韦贻春 余会成 ��李浩 陈其锋 韦冬萍 雷福厚 谭学才
摘要采用N,N′亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为功能单体、钯纳米粒子为掺杂剂、马来松香丙烯酸乙二醇酯为交联剂,在玻碳电极上热聚合具有三甲氧苄啶(TMP)识别性能的钯纳米材料修饰的分子印迹传感膜。采用扫描电镜及红外光谱对合成的钯纳米材料、印迹传感膜的形貌及其结构进行了表征; 采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对钯纳米粒子掺杂的印迹电极与无掺杂电极的电化学性能进行了研究。结果表明,纳米粒子掺杂的印迹电极与无掺杂电极的表面形貌及电化学性能明显不同。差分脉冲伏安法(DPV)表征结果表明,TMP的浓度在5.0×10
Symbolm@@ 7~4.0 ×10
Symbolm@@ 3 mol/L范围内与脉冲峰电流呈良好的线性关系(R=0.9995),检出限为3.2×10
Symbolm@@ 8 mol/L (S/N=3)。此钯纳米粒子掺杂的印迹传感器具有较高的灵敏度。即时电流测定结果表明,新诺明(SMZ)、磺胺嘧啶(SDZ)、葡萄糖 (Glu)、尿素 (Urea)对三甲氧苄啶(TMP)的测定不产生干扰。将此印迹传感器用于实际样品中TMP的检测,加标回收率为96.8%~102.0%。
关键词钯纳米粒子; 三甲氧苄啶; 传感器; 分子印迹聚合物; 马来松香丙烯酸乙二醇酯
1引 言
三甲氧苄啶 (Trimethoprim, TMP)是一种抗菌药,主要用于治疗呼吸道与消化道感染、败血症、蜂窝组织炎等。如与磺胺药物合用,可使细菌的叶酸代谢遭到双重阻断,对磺胺药物的增效作用可达数十倍。TMP还能增强抗菌药物(如四环素、青霉素、红霉素等)的抗菌作用。由于TMP对磺胺药物具有增效作用,在养殖业和医疗中被大量使用[1~3],但剂量过高会导致肾及肝功能不全。准确检测动物及人体代谢物中TMP药物的含量,对于临床治疗上确定合理的给药方案、减少毒副作用具有重要意义。三甲氧苄啶测定通常采用光谱法[4]、色谱质谱法[5,6]以及毛细管电泳法[7]等。然而,这些方法存在设备昂贵或操作繁琐,线性范围窄、检测灵敏度较低、分析成本高等缺点。电化学检测方法具有快速灵敏、操作方便、价格低廉及可在线检测等特点。因此,近年来TMP的电化学分析方法备受关注[8,9]。
电化学分子印迹传感器可以针对目标物进行预定性定制,具有较高选择性,可实现对目标分子的专一识别,其识别能力可与天然的生物识别系统(酶与底物)相比,具有制备简单、稳定性好、寿命长、易保存、成本低等优点[10~13]。然而有机单体合成的印迹热聚合传感膜的导电率较低,电子传递较慢,识别位点不多,导致传感器的灵敏度较差[14]。为了增加导电性能、加快电子的传递速率、增加识别位点,研究者将纳米材料与分子印迹技术结合,提高印迹膜的灵敏度,如将碳纳米管[15]、石墨稀[16]修饰基础电极表面或掺杂到聚合膜中。
由于合成的金属(及化合物)纳米材料的形貌可控及尺度可调,并且导电性能高、电催化能力强,目前,采用合成的金属纳米材料提高传感膜的灵敏度已成为研究热点。近年来的研究主要采用纳米金粒子[17]、纳米银粒子[18]修饰分子印迹传感膜。钯是重要的铂系金属材料,价格相对便宜,采用钯纳米材料修饰传感膜,可极大地加快传感膜的电子传递。Aziz等[19]建立了钯纳米粒子修饰的双氧水检测传感器,显著提高了该传感器的灵敏度。Chen等[20]合成了雪花状的核壳型纳米AuPd,以此修饰了葡萄糖氧化酶传感器,对葡萄糖的测定具有较好的电催化氧化效果。目前,尚未见将钯纳米材料应用于分子印迹热聚合膜电化学传感器方面的研究报道。本研究合成一种钯纳米材料作为掺杂剂,以N,N′亚甲基双丙烯酰胺为功能单体、马来松香丙烯酸乙二醇酯为交联剂,在玻碳电极上热聚合三甲氧苄啶(TMP)分子印迹传感膜。构建的印迹传感器具有较高的灵敏度,用于实际样品中TMP的检测,结果令人满意。
2实验部分
2.1仪器与试剂
CHI660E型电化学工作站 (上海辰华仪器有限公司);三电极体系:工作电极为玻碳电极(GCE, Φ=2 mm),参比电极为甘汞电极,对电极为铂丝电极 (上海辰华仪器有限公司);Nicolet IS10傅里叶变换红外光谱仪(赛默飞世尔科技);Ultima Ⅳ型X 射线衍射仪(日本理学株式会社);SUPRA 40/40VP场发射扫描电镜 (德国卡尔蔡司公司);PHS3C型pH计(上海雷磁仪器厂)。
