Au-Pd合金纳米管修饰的尼古丁分子印迹膜传感器的研究

常艳兵，冯亚娟，何 琼

(曲靖师范学院化学化工学院，云南曲靖 655011)

尼古丁又名烟碱，它是一种无色、透明的油状挥发性液体[1]。尼古丁具有较长的残存期，并会在人和动物体内蓄积而发生中毒，是烟草致癌致肺部病变的主要毒物之一。因此，尼古丁的含量分析是烟草及其制品质量控制中的一项重要检测项目。目前，尼古丁的测定方法主要有气相色谱法[2]、高效液相色谱法[3]、分光光度法[4]、光谱法[5]、气相色谱-质谱联用法[6]等。这些方法操作复杂，使用设备昂贵，选择性差。相对而言，电化学传感器方法则比较简便，选择性好，仪器设备经济实惠。

分子印迹聚合物是对模板分子具有记忆识别能力的一类新型高分子功能材料，因其具有选择性强、制备简便、化学性质稳定等特点，已广泛应用在固相萃取、色谱分离、化学传感、催化合成及药物传送等领域[7 - 9]。贵金属Au、Pd纳米材料具有较高的比表面积、较好的催化活性、吸附能力强和生物相容性好等优点[10 - 12]。本文将制备的Au-Pd合金修饰的玻碳电极作为工作电极，采用循环伏安法将邻氨基酚与尼古丁电沉积在工作电极上，制得对尼古丁具有特异识别的尼古丁分子印迹聚邻氨基酚敏感膜化学传感器，用该传感器对抽烟人群血液中尼古丁的含量进行检测，获得较好的结果。

1 实验部分

1.1 实验仪器及药品

CHI660C电化学工作站(上海辰华仪器公司)；扫描电镜(荷兰，飞利浦有限公司)；X射线能谱仪(美国,伊达克斯有限公司)；85-2恒温磁力搅拌器(常州国华电器有限公司)；超声波清洗器(上海超声波仪器厂)。三电极系统：Au-Pd合金修饰玻碳电极(GCE)为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极。

尼古丁标样(纯度≥98.8%，云南烟草研究院提供)；多孔聚碳酸酯模板(PC，0.2 mm，美国沃特曼公司)；邻氨基酚(上海化学试剂厂)；HAuCl4、Pd(NO3)2(成都时代纳米有限责任公司)；0.1 mol/L的磷酸盐缓冲溶液；0.01 mol/L K3[Fe(CN)]6溶液；其余试剂均为分析纯。所用水均为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

1.2.1电沉积法制备Au-Pd合金纳米管取一块单面喷金的PC模板，用导电胶将铜丝与PC模板喷金的一面粘在一起，超声清洗2 min，将其作为工作电极。将制备好的工作电极、铂电极及饱和甘汞电极三电极体系置于HAuCl4(2.5×10-3mol/L)、Pd(NO3)2(3.6×10-3mol/L)和KCl(1 mol/L)混合液中浸泡20 min，使PC膜板充分浸泡，电解液进入孔内，润湿内壁。然后接通电源，在-1.80 V的恒电位下沉积30 min，取出沉积模板依次用乙醇、二次蒸馏水进行清洗，自然晾干。

1.2.2尼古丁分子印迹膜传感器的制备取10 μL壳聚糖乙酸溶液(m/V=0.5%)滴于预处理好的玻碳电极上，剪一块φ=3 mm的沉积有Au-Pd合金的圆形PC模板，将喷金面贴于壳聚糖乙酸溶液表面，自然晾干。用氯仿-乙醇(体积比为1∶1)的混合液溶解模板直至完全溶解，用二次蒸馏水清洗晾干。采用“致孔剂印迹技术”[15，16]，将1.25×10-3mol/L邻氨基酚(OAP)用0.1 mol/L HClO4溶解，再用 0.4 mol/L的NaOH调节溶液的pH值，定容至 25 mL，取 10 mL该溶液，加入10 μL尼古丁标液混匀。将Au-Pd合金修饰的玻碳电极作为工作电极置于其中，用循环伏安法扫描30圈，扫描范围-0.2～1.2 V，扫描速度 50 mV/s，扫描过程中OAP形成聚合膜包裹着尼古丁分子沉积在电极的表面，用0.5 mol/L的 H2SO4洗涤，除去聚合物基质中的尼古丁分子，制成保留有尼古丁分子构型孔穴的分子印迹膜传感器。

