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基于分子印迹聚合物（MIP）的微/纳米聚苯乙烯电化学传感

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DOI：

10.3791/70811

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2026年10月6日

 ,  ,  , 
1NanoBioTech Laboratory, Department of Chemistry, Florida Polytechnic University

本文内容

摘要

本文介绍了一种基于分子印迹聚合物（MIP）的电化学聚苯乙烯（微米和纳米级）检测方法。

摘要

本文基于对微米和/或纳米级聚苯乙烯（m/n-PS）的电化学传感。文中展示了一种基于分子印迹聚合物（MIP）的电化学传感方法，用于检测尺寸为100 nm和500 nm的纳米聚苯乙烯（nPS）。采用邻苯二胺（oPD）作为单体，通过电化学聚合方式在丝网印刷碳电极（SPCE）表面制备聚邻苯二胺（PoPD）作为MIP材料。为构建对m/n-PS具有选择性的MIP，使用100 nm和500 nm的聚苯乙烯作为模板材料。针对m/n-PS的PoPD@MIP@SPCE体系的制备过程通过电化学技术进行表征，以研究其电化学性能及传感特性。最终，将优化后的MIPs@PoPD/SPCE传感芯片用于检测水中不同浓度的nPS溶液（100 nm和500 nm的PS），检测范围为4.2 × 10-9 至 2.1 × 10-4 g/L。所开发的传感芯片最低可检测浓度低至4.2 × 10-9 g/L，相应操作时间为11分钟。这些传感器还被用于检测来自佛罗里达理工学院湖泊的实际水样中的nPS。该提出的传感方法可用于现场即时检测（POC）中的nPS检测，在环境监测应用中具有重要意义。

引言

微/纳米塑料，即降解或蚀刻产生的塑料，其生成并进一步进入人类生活循环的现象日益加剧。与此同时，微/纳米塑料对环境、水体和人类健康的影响令人担忧，并已波及生态系统1。因此，应对相关严重后果的需求已引起全球各机构的广泛关注1。这一形势十分严峻，因为为满足经济增长需求（2023年市场规模达7000亿美元），塑料产量持续上升（仅2023年就达到3.9亿吨），且其在各种工况条件（如高温、高湿以及与其他化学品相互作用）下的应用仍在不断拓展。此外，由于缺乏统一的全球性管理法规，废弃塑料处置不当的问题进一步加剧了该状况。上述所有因素共同导致微塑料和/或纳米塑料的生成量增加，这些颗粒已进入人类生活循环并对健康产生不利影响。在此背景下，亟需制定针对微/纳米塑料的捕获、检测与降解策略1,2,3。

在多种微/纳米塑料（尺寸范围从 µm 到 nm）中，微/纳米级聚苯乙烯（m/n-PS）是备受关注的污染物之一，它是聚苯乙烯降解后的产物，而聚苯乙烯广泛应用于包装、食品服务、电器、绝缘材料及其他产品开发中。这些 m/n-PS 完全降解需要数千年时间，但在这一过程中，m/n-PS 可与食物、水和空气相互作用，进入人类循环系统并侵入人体。近年来，多项研究已证实，m/n-PS（在 ppb 水平）与以下影响相关：(1) 细胞毒性1,2，(2) 甲状腺功能障碍，(3) 穿越血脑屏障（BBB）2，(4) 改变脑细胞功能2，(5) 神经毒性2，以及 (6) 神经退行性疾病1,4。因此，研究在极低浓度下选择性检测 m/n-PS 的方法至关重要。鉴于 m/n-PS 与环境和健康因素的关联，建议在即时检测（PoC）和使用点检测（PoU）场景下实现检测3。此类方法可用于监测应用的探索与推广。同时，这些 PoC 和 PoU 检测方法可与人工智能（AI）技术相结合，实现快速分析与决策支持4。为完成上述任务，技术上建议开发一种用于选择性检测 m/n-PS 的微型传感器。选择性是一个关键参数，因为 m/n-PS 可能与其他水污染物（如全氟和多氟烷基物质（PFAS）、天然有机废物等）产生相互作用4。

目前，检测微/纳塑料（m/n-PS）的方法有很多，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术、扫描电子显微镜（SEM）以及高分辨率荧光显微镜3这些技术虽然有效，但成本较高，在进行ppb和ppt水平的检测时存在局限性。其他方法，如热解-气相色谱/质谱联用技术（Py-GC/MS），虽然效率也很高，但存在成本高、需要复杂仪器设备以及依赖专业技能、操作繁琐等局限。1,3检测PS需要将合适的分析方法与目标颗粒的尺寸和结构特性相匹配。尽管传统的台式分析方法能够提供无与伦比的分析深度，但电化学聚苯乙烯传感技术通过在液体基质中直接快速、低成本且可现场携带地监测亚微米和纳米级塑料颗粒，实现了显著的方法学转变。标准实验室技术（包括傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱）依赖于独特的指纹特征（化学或振动特征），以准确识别颗粒，并对未知颗粒的形状和尺寸进行可视化分析，其分辨率可达约 1 µm然而，这些光谱学工具价格昂贵，扫描速度较慢，且需要对样品进行长时间的干燥处理3对于法律或监管合规而言，热解-气相色谱/质谱法（Py-GC/MS）被视为测定土壤和污泥等高度复杂基质中聚苯乙烯（PS）总质量分数的金标准，尽管该方法会破坏样品并丢失所有形态学数据3相比之下，利用特殊修饰电极界面的电化学传感方法，例如分子印迹聚合物（MIPs）或肽功能化石墨烯，可捕获PS 通过 物理吸附或静电亲和力，导致电流或电阻的瞬时变化1,3. 与其他用于聚苯乙烯检测技术相比，电化学聚苯乙烯传感性能的比较总结见于 表1.

