分子印跡聚吡咯/二氧化鈦納米管陣列選擇性光電化學檢測鄰苯二甲酸二丁酯

戴高鵬 隗浚羽 孫云飛 劉素芹 賈志勇

1（湖北文理學院食品科學與化學工程學院， 襄陽 441053）

2（湖北隆中實驗室， 襄陽 441053）

鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）是一種用于提高塑料柔韌性、透明度和耐久性的塑化劑，已廣泛應用于塑料工業(yè)品，包括玩具、水管、飲料瓶、食品包裝和化妝品等。據(jù)報道，DBP 嚴重影響男性生殖系統(tǒng)和人體神經(jīng)系統(tǒng)[1-2]。由于DBP 與塑料分子間沒有形成化學鍵[3]，在塑料生產(chǎn)和使用過程中會溶解并滲透到水體和食品中。美國環(huán)境局規(guī)定飲用水中DBP 的最大允許限量為5.0 mg/L[4]；2011 年6 月我國衛(wèi)生部551 號文件[5]規(guī)定，食品中DBP 的最大殘留量應控制在0.3 mg/kg 以下。因此，開發(fā)一種靈敏、準確檢測環(huán)境和食品中DBP 的方法非常重要。

目前，檢測DBP 的方法主要有液相色譜法[6]和氣相色譜法[7]，或者這兩種方法與質(zhì)譜、液液萃取和固相萃取相結(jié)合的方法[8-9]。然而，這些方法需要昂貴的儀器和復雜的操作。與傳統(tǒng)檢測方法相比，光電化學（PEC）檢測具有靈敏度高、儀器簡單、操作簡便和成本低等優(yōu)點[10-11]，其檢測原理是在光照條件下，光電極上的活性材料被激發(fā)并誘導產(chǎn)生光電流，以光電流為檢測信號進行定量分析[11]。PEC 檢測方法已廣泛應用于食品安全[12]、環(huán)境監(jiān)測[13]和藥物分析[14]等領(lǐng)域。

二氧化鈦納米管陣列（TiO2NTs）具有特殊的管狀結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大和光電化學性能優(yōu)異等優(yōu)點，已被應用于制備多種光電化學傳感器[10，15-16]。然而，TiO2需要紫外光照射才能激活，并且單一相TiO2的光生空穴和電子易快速復合，量子效率低，光電化學活性低。與導電材料復合可有效提高TiO2的可見光響應和量子效率[17-18]。聚吡咯（PPy）是一種光活性導電聚合物，具有良好的導電性、高吸收系數(shù)和高穩(wěn)定性，研究表明，PPy/TiO2復合物具有比單一TiO2更高的光催化活性[19-20]。

良好的選擇性對于分析檢測非常重要。分子印跡聚合物（MIP）可以識別和吸附特定的目標分子，通過MIP 可以高效提高PEC 傳感器的選擇性[21-23]。Zhang 等[21]制備了一種基于印跡TiO2修飾的Fe3O4@C納米粒子，用于選擇性測定尿酸的PEC 傳感器，線性范圍為0.3～34 μmol/L，檢出限低至0.02 μmol/L。Mao 等[22]開發(fā)了一種基于GO-CdS 異質(zhì)結(jié)的MIP-PEC 傳感器，用于伏馬菌素B1的選擇性檢測，該傳感器具有優(yōu)異的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。Lu 等[23]制備了基于PPy/TiO2NTs 的新型MIP-PEC 傳感器，對雙酚A 的檢測表現(xiàn)出高靈敏度和良好的選擇性，線性范圍為4.5～108 nmol/L，檢出限為2.0 nmol/L。

本研究以DBP 為模板分子，由于DBP 不溶于水，因此采用甲醇作為溶劑，用化學氧化法合成PPy，并沉積在TiO2NTs 上，同時將模板分子DBP 合成在PPy 中，去除模板分子后得到MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器，對DBP 的檢測顯示出優(yōu)異的選擇性和靈敏度。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Hitachi-S4800 場發(fā)射電子掃描顯微鏡（日本日立公司）；D8 AD-VANCE 型X 射線衍射儀（德國布魯克公司）；IR Prestige-21 傅立葉變換紅外光譜儀和UV-2600 紫外可見分光光度計（日本島津公司）；CELHXF300 氙燈（北京中教金源科技有限公司）；CHI 660E 電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）。

Py 購于阿拉丁試劑有限公司（上海）；使用前，將Py 通過蒸餾得到無色液體，備用。其它試劑購于國藥集團化學試劑有限公司。所用化學試劑均為分析純；實驗用水為超純水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 實驗方法

