一种基于相转化技术制备的传感器识别元件及其制备应用的制作方法

本发明属于材料科学与工程和传感分析领域，具体来说是一种基于相转化技术制备的传感器识别元件及其制备应用。

背景技术：

分子印迹技术，又称分子烙印技术，是将模板分子与聚合物单体通过多重作用(静电、配体、氢键等)结合，获得在空间结构、结合位点上与模板分子完全匹配的聚合物的一种技术。因此，用此技术制备的分子印迹聚合物(mips)具有构效预定性、特异识别性和应用广泛性等三大特点。

相比mips，分子印迹聚合物膜(mifs)的开发和应用越来越受到人们的广泛关注，主要因为，1)mifs不需要研磨等繁琐的制备过程，扩散阻力小，易于应用；2)具有特异的分子识别能力，在传感领域和生物活性材料领域具有很大的应用前景。它的制备方法通常有自由基聚合法、电化学聚合法、电沉积法、溶胶-凝胶法和光聚合法等。

现阶段急需一种制备获得在传感领域和生物活性材料领域中具有很大的应用前景的方式方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于相转化技术制备的传感器识别元件及其制备应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于相转化技术制备的传感器识别元件，以待检测污染物为模板分子，与丙烯腈-丙烯酸聚合物共同发生相转化反应在导电载体上形成分子印迹膜，即得到带有分子印迹膜的传感器识别元件(作为检测电极)。

所述待检测污染物为双酚a。

所述印迹膜的制备是将丙烯腈-丙烯酸聚合物和双酚a溶于二甲基亚砜中得混合液，混合液涂覆在钛-二氧化钛电极表面，通过相转化反应制得分子印迹膜(mifs)；其中，混合液中丙烯腈-丙烯酸聚合物占6–10wt.％，双酚a占1.5–2.5wt.％。

一种基于相转化技术制备的传感器识别元件的制备方法：

a.丙烯腈-丙烯酸聚合物的合成：采用自由基共聚法，将纯化的丙烯腈和丙烯酸混合后溶于二甲基亚砜中得混合液，再加入引发剂进行聚合反应10–12h，即得到丙烯腈-丙烯酸聚合物，待用；其中，混合液中丙烯腈占13-17wt.％，丙烯酸占3-5wt.％；

b.电极上分子印迹膜(mifs)的制备：将上述获得的丙烯腈-丙烯酸聚合物和待检测物混合溶于二甲基亚砜(溶剂)中得混合液，而后将混合液涂覆在导电载体上，浸没在凝固浴水(非溶剂)中，发生相转化反应，在载体上成膜，再用乙酸水溶液洗脱掉模板分子(即待检测物)，在载体上形成分子印迹膜，即得到带有分子印迹膜的传感器识别元件；其中，混合液中丙烯腈-丙烯酸聚合物占6–10wt.％，待检测物占1.5–2.5wt.％。

所述步骤a.丙烯腈-丙烯酸聚合物的合成：将丙烯腈和丙烯酸分别进行纯化以除去其中所含有的阻聚剂，去除后与二甲基亚砜混合，混合后在30–35℃水浴条件下搅拌均匀并通15–20min氮气除去体系中的氧气，然后温度升高到60–70℃，再逐滴加入含有0.2–0.3g偶氮二异丁腈的8–10ml二甲基亚砜溶液，反应10–12h之后，将得到的混合液慢慢倒入800–1000ml超纯水中，边倒入边搅拌，得白色条状聚合物。

所述获得白色条状聚合物剪切后用大量超纯水和乙醇清洗未反应的单体和过量的二甲基亚砜，而后至于烘箱中在60–70℃条件下烘干12–24h，密封储存备用。

进一步的说，所述步骤a.将丙烯腈和丙烯酸分别原料进行纯化以除去其中所含有的阻聚剂，具体包括：将丙烯腈进行常压蒸馏，并将丙烯酸进行减压蒸馏。然后将20–22ml的丙烯腈，3–5ml的丙烯酸以及90–95ml的二甲基亚砜混合，混合后在30–35℃水浴条件下搅拌均匀并通15–20min氮气除去体系中的氧气，然后温度升高到60–70℃，再逐滴加入含有0.2–0.3g偶氮二异丁腈的8–10ml二甲基亚砜溶液，反应10–12h之后，将得到的混合液慢慢倒入800–1000ml超纯水中，边倒入边搅拌，得白色条状聚合物形成。将白色条状聚合物剪成小段，用大量超纯水和乙醇清洗未反应的单体和过量的二甲基亚砜，至于烘箱中在60–70℃条件下烘干12–24h。密封储存备用。