与此同时，这些传感方法对微米和亚微米级的聚苯乙烯（PS）在稍高浓度（毫摩尔级，mM）下具有更高的选择性。然而，这些技术并不适用于纳米级PS（粒径小于100 nm）以及低浓度的纳米级PS（nPS）。这一局限性主要源于两个方面：（1）所选材料的性质和特性无法有效放大响应信号；（2）微电子元件可能无法处理微弱的响应信号。此外，大多数现有的PS检测工具均不适用于现场（PoC）或使用点（PoU）对微米/纳米级PS（m/n-PS）的检测。近年来，研究人员致力于开发用于m/n-PS的电化学传感技术，其中需要使用特定的传感材料来实现检测4,5,6,7,8,9。已知电化学传感器是一类低成本、手持式设备系统，可在几分钟内快速实现亚纳摩尔级的检测限。这类系统特别适用于高通量、即时需求（PoN）的环境筛查，尤其在无法获得常规分析工具和实验室基础设施的场景下。因此，通过选择合适的换能器、传感材料以及数据处理与分析方法，可构建用于PS检测的便携式电化学系统1,2,3。此类经过优化的高灵敏度传感器可通过测量电信号，在使用点（PoU）和即时需求（PoN）场景下实现对m/n-PS的检测，从而避免对复杂仪器设备和实验室环境的依赖。

目前已有多种此类传感器，其检测性能可满足监控应用的需求1,4。然而，由于缺乏选择性识别或亲和元件，其传感机制及选择性原理尚未得到充分讨论。因此，迫切需要开发用于选择性检测微/纳米级塑料（m/n-PS）的微型化电化学传感器。针对这一问题，本报告提出一种基于分子印迹聚合物（MIP）的电化学传感器，可实现对m/n-PS的选择性检测。MIP以其对目标分析物的选择性捕获能力而著称，该分析物被用作模板材料10,11,12,13。该模板由分析物的尺寸、取向和形状决定，从而在传感电极表面形成可选择性结合目标分析物的空腔结构。由于具备上述特异性，MIP被视为先进生物医学应用中所需的人工抗体，并已被应用于多种选择性传感场景。此外，基于MIP的方法具有易于规模化生产、可调控电学性能以及便于表面修饰等优势，因而具备良好的转化应用前景1,14。

为了结合基于分子印迹聚合物（MIP）的传感技术与电化学传感的特点，本文介绍了一种利用聚邻苯二胺（PoPD）基MIP进行微/纳米级聚苯乙烯（m/n-PS）检测的方法。PoPD作为用于传感应用的MIP材料的特性已在先前的研究文献中有所讨论。该PoPD-MIP通过电化学方法在丝网印刷碳电极（SPCE）上制备，SPCE是一种适用于电化学检测的定制三电极系统。MIP的制备过程分别采用100 nm和500 nm的m/n-PS颗粒（两个独立芯片）作为模板材料。MIP@PoPD（100 nm模板）@SPCE和MIP@PoPD（500 nm模板）@SPCE两种芯片均可在4.2 × 10-9 至 2.1 × 10-4 g/L的浓度范围内，利用计时电流法（CA）和差分脉冲伏安法（DPV）检测m/n-PS。研究结果表明，在水样中对500 nm的nPS进行检测时，采用500 nm模板制备的MIP-PoPD相较于100 nm模板的MIP-PoPD，表现出更优的数学建模性能。该方法相关文章的详细描述已由Sanchez-Almirola等人发表1，并获得美国专利授权15。

方案

作者声明，本研究的实施符合相关监管标准及机构监督要求。研究过程中产生的废弃物均依照大学环境与健康安全（EHS）部门的指导方针进行储存，随后由专业人员定期收集并妥善处理。作者已完成大学EHS部门建议的全部实验室安全培训，并在开展本研究过程中严格遵守各项规定。所使用的试剂和设备列于下文 材料表.

1. 材料

  1. 从商业来源获取用于分子印迹聚合物（MIP）制备的丝网印刷碳电极（SPCE）。
    注意：丝网印刷碳电极（SPCE）是一种包含三个电极的电化学系统：工作电极（WE）、对电极（CE）和参比电极（RE）。SPCE的工作电极（直径3 mm）由石墨构成，对电极为碳材料，参比电极则由银构成。
  2. 使用去离子水（DI水）作为溶剂，配制PS（100 nm和500 nm）的储备溶液。

2. 电化学与表征

  1. 分别制备含有聚苯乙烯微球（100 nm 和 500 nm 的 nPS 颗粒）和邻苯二胺的去离子水悬浮聚合溶液。
  2. 电聚合完成后，将 SPCE 浸入等体积的去离子水和甲醇混合溶液中进行洗脱。
    注意：所有电化学实验和表征均使用恒电位仪完成。
  3. 采用磷酸盐缓冲液（PBS）作为氧化还原电解质进行电化学研究，其中含有 5 mM 铁氰化钾 K3[Fe(CN)6] 和亚铁氰化钾 K4[Fe(CN)6]。将一片缓冲液片剂（pH = 7）溶解于 200 mL 去离子水中配制 PBS 溶液，搅拌至片剂完全溶解。循环伏安法（CV）实验的操作参数将在后文讨论。
  4. 利用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）等电化学技术，研究 MIP@PoPD 的制备、表征及其传感特性。CV 和 DPV 实验的操作参数将在后文讨论。
  5. 使用电化学分析仪进行电化学测试，并通过 PSTrace 5.9 软件操作分析仪。
    注意：MIP@PoPD 的制备细节已在相关前期出版物中讨论1,13。

