一种基于聚苯胺和壳聚糖支撑的钯纳米结构的分子印迹电化学传感器，用于苯甲酰脲·氯氟嗪的灵敏且选择性检测

《Microchemical Journal》：A molecularly imprinted electrochemical sensor based on polyaniline and chitosan-supported palladium nanostructures for the sensitive and selective determination of benzoylurea chlorfluazuron

本工作开发了一种基于壳聚糖支持钯纳米结构（Pd/CS）和分子印迹聚苯胺的电化学传感器，用于高灵敏度检测氯氟吡腿（CHL），检测范围覆盖10?1?至10?? M，检测限达0.6×10?1? M，传感器可重复使用6次且长期稳定，并成功应用于苹果汁、茶叶、番茄、水和土壤样本的检测，回收率高达90.89%-103.34%。

　　

雷达·埃尔沙菲（Reda Elshafey）| 加达·法蒂赫·阿布-索贝希（Ghada Fathey Abo-Sobehy）| 阿卜杜勒-加瓦德·拉迪（Abd-Elgawad Radi）

埃及达米埃塔大学理学院化学系，达米埃塔34517

摘要

本文制备了一种灵敏且可重复使用的电化学传感器，用于检测氯氟草酮（CHL）。该传感器采用壳聚糖支撑的钯纳米结构（Pd/CS）和分子印迹聚苯胺制成。在氯氟草酮（CHL）的模板作用下，通过循环伏安法在PdNS/CS修饰的玻璃碳电极（Pd/CS/GCE）表面原位生成聚苯胺分子印迹。Pd/CS增加了电极表面积，有助于信号放大，而聚苯胺受体则实现了对CHL的特异性识别。Pd/CS纳米结构通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱、X射线衍射和扫描电子显微镜（SEM）进行了表征。电化学测量结果显示Pd/CS具有较大的表面积和良好的导电性。利用拉曼光谱、SEM和电化学技术评估了印迹聚苯胺层的性能。通过测量氧化还原活性指示剂[Fe(CN)₆]^3?/4-与CHL重新结合时的电流变化（ΔI）和电荷转移电阻（ΔR_ct）作为传感器信号。在最佳单体类型、MIP形成和CHL去除条件下，该传感器可检测浓度范围为10^?14至10^?5?M的CHL，检测限约为0.6?×?10^?14?M。通过测试常见农药和环境干扰物，证实了该传感器对目标物质的优异选择性。该传感器可重复使用6次，并在4周内保持长期稳定性。实验表明，该传感器在苹果汁、红茶和绿茶浸液、番茄、水及土壤样品中的检测灵敏度高达90.89%和103.34%。