进一步的说，所述步骤b.将8–10wt.％丙烯腈-丙烯酸聚合物和2–3wt.％双酚a加入二甲基亚砜中，在50–60℃条件下搅拌6–8h。将得到的混合液在4000–4500rpm的转速下离心10–15min除去小气泡，取少量混合液涂覆在预热到50–60℃的钛-二氧化钛电极上，然后立即浸入到20–25℃的水中，浸没12–24h以达到完全相转化的目的。然后用15–20vol.％，30-40ml的乙酸水溶液振荡清洗，重复三到四次，将模板分子洗脱，直到洗脱液中不含有双酚a，然后用去离子水离心清洗、分离。得到的基于相转化技术的双酚a印迹电化学传感器保存在水中，以供使用。

所述导电载体为钛-二氧化钛电极，钛-二氧化钛电极的制备：将经预处理过的钛箔置于过量的氢氟酸水溶液中，在直流稳压电源下进行阳极氧化，得具有二氧化钛纳米管阵列的钛-二氧化钛电极，待用；

进一步的说，钛-二氧化钛电极的合成为在电解电压为15–20v的直流稳压电源下，以经预处理的钛箔为阳极，铂电极为阴极，1.0–1.2wt.％的氢氟酸水溶液为电解液，进行15–20min的氧化，氧化后立即将得到的钛-二氧化钛电极用过量超纯水冲洗，并在450–500℃下煅烧3h使之结晶化，晶化后超纯水清洗，氮气吹干即得钛-二氧化钛电极。

所述预处理为使用400–1500砂纸将钛箔表面氧化层抛光，然后将其用乙醇和去离子水分别超声震荡处理，然后再将其置于化学抛光液中抛光3–5min，最后用去离子水冲洗干净并烘干备用；其中，化学抛光液的组成为：5–7ml的18–20wt.％氟化铵，3–5ml的18–20wt.％尿素，10–12ml的双氧水，10–14ml的硝酸。

一种基于相转化技术制备的传感器识别元件的应用，所述传感器识别元件在电化学检测中的应用。

一种检测双酚a的方法，将所述传感器识别元件作为工作电极，与参比电极、对电极组成三电极体系，通过电流强度的变化对模板分子进行识别和检测；其中模板分子为双酚a。

进一步的说，钛-二氧化钛电极、铂电极和hg/hg2cl2电极(1.0m,kcl)分别作为工作电极、对电极和参比电极等组成三电极体系。加入不同浓度的双酚a后，通过观察电流i-t曲线，得到不同浓度下电流变化的强度值。

本发明所具有的优点：

本发明结合相转化技术和分子印迹技术获得基于分子印迹膜的传感器识别元件，并通过电化学检测法，提出高灵敏识别和检测双酚a的方法。本发明利用相转化技术方便、快捷的制备分子印迹膜，而电化学检测技术则更灵敏地对获得的印迹膜上识别位点进行了高效传感。本发明的传感系统相比现有其它传感体系，其对双酚a显示了很高的选择性检测能力。并且，相比非印迹传感体系，本发明对双酚a具有更高的识别选择性、结合容量和吸附稳定性。本发明印迹膜兼具快速、高选择和高灵敏等优势，不仅提供了对双酚a检测的新方法，而且，大大丰富了相转化技术的应用领域。

本发明是通过将模板分子、成膜材料溶解于一定溶剂中，将其作为铸膜液，涂覆在适当的支撑体上。之后，浸入含有非溶剂的凝固浴中，通过前溶剂与非溶剂的不断置换，经过一定时间后，聚合物膜将完全析出，凝固成具有微孔结构的、稳定的膜。由此，可得相转化法制得的mifs，之后，采用适当的溶剂将模板分子洗脱，即可得到保留有印迹分子特定构型的mifs。这种方法具有简单、易操作等许多优点，仅需要浸没、相转化、凝固和洗脱等过程，通过用前驱体共聚物替代功能单体，与模板分子进行非共价结合，简化了印迹过程，缩短了实验周期。

