基于紙基印跡預(yù)富集的痕量鎘電化學(xué)傳感器*

楊洋春，胡敬芳，肖疏雨，宋 鈺，李延生，高國偉

（1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué)傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感器聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050）

0 引 言

重金屬污染是水環(huán)境質(zhì)量重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，由于水環(huán)境中重金屬鎘離子Cd（Ⅱ）具有難降解性、生物毒性和持久性等特點(diǎn)，水質(zhì)重金屬Cd（Ⅱ）檢測具有迫切需求。目前，用于水質(zhì)重金屬Cd（Ⅱ）的檢測方法主要有光譜法［1］、比色法［2］和電化學(xué)法［3］等。光譜法具有高靈敏度和高準(zhǔn)確性，但分析檢測儀器價(jià)格高昂、體積龐大，需要專人操作，不適用于實(shí)時(shí)分析檢測。比色法操作簡單，但現(xiàn)場檢測會(huì)受到光線影響引起主觀誤差，靈敏度和精度不高。與上述方法相比，電化學(xué)法以成分本身的電化學(xué)信號(hào)為基礎(chǔ)，通過電信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，可以完成對(duì)被測物的定性和定量檢測，具有檢測快、攜帶方便和簡單經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)場快速分析檢測［4］。在電化學(xué)傳感器的應(yīng)用實(shí)踐中，對(duì)水質(zhì)重金屬離子的檢測常常因共存組分的干擾及電極表面敏感識(shí)別元件本身靈敏度的限制而難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，單純改進(jìn)和提高敏感識(shí)別元件，容易遇到瓶頸。為了達(dá)到水質(zhì)重金屬超痕量級(jí)檢測，除了一方面在電極表面進(jìn)行納米或分子修飾，以增大電極比表面積、增強(qiáng)電極對(duì)某種重金屬離子的吸附能力和電催化活性，從而提高電極檢測靈敏度［5］，另一方面對(duì)待測重金屬離子進(jìn)行預(yù)富集，提高傳感器的選擇性，以達(dá)到傳感器的檢測下限，也是重要的研究方向之一［6］。

離子印跡技術(shù)（ion imprinting technology，IIT）是基于分子印跡技術(shù)（molecular imprinting technology，MIT）發(fā)展而來，以目標(biāo)離子為制備模板，對(duì)其具有高選擇性識(shí)別的功能，在分離和預(yù)富集重金屬離子方面具有廣闊前景。IIT通常以陰、陽離子作為模板，該目標(biāo)離子模板與功能單體通過螯合作用以配位鍵的形式結(jié)合形成螯合物，在交聯(lián)劑和引發(fā)劑的共同作用下發(fā)生聚合，形成剛性高分子聚合物，采用酸性試劑等方式將模板離子去除干凈后，得到具有特定空間結(jié)構(gòu)的離子印跡聚合物（ion-imprinted polymer，IIP）［7］。該IIP內(nèi)部具有與目標(biāo)模板離子互補(bǔ)的三維孔穴結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)離子的特異性吸附。濾紙的主要成分是纖維素，可裁剪折疊、體積小、造價(jià)低、易加工，常被用做分析診斷中的基底材料［8］。將IIT應(yīng)用于紙基芯片上得到的紙基印跡復(fù)合材料將兩者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的集成化與微型化和對(duì)特定離子的高選擇性識(shí)別等功能，是目前熱門研究方向之一［9］。

本文采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備紙基電極，并在其表面修飾石墨烯納米材料；以Cd（Ⅱ）為模板，選取甲基丙烯酸（methacrylic acid，MAA）和聚乙烯亞胺（polyethylenimine，PEI）為功能單體，在多孔紙基表面原位制備了紙基Cd（Ⅱ）印跡聚合物（Cd（Ⅱ）-IIP＠paper），實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中Cd（Ⅱ）的預(yù)富集。將方波陽極溶出伏安法（square wave anodic stripping voltammetry，SWASV）應(yīng)用于Cd（Ⅱ）-IIP＠paper，構(gòu)建了對(duì)Cd（Ⅱ）具有高選擇性的電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)重金屬痕量Cd（Ⅱ）的快速檢測。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 主要儀器和試劑