引言

苯甲酰脲类（BUs）是N-苯甲酰-N'-苯基脲的衍生物，因其杀虫活性和作用机制而被视为第三代杀虫剂[1]，可替代有机磷和有机氯农药[2]。氯氟草酮（CHL）是一种苯甲酰脲类杀虫剂，于20世纪80年代末被引入，用于有效控制蔬菜和水果上的抗杀虫剂鳞翅目害虫[3]。CHL还用于非农业领域的害虫控制，如白蚁[4]、[5]、普通切根虫和德国小蠊[5]、[6]。CHL通过抑制昆虫几丁质生物合成、阻碍害虫发育和变态过程来发挥杀虫作用[1]。 由于CHL能从多种土壤类型中渗出，它有可能污染地表水和地下水[7]。尽管其对哺乳动物的毒性较低，但其在食物中的积累可能对人体产生间接危害[8]。大鼠口服CHL的LD50值超过8500?mg/kg[1]。研究表明，包括CHL在内的苯甲酰脲类对水生无脊椎动物和甲壳类动物的毒性较高[1]。一些苯甲酰脲类杀虫剂（包括CHL）被归类为毒性等级III或IV，具有中等毒性[9]。氟氟草酮（Flufenoxuron）和氟苯草酮（Diflubenzuron）等苯甲酰脲类杀虫剂具有干扰内分泌系统的活性，并对生殖系统产生不良影响[10]、[11]。然而，关于CHL的相关数据较少。日本政府将茶叶中CHL的最大残留限量（MRL）定为10?mg/kg[12]。中国食品安全标准将水果中CHL的MRL定为0.5?mg/kg（GB2763–2021（中文版），2021年[13]。监测环境样品中的CHL残留对食品安全和人类健康至关重要。CHL可通过高效液相色谱（HPLC）与其他苯甲酰脲类同时检测。已使用多种检测方法，包括紫外（UV）光谱[14]、[15]、[16]、[17]、质谱[12]、[19]、[20]以及二极管阵列检测[21]、[22]、[23]。 这些方法虽然准确，但需要昂贵的仪器和复杂的操作流程。有报道指出，竞争性酶联免疫吸附测定法可用于检测某些苯甲酰脲类（包括CHL）[24]。免疫测定法具有高准确性，但生物分子（抗体和酶）的成本以及其在极端pH或温度条件下的变性问题是其应用的局限性。电化学方法为农药检测提供了简单、快速和灵敏的手段。目前尚未发现关于CHL电化学检测的报道。CHL被归类为电不活性农药，尚未开发出利用其氧化还原特性的传感器。分子印迹聚合物（MIPs）可作为识别元件，提高对其他农药和共存物质的抗干扰能力。 MIPs作为人工识别受体，对目标分析物具有高选择性和宽pH范围内的良好化学稳定性。此外，MIPs可重复使用且相对经济实惠。MIPs的设计包含与模板形状和功能基团相匹配的空腔，从而实现目标物质的选择性识别。基于MIP的电化学传感器可以利用氧化还原探针作为信号，检测蛋白质和农药（无论其电活性如何）[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。基于MIP的电化学传感器结合了电化学方法的灵敏度和简便性以及MIP空腔的选择性和稳定性，适用于农药残留的检测[25]、[28]、[29]。吡咯[29]、o-氨基酚[25]、o-苯二胺[30]和酚[31]已被广泛用于电聚合，以开发用于农药检测的MIP基电化学传感器。最简单的芳香胺——苯胺，可方便地在各种电极上原位电聚合，制备出稳定的MIP基电化学传感器用于农药残留检测[32]、[33]。然而，目前尚未有利用聚苯胺受体开发CHL检测电化学MIP传感器的研究。苯胺的聚合会产生可与CHL形成氢键的胺基团，这些基团有助于将聚合物膜固定在电极表面，并将模板分子与MIP层结合。 将MIP应用于电极会降低表面积和导电性。将电极表面与纳米材料（如钯纳米颗粒）结合使用，可扩大传感面积并提高导电性。钯纳米颗粒在基于MIP的电化学传感器开发中越来越受到重视，用于监测环境污染物[34]、[35]、[36]。钯纳米颗粒的化学合成可能导致聚集，因此壳聚糖（CS）[（1,4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖]这一天然生物相容性聚合物作为稳定剂至关重要，可确保其分散性。壳聚糖（CS）易于从几丁质制备，可作为金属纳米颗粒（如Au、Pd和Pt）的包覆和分散剂[37]、[38]、[39]、[40]。纳米颗粒与聚合物的胺基和羟基之间的静电相互作用提高了纳米颗粒的稳定性和分散性。本研究首次报道了将分子印迹聚苯胺作为选择性识别元件整合到壳聚糖支撑的钯纳米结构（Pd/CS）表面，开发出一种灵敏的CHL检测电化学传感器。Pd/CS增加了电极表面积，使得能够加载大量印迹识别位点。在合成CHL-MIP之前，从多种可电聚合单体中选择了合适的单体。优化了聚合条件（pH值、扫描速率、聚合循环次数和单体与模板的比例）、去除过程以及重新结合的pH值。通过[Fe(CN)₆]^3?/4-探针的差分脉冲伏安法（DPV）评估了MIP传感器的性能，并对其对多种干扰物的选择性进行了评价。所开发的MIP传感器应用于苹果汁、茶（红茶和绿茶）浸液、番茄以及土壤和水样中的CHL检测。

仪器与材料

电化学测量使用PGSTAT 302?N电位计/电流计（Eco-Chemie，荷兰）进行，由Nova 1.11软件控制。标准三电极电池包括：作为工作电极的玻璃碳电极（GCE）（未经修饰及经CS、CS/Pd纳米复合材料、MIP和NIP层修饰后）；作为辅助电极的铂丝；以及作为参比电极的Ag/AgCl（3?M KCl）。通过……评估了修饰电极的形貌

壳聚糖支撑的钯纳米结构（PdNS/CS）的表征

图1?A显示了CS和壳聚糖支撑的钯纳米结构（PdNS/CS）的XRD图谱。壳聚糖在约22.5°处显示尖锐的衍射峰，对应于壳聚糖聚合物的（110）平面，表明其非晶或半晶性质[42]。对于PdNS/CS，衍射峰强度减弱、变宽，并向较低的2θ?=?22.3°移动，表明由于CS链间氢键减弱，结晶度降低

结论

本研究成功开发了一种可重复使用且灵敏的电化学MIP传感器，通过整合分子印迹聚苯胺和Pd/CS纳米结构实现了对CHL的选择性检测。采用物理化学技术表征了Pd/CS的表面和结构特性。Pd/CS生物纳米复合材料与印迹聚苯胺的结合提高了MIP传感器对CHL的信号放大能力和选择性。MIP传感器的制备过程得到了详细监控

CRediT作者贡献声明

雷达·埃尔沙菲（Reda Elshafey）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。 加达·法蒂赫·阿布-索贝希（Ghada Fathey Abo-Sobehy）：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验研究、数据管理。 阿卜杜勒-加瓦德·拉迪（Abd-Elgawad Radi）：监督工作、软件选择、资源协调、概念构思。

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