三甲氧苄啶(TMP,纯度≥99.0%)、新诺明(SMZ, 分析纯)、磺胺嘧啶(SDZ, 纯度≥99.0%)、葡萄糖 (Glu, 纯度≥99.5%)、尿素(Urea, 纯度≥99.5%)、N,N′亚甲基双丙烯酰胺(MBA,纯度99%)、氯化钯(PdCl2,纯度99%)均购自Sigma公司;偶氮二异丁腈(AIBN,纯度98%)、正己烷(纯度 ≥ 95%)、异丙醇(纯度 ≥ 99.7%)、丙酮 (纯度99.7%)及无水乙醇 (纯度99.7%) 均购自天津科密欧化学试剂厂。马来松香丙烯酸乙二醇酯(EGMRA)按文献[21]制备。除特殊说明外, 所有试剂均为分析纯,实验用水为超纯水 (18.3 MΩ·cm)。
2.2实验方法
2.2.1钯纳米粒子的合成钯纳米粒子的合成参考文献[22]并稍作改进。取10 mL浓HCl,加入177.3 mg PdCl2,搅拌5 min,加入5℃预冷的100 mL超纯水并搅拌,再加入0.2 mol/L K2CO3溶液2.0 mL; 在不斷搅拌的条件下,迅速加入新配制的0.5 mg/mL KBH4溶液40 mL,反应2 h后, 10000 r/min离心6 min,用超纯水及异丙醇洗涤沉淀3次,在80℃下真空干燥2 h。
2.2.2修饰电极的制备用氧化铝抛光粉将玻碳电极抛光成镜面,再依次采用1∶1(V/V)稀HNO3、乙醇和二次蒸馏水超声清洗5 min,自然干燥备用。endprint
将0.0771 g功能单体MBA、0.0435 g模板分子TMP 加入10 mL乙腈中,超声10 min使模板分子与功能单体充分混匀,再依次加入0.5122 g交联剂EGMRA、0.0041 g引发剂AIBN及10 mg合成的钯纳米粒子,混匀10 min;准确量取8 μL此混合液,均匀滴涂在已抛光好的电极表面,置于65℃的真空干燥箱内干燥5 h,再用乙腈醋酸(1∶3, V/V)的混合液洗脱 15 min,所得电极记为MIP/NanoPd/GCE电极。
除了不加模板分子TMP外,纳米非印迹电极的制备过程均与印迹电极相同,所得非印迹电极记为NIP/NanoPd/GCE电极;除了不加钯纳米粒子外,无纳米修饰的印迹电极制备与钯纳米粒子修饰的印迹电极的制备过程相似,所得电极记为MIP/GCE电极。
2.2.3电化学检测将不同电极在5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]0.5 mol/L KCl电解质溶液(pH 6.5)中进行循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)测试。差分脉冲伏安法(DPV)及计时电流法 (CA)测试在0.01 mol/L H2SO4溶液中进行。
2.2.4实际样品分析随机收集学生尿液样品经过8000 r/min离心8 min,取其清液样品100 mL,加入100 mL 0.02 mol/L H2SO4(三甲氧苄啶易溶于H2SO4),混匀, 待测。
3结果与讨论
3.1实验条件的优化
3.1.1功能单体与模板分子的配比固定N,N′亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.050 mol/L,模板分子TMP的浓度分别为0.005、0.010、0.015、0.025、0.035和0.045 mol/L,制作印迹电极,并在0.1 mmol/L三甲氧苄啶(TMP)的 0.01 mmol/L H2SO4底液中进行DPV实验。从图1A可见,起始时随着聚合膜中模板分子TMP浓度增加,DPV响应电流ΔIp也增加,但当TMP的浓度超过0.015 mo/L时,ΔIp开始降低。因为模板分子在功能单体聚合膜中通过氢键交联产生的识别点,适量的模板分子可能使模板分子在聚合膜中处于较好的交联状态,有利于增加识别点的数量;过量模板分子可能使模板分子在聚合膜中处于交联混乱状态,不利于形成印迹识别点,导致响应电流ΔIp降低。因此选取TMP的范围浓度为0.015
Symbol~A@ 0.025 mol/L。
3.1.2洗脱剂浓度的选择将制得的电极分别在乙腈乙酸(2∶1、1∶1、1∶:2、1∶3、1∶4, V/V)混合液中进行洗脱,洗脱时间15 min,搅拌速率300 r/min,并在0.01 mmol/L TMPH2SO4底液中进行DPV测试,结果如图1B所示。开始阶段,随着乙酸的浓度比例增大(从2∶1到1∶2),ΔIp也增大;乙酸的体积比浓度继续增大到1:3时,DPV峰电流开始降低。这是由于模板分子TMP易溶于酸,且乙酸的极性较强,可将模板分子TMP从聚合膜洗脱下来。洗脱剂乙腈对聚合膜主要起溶解致孔作用[23],但乙酸浓度比例过大,可能对聚合膜的溶解作用过小,印迹膜的“孔穴”较少,导致识别点减少,响应电流ΔIp降低。因此,乙腈与乙酸的体积比选择为1∶2~1∶3较为适合。