本发明利用导电载体即钛-二氧化钛电极支撑mifs的形成，使得mifs可以和电化学传感检测方法联用，同时二氧化钛纳米管阵列的存在可以增大mifs的比表面积，有利于提高检测灵敏度。

利用此技术制备的mifs，具有制备方便、操作易行等特点，将其与电化学传感检测方法联用，又可实现高灵敏识别与检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的ti/tio2/mifs传感器的构建过程及电化学检测原理图；

图2为本发明实施例提供的不同厚度mifs膜的扫描电镜图，其中，(a)92μm，(b)144μm和(c)213μm，(d)为144μmmifs的表面；

图3(a)为本发明实施例提供的不同厚度mifs膜制备的ti/tio2/mifs传感器对不同浓度双酚a的电流变化图；(b)为本发明实施例提供的分子印迹电化学传感器ti/tio2/mifs与非印迹电化学传感器ti/tio2/nifs中，双酚a的浓度对数值与电流变化关系图；

图4为本发明实施例提供的分子印迹电化学传感器ti/tio2/mifs与非印迹电化学传感器ti/tio2/nifs对双酚a及类似物的选择性；

具体实施方式

下面结合附图以及实施例的记载对本发明作进一步的解释说明。

本发明用于电化学检测的传感器识别元件即分子印迹膜的制备方法：通过自由基共聚法，制备了丙烯腈-丙烯酸共聚物，与模板分子共溶在二甲基亚砜溶液中，然后涂覆在导电载体钛-二氧化钛电极上，在水相中进行相转化，从而制备了相转化分子印迹膜。以其为工作电极，与参比电极、对电极组成三电极体系，通过电流强度的变化，对模板分子进行了识别。当模板分子存在且浓度较小/大时，电流强度变化较小/大。据此可实现对模板分子双酚a的高效识别和高灵敏电化学检测。

本发明结合相转化技术、分子印迹技术和电化学检测技术，制备了相转化印迹膜电极：首先通过阳极氧化法制备了钛-二氧化钛电极，然后，通过自由基共聚法得到丙烯腈-丙烯酸共聚物。接着，将丙烯腈-丙烯酸共聚物与模板分子溶解于溶剂(二甲基亚砜)中，涂覆在制备的钛-二氧化钛电极上，浸没在非溶剂(水)中进行相转化，得到相转化印迹膜电极。之后，将模板分子洗脱，即得到可识别模板分子的印迹膜电极。将制备的电极作为工作电极，并与参比电极、对电极组成三电极电化学检测传感体系，在一定浓度范围内，吸附的模板分子浓度增大时，电流强度变化随之增大。因此，可以通过吸附模板分子前后，电流强度的变化，对模板分子进行识别并对其浓度进行定量测定。结果表明，该传感器识别元件能够高灵敏、高特异性地检测痕量模板分子(双酚a)。本发明具有高选择、高灵敏、易操作和低成本等优势，提供了一种识别与检测双酚a的新方法，为分子印迹技术与电化学传感技术的结合提供了行之有效的思路，具有广泛的应用前景。

实施例1

一种基于相转化技术制备的分子印迹膜传感器识别元件的制备，包括电极的制备、前驱体共聚物的合成和表面修饰过程，具体为：

a.钛-二氧化钛电极的制备：

1)预处理：使用400、600、800、1000、1500砂纸将钛箔表面氧化层抛光，然后将其用乙醇和去离子水分别超声3min和2min。之后，将其置于化学抛光液中抛光5min，最后用去离子水冲洗干净后，烘干备用。其中，化学抛光液的组成为：5ml的18wt.％氟化铵，3ml18wt.％尿素，12ml的双氧水，12ml硝酸。