1.2.1 MIP-PPy/TiO2 NTs傳感器的制備

首先通過陽極氧化法制備TiO2NTs。以Ti 箔為陽極，鉑片為陰極，在含有0.2 mol/L NH4F 的50%（V/V）乙二醇電解液中，在20 V 直流電壓下將Ti 箔陽極氧化2 h，即得到無定形的TiO2NTs。將樣品用水沖洗干凈并干燥后，在450 ℃下晶化3 h，無定形的TiO2NTs 轉(zhuǎn)化為銳鈦礦TiO2NTs。

為制備MIP-PPy/TiO2NTs，將5.45 g 十二烷基硫酸鈉加入到80 mL FeCl3溶液（含1.0 g 無水FeCl3）中，室溫下攪拌4 h 后，生成大量黃色沉淀，將沉淀抽濾、干燥，得到的黃色產(chǎn)物記為Fe（LS）3Cl3。將1 mL Py、0.2 mL DBP 和上述Fe（LS）3Cl3溶于50 mL 甲醇中。將制備的TiO2NTs 浸入上述甲醇溶液中，超聲12 h，大量Py 交聯(lián)DBP 聚合沉積在TiO2納米管中。聚合結(jié)束后，取出PPy/TiO2NTs，用適量水沖洗，然后將其浸入50%（V/V）乙醇中，50 ℃下反應5 h，以除去模板分子DBP。所得到的PPy/TiO2NTs 標記為MIP-PPy/TiO2NTs。作為對照，在無DBP 的Py 溶液中，在相同條件下制備了非印跡PPy/TiO2NTs（NIPPPy/TiO2NTs）。

1.2.2 MIP-PPy/TiO2 NTs傳感器的PEC性能檢測

在C H I 6 6 0 E 電化學工作站上進行P E C 測試，采用傳統(tǒng)的三電極體系。其中，以面積為0.5 cm×0.5 cm 的MIP-PPy/TiO2NTs 為工作電極，鉑片為輔助電極，Ag/AgCl 電極為參比電極，氙燈為光源，先將MIP-PPy/TiO2NTs 浸泡在含有不同濃度DBP 的0.1 mol/L Na2SO4溶液中，孵育8 min，然后在MIP-PPy/TiO2NTs 工作電極上施加0.3 V 的偏壓，測試i-t曲線。電化學阻抗譜（EIS）測試在含0.1 mol/L KCl 的0.05 mol/L [Fe（CN）6]3-/4-溶液中進行，交流電壓幅值為5 mV， 頻率范圍為105～10-1Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 MIP-PPy/TiO2 NTs傳感器響應機理

圖1 展示了MIP-PPy/TiO2NTs 電極在PEC 傳感DBP 中的響應機理。根據(jù)文獻[24]，PPy/TiO2NTs在模擬太陽光照射下，PPy 最高占有軌道（HOMO）中的電子（e-）被激發(fā)，躍遷到最低空軌道（LUMO）；同時，TiO2價帶（VB）上的e-躍遷到導帶（CB），VB 中形成大量空穴（h+）。由于PPy 的軌道能級與TiO2的能帶電位匹配，PPy LUMO 上的電子轉(zhuǎn)移到TiO2CB 上，空穴從TiO2遷移到PPy 上，光生電子和空穴有效分離。MIP-PPy 能識別并結(jié)合目標分子（DBP），結(jié)合在MIP 空腔中的DBP 向PPy 的h+提供電子，DBP 被h+氧化分解，TiO2上的電子在偏壓作用下，從外電路流向陰極，從而形成光電流回路。

圖1 分子印跡聚吡咯/TiO2 納米管陣列（MIP-PPy/TiO2 NT）s 光電化學傳感檢測鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）的響應機理Fig.1 Response mechanism of molecularly imprinted polypyrrole/titanium dioxide nanotube arrays (MIP-PPy/TiO2 NTs) in photoelectrochemical sensing of dibutyl phthalate (DBP)

2.2 MIP-PPy/TiO2 NTs傳感器的表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對TiO2NTs 樣品的形貌進行表征。如圖2A 和2B 所示，純TiO2NTs 的管高度有序，并且垂直生長在Ti 箔表面。納米管的管徑和壁厚分別約為120 nm 和20 nm， 管內(nèi)無物，管壁光滑。沉積PPy（圖2C 和2D）后，PPy 填充在納米管內(nèi)部，形成條狀。如圖2D 所示，在切TiO2NTs 截面膜的過程中，部分條狀PPy 從管壁上翹起。對比NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs （圖2E 和2F）發(fā)現(xiàn)兩者沒有明顯差異，說明DBP 不影響PPy 的沉積。與文獻[25-26]報道的PPy/TiO2NTs 比較，本研究制備的NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 中PPy 的沉積量更多，這有利于PEC 反應與檢測。