儀器：電化學(xué)工作站（CHI660E，上海辰華儀器有限公司），超聲清洗機(jī)（JP-010T，深圳潔聯(lián)清潔有限公司），電子天平秤（FA1004，天馬衡基儀器有限公司），移液槍，掃描電子顯微鏡（SIGM500，英國），雙波長紫外燈（UVGL-25，美國），施樂噴蠟打印機(jī)（8870DN，日本），小型等離子清洗機(jī)（TS-PL02，深圳市東信高科自動(dòng)化設(shè)備有限公司），恒溫振蕩器（BE-3200，其林貝爾），鼓風(fēng)干燥箱（KTD-6000，坤天），打孔器，橡膠刮板。

試劑：氯化鉀（KCl）、鹽酸（HCl）、二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）均購買于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，4 g／L 氧化石墨烯（graphene oxide，GO）水溶液購買于福州益環(huán)碳素有限公司，MAA、乙二醇二甲基丙烯酸酯（ethylene glycol dimethacrylate，EGDMA）、醋酸鎘（二水）（cadmiumacetate）購買于西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司，醋酸（acetic acid）、醋酸鈉（sodium acetate）（三水）、乙醇、三氯丙基三甲氧基硅烷（3-chloropropyl trimethoxysilane）、偶氮二異丁腈（AIBN）、PEI、二乙基二硫代氨基甲酸鈉三水合物（Sodium diethyldithiocarbamate trihydrate）、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）離子標(biāo)準(zhǔn)溶液購買于上海麥克林生化科技有限公司，Whatman 1＃濾紙購買于上海省惠商貿(mào)有限公司，碳油墨和銀／氯化銀油墨購買于廣州市銀標(biāo)貿(mào)易有限公司。以上所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制備紙基絲網(wǎng)印刷電極

1）設(shè)計(jì)電極圖案

絲網(wǎng)印刷電極一般使用三電極系統(tǒng)，即工作電極（working electrode，WE）、參比電極（reference electrode，RE）和對(duì)電極（counter electrode，CE），設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

圖1 絲網(wǎng)印刷電極示意

2）定制模板。按照?qǐng)D1定制200目絲網(wǎng)印刷模板。

3）制備疏水屏障。使用噴蠟打印機(jī)將設(shè)計(jì)好的圖案打印在濾紙上，烘箱140 ℃加熱60 s后蠟融化，形成疏水屏障。

4）WE與CE的印刷與固化。將上一步處理好的濾紙置于圖1（a）模板下，取適量親水碳油墨于模板上，橡膠刮板與模板夾角約為75°，用力向下印刷后再將油墨反方向回推。將印刷好的濾紙放入烘箱，120 ℃固化10 min。

5）將刮板和模板清洗干凈，晾干。

6）RE的印刷與固化。將步驟（4）中的處理好的濾紙放入圖1（b）模板下，調(diào)整位置使印刷后圖案與圖1（c）一致。使用銀／氯化銀油墨，采用步驟（4）中相同的方法進(jìn)行印刷。印刷后在烘箱中120 ℃固化30 min。

圖2展示了紙基電極的分層、完整組裝示意與制備的實(shí)物。

圖2 紙基電極組裝

1.2.2 石墨烯修飾紙基電極

石墨烯具有高導(dǎo)電性和高比表面積等優(yōu)點(diǎn)［10］，對(duì)電極進(jìn)行修飾可以大幅提高其工作性能。采用循環(huán)伏安法（cyclic voltammetry，CV）將石墨烯修飾到1.2.1 小節(jié)制備完成的紙基電極上。首先，配制2 g／L 的GO 溶液，其電解質(zhì)為0.05 mol／L KCl；然后，使用移液槍將該修飾溶液滴涂至電極表面，使溶液均勻地覆蓋電極，并利用CV法將GO還原在紙基電極表面。其中，電壓掃描范圍為-1.5 ～1 V，掃描速率為0.05 V／s，沉積時(shí)間為400 s。掃描結(jié)束后，用大量去離子水對(duì)電極進(jìn)行清洗，晾干，從而制得還原氧化石墨烯修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極（reduced graphene oxide screen printed carbon electrode，rGO／SPCE）。