3. 电极的清洗

  1. 将SPCE浸入1 M的盐酸（HCl）溶液中，以确保聚合反应具有洁净的表面。HCl的储存和操作均按照相关指南进行1。
  2. 为清洁电极，将SPCE连接至电化学工作站，并在-1 V至1 V的电位范围内，以100 mV/s的扫描速率进行10次循环的循环伏安法（CV）测试。
  3. 随后，用去离子水清洗SPCE表面，并置于空气中自然干燥。
  4. 通过在-1 V至1 V电位范围内、以50 mV/s扫描速率进行3次循环的循环伏安法（CV），以及在-1 V至1 V范围内、脉冲电位为0.01 V、脉冲时间为0.01 s的微分脉冲伏安法（DPV）对SPCE系统进行表征。

4. MIP@PoPD 的制备

  1. 配制聚合溶液：将1 mM邻苯二胺（oPD）与15 mL去离子水中含有的10 µL目标分析物[粒径为500 nm（2.1 × 10-4 g/L）或100 nm（2.1 × 10-4 g/L）]的nPS颗粒混合。此处提及两种不同类型的聚合溶液。
  2. 使用微量移液器将100 µL聚合溶液滴加至SPCE系统的对工作电极上。
  3. 制备基于PoPD的分子印迹聚合物（MIP）：将SPCE连接至电化学工作站后，在0 V至1 V电位范围内，以50 mV/s的扫描速率进行30次循环的循环伏安法（CV）扫描。此处分别制备两种不同类型的MIP，一种针对100 nm粒径的模板，另一种针对500 nm粒径的模板。
  4. 同前，用去离子水清洗SPCE，并在空气中自然干燥。
  5. 同前，对SPCE系统进行表征：以50 mV/s的扫描速率，在-1 V至1 V范围内进行3次循环的循环伏安法（CV）扫描；随后进行差分脉冲伏安法（DPV）测试，电位范围为-1 V至1 V，脉冲电位为0.01 V，脉冲时间为0.01 s。
  6. 将PoPD@SPCE系统在25 °C条件下，浸入甲醇与去离子水按50:50体积比配制的溶液中30分钟，以完成模板分子的洗脱。
  7. 再次用去离子水冲洗洗脱后的SPCE，并在空气中自然干燥。
  8. 同前，对SPCE系统进行表征：以50 mV/s的扫描速率，在-1 V至1 V范围内进行三次循环的循环伏安法（CV）扫描；随后进行差分脉冲伏安法（DPV）测试，电位范围为-1 V至1 V，脉冲电位为0.01 V，脉冲时间为0.01 s。

5. 电化学纳米孔传感

  1. 使用移液器将 100 µL 所需的分析物溶液（指 100 nm 和 500 nm 尺寸的 nPS）滴加到工作电极上，在 25 °C 下孵育 10 分钟，使分析物与 MIP 层结合。
    注意：用于传感检测的溶液浓度如下：2.1 × 10-4 g/L、4.2 × 10-6 g/L、2.1 × 10-7 g/L、4.2 × 10-8 g/L、4.2 × 10-9 g/L 和 0 g/L。
  2. 孵育结束后，用去离子水冲洗 SPCE 系统，以去除 MIP 层上未结合的 nPS。
  3. 将 SPCE 系统重新连接至电化学工作站后，采用循环伏安法（CV）在 -1 V 至 1 V 范围内以 50 mV/s 扫描速率进行三圈扫描，采用差分脉冲伏安法（DPV）在 -1 V 至 1 V 范围内进行三圈扫描（脉冲电位 0.01 V，脉冲时间 0.01 s），并进行三圈计时电流法（CA）测试，施加 10 V 电压持续 30 分钟。CA 实验在不同电压下进行，但在 10 V 时获得增强的信号。
    注意：所有电化学测量均重复三次（n=3），并采用相同量级的图谱进行分析。

6. 数据分析

  1. 使用 MATLAB（版本 R2022b）分析所有生成的数据。
    注意：在差分脉冲伏安法（DPV）中，电极产生的电化学信号具有不同的基线。因此，选择峰 prominence 来分析电化学行为并绘制校准曲线。Prominence 的计算可直接通过 PSTrace 5.9 软件完成，该过程为自动化操作。使用 PSTrace 5.9 软件采集的 DPV 数据进一步通过 MATLAB 绘图。PSTrace 5.9 是一款用户友好的软件，用于操控电化学工作站以开展电化学实验，包括循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）研究。执行 CV 和 DPV 实验的相关参数已在上文适当位置列出。通过 PSTrace 5.9 生成的数据被用于在 MATLAB 中绘图，以实现更清晰的结果展示。

结果

MIP@PoPD@SPCE 是一种传感电极系统，本文对此进行了讨论，其中两种 PoPD 的分子印迹聚合物是在丝网印刷碳电极上使用 100 nm 和 500 nm 尺寸的纳米聚苯乙烯作为模板材料制备的。在本研究中，开发了两种类型的 MIP@PoPD@SPCE 传感芯片：一种使用 100 nm 纳米聚苯乙烯作为模板材料制备，另一种则参考 500 nm 纳米聚苯乙烯作为模板材料。这些 MIP@PoPD@SPCE 系统被用于检测代表性水样中特定尺寸的纳米聚苯乙烯（例如，分别为 100 nm 和 500 nm 纳米聚苯乙烯），采用的是所提出的方法。

