基于紙基印跡預富集的痕量鎘電化學傳感器*

楊洋春，胡敬芳，肖疏雨，宋 鈺，李延生，高國偉

（1.北京信息科技大學自動化學院，北京 100192；2.北京信息科技大學傳感器重點實驗室，北京 100101；3.中國科學院上海微系統與信息技術研究所傳感器聯合國家重點實驗室，上海 200050）

0 引 言

重金屬污染是水環境質量重要評價指標，由于水環境中重金屬鎘離子Cd（Ⅱ）具有難降解性、生物毒性和持久性等特點，水質重金屬Cd（Ⅱ）檢測具有迫切需求。目前，用于水質重金屬Cd（Ⅱ）的檢測方法主要有光譜法［1］、比色法［2］和電化學法［3］等。光譜法具有高靈敏度和高準確性，但分析檢測儀器價格高昂、體積龐大，需要專人操作，不適用于實時分析檢測。比色法操作簡單，但現場檢測會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，電化學法以成分本身的電化學信號為基礎，通過電信號和化學信號的轉換，可以完成對被測物的定性和定量檢測，具有檢測快、攜帶方便和簡單經濟等優點，適用于現場快速分析檢測［4］。在電化學傳感器的應用實踐中，對水質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別元件本身靈敏度的限制而難以得到準確的結果，單純改進和提高敏感識別元件，容易遇到瓶頸。為了達到水質重金屬超痕量級檢測，除了一方面在電極表面進行納米或分子修飾，以增大電極比表面積、增強電極對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］，另一方面對待測重金屬離子進行預富集，提高傳感器的選擇性，以達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（ion imprinting technology，IIT）是基于分子印跡技術（molecular imprinting technology，MIT）發展而來，以目標離子為制備模板，對其具有高選擇性識別的功能，在分離和預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，該目標離子模板與功能單體通過螯合作用以配位鍵的形式結合形成螯合物，在交聯劑和引發劑的共同作用下發生聚合，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構的離子印跡聚合物（ion-imprinted polymer，IIP）［7］。該IIP內部具有與目標模板離子互補的三維孔穴結構，可實現對目標離子的特異性吸附。濾紙的主要成分是纖維素，可裁剪折疊、體積小、造價低、易加工，常被用做分析診斷中的基底材料［8］。將IIT應用于紙基芯片上得到的紙基印跡復合材料將兩者的優點有機結合，有效地實現了設備的集成化與微型化和對特定離子的高選擇性識別等功能，是目前熱門研究方向之一［9］。

本文采用絲網印刷技術制備紙基電極，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），實現對水體中Cd（Ⅱ）的預富集。將方波陽極溶出伏安法（square wave anodic stripping voltammetry，SWASV）應用于Cd（Ⅱ）-IIP＠paper，構建了對Cd（Ⅱ）具有高選擇性的電化學傳感器，實現對水質重金屬痕量Cd（Ⅱ）的快速檢測。

1 實驗與方法

1.1 主要儀器和試劑

儀器：電化學工作站（CHI660E，上海辰華儀器有限公司），超聲清洗機（JP-010T，深圳潔聯清潔有限公司），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（8870DN，日本），小型等離子清洗機（TS-PL02，深圳市東信高科自動化設備有限公司），恒溫振蕩器（BE-3200，其林貝爾），鼓風干燥箱（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）均購買于國藥集團化學試劑有限公司，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）離子標準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有限公司，碳油墨和銀／氯化銀油墨購買于廣州市銀標貿易有限公司。以上所有試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。

1.2 實驗方法

1.2.1 制備紙基絲網印刷電極

1）設計電極圖案

絲網印刷電極一般使用三電極系統，即工作電極（working electrode，WE）、參比電極（reference electrode，RE）和對電極（counter electrode，CE），設計示意如圖1所示。

圖1 絲網印刷電極示意

2）定制模板。按照圖1定制200目絲網印刷模板。

3）制備疏水屏障。使用噴蠟打印機將設計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

石墨烯具有高導電性和高比表面積等優點［10］，對電極進行修飾可以大幅提高其工作性能。采用循環伏安法（cyclic voltammetry，CV）將石墨烯修飾到1.2.1 小節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，沉積時間為400 s。掃描結束后，用大量去離子水對電極進行清洗，晾干，從而制得還原氧化石墨烯修飾的絲網印刷碳電極（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處理的圓形濾紙片上，使用波長為254 nm的紫外燈連續照射12 h；照射結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），經自然干燥后得到Cd（Ⅱ）-IIP＠paper。為了進行對照，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進行電化學檢測。其中電化學檢測部分設置如下：電位階躍為4 mV，頻率為15 Hz，振幅為25 mV。

2 結果與討論

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?？梢杂^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構，石墨薄片在褶皺結構下依稀顯露出來，表明rGO已成功修飾到WE表面，增加了電極的活性面積，提高了其電化學性能。