圖2 TiO2 NTs （A、B）、非印跡（NIP）-PPy/TiO2 NTs （C、D）和MIP-PPy/TiO2 NTs （E、F）的表面（A、C、E）和截面（B、D、F）掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) images (A, C, E) and cross-sectional SEM images (B, D, F) of TiO2 NTs (A, B), non-imprinted (NIP)-PPy/TiO2 NTs (C, D) and MIP-PPy/TiO2 NTs (E, F)

純TiO2NTs、NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 的X 射線衍射（XRD）譜圖如圖3 所示，所有樣品中只有銳鈦礦相（JCPDS: 21-1272）和來自基底的金屬Ti 相（JCPDS: 44-1294），沒有顯示PPy 的衍射峰，這是因為有機物的衍射峰比無機物的衍射峰低很多，未顯示出來。

圖3 TiO2 NTs （a）、NIP-PPy/TiO2 NTs （b）和MIP-PPy/TiO2 NTs （c）的X-射線衍射譜圖Fig.3 X-ray diffraction partterns of TiO2 NTs (a), NIP-PPy/TiO2 NTs (b) and MIP-PPy/TiO2 NTs (c)

通過紅外（FT-IR）光譜對PPy 的沉積和DBP 印跡效果進行了檢測。如圖4A 所示，所有樣品均在500 cm-1附近出現(xiàn)了TiO2典型的Ti—O 伸縮振動特征峰。MIP-PPy/TiO2NTs 和NIP-PPy/TiO2NTs 在3430、1463、1318、1066 和964 cm-1處都出現(xiàn)了PPy 的特征峰，分別歸屬于N—H 伸縮、C=C 面內(nèi)彎曲、C—N 伸縮、=CH—面內(nèi)振動和C—H 面外彎曲振動[27]，表明PPy 沉積到了TiO2NTs 上。去除DBP模板前的MIP-PPy/TiO2NTs，除了以上特征峰外，還在1725 和1128 cm-1處可出現(xiàn)了2 個特征峰，分別歸屬于DBP 的C=O 和C—O—C 基團[28]，說明DBP 已摻入PPy 中。對比曲線c 和曲線d 可見，去除模板分子DBP 后，DBP 的峰幾乎消失，而PPy 仍然存在，說明DBP 已經(jīng)從PPy 中去除。上述結(jié)果表明成功制備了MIP-PPy/TiO2NTs。

圖4 （A）TiO2 NTs（a）、NIP-PPy/TiO2 NTs（b）、MIP-PPy/TiO2 NTs 去除DBP 前（c）和去除DBP 后（d）的紅外光譜圖; （B） MIP-PPy/TiO2 NTs 的X 射線光電子能譜圖Fig.4 (A)Fourier transform infrared spectra of TiO2 NTs(a),NIP-PPy/TiO2 NTs(b),and MIP-PPy/TiO2 NTs before(c) and after (d) extraction of DBP; (B) X-ray photoelectron spectroscopy pattern of MIP-PPy/TiO2 NTs

通過X 射線光電子能譜（XPS）進一步分析了MIP-PPy/TiO2NTs 的元素組成和化學狀態(tài)（圖4B）。全譜顯示MIP-PPy/TiO2NTs 中含有Ti、O、C 和N 元素，Ti 和O 來源于TiO2NTs，C 和N 來源于TiO2NTs中沉積的聚Py。C1s 的高分辨譜中，284.6、285.4 和288.5 eV 處的3 個峰分別對應于Py 環(huán)中的α碳、β碳和C—N+[29]，N1s 的高分辨譜中399.8 和401.0 eV 處的2 個峰分別對應N—C 和N—H 或N+的氮[30]。XPS 結(jié)果進一步表明PPy 與TiO2NTs 成功復合。