1.2.3 制備Cd（Ⅱ）-IIP＠paper

將Whatman 1＃濾紙裁切為2 cm×8 cm尺寸的長方形條狀，用等離子清洗機(jī)激活濾紙正反兩面羥基（-OH）85 s。將處理過的濾紙條放入四氟塞耐壓瓶中，其瓶蓋用移液槍滴加5 μL三氯丙基三甲氧基硅烷，最后將耐壓瓶置于80 ℃烘箱中6 h。處理結(jié)束后，用打孔器將濾紙條打孔成直徑1 cm的圓形紙片；在室溫下稱量676 g二乙基二硫代氨基甲酸鈉三水合物溶解在10 mL 乙醇中，將上一步的圓形紙片放入其中，使用恒溫振蕩器處理12 h，未反應(yīng)的試劑用乙醇清洗干凈。

將0.09 g PEI，25.4 μL MAA，0.053 g 醋酸鎘和0.05 g AIBN放入5 mL DMSO溶液中，超聲1 h，使其混合均勻；向混合溶液中加入377 μL EGDMA 后再次超聲15 min，得到分散均勻的離子印跡制備液。將該制備液滴加到經(jīng)處理的圓形濾紙片上，使用波長為254 nm的紫外燈連續(xù)照射12 h；照射結(jié)束后用乙醇和去離子水清洗濾紙片，隨后將紙片放入0.1 mol／L的HCl溶液中洗脫模板Cd（Ⅱ），經(jīng)自然干燥后得到Cd（Ⅱ）-IIP＠paper。為了進(jìn)行對(duì)照，除不加醋酸鎘外，上述操作與制備Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 完全相同，得到的非IIP稱為NIP＠paper。

1.2.4 Cd（Ⅱ）的電化學(xué)檢測步驟

添加待測溶液，使其流入Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 表面并均勻覆蓋以預(yù)富集Cd（Ⅱ），10 min 后由去離子水洗掉多余溶液，然后再向Cd（Ⅱ）-IIP＠paper滴加0.1 mol／L HCl以洗脫模板，8 min 后使富集純化后的Cd（Ⅱ）溶液流入rGO／SPCE＠paper進(jìn)行電化學(xué)檢測。其中電化學(xué)檢測部分設(shè)置如下：電位階躍為4 mV，頻率為15 Hz，振幅為25 mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 表 征

2.1.1 蠟疏水屏障和石墨烯修飾電極形貌表征

疏水屏障是否成功制備可以通過蠟印前后濾紙的形貌變化來判斷，如圖3（a）、（b）所示。可以觀察到，蠟印前濾紙的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖中紙纖維之間存在明顯的孔隙，蠟印后孔隙大幅減少，紙纖維表面還附著了一層薄膜，可阻止液體的滲透，即形成了疏水屏障。通過SEM 分別觀察紙基碳油墨WE 和石墨烯修飾紙基WE。由圖3（c）可明顯觀察到大量分布均勻的石墨薄片，石墨薄片通過油墨中的小顆粒聚合物粘合固定。與裸WE 相比，由圖3（d）可以觀察到還原氧化石墨烯（rGO）的褶皺起伏的片層結(jié)構(gòu)，石墨薄片在褶皺結(jié)構(gòu)下依稀顯露出來，表明rGO已成功修飾到WE表面，增加了電極的活性面積，提高了其電化學(xué)性能。

