基于掺镧石墨碳氮化物的分子印迹聚合物电化学发光传感器，用于检测双酚A

《Microchemical Journal》：Molecularly imprinted polymer-electrochemiluminescence sensor based on lanthanum-doped graphite carbon nitride for the detection of bisphenol A

双酚A检测中一种基于分子印迹聚吡咯/镧掺杂石墨相碳氮化物的电化学发光传感器被开发，该传感器在10nM至100μM范围内呈现良好线性（检测限5.13nM），成功应用于海水样本检测并取得97.8%-108.2%的回收率。

　　

王世瑞|李芳|王文月|杨晓燕

青岛科技大学生物工程学院、化学与分子工程学院，中国青岛266042

摘要

双酚A（BPA）是一种新兴污染物，作为一种内分泌干扰物（EDCs），对生物体的生长和发育具有显著的不良影响。开发敏感且选择性的BPA检测方法至关重要。本研究开发了一种基于分子印迹聚吡咯/掺镧石墨相碳氮化物（MIPPy/La-g-C₃N₄）的无标记电化学发光（ECL）传感器，用于检测海水样品中的BPA。掺镧增强了g-C₃N₄的ECL信号响应。MIPPy/La-g-C₃N₄复合层是通过在负载有La-g-C₃N₄的玻璃碳电极上电聚合吡咯制备得到的。MIPPy含有由BPA模板生成的印迹位点，能够特异性识别BPA。随着BPA浓度的增加，ECL信号响应逐渐减弱。在优化条件下，该ECL传感器在10?nM至100?μM的BPA浓度范围内表现出优异的线性，检测限为5.13?nM。该传感器用于检测含有不同浓度BPA的海水样品，回收率分别为97.8%、94.2%和108.2%。这一传感平台为快速、灵敏地监测海水样品中的BPA提供了一种便捷的方法。

引言

随着工业化的发展，海水环境中污染物的复杂性逐渐增加。近年来，海水中的新兴污染物（ECs）引起了广泛关注[1]。内分泌干扰物（EDCs）是典型的ECs[2]，它们可以干扰生物体内内源性激素的合成过程和调节功能，从而破坏内分泌系统的正常运作[3]。EDCs会损害生物体的生殖[4]、发育[5]和神经系统[6]。双酚A（BPA）作为一种常见的化学原料，被广泛用于塑料产品的生产。目前，BPA被认为是海洋环境中的主要EDCs之一[7]。BPA通过多种途径进入海洋：直接通过工业废水排放[8]或通过垃圾填埋场渗滤液造成间接污染[9]。同时，BPA还从海底沉积物[10]和微塑料[11]中持续释放，成为持久的污染源。因此，BPA在海洋中广泛分布，许多国家周围水域都检测到了高浓度的BPA[12]，许多沙滩也被发现含有有害浓度的BPA[13]。BPA不仅对多种海洋生物造成严重危害，还对人类健康构成威胁[14],[15]。因此，实现海洋中BPA的有效检测至关重要。

目前，常用色谱法[16]、液相色谱-质谱联用（LC-MS）[17]和气相色谱（GC）[18]来检测BPA，但这些仪器依赖性强的方法需要专业操作人员且样品制备过程复杂。因此，有必要开发简单且廉价的检测方法，用于环境、生物和工业样品中的BPA检测。已经开发了多种分析方法，如酶联免疫吸附测定[19]、荧光法[20]、比色法[21]、电化学法[22]等来检测BPA。电化学发光（ECL）分析因其快速响应、高灵敏度、低成本和易于操作等优点而受到广泛关注[23]。ECL传感器已被用于BPA的检测[24]。随着技术的发展，鲁米诺、量子点、Ru(bpy)₃²⁺和纳米结构材料在ECL传感器领域得到了广泛应用[25]。石墨相碳氮化物（g-C₃N₄）是一种优异的ECL材料。由于其合成简单、制备成本低、化学稳定性高和生物相容性好[26],[27]，g-C₃N₄在ECL领域得到了广泛研究和应用。g-C₃N_{43N4还被应用于光催化领域[31]。因此，利用镧系元素掺杂来增强g-C3N4的ECL响应具有很大的潜力。}

通常，ECL传感器依靠特定的识别元件来选择性识别目标分子。传统的识别元件包括抗体[32]、酶[33]、适配体[34]等。其中，分子印迹聚合物（MIP）由于其制备成本低、合成方法简单和机械稳定性好[35]，在传感器构建中得到广泛应用。作为人工抗体，MIP具有丰富的印迹腔，可以特异性识别模板分子，被应用于传感器的识别单元[36]、生物成像[37]、选择性吸附剂[38]等领域。

在本研究中，制备了掺镧的石墨相碳氮化物（La-g-C₃N₄）材料，并讨论了不同掺镧比例材料的ECL增强效果。基于La-g-C₃N₄发光材料和分子印迹聚吡咯（MIPP）开发了一种新型ECL传感平台，用于检测BPA。如图1所示，通过电聚合形成的MIP含有能够结合BPA的腔体，从而用于识别BPA分子。模板分子洗脱后，印迹位点出现，ECL反应过程进行，产生较高的ECL信号值。当印迹位点被BPA阻塞时，ECL反应过程受阻，ECL信号值显著下降，从而实现BPA的检测。此外，该传感平台已成功应用于海水样品中BPA的检测，展示了检测海洋环境中BPA污染的潜力。

化学物质与材料

尿素、氧化镧（III）、HNO₃和H₂SO₄均购自中国上海的中药化工试剂有限公司。吡咯（99%）、双酚A（BPA）、苯酚（PhOH）、氢醌（HQ）、双酚C（BPC）和双酚酸（DPA）由上海麦克林生化技术有限公司提供。所有其他试剂均为分析级。

La-g-C₃N₄的合成与ECL性能

g-C₃N₄纳米片的制备基于先前报道的热解方法并稍作修改[39]。添加了10.0?g尿素

镧掺杂对ECL信号的影响

为了探讨镧掺杂对g-C₃N₄ ECL性能的影响，在相同条件下测量了未掺杂的g-C₃N₄和不同掺镧比例（4%、8%、16%、24%、32%）的La-g-C₃N₄的ECL强度。如图1A所示，La-g-C₃N₄（16%）的ECL强度大约是未掺杂g-C₃N₄的两倍，随着镧掺杂比例从4%增加到16%，材料的ECL信号显著增强。

结论

总结来说，采用掺镧的石墨相碳氮化物作为ECL发光材料，并采用聚吡咯分子印迹作为识别BPA分子的组分，开发出了一种高灵敏度的MIPP-ECL传感器用于BPA检测。镧的掺杂显著增强了g-C₃N₄材料的ECL发光性能。优化掺镧比例后，La-g-C₃N₄材料的信号值是未掺杂g-C₃N₄材料的2.3倍。

CRediT作者贡献声明

王世瑞：撰写——原始草稿、方法学、实验研究。李芳：验证、监督、数据管理。王文月：可视化处理、方法学、实验研究。杨晓燕：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢“国际科技创新政府间合作”国家重点研发计划（2021YFE010880）和山东省自然科学基金（ZR2023MB083）的财政支持。