進一步采用EIS 對傳感器的制備過程進行了表征。圖5 為不同TiO2NTs 電極的EIS 奈奎斯特曲線。阻抗譜中半圓的直徑大小對應于電子轉(zhuǎn)移電阻（Ret）。由圖5 可見，TiO2NTs 的半圓直徑大，即其Re值較大。當在TiO2NTs 中沉積MIP 和NIP-PPy 后，對應的半圓直徑減小，這是因為PPy 具有良好的導電性，因而Re值降低。去除DBP 模板后，MIP-PPy/TiO2NTs 的Re值減小，這是由于DBP 不導電。進一步將MIP-PPy/TiO2NTs 在DBP 溶液中孵育后，DBP 分子重新填充到MIP 空腔中，Re值增大。上述結(jié)果進一步證明成功制備了MIP-PPy/TiO2NTs。

圖5 TiO2 NTs （a）、NIP-PPy/TiO2 NTs （b）、去除模板前的MIP-PPy/TiO2 NTs （c）、去除模板后的MIPPPy/TiO2 NTs （d）、在DBP 溶液中孵育后MIP-PPy/TiO2 NTs （e）的交流阻抗（EIS）譜Fig.5 Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)characterization of TiO2 NTs(a),NIP-PPy/TiO2 NTs(b),MIP-PPy/TiO2 NTs before (c) and after (d) extraction of DBP, and MIP-PPy/TiO2 NTs after incubation in DBP solution (e)

通過紫外-可見漫反射光譜評價所有TiO2NTs 的光學性能。如圖6 所示，純TiO2NTs 主要吸收位于紫外光區(qū)，但在可見光區(qū)也有較弱的吸收，這是由于納米管陣列中的孔隙或裂紋對光的散射[31]引起的。相比而言，NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 在可見光區(qū)的光吸收都很強，這是因為PPy 可吸收可見光。

圖6 不同樣品的紫外-可見漫反射（DRS）光譜Fig.6 UV-vis diffuse reflectance spectra (DRS) of different samples

2.3 MIP-PPy/TiO2 NTs的PEC性能研究

為研究印跡效果，將TiO2NTs、NIP-PPy/TiO2NTs 和MIP-PPy/TiO2NTs 在含有0.1 μmol/L DBP 的Na2SO4溶液中孵育10 min 后，測試了其光電流響應。如圖7 所示，純TiO2NTs 在不加入DBP 的Na2SO4溶液中顯示出微弱的光電流，沉積PPy 后，光電流顯著增強。原因可能為：（1）PPy 能吸收可見光而產(chǎn)生光生電子和空穴，光電流增加；（2）PPy 與TiO2結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，促進光生載流子分離，提高量子效率和光電流；（3）PPy 的高導電性能促進載流子遷移，從而增強光電流。加入DBP 后，所有樣品的光電流均增大。TiO2NTs 和NIP-PPy/TiO2NTs 的光電流的變化ΔI（ΔI=I0-IDBP，I0和IDBP分別為加入DBP 前后的光電流）分別為0.05 和0.26 μA，光電流微弱增加，而MIP-PPy/TiO2NTs 的ΔI為1.35 μA，光電流顯著增加，這說明MIP-PPy/TiO2NTs 對DBP 具有明顯的分子識別能力。

圖7 0.1 mol/L Na2SO4 水溶液中，存在或不存在DBP 時不同TiO2 NTs 的光電流響應Fig.7 Photocurrent responses of different TiO2 NTs in the absence or presence of DBP in 0.1 mol/L Na2SO4 aqueous solution

考察了合成MIP-PPy/TiO2NTs 時DBP 與Py 體積比對傳感器性能的影響（圖8A），隨著DBP/Py 體積比增大，光電流先增加后減小。其原因可能是隨著DBP/Py 體積比增大，DBP 分子增多，DBP 形成的分子印跡位點增多；但是，當DBP/Py 體積比大于1∶5 后，過多的DBP 會影響Py 聚合，導致光電流減小。DBP/Py 體積比為1∶5 時制備的MIP-PPy/TiO2NTs 光電流最大，因此DBP/Py 的最佳體積比為1∶5。MIPPPy/TiO2NTs 在DBP-Na2SO4溶液中孵育時間與光電流的關(guān)系如圖8B 所示，隨著孵育時間延長，光電流逐漸增大，當孵育時間達到8 min 后，光電流達到穩(wěn)定，因而選擇最佳孵育時間為8 min。

圖8 （A）DBP/Py 體積比和（B）MIP-PPy/TiO2 NTs 孵育時間的優(yōu)化實驗。所有實驗均為在0.1 μmol/L DBP-Na2SO4 溶液中進行的檢測Fig.8 Optimization of(A)volume ratio of DBP/Py and (B) incubation time of MIP-PPy/TiO2 NTs. All the experiments are carried out in 0.1 mol/L Na2SO4 aqueous solution containing 0.1 μmol/L DBP