在传感过程中，了解传感电极、电解质以及纳米多孔硅在不同阶段和条件下的电化学行为至关重要。因此，我们采用包括循环伏安法和差分脉冲伏安法在内的电化学研究手段，对丝网印刷碳电极和纳米多孔硅的性质进行了探究。为了解纳米多孔硅对电化学结果的影响，我们以磷酸盐缓冲液作为电解质，以及在磷酸盐缓冲液与纳米多孔硅的组合体系中，对丝网印刷碳电极进行了循环伏安法和差分脉冲伏安法测试。理解丝网印刷碳电极和分子印迹聚合物修饰丝网印刷碳电极的表面特性也极为重要，这通过拉曼光谱进行了评估。

经清洁和优化的丝网印刷碳电极被用于两种分子印迹聚合物@聚邻苯二胺@丝网印刷碳电极系统的制备，分别采用100纳米和500纳米尺寸的纳米聚苯乙烯作为模板材料。对丝网印刷碳电极的表面功能特性进行了充分研究；所有丝网印刷碳电极均采用电化学技术进行处理，以制备分子印迹聚合物@聚邻苯二胺。所有分子印迹聚合物@聚邻苯二胺/丝网印刷碳电极传感芯片均使用相同的聚合溶液、稀释样品、清洗溶液和电解质溶液制备。采用循环伏安法对丝网印刷碳电极进行电化学清洁，具体操作如下： 图 1A. 清洁后，这些丝网印刷碳电极被用于在丝网印刷碳电极的工作电极上制备分子印迹聚合物。 通过 采用循环伏安法技术进行 PoPD 的电聚合，如 图1B. CV（图 1C) 和差分脉冲伏安法图 1D) 此外，还采用了多种技术来理解丝网印刷碳电极在不同阶段的电化学行为，例如清洗后、聚合后以及洗脱后。

MIP@PoPD@SPCE芯片采用500 nm尺寸的nPS作为模板材料制备，用于电化学传感检测nPS（500 nm尺寸）浓度（范围自4.2 × 10-9 至 2.1 x 10-4 g/L）。在此方法中，电化学技术，包括差分脉冲伏安法（DPV）图 2) 和 CA (图 3), 用于实现 nPS 的选择性传感。在此过程中，多个针对 500 nm 尺寸 nPS 的 MIP@PoPD@SPCE 传感芯片被一次性使用。这意味着，在使用 DPV 技术对每种浓度的 nPS（500 nm 尺寸）进行传感时，应使用一个新的传感电极。图 2A)。正如预期，基于差分脉冲伏安法的电化学信号随纳米聚苯乙烯（nPS）浓度的增加而增强。利用各浓度对应的电化学信号强度，建立了以nPS浓度为横坐标、以峰电流响应（以峰高表示）为纵坐标的校准曲线。图 2B）。因此，所绘制的校准曲线在数学上似乎可接受，并显示出灵敏度为 0.037169 µA/log（克/升），回归系数（R2) 相关系数为 0.902，检测限为 4.2 × 10-9 克/升，以及显著性 p值 < 0.015

为探索纳米聚苯乙烯（500 nm）的多模式电化学传感，本研究采用上述分子印迹聚合物@聚邻苯二胺@丝网印刷碳电极传感芯片，对浓度范围为 4.2 × 10-9 至 2.1 x 10-4 使用 CA 技术（g/L）图 3), 在恒定 10 V 电压下持续 30 分钟。各传感器的电流响应幅度约 3 分钟后趋于稳定。因此，仅绘制并选用每次记录的前 180 秒数据进行传感分析。图 3A). CA研究结果还显示，流经每个传感芯片的电流在前70秒内稳定下降，随后急剧下降直至电流趋于稳定。电流变化速率（图 3B) 通过低通滤波器进行处理。此外，将各测试浓度下的电流变化率取平均值，并相对于各浓度的对数作图。这些结果被用于绘制校准曲线。图 3C基于CA的电化学信号随nPS浓度变化的结果展示了一种极具前景的方法。这体现在一条拟合度极高的校准曲线上，其R²值高达0.999。2 相关系数为 0.994，且电流变化平均速率与 nPS 浓度之间呈现高度相关性。此外，检测范围宽广，从 4.2 x 10-9 至 2.1 x 10-4 g/L，最低检测浓度为4.2 × 10-9 克/升，且结果具有统计学意义。 p < 亦观察到了 0.001 水平上的显著性。

遵循相同流程，采用100 nm nPS作为模板材料制备的MIP@PoPD@SPCE传感电极，已用于通过DPV（图4）和CA（图5）技术在4.2 x 10-9至2.1 x 10-4 g/L浓度范围内对nPS（100 nm尺寸）进行电化学传感。如图4A所示，随着100 nm尺寸nPS浓度的增加，观察到MIP@PoPD@SPCE芯片的信号幅度增大。本研究的结果（图4A）被用于绘制校准曲线（图4B），即电信号幅度相对于特定浓度的关系。因此，绘制的校准曲线显示出线性回归R2为0.738，灵敏度为0.0533 µA/log(g/L)，宽的检测范围（从4.2 x 10-9至2.1 x 10-4 g/L），检测限为4.2 × 10-9 g/L，并具有统计学显著性（p < 0.05）。还探索了基于CA的电化学方法，使用MIP@PoPD@SPCE传感电极芯片对nPS（100 nm尺寸）进行多模式电化学传感，如图5所示。在此进行CA研究时，采用了与使用CA方法传感nPS（500 nm尺寸的nPS颗粒）时相同的参数。