圖3 SEM表征圖

2.1.2 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper電化學(xué)表征

采用SWASV方法分別對(duì)Cd（Ⅱ）-IIP＠paper和NIP＠paper富集Cd（Ⅱ）的能力進(jìn)行電化學(xué)測試。部分參數(shù)如下：富集電位取-1. 2 V，富集時(shí)間取120 s，電解質(zhì)為0.1 mol／L 醋酸-醋酸鈉緩沖溶液（pH ＝5.2），電位范圍為-1.2 ～-0.4 V，結(jié)果如圖4 所示。Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 的峰值電流響應(yīng)遠(yuǎn)高于NIP＠paper，充分說明制備的Cd（Ⅱ）-IIP＠paper表面的印跡位點(diǎn)能夠與Cd（Ⅱ）有效結(jié)合，從而高效富集和分離Cd（Ⅱ）。

圖4 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper和NIP＠paper電化學(xué)性能表征

2.2 優(yōu) 化

2.2.1 石墨烯沉積時(shí)間優(yōu)化

圖5比較了石墨烯沉積時(shí)間對(duì)峰值電流的影響?？梢杂^察到，當(dāng)沉積時(shí)間從200 s 增加到400 s 時(shí)，峰值電流增加，說明逐漸沉積在電極表面的石墨烯大幅提升了電極的電子轉(zhuǎn)移速率，增強(qiáng)了電極的導(dǎo)電性；400 s 之后電流峰值開始下降，這是由于電極表面積有限，沉積時(shí)間過長致使修飾的石墨烯越來越厚，阻礙了電子的傳輸。因此，選取400 s為最優(yōu)沉積時(shí)間。

圖5 石墨烯修飾電極在不同沉積時(shí)間下的CV曲線

2.2.2 Cd（Ⅱ）預(yù)富集時(shí)間優(yōu)化

預(yù)富集時(shí)間是指Cd（Ⅱ）-IIP＠paper對(duì)Cd（Ⅱ）溶液的吸附時(shí)間，若預(yù)富集時(shí)間太短，Cd（Ⅱ）只能部分與印跡位點(diǎn)結(jié)合，導(dǎo)致電極響應(yīng)低。采用SWASV 方法測試最佳吸附富集時(shí)間，其中洗脫時(shí)間為8 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。溶出峰值電流隨吸附富集時(shí)間的增加而不斷增加，當(dāng)吸附富集時(shí)間大于10 min時(shí)，電流響應(yīng)曲線逐漸平緩，為減少等待時(shí)間，選擇10 min為后續(xù)Cd（Ⅱ）的最佳吸附富集時(shí)間。

圖6 Cd（Ⅱ）預(yù)富集時(shí)間和洗脫時(shí)間優(yōu)化

2.2.3 Cd（Ⅱ）洗脫時(shí)間優(yōu)化

圖6還記錄了不同洗脫時(shí)間下峰值電流與洗脫時(shí)間的關(guān)系曲線?？梢杂^察到，洗脫時(shí)間為8 min時(shí)電流響應(yīng)最強(qiáng)。原因可能是隨著時(shí)間增加，洗脫的Cd（Ⅱ）增多，電流強(qiáng)度增強(qiáng)；在8 min時(shí)，Cd（Ⅱ）恰好洗脫完全，之后電流響應(yīng)趨于穩(wěn)定。因此，選取8 min為最優(yōu)洗脫時(shí)間。

2.3 線性標(biāo)準(zhǔn)曲線

在確定的優(yōu)化檢測條件下，通過SWASV 實(shí)驗(yàn)，分析了Cd（Ⅱ）-IIP＠paper電化學(xué)傳感器對(duì)多個(gè)濃度Cd（Ⅱ）的電流響應(yīng)，如圖7 所示。由圖可以明顯觀察到，Cd（Ⅱ）濃度在5 ～100 μg／L范圍內(nèi)時(shí)，電流響應(yīng)強(qiáng)度隨著濃度的增加而逐漸增加，表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。其中，線性擬合曲線為I＝0.117 7c＋8.616 8（I為氧化峰的峰值電流，c為Cd（Ⅱ）的濃度，R2＝0.992 1）?；谛旁氡葹?（S／N＝3），計(jì)算出檢出限LOD ＝0. 91 μg／L，低于國內(nèi)飲用水中Cd（Ⅱ）濃度限值（5 μg／L）。

