单壁碳纳米管修饰电极对去甲肾上腺素的电化学检测

欧陵斌

去甲肾上腺素(NE)属儿茶酚胺类神经递质，在中枢神经内分布很广，它的存在与人体神经系统应急能力有关，因而其测定在临床和基础研究中具有重要作用［1-2］。常用的测定NE的方法主要有分光光度法［3-4］、高效液相色谱法(HPLC)［1，5］、离子色谱法［6］和荧光光谱法［2］。NE由于具有两个邻位酚羟基，具有电化学活性，可以用电化学方法检测。化学修饰电极可以降低过电位，增加传质速率，并能有效利用电极的修饰表面对分析物选择富集、渗透等功能对分析物进行检测。用化学修饰电极研究儿茶酚胺类神经递质的电化学行为以及对其测定是目前分析化学比较活跃的研究领域［7-9］，聚合物膜修饰电极具有可以提供的三维空间反应场，具有较多的活性部位，可降低过电位，增加传质速率，从而产生明显的分析信号，实现对分析物选择富集的功能，在NE的测定中应用较多。

单壁碳纳米管(SWCNTs)具有优良的电学性质，可以将其用作一种特殊的电极材料来促进电子的传递。Nafion是一种全氟磺酸离子交换聚合物，带有亲水的磺酸基和疏水的碳氟骨架，分子具有微孔结构，含有固定位点，能够选择性渗透阳离子和阻碍阴离子的渗透，而且Nafion能够完全分散单壁碳纳米管使其形成稳定的分散液。本实验制备了Nafion聚合物膜包裹单壁碳纳米管修饰玻碳电极并用于NE的测定，该修饰电极制备简单，用于分析针剂样品，结果令人满意。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂 CHI660型电化学工作站(上海辰华仪器公司)，三电极系统:工作电极为SWCNTs/Nafion修饰电极，参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂丝电极。SWCNTs(＞90%，中科院成都有机化学研究所)，Nafion(质量分数为5%，美国Sigma公司)，去甲肾上腺素购于Sigma公司，重酒石酸去甲肾上腺素注射液(武汉制药厂，批号:920467)，柠檬酸，磷酸氢二钠为分析纯，实验所用水为超纯水。1 mg/mL SWCNTs分散液由5wt%的Nafion溶液配制。

1.2 Nafion聚合物膜包裹单壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备 将1 mg单壁碳纳米管均匀超声分散于1 mL Nafion溶液中，形成聚合物膜包裹单壁碳纳米管的修饰剂。玻碳电极(GCE，Φ=2 mm)先在0.05 μm的Al2O3粉末上抛光，然后依次在无水乙醇和二次水中超声清洗2 min，用N2吹干后，在GCE表面滴加6 μl制备好的修饰剂，用红外烘干，即得SWCNTs/Nafion修饰电极。

1.3 实验方法 将待分析的去甲肾上腺素溶解于0.2 mol/L柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH=3.9)中，再转入10 ml的电解池里，通入高纯N2除O210 min，以SWCNTs/Nafion修饰玻碳电极为工作电极，扫速为10 mV/s，在0.0～1.0 V的范围内进行循环伏安(CV)扫描并记录其曲线。实验均在(23±2)℃下进行。

2 结果和讨论

2.1 去甲肾上腺素在SWCNTs/Nafion修饰玻碳电极上的循环伏安图 在相同实验条件下(0.2 mmol/L NE，pH=3.9)，比较裸GCE，Nafion、SWCNTs/Nafion修饰 GCE上 NE的 CV图，结果如图1所示，在裸GCE上，NE呈现出信号相对较弱的氧化还原峰，氧化峰(Epa)电位为0.449 V，还原峰(Epc)电位为0.400 V，相比较于Nafion膜修饰电极，NE的氧化、还原峰电位差增大了134 mV，表明电子转递速率减慢，增强了iR效应［10-11］，其原因是Nafion膜选择性的渗透质子化的去甲肾上腺素。与裸GCE相比，Nafion膜修饰电极上NE的氧化峰电流有所增强。然而，在SWCNTs/Nafion修饰玻碳电极上，NE的氧化峰电位负移至0.431 V，还原峰电位0.380 V，相比于裸GCE，EP的氧化峰电流增强了7倍，氧化还原峰由不可逆变为可逆，峰电流信号显著增强，说明修饰上碳纳米管后增大了电极表面积，加速了去甲肾上腺素和电极间的电子传递速率，对去甲肾上腺素有较强的电催化作用，而Nafion膜则能够选择性渗透质子化的去甲肾上腺素。碳纳米管具有催化活性的的表面以及极高的纵横比，单壁碳纳米管能增加电极的表面面积，所以背景电流比在裸电极上大大增加。NE在三种不同修饰电极上的循环伏安参数如表1所示。

图1 去甲肾上腺素在不同电极上的循环伏安图

2.2 最佳条件的选择

2.2.1 pH值的影响 在pH2.0～8.3的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液中，用循环伏安法研究了去甲肾上腺素氧化峰电位、峰电位差与pH关系曲线图，如图2的曲线a和b。在pH=3.9的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液中，峰电位差最小，所以实验中选择pH=3.9的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液作为支持电解质。随着pH值的增加，去甲肾上腺素氧化峰电位负移，且峰电位与溶液pH在2.0～8.3范围内呈线性关系，Epa=0.6811-0.0642pH(r=0.999)，斜率64mV/pH表明:电极反应过程中电子的得失伴随着等量的质子参加。