图 5A,B 展示了使用针对 100 nm 尺寸 nPS 的 MIP@PoPD@SPCE 传感电极，基于计时安培法（CA）传感 nPS（100 nm 尺寸的 nPS 颗粒）相关的传感结果。此外，这些实验的结果被用于建立电流变化速率与不同浓度 nPS（100 nm）之间的校准曲线（图 5C） 。该校准图显示基于 CA 的校准曲线拟合良好（即 R2 = 0.746）且具有相关性（p 值 < 0.05）。此校准曲线还显示出 5.09 × 10-4 dA/dt /log(g/L) 的灵敏度，4.2 x 10-9 至 2.1 x 10-4 g/L 的宽检测范围，以及 4.2 × 10-9 g/L 的检测限。由于 r2 值较差，与 100 nm 尺寸 nPS 传感相关的 DPV 和 CA 研究均不可接受。但以 100 nm nPS 为模板材料制备的 MIP@PoPD@SPCE 芯片，可用于水样中 100 nm nPS 的筛查。

为评估传感电极的选择性，使用特定的MIP@PoPD@SPCE传感芯片，参照100 nm和500 nm尺寸的nPS颗粒进行了差分脉冲伏安法研究。在此过程中，分别使用100 nm和500 nm尺寸的nPS作为模板材料制备了两个MIP@PoPD基质，以生成特异性空腔。这些芯片被用于基于DPV的nPS传感，参照物为水中100 nm和500 nm PS的nPS（2.1 × 10-4 g/L）（数据未显示）。 在此交叉反应性研究中，使用500 nm PS制备的MIP@PoPD在与100 nm和500 nm nPS孵育时表现出峰电流差异。观察到使用500 nm模板制备的MIP@PoPD@SPCE对500 nm颗粒有响应。在此情况下，信号变化，即传感电极与加有目标样品后的传感电极之间的峰电流差异，被观察到显著更高。同时，当选择PoPD的非印迹聚合物作为传感芯片时，也评估了基于MIP@PoPD的传感芯片的选择性。NIP@PoPD@SPCE电极的制备采用了与优化后的MIP@PoPD@SPCE传感电极制备完全相同的实验条件。在基于DPV的传感实验中，选择浓度为2.1 x 10-4 g/L的500 nm尺寸nPS，在NIP@PoPD@SPCE和MIP@PoPD@SPCE传感电极系统中进行孵育（数据未显示）。该研究结果表明，NIP@PoPD@SPCE系统在低浓度的500 nm尺寸nPS颗粒下未显示出任何显著的电化学变化（就峰电流而言）。然而，基于MIP@PoPD@SPCE的传感电极则显示出响应电流的显著变化（就峰电流而言，从4.155–4.492 µA）。

为探究实际应用的各个方面，所提出的 MIP@PoPD@SPCE 传感电极（针对 100 nm 尺寸的 nPS 颗粒）被用于检测人工制备水样中的 100 nm 尺寸 nPS 颗粒。测试样品采用来自美国佛罗里达州莱克兰市佛罗里达理工大学湖泊的湖水制备。该测试使用循环伏安法和差分脉冲伏安法技术，以及含有 2.1 × 10-4 g/L 的 100 nm 尺寸 nPS 的湖水样品和针对 100 nm 尺寸 nPS 颗粒的传感芯片进行（数据未显示）。 这些实验仅在 PBS（pH = 7）中以及含有 5 mM 铁氰化物/亚铁氰化物混合物（Fe (II)/Fe (III)）的 PBS 中进行（数据未显示）。 这种无需介体和有介体传感的性能， 展示了所提出传感器广泛的适用性。仅在添加 nPS 的情况下观察到的特异性信号尖峰，表明了传感芯片的选择性。在 PBS 和 Fe (II)/Fe (III) 溶液中电流增加的幅度几乎相同，这表明任一种溶液都可用于传感应用。总之，所提出的 MIP@PoPD@SPCE 芯片可转化为用于现场检测水样中 nPS 的传感装置。

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图 1：MIP@PoPD@SPCE 传感电极芯片的电化学制备过程。(A) 基于循环伏安法的清洗过程，(B) 基于循环伏安法，在 nPS 存在下，将 oPD 电聚合为 PoPD 于 SPCE 上，(C) 基于循环伏安法对 PoPD@SPCE 在不同阶段（包括清洗后、聚合后和洗脱后）进行表征，以及 (D) 基于差分脉冲伏安法对芯片在不同阶段（包括洗脱后、聚合后和清洗后）进行表征。所有测量均进行三次重复 (n = 3)，分析中使用了相同信号的图谱。请点击此处查看此图的更大版本。

本图改编自 Sanchez-Almirola 等人1。

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图 2: 基于差分脉冲伏安法的纳米聚苯乙烯电化学传感（参照500纳米尺寸模板）. (A) 基于差分脉冲伏安法的电化学研究，在含有5 mM氧化还原基团（即Fe(II)/Fe(III)）的PBS缓冲液中，以500 nm浓度作为变量进行。B) 校准曲线绘制于峰响应电流（峰高）与 nPS 浓度对数值之间。所有测量均进行三次重复（n = 3），分析中使用了相同信号的曲线图。DPV 扫描峰高与浓度对数值的关系图通过线性回归拟合（R2 = 0.902, pp 值 = 0.0135，均方根误差 = 0.0596）。数据显示灵敏度为 0.037169 µA/log(g/L)，检测范围为4.2 × 10-9 至 2.1 × 10-4 g/L，误差棒为5%，检测限为4.2 × 10-9 克/升。本图改编自 Sanchez-Almirola 等人。1. 请点击此处查看此图的放大版本。