圖3 SEM表征圖

2.1.2 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper電化學表征

采用SWASV方法分別對Cd（Ⅱ）-IIP＠paper和NIP＠paper富集Cd（Ⅱ）的能力進行電化學測試。部分參數如下：富集電位取-1. 2 V，富集時間取120 s，電解質為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，結果如圖4 所示。Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 的峰值電流響應遠高于NIP＠paper，充分說明制備的Cd（Ⅱ）-IIP＠paper表面的印跡位點能夠與Cd（Ⅱ）有效結合，從而高效富集和分離Cd（Ⅱ）。

圖4 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper和NIP＠paper電化學性能表征

2.2 優 化

2.2.1 石墨烯沉積時間優化

圖5比較了石墨烯沉積時間對峰值電流的影響?？梢杂^察到，當沉積時間從200 s 增加到400 s 時，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移速率，增強了電極的導電性；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為最優沉積時間。

圖5 石墨烯修飾電極在不同沉積時間下的CV曲線

2.2.2 Cd（Ⅱ）預富集時間優化

預富集時間是指Cd（Ⅱ）-IIP＠paper對Cd（Ⅱ）溶液的吸附時間，若預富集時間太短，Cd（Ⅱ）只能部分與印跡位點結合，導致電極響應低。采用SWASV 方法測試最佳吸附富集時間，其中洗脫時間為8 min，實驗結果如圖6 所示。溶出峰值電流隨吸附富集時間的增加而不斷增加，當吸附富集時間大于10 min時，電流響應曲線逐漸平緩，為減少等待時間，選擇10 min為后續Cd（Ⅱ）的最佳吸附富集時間。

圖6 Cd（Ⅱ）預富集時間和洗脫時間優化

2.2.3 Cd（Ⅱ）洗脫時間優化

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

2.3 線性標準曲線

在確定的優化檢測條件下，通過SWASV 實驗，分析了Cd（Ⅱ）-IIP＠paper電化學傳感器對多個濃度Cd（Ⅱ）的電流響應，如圖7 所示。由圖可以明顯觀察到，Cd（Ⅱ）濃度在5 ～100 μg／L范圍內時，電流響應強度隨著濃度的增加而逐漸增加，表現出良好的線性關系。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），計算出檢出限LOD ＝0. 91 μg／L，低于國內飲用水中Cd（Ⅱ）濃度限值（5 μg／L）。

圖7 優化檢測條件下的標準曲線

2.4 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper的重復性和穩定性

首先，對Cd（Ⅱ）-IIP＠paper 的重復性進行測試，連續測量12次的相對標準偏差僅為3.64%，這說明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper具有良好的重復性；然后，對Cd（Ⅱ）-IIP＠paper進行穩定性測試，即同一個Cd（Ⅱ）-IIP＠paper在3天內電流響應變化情況，每次測量5 回取平均值，測試完成后在4 ℃環境中保存，結果如圖8（a）所示。Cd（Ⅱ）-IIP＠paper的穩定性隨天數的增加而逐漸少量下降，3天后電流響應下降了6.92%，這說明Cd（Ⅱ）-IIP＠paper具有良好的穩定性。

圖8 Cd（Ⅱ）-IIP＠paper穩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 電化學傳感器對Cd（Ⅱ）的選擇性。通過對比僅含Cd（Ⅱ）不加干擾離子（Ⅰ）和加入干擾離子時溶液的電流響應（I0）發現，Cd（Ⅱ）的峰值電流波動在10%以內，表明制備的電化學傳感器對Cd（Ⅱ）具有較高的選擇性。

2.6 實際水樣檢測

表1給出了在北京市3個不同地方的實驗樣品中加入Cd（Ⅱ）并進行回收的實驗結果。為確保準確性，實驗前將3個水樣送檢，Cd（Ⅱ）檢測結果均小于1 μg／L，遠低于國內飲用水中Cd（Ⅱ）濃度限值5 μg／L。由表1可知，加標回收實驗的回收率在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雜水樣中的Cd（Ⅱ）濃度。

表1 實際水樣Cd（Ⅱ）檢測

3 結 論

本文采用IIT在紙上制備了Cd（Ⅱ）-IIP＠paper，該聚合物可對Cd（Ⅱ）進行預富集并對Cd（Ⅱ）具有特異性識別功能，再結合電化學法進行檢測，確定的優化檢測條件如下：石墨烯沉積時間400 s，預富集時間10 min，Cd（Ⅱ）洗脫時間8 min。優化后檢測到Cd（Ⅱ）濃度在5 ～100 μg／L范圍內時，其陽極溶出峰值電流與濃度存在明顯的線性關系，靈敏度為0.1177 μA／（μg·L-1），最低檢出限為0.91 μg／L，且表現出較好的穩定性和選擇性。對實際水樣進行加標回收實驗，回收率在94.0%～104.4%之間，實現了對實際水樣重金屬Cd（Ⅱ）的定量檢測。本文為現場快速檢測水質痕量重金屬Cd（Ⅱ）提供了新方向，具有較強的實用價值。