3.1.3洗脱时间的选择将制得的电极在乙腈乙酸(1∶2, V/V)混合液中洗脱,每隔5 min在0.01 mmol/L TMPH2SO4底液中进行DPV测试,结果如图1C所示。随着洗脱时间延长,响应电流ΔIp增大;超过15 min,ΔIp开始降低。因为起始时,随着洗脱时间延长,模板分子从聚合中脱附下来,印迹点不断地增多,但洗脱时间过长时会破坏印迹膜的结构。因此,选择15 min为最佳洗脱时间。
3.1.4孵化时间的选择将制得的MIP/NanoPd/GCE电极在0.01 mmol/L TMPH2SO4底液中进行孵化,电极孵化时间为2~12 min,每隔2 min同样进行DPV测试,实验结果如图1D所示。开始时,随着孵化时间延长,DPV的响应峰电流ΔIp增加;当孵化时间达到8 min 时,印迹电极的响应峰电流逐渐趋于稳定,这表明模板分子MIP占据印迹“孔穴”识别点已接近饱和,即8 min后模板分子已达到吸附解离平衡状态,因此,印迹电极孵化时间选择8 min。
3.2合成的材料及印迹电极的表征
3.2.1材料及印迹电极的光谱表征合成的Pd材料及其修饰印迹膜的扫描电镜图与洗脱前后的红外光谱图如图2所示。
3.2.2钯纳米修饰印迹膜的电化学表征采用K3[Fe(CN)6]作为电子探针测定钯纳米修饰印迹膜的循环伏安(CV)、交流阻抗谱的Nyquist图。裸玻碳电极(曲线a)、MIP/NanoPd/GCE电极(曲线b)、在10.0 μmol/L三甲氧苄啶(TMP)溶液中孵化8 min后的MIP/NanoPd /GCE电极(曲线c)、MIP/GCE电极(曲线d)及NIP/NanoPd/GCE电极(曲线e)的CV及Nyquist图分别如图3A及图3B所示。
由图3A可见,裸玻碳电极(曲线a) 在K3[Fe(CN)6]0.5 mol/L KCl溶液(pH 6.5)中的氧化还原峰电流值最大, 然而聚合了非印迹膜后的NIP/NanoPd/GCE电极(曲线e)没有观察到氧化还原峰,这是由于非印迹膜是一种结构致密的复合膜层,导电性能較差,探针离子[Fe(CN)6]3
Symbolm@@ 很难在其上进行电子传递;MIP/GCE电极(曲线d)虽然存在一些识别位点,可观察到一对氧化还原峰,但峰电流很弱,这是由于MIP是一种有机高分子膜,导电性能较差;但印迹膜被钯纳米粒子修饰后形成的MIP/NanoPd/GCE电极(曲线b)的氧化还原峰电流值显著增加,这是由于钯纳米粒子不但增加了膜层的导电性能,而且增加了印迹膜的有效面积,从而增加印迹膜表面的“孔穴”数量,加快了探针[Fe(CN)6]3endprint
Symbolm@@ 离子在其表面上的电子传输速率;在TMP溶液中,孵化后的MIP/NanoPd /GCE电极(曲线c)的氧化还原峰电流值降低,这是由于印迹膜的“孔穴”被模板分子(TMP)占据,阻塞了探针离子的传输通道。
交流阻抗Nyquist图中高频区的半圆的直径对应于电极表面的电荷转移阻抗(Charge transfer resistance, Rct) 的大小,半圆的直径越小,Rct通常也越小,电子在电极表面上的电子转移越容易[25~27]。由图3B可见,裸玻碳电极(曲线a) 在交流阻抗谱图几乎是一条直线,这是因为裸玻碳电极的导电性能较好,探针离子[Fe(CN)6]3
Symbolm@@ 很容易在其表面上进行电子的交换与传递;NIP/ NanoPd/GCE电极(曲线e)的Rct约700 kΩ,这是因为非印迹膜是一种致密的膜层,导电性能较差;MIP/GCE电极(曲线d) 的Rct与非印迹NIP/NanoPd/GCE电极相比有所减小,说明探针离子虽然可在MIP/GCE电极表面上进行电子交换与传递,但这种交换与传递能力很弱;然而印迹膜被钯纳米粒子修饰后形成的MIP/NanoPd/GCE电极(曲线b)的Rct显著减小,说明钯纳米粒子不但增加了印迹膜的导电率,而且增加了印迹膜的面积,增加探针离子的在其表面交换的数量,从而加快了探针离子[Fe(CN)6]3
Symbolm@@ 在其表面上的电子交换与传输速率;在TMP溶液中孵化后的MIP/NanoPd /GCE电极(曲线c)的Rct增大,这是由于印迹膜的“孔穴”被模板分子(TMP)占据,阻碍了探针离子的电子交换与传输。
3.3钯纳米粒子修饰的印迹膜电极的检测性能