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图 3： 与纳米聚苯乙烯电化学传感相关的计时电流法研究（以 500 nm 尺寸的纳米聚苯乙烯颗粒为参照）。 (A) 在含有 5 mM 氧化还原对 [Fe(II)/Fe(III)] 的 PBS 存在下，计时电流法模式随纳米聚苯乙烯（500 nm 尺寸）浓度的变化（条件：10 V，180 s），(B) 各测试浓度下电流响应变化的速率，以及 (C) 针对每种纳米聚苯乙烯（500 nm 尺寸）浓度绘制的电流变化平均值校准曲线。所有测量均进行三次重复（n = 3），分析中使用了相同信号的图表。针对每种测试的 500 nm 尺寸纳米聚苯乙烯浓度，其电流变化平均速率与线性回归拟合（R2 = 0.994，p 值 = 0.000177，RSME = 9.05 × 10-5）一同展示，灵敏度为 – 5.09 × 10-4 dA/dt /log(g/L)，检测范围宽达 4.2 × 10-9 - 2.1 × 10-4 g/L，检测限为 4.2 × 10-9 g/L。本图改编自 Sanchez-Almirola 等人1。 请点击此处查看此图的大尺寸版本。

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图 4: 基于差分脉冲伏安法的纳米聚苯乙烯电化学传感（参照100纳米粒径的纳米聚苯乙烯颗粒）. (A) 基于差分脉冲伏安法的电化学研究：在含有5 mM氧化还原对（即Fe(II)/Fe(III)）的PBS存在下，作为100 nm尺寸纳米聚苯乙烯（nPS）浓度的函数。B) 校准曲线绘制于峰响应电流（峰高）与 nPS 浓度对数值之间。所有测量均进行三次重复（n = 3），分析中使用了相同信号的曲线图。校准曲线：DPV 扫描峰高与浓度对数值的关系图，采用线性回归拟合（R2 = 0.738, pp值为0.0284，均方根误差为0.081）使用100纳米尺寸的模板分子印迹聚合物。因此，绘制的校准曲线显示出灵敏度为 0.0533 µA/log(g/L)，检测范围宽达4.2 × 10-9 至 2.1 × 10-4 g/L，误差条为5%，检测限为4.2 × 10-9 克/升。本图改编自 Sanchez-Almirola 等人。1. 请点击此处查看此图的放大版本。

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图 5： 基于计时安培法（CA）的纳米聚苯乙烯（nPS）电化学传感相关研究（以 100 nm 粒径的 nPS 颗粒为参照）。 (A) 在含有 5 mM 氧化还原对 [Fe(II)/Fe(III)] 的 PBS 存在下，CA 信号模式作为 nPS（100 nm 粒径的 nPS 颗粒）浓度的函数（在 10 V 下记录 180 s），(B) 相对于各测试浓度的电流响应变化速率，以及 (C) 针对各浓度 nPS（100 nm 粒径的 nPS 颗粒）的电流变化平均值绘制的校准曲线。所有测量均进行三次重复（n = 3），分析中使用了相同信号的图形。针对所测试的每种 100 nm 颗粒浓度，给出了电流变化的平均速率，并附有线性回归拟合（R2 = 0.746，p 值 = 0.0266，RMSE = 0.00281），灵敏度为 5.09 × 10-4 dA dt /log(g/L)，检测范围为 4.2 × 10-9 g/L 至 2.1 × 10-4 g/L，误差条为 5%，检测限为 4.2 × 10-9 g/L。本图改编自 Sanchez-Almirola 等人1。 请点击此处查看此图的更大版本。

公制电化学传感傅里叶变换红外光谱法拉曼光谱热裂解-气相色谱/质谱联用
数据输出浓度 / 颗粒数颗粒计数、尺寸 &；化学鉴定颗粒计数与粒径 &；化学鉴定总聚合质量 &；添加剂
目标尺寸限制亚微米微尺度微尺度 与尺寸无关（质量依赖型）
<100 纳米>10 µm>1 µm
分析速度分钟（实时）小时（扫描+处理）小时（映射+处理）小时（热提取）
设备成本低 高 高 极高
<$1,0004万至15万美元5万至20万美元15万 - 30万美元

表1：电化学聚苯乙烯传感性能与其他聚苯乙烯检测技术的比较。

讨论

本研究展示了用于水样中纳米聚苯乙烯（nPS）检测的分子印迹电化学传感器的设计与开发。制备了两种独立的芯片：（1）以100 nm粒径的nPS为模板材料的MIP@PoPD@SPCE芯片，以及（2）以500 nm粒径的nPS为模板材料的MIP@PoPD@SPCE芯片。在实验过程中，通过循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）的电化学研究，对每一步分子印迹材料的制备过程及nPS的传感性能进行了逐步表征。其中，一个重点关注的方面是探究SPCE、PoPD和nPS的电化学特性。CV和DPV研究结果表明，当将nPS加入电解质溶液后，SPCE的电流信号强度增加，这证实了nPS具有电活性。通常情况下，微塑料（MPs）被认为是绝缘材料；然而，对于m/n-PS而言，实验观察到其存在反而增强了MIP@PoPD@SPCE体系的电化学信号强度。该行为可归因于在施加电场条件下nPS所表现出的增强特性，这一结论基于对现有文献的深入讨论与分析。这些nPS（包括100 nm和500 nm粒径）在不同条件（如电场作用）下表现出不同的性质，例如可调控的表面电荷和自由基化能力，并能促进电子传递。在对nPS@PBS@MIP@SPCE体系进行的基于CV的电化学研究中，观察到峰位发生偏移，同时电流信号强度显著增强。此外，在基于DPV的电化学研究中，nPS@PBS@MIP@SPCE的电化学信号强度约为不含nPS的PBS溶液的4倍。上述结果证实，在存在电势差和电解质溶液的条件下，nPS表现出电活性材料的特征。