表1 去甲肾上腺素在不同电极上的循环伏安参数

图2 去甲肾上腺素氧化峰电位、峰电位差与pH关系

2.2.2 碳纳米管修饰液用量的影响 对单壁碳纳米管修饰液的用量进行了考察。如图3所示:发现随着修饰液量的加大，去甲肾上腺素氧化峰电流逐渐增大，当修饰液的量达到6 μl时，用量与峰电流基本稳定，当修饰液用量超过7 μl时，峰电流值反而下降。这可能是因为较厚的修饰膜不利于去甲肾上腺素的传质与电极表面之间的电子交换，阻碍了去甲肾上腺素在电极上的电化学氧化，所以峰电流下降，同时，背景电流也增加。故实验选择6 μl单壁碳纳米管/Nafion修饰液修饰电极。

图3 修饰剂用量对去甲肾上腺素氧化峰电流的影响

2.2.3 扫描速度的影响 考察扫描速度对0.2 mmol/L去甲肾上腺素氧化峰电流的影响。如图4所示:研究发现，在10～250 mV/s范围内，氧化峰电流与扫描速度的平方根成正比，线性关系表达式如下:pa=-2.84+3.96 1/2(Ipa:A，mV·s，相关系数 r=0.998 94)，表明去甲肾上腺素在SWCNTs/Nafion修饰电极上的氧化过程受扩散控制。选择以10 mV/s的扫速做为实验优化条件。

图4 去甲肾上腺素的氧化峰电流与扫描速度平方根的线性关系

2.2.4 碳纳米管修饰电极对去甲肾上腺素的工作曲线 以0.2 mol/L的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH=3.9)中，去甲肾上腺素在SWCNTs/Nafion修饰玻碳电极上的氧化峰电流与浓度在2.0×10-5～2.5×10-4mol/L范围内呈线性关系，如图5所示，线性回归方程为 Ipa=0.75-0.27c(Ip:A，c:M，r=0.999 3)，检测限为4.2×10-6mol/L。

图5 去甲肾上腺素的氧化峰电流与其浓度的线性关系

2.2.5 样品测定及回收实验 准确移取重酒石酸去甲肾上腺素注射液(2 mg/ml，批号:920467)在10 ml容量瓶中定容，移取一定量样品用0.2 mol/ml柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH 3.9)稀释至10 ml，通氮气5 min除氧，再转入电解池中。通过标准加入法对去甲肾上腺素注射液进行含量测定，平均回收率分别为100.8%、99.1%，其相对标准偏差分别是4.9%和2.39%，如表2所示。

表2 样品中去甲肾上腺素的测定结果(n=6)

3 结论

以单壁碳纳米管/Nafion修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，系统的研究了去甲肾上腺素在单壁碳纳米管/Nafion修饰电极上的电化学行为，考察了影响峰电流的各种因素。去甲肾上腺素在单壁碳纳米管/Nafion修饰电极上的氧化过程受扩散控制，电极反应过程中电子的得失伴随着等量的质子参与。在优化条件下，用单壁碳纳米管/Nafion修饰电极，通过标准加入法对去甲肾上腺素注射液进行含量测定，平均回收率分别为100.8%、99.1%(n=6)，其相对标准偏差分别是4.9%和2.39%，结果令人满意。

［1］刘文弟，齐伟，郑惠良.高效液相色谱-电化学检测法同时测定人血浆中的组织胺和去甲肾上腺素色谱，1999，17(1):80-82.

［2］熊忠，索有瑞.组织中去甲肾上腺素的荧光测定法.光谱学与光谱分析，1999，1999(1):106-107.

［3］Salem F.B.Spectrophotometric and titrimetric determination of catecholamines.Talanta，1987，34(9):810-812.

［4］Zhu M，Huang XM，Li J，et al.Peroxidase-based spectrophotometric methods for the determination of ascorbic acid，norepinephrine，epinephrine，dopamine and levodopa.Anal.Chim.Acta，1997，357(3):261-267.

［5］彭贵华，唐银，曾立明，等.高效液相色谱法测定血浆中儿茶酚胺.湖南医科大学学报，2001，26(5):485-487.

［6］Guan CL，Ouyang J，Li QL，et al.Simultaneous determination of catecholamines by ion chromatography with direct conductivity detection.Talanta，2000，50(6):1197-1203.

［7］Zhao H，Zhang YZ，Yuan ZB.Electrochemical behavior of norepinephrine at poly(2，4，6-trimethylpyridine)modified glassy carbon electrode.Electroanalysis，2002，14(6):445-448.

［8］吕元琦，邬春华，袁倬斌.去甲肾上腺素在聚-2，3-吡啶二羧酸修饰玻碳电极上的电化行为.分析化学，2004，32(8):1016-1018.

［9］李霞，马心英.聚L-丝氨酸修饰电极选择性测定去甲肾上腺素.分析实验室，2008，27(7):115-118.

［10］Rodriguez MC，Rubianes MD，Rivas GA.Highly selective determination of dopamine in the presence of ascorbic acid and serotonin at glassy carbon electrodes modified with carbon nanotubes dispersed in polyethylenimine.J.Nanosci.Nanotechnol，2008，8(11):6003-6009.

［11］Zhang MG，Gorski W.Electrochemical sensing platform based on the carbon nanotubes/redox mediators-biopolymer system.J.Am.Chem.Soc，2005，127:2058-2059.