采用MIP-PPy/TiO2NTs 對不同濃度的DBP 進行了檢測。由圖9 可見，隨著DBP 濃度增加，光電流逐漸增大，線性范圍為0.05～3.50 μmol/L，線性方程為I（μA）=2.617+13.14C（μmol/L）（R2=0.997），檢出限（LOD）為6.3 nmol/L （S/N= 3），與其它DBP 分子印跡傳感器相當（表1）。

表1 檢測DBP的MIP傳感器性能比較Table 1 Comparison of performance of MIP sensor for detection of DBP

圖9 （A）模擬太陽光下MIP-PPy/TiO2 NTs 傳感器在含有（a）0、（b）0.05、（c）0.1、（d）0.15、e）0.2、（f）0.25、（g）0.3、（h）0.35（i）0.4、（j）0.5、（k）0.6、（l）0.8、（m）1.0、（n）1.5、（o）2.0、（p）2.5 和（q） 3.5 μmol/L DBP 的0.1 mol/L Na2SO4 水溶液中的光電流響應；（B）光電流與DBP 濃度之間的線性校正曲線Fig.9 (A) Photocurrent responses of MIP-PPy/TiO2 NTs sensor in the presence of (a) 0, (b) 0.05, (c) 0.1, (d)0.15, (e) 0.2, (f) 0.25, (g) 0.3, (h) 0.35, and (i) 0.4 μmol/L DBP in 0.1 mol/L Na2SO4 aqueous under modulate sunlight illumination; (B) Linearity calibration curve between photocurrent and DBP concentration

選取與DBP 共存或結(jié)構(gòu)類似的化合物鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）、雙酚A（BPA）和L-色氨酸（L-TRP）作為干擾物，考察MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器的選擇性。如圖10 所示，5 μmol/L （50 倍DBP 濃度）的DEP、DOP、BPA 和L-TRP 顯示很低的ΔI變化，而0.1 μmol/L DBP 的ΔI明顯大得多。由于水樣中存在大量Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Fe3+和Al3+等金屬離子，因此考察了這些離子的影響。將100 倍濃度的上述離子分別加入到0.1 μmol/L DBP 中測定光電流，結(jié)果表明，加入這些離子前后系統(tǒng)的光電流幾乎沒有變化。綜上可知，MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器對DBP 具有良好的選擇性吸附和檢測性能。將MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器在避光條件下中放置1 周后，與初始值相比，光電流響應僅下降2.7%，表明此傳感器具有良好的長期穩(wěn)定性。此外，制備了5 個并行的MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器，用于測定0.1 μmol/L DBP。5 個傳感器的光電流響應無明顯差異，相對標準偏差（RSD）為2.9%，表明此傳感器具有良好的制備重現(xiàn)性。此外，在0.1 mol/L Na2SO4溶液中考察了MIP-PPy/TiO2NTs 穩(wěn)定性。在“開-關(guān)-開”30 次光照循環(huán)，連續(xù)測試1200 s 后，光電流衰減幅度很小，RSD 僅為2.9%，表明此傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

圖10 0.1 μmol/L DBP，5 μmol/L DOP、DEP、BAP 和L-TRP 在0.3 V（vs.Ag/AgCl）偏壓下的光電流響應Fig.10 Photocurrent response of 0.1 μmol/L DBP,5 μmol/L DOP,DEP,BAP and L-TRP at bias potential of 0.3 V (vs. Ag/AgCl)

為進一步考察MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器的實際應用性能，在自來水中添加3 個濃度水平（1.0、2.0 和3.0 μmol/L）的DBP，進行加標回收實驗，結(jié)果見表2，加標回收率為95.1%～96.7%，RSD≤4.6%（n=3），表明制備的MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器具有良好的準確性，可用于實際樣品中DBP 的檢測。

表2 MIP-PPy/TiO2 NTs傳感器對自來水樣品中DBP的檢測結(jié)果Table 2 Determination results of DBP in tap samples using MIP-PPy/TiO2 NTs sensor

3 結(jié)論

基于高度有序和垂直排列的TiO2NTs 和MIP-PPy 的高選擇性，構(gòu)建了一種簡單高效的MIP-PEC 傳感器。此傳感器可特異性識別DBP，并表現(xiàn)出寬的檢測范圍、低的檢出限以及良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，檢測自來水中的DBP 的回收率為95.1%～96.7%，RSD≤4.6%。本研究構(gòu)建的MIP-PPy/TiO2NTs 傳感器對環(huán)境中DBP 的實際檢測具有很大的應用潛力。