在0.01 mol/L H2SO4溶液中测试了MIP/NanoPd/GCE电极在不同TMP浓度中的DPV曲线(图4A),校正曲线如图4B所示。修饰电极MIP/NanoPd /GCE的DPV响应电流ΔIp与TMP的浓度在5.0×10
Symbolm@@ 7~4. 0 ×10
Symbolm@@ 3 mol/L范围内呈线性关系,线性方程为ΔIp (μA)=4.4942C(mmol/L) + 7.6732,相关系数为0. 9995,检出限为3.2×10
Symbolm@@ 8 mol/L(S/N=3)。以上结果表明,钯纳米粒子修饰电极MIP/NanoPd/GCE对TMP的检测具有良好的电子交换与传递作用。本方法的检出限低于文献[28]报道的采用石墨烯修饰印迹膜的TMP电化学传感器,这可能是由于石墨烯碳原子上的电子束缚在环上,电子的传递能力有限,致使石墨烯的导电能力及电子的传递能力不及钯纳米粒子。
Fig.4(A) Differential pulse voltammetry (DPV) curves of MIP/NanoPd/GCE for different concentrations of TMP (a → h, 0.005, 0.05, 0.10, 0.25, 0.50, 1.0, 2.0 and 4.0 mmol/L); (B) Calibration curve, inset is the enlarged profile from arrowmarked region. n=5. Pulse amplitude is 50 mV, pulse width is 0.1 s, scan rate is 5 mV/s
3.4傳感器的选择性和稳定性
采用计时电流法测试了干扰物对钯纳米修饰的三甲氧苄啶(TMP)分子印迹传器的干扰情况。在搅拌条件下,连续将三甲氧苄啶测定时的可能干扰物新诺明(SMZ)、磺胺嘧啶(SDZ)、葡萄糖 (Glu)、尿素 (Urea) 及目标物TMP各0.1 mmol/L添加到0.01 mol/L H2SO4溶液中,在电位为1.168 V下(差分脉冲法的峰电位)测试计时电流。由图5可见,这几种干扰物引起的干扰电流较小,可以忽略不计,表明制备的MIP/NanoPd/GCE的选择性良好。
用差分脉冲伏安法对0.1 mmol/L TMPH2SO4进行测试,5 次平行测定的峰电流相对标准偏差为2.9%,表明检测的重现性良好。平行制备了5 支相同的MIP/NanoPd/GCE修饰电极,测得峰电流ΔIp的相对标准偏差为2.8%,表明制备的MIP/NanoPd/GCE电极具有良好的制备重现性。将电极于室温下放置2个月后,其响应电流下降3.5%,
3.5实际样品分析
取2.2.4节中处理好的实际尿液样品,采用本方法未检出TMP;然后分别处理好的尿液样品中加入0.01、 0.05、 0.30、 1.00和3.00 mmol/L TMP,由表1可见,回收率为96.8%~102.0%, RSD为1.9%~2.9%(n=5),说明所构建的传感器可以满足实际样品检测的需要。
4结 论
采用硼氢化钾还原法制备钯纳米粒子,以此钯纳米粒子为掺杂剂,制备了具有高灵度及良好识别性能的TMP分子印迹传感器。结果表明,本印迹传感器具有较宽的线性范围,检出限为3.2×10
Symbolm@@ 8 mol/L。此印迹传感器具有良好的重现性、稳定性及选择性,制备过程简单,能够快速有效地检测药物中TMP,为TMP检测提供了一条有效途径。
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Preparation and Recognition Properties of Trimethoprim Sensor Based
on Palladium Nanoparticlesmodified Molecularly Imprinted Polymer
WEI YiChun1,3, YU HuiCheng*1,2, LI Hao1, CHEN QiFeng1, WEI DongPing2,3, LEI FuHou1, TAN XueCai2
1(Guangxi Key Laboratory of Chemistry and Engineering of Forest Products,
School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)