2)制备：然后在直流稳压电源的控制下，设定电解电压为20v，以处理好的钛箔为阳极，铂电极为阴极，1.0wt.％的氢氟酸水溶液为电解液，进行20min的氧化。然后立即将得到的钛-二氧化钛电极用大量超纯水冲洗，并在500℃下煅烧3h使之结晶化，晶化后超纯水清洗，氮气吹干即得钛-二氧化钛电极。

b.丙烯腈-丙烯酸聚合物的合成：将原料进行纯化以除去其中所含有的阻聚剂，具体包括：将丙烯腈进行常压蒸馏，并将丙烯酸进行减压蒸馏。然后将20.68ml的丙烯腈，3.58ml的丙烯酸以及91.36ml的二甲基亚砜混合于250ml的三颈烧瓶中，在30℃水浴条件下搅拌均匀并同20min氮气除去体系中的氧气，然后温度升高到60℃，再逐滴加入含有0.22g偶氮二异丁腈的9.10ml二甲基亚砜。反应12h之后，溶液变黄且粘稠，并停止反应。将得到的混合液慢慢倒入800ml超纯水中，边倒入边搅拌，会有白色条状聚合物形成。将白色条状聚合物剪成小段，用大量超纯水和乙醇清洗未反应的单体和过量的二甲基亚砜，至于烘箱中在60℃条件下烘干24h。密封储存备用。

c.印迹膜在电极表面的修饰：将8wt.％丙烯腈-丙烯酸聚合物和2wt.％双酚a加入二甲基亚砜中，在50℃条件下搅拌8h。将得到的混合液在4000rpm的转速下离心15min除去小气泡，即得mifs溶液，取100μl混合液(即mifs溶液)涂覆在预热到50℃的钛-二氧化钛电极上，然后立即浸入到23℃的超纯水中，浸没24h以达到完全相转化的目的。然后用15vol.％的乙酸水溶液多次洗脱印迹膜中的双酚a分子，直到洗脱液中不含有双酚a。因此，得到了基于相转化技术制备的双酚a印迹膜传感器识别元件，将其保存在水中，以供使用，制备过程及检测原理如图1所示。

基于相转化技术制备非印迹膜传感器识别元件：按照上述操作规程，除了不加模板分子双酚a之外，其他步骤同上。

实施例2

对利用上述方式获得的分子印迹膜进行形貌表征，具体为：

为了更完整地将印迹膜从载体上剥离，使用普通玻璃替代导电载体钛-二氧化钛电极，将含有8wt.％丙烯腈-丙烯酸聚合物和2wt.％双酚a的二甲基亚砜溶液均匀涂抹在预热到50℃的普通玻璃上，用量分别为60、100、150μl，然后立即浸入到23℃的超纯水中，浸没24h以达到完全相转化的目的。然后用15vol.％的乙酸水溶液多次洗脱这三种印迹膜中的双酚a分子，直到洗脱液中不含有双酚a。烘干后将这三种印迹膜从玻璃上剥离，并液氮处理折成片段，取合适大小(约1cm²)置于扫描电镜操作台上，进行喷金处理，然后用扫描电镜进行观察(参见图2a-d)。如图2a，b和c所示，厚度分别为92,144和213μm的mifs具有独特的非对称结构，下层由具有指状结构的大孔组成，而上层由浓密的介孔层组成。图2d则是对厚度为144μm的mifs的放大图。

实施例3

从灵敏度和检测范围来确定电极上分子印迹膜的最佳厚度，以及具有最佳厚度印迹膜的传感器识别元件作为电化学检测电极ti/tio2/mifs与非印迹膜电化学检测电极ti/tio2/nifs对双酚a的识别与检测效果，具体为：

a.电极上分子印迹膜最佳厚度的选择，具体为：将8wt.％丙烯腈-丙烯酸聚合物和2wt.％双酚a的二甲基亚砜溶液均匀涂抹在预热到50℃的导电载体钛-二氧化钛电极上，用量分别为60、100、150μl，然后立即浸入到23℃的超纯水中，浸没24h以达到完全相转化的目的。然后用15vol.％的乙酸水溶液多次洗脱这三种印迹膜中的双酚a分子，直到洗脱液中不含有双酚a。可分别得到含有92、144和213μm印迹膜的双酚a电化学检测电极。