1.2.3实验原理及方法邻氨基酚在酸性溶液中可电聚合成均匀、致密的聚邻氨基酚膜(POAP)，该膜具有“张开”的结构[17]。在弱酸性条件下加入尼古丁时，尼古丁分子被POAP膜包裹在内。用 0.5 mol/L的H2SO4进行洗脱，由于形成分子印迹膜的氢键作用被破坏，尼古丁分子从分子印迹膜立体孔穴中逸出[18]。当用尼古丁分子印迹膜传感器测定尼古丁时，由于尼古丁分子进入分子印迹膜中，阻碍电子的传递，引起传感响应，从而达到定量测定的目的。尼古丁分子印迹膜的制备过程如图1所示。

取9.9 mL 0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH=7.00)和0.1 mL(0.01 mol/L)K3[Fe(CN)6]溶液混均后作为探针溶液，加入适量尼古丁标准溶液，将Au-Pd合金修饰的尼古丁分子印迹膜传感器置于其中，采用差分脉冲伏安法在-0.2～0.8 V进行扫描，在电位为0.2 V左右检测峰电流的变化情况，从而达到定量检测尼古丁含量的目的。

1.3 尼古丁分子印迹膜的再生

在0.01 mol/L K3[Fe(CN)]6溶液中，尼古丁分子会进入分子印迹膜立体孔穴中阻碍电子的传递，从而影响尼古丁分子印迹膜传感器的寿命。将Au-Pd合金修饰的尼古丁分子印迹膜传感器置于0.5 mol/L 的H2SO4中富集1 min，采用循环伏安法，扫速为50 mV/s，扫描范围-1.0～1.0 V，扫描10圈，即可将进入分子印迹膜立体孔穴中的尼古丁分子洗脱出来，而不破坏分子印迹膜，尼古丁分子印迹膜传感器得以再生，可重复使用。

2 结果与讨论

2.1 Au-Pd合金纳米管的形貌及能谱

用扫描电镜(SEM)观测Au-Pd合金的形貌(图2)，通过扫描电镜图可以看出，Au-Pd合金成中空管状，排列紧密、整齐，口径大小均匀，直径约为200 nm。通过能谱分析仪对Au-Pd合金进行定性和定量分析(图3)，从图中可以看出，合金主要由Au和Pd两种主要元素组成，且含量固定，合金中Au的含量明显高于Pd。

2.2 不同修饰电极在K3[Fe(CN)]6溶液中的循环伏安行为

图4为不同修饰电极在0.1 mol/LKNO3电解液中加入2.0×10-4mol/L K3[Fe(CN)6]溶液的循环伏安图。从图中可以看出，Au-Pd合金修饰的玻碳电极的氧化还原峰高于Au纳米颗粒修饰的电极，且明显高于裸玻碳电极，说明Au-Pd合金纳米管已很好的组装在电极表面，由于Au-Pd合金纳米管具有较大的比表面积，增加了修饰电极与[Fe(CN)6]3-离子的接触，提高了电子转移的速率。

2.3 检测尼古丁的原理

本实验采用差分脉冲伏安法进行尼古丁的测定，在 0.01 mol/L K3[Fe(CN)6]溶液中，[Fe(CN)6]3-离子在Au-Pd合金纳米管修饰的尼古丁分子印迹膜传感器表面发生电化学还原反应，峰电流值为 2.271×10-5A(图5曲线a)；当加入模板分子尼古丁(4.0×10-4mol/L)后，在其表面的峰电流明显下降，其峰值降为5.122×10-6A(图5曲线b)；然而，[Fe(CN)6]3-离子在电沉积了印迹膜和非印迹膜的Au-Pd /GCE表面却基本没有电化学反应发生(图5曲线c、曲线d)，说明印迹膜和非印迹膜为不导电致密膜。结果表明，洗脱模板分子后的印迹膜保留有能对模板分子尼古丁识别的三维印迹孔穴，[Fe(CN)6]3-离子可通过印迹孔穴扩散至Au-Pd合金纳米管修饰的电极表面，发生电化学还原反应，而当尼古丁分子进入印迹孔穴后，孔穴封闭，[Fe(CN)6]3-离子扩散受阻，[Fe(CN)6]3-离子进入Au-Pd合金纳米管修饰电极表面的浓度减小，从而使得还原电流减小，即可通过还原电流减小的差值间接地计算尼古丁的含量。

