中，我们使用一个金电极沉积在石英晶体上