2(Key Laboratory of Guangxi Colleges and Universities for Food Safety and Pharmaceutical Analytical Chemistry,
School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)
3(Guangxi Key Laboratory of Polysaccharide Materials and their Modification,
School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)
AbstractTo improve the sensitivity of molecularly imprinted electrochemical sensors, a Pd nanoparticlesmodified molecularly imprinted polymer (MIP) film for the determination of trimethoprim (TMP) was developed by thermal polymerization with N, N′methylene diacrylamide as a functional monomer, Pd nanoparticle as a dopant and ethylene glycol maleic rosinate acrylate as a crosslinking agent. The morphologies and chemical structures of the Pd nanomaterials and the imprinted films were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy, respectively. The electrochemical properties of the nanodoped and undoped MIP sensors were investigated by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. Results showed that the morphologies and chemical structures and the electrochemical properties of the doped molecularly imprinted sensor were remarkably different from those of the undoped imprinted sensor. Linear responses of the imprinted sensor to TMP were observed for concentrations ranging from 5.0×10
Symbolm@@ 7 mol/L to 4.0×10
Symbolm@@ 3 mol/L (R=0.9995), with a detection limit of 3.2×10
Symbolm@@ 8 mol/L (S/N=3). The Pd nanoparticle doped MIP sensors exhibited high selectivity. The chronoamperometry showed that no interference from potential interfering species such as sulfamethoxazole, sulfadiazine, glucose, and urea were noted. The proposed electrochemical sensor was used to determine TMP in actual samples, with average recoveries of 96.8%-102.0%.
KeywordsPalladium nanoparticles; Trimethoprim; Sensor; Molecularly imprinted polymer; Ethylene glycol maleic rosinate acrylate
(Received 26 April 2017; accepted 18 July 2017)endprint