2.4 实验条件的优化

2.4.1聚碳酸酯模板溶解时间对尼古丁测定的影响为了考察聚碳酸酯模板溶解时间对尼古丁测定的影响，用氯仿和乙醇(体积比为1∶1)的混合液溶解喷金模板，对不同溶解时间进行比较。实验表明，Au-Pd合金纳米管修饰电极的峰电流随着溶解时间的增长而增加，当溶解时间超过15 min后，峰电流又会减小。这是由于随着溶解时间的增加，聚碳酸酯模板溶解程度就会增加，以致于Au-Pd合金纳米管被破坏，不能垂直排列在电极表面，所以峰电流又会减小。因此，本实验酸酯模板的溶解时间确定为15 min。

2.4.2富集时间对尼古丁测定的影响考察了不同的富集时间对尼古丁测定的影响，当富集时间从30 s增加到240 s时，峰电流在逐渐减小，峰电流减少的原因是随着时间的推移，模板分子尼古丁进入分子印迹膜三维立体孔状中的量就越多，就会阻碍[Fe(CN)6]3-与尼古丁分子印迹膜传感器表面的接触；但从240 s到360 s期间，电流趋近于平衡，基本上没有再发生变化，说明此时加入电解池中的模板分子尼古丁已完全富集在电极上，并且完全进入分子印迹膜的三维立体孔穴中，所以本实验选择240 s作为最佳的富集时间。

2.4.3pH值对尼古丁测定的影响比较了不同pH值的磷酸盐缓冲体系对尼古丁峰电流和峰电位的影响，实验证实溶液的pH值对尼古丁响应的峰电流和峰电位均有一定影响。尼古丁在pH值为1.0至7.0的磷酸盐缓冲溶液中，峰电流随pH值的增大而逐渐减小，表明尼古丁分子印迹膜传感器表面的分子印迹膜对尼古丁的响应越好，尼古丁进入三维立体空穴中的含量就越多，阻碍[Fe(CN)6]3-溶液与该传感器表面的接触，从而阻碍电子的传递，引起峰电流的减小；在pH值为8.0至10.0的磷酸盐缓冲溶液中，没有峰电流，说明在此缓冲范围分子印迹膜对尼古丁分子没有响应，所以本实验选择最佳pH值为7.0。

2.5 尼古丁分子印迹膜传感器的性能

在优化实验条件下，采用差分脉冲伏安法对不同浓度的尼古丁进行测定。尼古丁分子印迹膜传感器在1.2×10-7～2.5×10-3mol/L范围内具有良好的线性关系，检出限为4.6×10-8mol/L。其线性回归方程为:△ip(μA)=0.05554c+7.638×10-8(R=0.9992)。

2.6 干扰实验与重现性

由于分子印迹效应的存在，此传感器对尼古丁分子有良好的选择性，在最优实验条件下，研究了一些常见药物成分对尼古丁检测的干扰影响。分别加入10倍的干扰物进行检测，5次平行检测的平均值列于表1。由检测结果可知，由于可卡因、硫酸阿托品与尼古丁的结构性质存在相似之处，有较弱的干扰性，其他物质基本无干扰现象，说明该传感器具有较强的抗干扰能力。

表1 干扰物质对传感器的影响

在含有4.0×10-4mol/L尼古丁的0.5 mol/L H2SO4溶液中，采用循环伏安法考察尼古丁分子印迹膜传感器的重现性。将同一根传感器分别放置7、11、13、15、17 d后，分别进行5次平行测定，电流响应值变化不大，相对标准偏差(RSD)为4.14%，显示了良好的重现性。但随着传感器放置时间的延长，电流响应将逐渐减小至失效。

2.7 试样分析

在优化实验条件下，取不吸烟者的空白血清，加入不同浓度的标准尼古丁溶液，按实验方法进行检测，加标回收测定结果列于表2。从检测结果可以看出，回收率较好，相对标准偏差较低。

用该尼古丁分子印迹膜传感器对7份吸烟者的血清样品(曲靖市第一人民医院提供)进行检测，检测结果与该院用放射免疫测定法(RIA)结果基本一致，相对误差小于±5%，表明该传感器能用于临床上血样中尼古丁的检测。

表2 加标回收的测定结果

3 结论

本文将制备的Au-Pd合金修饰到玻碳电极上作为工作电极，采用循环伏安法将邻氨基酚与尼古丁电沉积在工作电极上，制得对尼古丁具有特异识别的尼古丁分子印迹膜传感器。在优化实验条件下，该传感器在1.2×10-7～2.5×10-3mol/L范围内具有良好的线性关系，检出限为4.6×10-8mol/L。该传感器具有灵敏度高、线性范围宽、重现性及稳定性好等优点。