邻苯二胺（oPD）的电聚合形成聚合物网络PoPD。在含有nPS（100 nm和500 nm颗粒）的条件下对oPD进行相同的电聚合，可生成一种将nPS颗粒嵌入其中的聚合物体系。随后，通过洗脱过程将nPS从PoPD与nPS复合体系中去除，从而在PoPD中形成特定的空腔结构。这些空腔在尺寸、取向以及nPS颗粒的整体形状方面均具有特异性。洗脱完成后，将针对原始模板分子（即100 nm和500 nm尺寸的nPS颗粒）具有特异性识别能力的分子印迹聚合物（MIP）成功制备于SPCE表面。为验证MIP@PoPD@SPCE传感电极系统的制备成功，系统地开展了多种电化学研究，并以裸SPCE作为参照进行分析。结果表明，在MIP@PoPD@SPCE构建的每个阶段，电化学响应均发生显著变化。主要观察结果为：由于nPS存在于电极表面，PoPD（含nPS）@SPCE的电化学响应信号增强；随后，当电活性的nPS从聚合物基质（PoPD）中被去除后，MIP@PoPD@SPCE的电化学响应幅度较之前略有下降。上述电化学行为的变化证实了MIP@PoPD@SPCE芯片的成功构建，该芯片将用于水样中nPS的电化学检测。

PoPD及MIP@PoPD体系制备的完整过程涉及多种表面变化与修饰，这些变化通过拉曼光谱和拉曼成像的结果得以证实。对于PoPD而言，其拉曼光谱曲线显示出与PoPD聚合物体系中各官能团相关的所有特征峰，并与文献中关于PoPD的报道一致（数据未显示）。MIP@PoPD的拉曼光谱曲线则呈现出与PoPD和nPS官能性相关的全部特征峰（数据未显示），这表明嵌入PoPD基质中的nPS颗粒在洗脱过程中并未被完全去除。此外，通过光照条件下的观察对nPS的性质进行了研究。该特征在MIP@PoPD的拉曼成像以及nPS在MIP@PoPD中分布情况的分析中同样被观察到，进一步证实了nPS存在于传感芯片上。

本研究中，利用MIP@PoPD平台结合计时安培法（CA）和微分脉冲伏安法（DPV）进行PS检测时发现，随着芯片表面nPS浓度的增加，电信号强度也随之增强。这种观测到的电化学信号与PBS中nPS的存在有关，nPS可形成促进物质传输的微环境，从而增强丝网印刷碳电极（SPCE）的信号强度。同时，在使用相应的MIP@PoPD@SPCE传感芯片对nPS（粒径分别为100 nm和500 nm的nPS颗粒）进行电化学检测时，当nPS被孵育于MIP@PoPD网络中后，MIP@PoPS@SPCE芯片的电信号强度也出现增加。

为了阐明这种增强的电化学响应，我们仔细回顾了相关文献。研究发现，当施加电场时，纳米多孔硅（nPS）会变得具有电化学活性。相对于MIP@PoPD，观察到电信号增强，这与nPS在分子印迹聚合物（MIP）孔腔内的取向排列以及nPS与PoPD之间可能发生的相互作用有关。如上所述，施加的电场可在nPS上产生电化学活性位点，从而在电化学检测过程中促进电子传递。此外，还有多种因素可解释nPS在提升MIP@PoPD@SPCE芯片电信号强度方面所起的作用。同时，nPS与聚合物基质之间的相互作用在揭示电化学过程的科学机理中也具有重要意义。在此方面，nPS与PoPD的混合可形成π-π堆积相互作用，从而增强电子传递能力。这种扩展的π-π网络结构在电化学过程中施加电场时更易于发生氧化反应。此外，施加的电场可在nPS以及nPS@MIP@PoPD中产生多种电化学活性位点，总体上有助于电子传输。

使用500 nm nPS作为模板材料制备的MIP@PoPD@SPCE对nPS（粒径为500 nm的nPS颗粒）进行电化学传感，在浓度范围为4.2 × 10-9 至 2.1 × 10-4 g/L时，表现出可接受的数学模型（以回归系数值衡量）。同时，使用100 nm nPS作为模板材料制备的MIP@PoPD@SPCE对nPS（粒径为100 nm的nPS颗粒）进行电化学传感，在浓度范围为4.2 × 10-9 至 2.1 × 10-4 g/L时，表现出随浓度变化的明显信号响应。然而，由于回归系数较差，所建立的数学模型不可接受。上述两种传感体系的选择性通过以下两种方式进行了评估：1）采用差分脉冲伏安法（DPV）技术，分别评估100 nm PS和500 nm nPS对每种传感芯片的影响。结果证实，针对500 nm粒径nPS空腔特异性设计的MIP@PoPD@SPCE传感芯片对500 nm nPS表现出良好的响应，而对100 nm nPS则产生较小的电化学信号变化。这些结果表明，针对500 nm nPS构建的MIP@PoPD@SPCE是一种可用于选择性检测500 nm nPS并筛选100 nm nPS颗粒的优良传感芯片。