将含有92μm印迹膜的双酚a电化学检测电极置于磷酸盐缓冲溶液(ph为6.0,0.1mol/l)中，首先在不添加双酚a的情况下测试三次电流-时间曲线，以消除背景空白值、同时起到稳定电流的作用，并记录最终达到的平衡电流值i0。然后将微量双酚a滴加进磷酸盐缓冲溶液(ph为6.0,0.1mol/l)中，使双酚a浓度为0.001mg/l，搅拌5min，吸附平衡10min后，开始测试电流-时间曲线，并记录最终达到的平衡电流值i1。然后依次向测试溶液中滴加微量双酚a，使浓度稍增大，按照上述方法测试电流-时间曲线并记录最终达到的平衡电流值ii。重复上述的步骤，直到平衡电流值不再继续增大。以空白溶液测试得到的平衡电流值i0为基准，计算随浓度增大响应的平衡电流值ii与i0的差值δii，绘制δii与ci的曲线，观察传感器对双酚a的检测范围以及灵敏度。再将含有144μm和213μm印迹膜的双酚a印迹电化学检测电极分别置于磷酸盐缓冲溶液(ph为6.0,0.1mol/l)中，重复此实验过程。实验结果如图3a所示，对于具有92μm印迹膜的双酚a印迹电化学检测电极，随着双酚a浓度的增加，其电流变化值略有增加；213μm的印迹膜使得传感器检测的电流变化值较大，线性范围较宽；对于具有144μm印迹膜的双酚a印迹电化学检测电极，随着双酚a浓度的增加，其电流增加值显著，且线性范围宽至五个数量级(0.001mg/l–30mg/l)，说明该检测电极在宽浓度范围内识别双酚a时具有灵敏的传感性能。实验结果表明，检测双酚a的最佳膜厚度为144μm，在该厚度下，定量双酚a更准确。

b.将100μl8wt.％丙烯腈-丙烯酸聚合物的二甲基亚砜溶液均匀涂抹在预热到50℃的导电载体钛-二氧化钛电极上，然后立即浸入到23℃的超纯水中，浸没24h以达到完全相转化的目的。然后用15vol.％的乙酸水溶液多次冲洗该非印迹膜，冲洗过程与印迹膜想同，以保证印迹膜与非印迹膜的区别仅在于是否含有双酚a。因此，可得到含有144μm非印迹膜的电化学检测电极。

含有144μm非印迹膜的电化学检测电极置于磷酸盐缓冲溶液(ph为6.0,0.1mol/l)中，重复上述步骤a；与144μm印迹膜的双酚a印迹电化学检测电极在上述步骤a中的实验结果相比较。如图3b所示，对于含有非印迹膜的电化学检测电极，随着双酚a浓度的增加，其电流增加值呈现无规律的微小波动，说明该电极对双酚a几乎无响应，而具有144μm印迹膜的双酚a印迹电化学检测电极在宽浓度范围内识别双酚a时具有灵敏的传感性能。实验结果表明，印迹膜具有对双酚a特定的识别位点，能够选择性结合双酚a从而提高对双酚a的检测灵敏度。

实施例4

具有144μm印迹膜的双酚a印迹电化学检测电极的选择性识别探究，具体为：

按照实施例3,得到涂覆有144μm印迹膜的电极的平衡电流值ii，以空白溶液测试得到的平衡电流值i0为基准，计算随浓度增大响应的平衡电流值ii与i0的差值δii，绘制δii与ci的曲线。然后，再分别将4个涂覆有144μm印迹膜的双酚a印迹的电化学检测电极置于磷酸盐缓冲溶液(ph为6.0,0.1mol/l)中，按照实施例3a中双酚a检测的操作规程，除了分别将双酚a替换成结构类似物雌二醇、己烯雌酚、双酚s、四溴双酚a，用量相同，均在0.001mg/l–30mg/l范围内，具体为0.001、0.005、0.01、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、15.0、20.0、30.0mg/l，其他步骤相同，。实验结果如图4所示，双酚a印迹电化学检测电极对双酚a的识别效果明显高于其他4种酚类雌激素，表明该双酚a印迹电极的印迹膜中存在特异性位点，只对模板分子双酚a具有很高的选择性。同样，按照上述操作规程对非印迹电极的选择性进行探究。实验结果表明，非印迹电极对双酚a、雌二醇、己烯雌酚、双酚s和四溴双酚a的识别效果没有明显差异，说明非印迹膜中不存在选择性位点，属于非特异性吸附。