圖7 優(yōu)化檢測條件下的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.4 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper的重復(fù)性和穩(wěn)定性

首先，對(duì)Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 的重復(fù)性進(jìn)行測試，連續(xù)測量12次的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為3.64%，這說明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper具有良好的重復(fù)性；然后，對(duì)Cd（Ⅱ）-IIP＠paper進(jìn)行穩(wěn)定性測試，即同一個(gè)Cd（Ⅱ）-IIP＠paper在3天內(nèi)電流響應(yīng)變化情況，每次測量5 回取平均值，測試完成后在4 ℃環(huán)境中保存，結(jié)果如圖8（a）所示。Cd（Ⅱ）-IIP＠paper的穩(wěn)定性隨天數(shù)的增加而逐漸少量下降，3天后電流響應(yīng)下降了6.92%，這說明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper具有良好的穩(wěn)定性。

圖8 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper穩(wěn)定性和傳感器的選擇性

2.5 傳感器的選擇性

圖8 （b）記錄了加入濃度為20 倍Cd（Ⅱ）濃度的干擾離子后，Cd（Ⅱ）-IIP＠paper-SPCE-μPAD 電化學(xué)傳感器對(duì)Cd（Ⅱ）的選擇性。通過對(duì)比僅含Cd（Ⅱ）不加干擾離子（Ⅰ）和加入干擾離子時(shí)溶液的電流響應(yīng)（I0）發(fā)現(xiàn)，Cd（Ⅱ）的峰值電流波動(dòng)在10%以內(nèi)，表明制備的電化學(xué)傳感器對(duì)Cd（Ⅱ）具有較高的選擇性。

2.6 實(shí)際水樣檢測

表1給出了在北京市3個(gè)不同地方的實(shí)驗(yàn)樣品中加入Cd（Ⅱ）并進(jìn)行回收的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為確保準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前將3個(gè)水樣送檢，Cd（Ⅱ）檢測結(jié)果均小于1 μg／L，遠(yuǎn)低于國內(nèi)飲用水中Cd（Ⅱ）濃度限值5 μg／L。由表1可知，加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)的回收率在94.0%～104.4%之間，RSD均低于10%，說明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper傳感器在實(shí)際水樣的檢測中具有較好的檢測能力，可用于高靈敏度檢測復(fù)雜水樣中的Cd（Ⅱ）濃度。

表1 實(shí)際水樣Cd（Ⅱ）檢測

3 結(jié) 論

本文采用IIT在紙上制備了Cd（Ⅱ）-IIP＠paper，該聚合物可對(duì)Cd（Ⅱ）進(jìn)行預(yù)富集并對(duì)Cd（Ⅱ）具有特異性識(shí)別功能，再結(jié)合電化學(xué)法進(jìn)行檢測，確定的優(yōu)化檢測條件如下：石墨烯沉積時(shí)間400 s，預(yù)富集時(shí)間10 min，Cd（Ⅱ）洗脫時(shí)間8 min。優(yōu)化后檢測到Cd（Ⅱ）濃度在5 ～100 μg／L范圍內(nèi)時(shí)，其陽極溶出峰值電流與濃度存在明顯的線性關(guān)系，靈敏度為0.1177 μA／（μg·L-1），最低檢出限為0.91 μg／L，且表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和選擇性。對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，回收率在94.0%～104.4%之間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際水樣重金屬Cd（Ⅱ）的定量檢測。本文為現(xiàn)場快速檢測水質(zhì)痕量重金屬Cd（Ⅱ）提供了新方向，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。