在此方法中，nPS 的传感选择性主要源于 PoPD 内部形成的特异性空腔，而非 nPS 与 PoPD 之间的相互作用。因此，制备了非印迹聚合物（NIP），即仅将 PoPD 沉积在 SPCE 上，用于评估其电化学行为随 nPS 浓度的变化（nPS 粒径为 500 nm，浓度为 2.1 × 10-4 g/L）。差分脉冲伏安法（DPV）研究结果（以峰信号强度为指标）证实，MIP@PoPD 对 nPS 的响应强于 NIP。这表明分子印迹法具有更高的选择性和适应性，能够通过针对 nPS 的形状、尺寸和取向所构建的特异性空腔，实现对 nPS 的选择性捕获与检测。

为了验证实际应用，作为概念验证，使用含有2.1 × 10-4 g/L浓度、粒径为100 nm的nPS颗粒的湖水样品对所制备的传感器进行了测试。循环伏安法（CV）和微分脉冲伏安法（DPV）研究结果表明，所有样品均对电化学信号产生影响，但含有nPS的样品对电化学信号的影响尤为显著，这证实了所开发传感器对nPS的选择性。该方法基于已发表的原型研究，所开发传感系统的验证工作仍在进行中，属于本项目第二阶段研究的一部分。该项目第二阶段的研究成果将在未来另文发表。

综上所述，本方法成功展示了利用基于分子印迹聚合物（MIP）的电化学传感方法对100 nm和500 nm粒径的纳米塑料（nPS）颗粒进行电化学检测。在该传感方法中，以邻苯二胺（oPD）为单体，以100 nm和500 nm粒径的nPS作为模板材料，通过电化学方法在定制的丝网印刷碳电极（SPCE）上制备了聚邻苯二胺（PoPD）分子印迹聚合物（MIP）。MIP@PoPD制备过程中的每一步均系统性地进行，并采用循环伏安法（CV）、微分脉冲伏安法（DPV）、计时安培法（CA）和拉曼光谱等先进分析技术进行了表征。这些研究结果揭示了传感芯片的电学特性、相关表面变化以及传感机制。两种传感电极，即针对100 nm和500 nm粒径nPS颗粒的MIP@PoPD@SPCE，均可在数分钟的操作时间内，实现对4.2 × 10-9 – 2.1 × 10-4 g/L浓度范围内的特定nPS颗粒的选择性检测。对传感结果的分析表明，针对500 nm粒径nPS的MIP@PoPD@SPCE系统在数学上更为可接受；相比之下，针对100 nm粒径nPS颗粒的传感芯片可用于100 nm nPS的筛查。

采用恒电位法（CA）和微分脉冲伏安法（DPV）所获得的传感结果相互一致，两种技术均可用于实际应用。同时，分子印迹聚合物（MIP）的电化学传感信号明显不同于非印迹聚合物（NIP）所观察到的信号。因此，基于MIP的传感具有预期的选择性，是可接受的。为了探索实际应用，本研究以概念验证的方式，使用已知浓度的合成nPS溶液及佛罗里达理工学院的湖水样品，进行了基于MIP@PoPD的电化学传感检测。所观测到的信号非常显著，表明所开发的传感电极具有良好的选择性。

本文所述的电化学传感可使用便携式电化学工作站进行，该工作站可通过智能手机或平板电脑操作；因此，所提出的系统可用于即时检测（PoC）和即时使用（PoU）场景。未来，将进一步努力基于超小型微电化学平台（MEP）建立这种传感方法。这种手持式MEP可通过智能手机操作，从而实现即时检测（POC）、即时现场检测（PoN）或即时使用（PoU）传感、所需的数据采集、快速分析及决策制定14,15。

披露

本文作者声明无利益冲突。

致谢

本文感谢佛罗里达理工学院和富布赖特外国奖学金委员会为富布赖特专家项目奖提供的资助，即 AW-2000022、GR-23SUMR-AK 和 GR-24SUMR-AK。作者声明，本方法基于已发表的研究论文和已授予的美国专利（US 12,523,590B1）。作者同时感谢佛罗里达理工学院高级全球事务官员 Mustapha Achoubane 先生在获得富布赖特专家奖过程中提供的协助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
数据分析MATLAB
去离子水佛罗里达理工学院内的 Milipore
电化学分析仪PalmSens4 恒电位仪（荷兰豪滕）
乙醇Sigma Aldrich459836
盐酸（HCL）Sigma Aldrich7647-01-0
甲醇Sigma Aldrich423950010
邻苯二胺（oPD）Sigma Aldrich615-28-1
磷酸盐缓冲液（PBS）片剂Sigma AldrichMFCD00131855
聚苯乙烯微塑料（100 nm）Sigma Aldrich43302
聚苯乙烯微塑料（500 nm 尺寸）Sigma Aldrich59769
铁氰化钾Sigma Aldrich13746-66-2
亚铁氰化钾Sigam Aldrich14459-95-1
拉曼分光光度计与显微镜LabRAM HR Evolution, Horiba Scientific
丝网印刷碳电极BASi Instrumetation PALM-IS-C U/M EA - ItalSens Carbon Electrodes 

参考文献

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