羧基-β-环糊精–磁性石墨烯修饰电极对多巴胺的电化学行为研究

苏建芝

(北京中医药大学东方学院，河北廊坊 065000)

罗学辉

(中国人民武装警察部队武警黄金地质研究所，河北廊坊 065000)

李芳青，毛燕妮，刘君生

(东华理工大学化学生物与材料科学学院，江西抚州 344000)

羧基-β-环糊精–磁性石墨烯修饰电极对多巴胺的电化学行为研究

苏建芝

(北京中医药大学东方学院，河北廊坊 065000)

罗学辉

(中国人民武装警察部队武警黄金地质研究所，河北廊坊 065000)

李芳青，毛燕妮，刘君生

(东华理工大学化学生物与材料科学学院，江西抚州 344000)

制备了羧基-β-环糊精与磁性石墨烯混合溶液，采用滴涂法对玻碳电极进行修饰，然后对多巴胺进行电化学测定。在pH 6.0的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，扫描速率为0.10 V／s时，修饰后的复合膜电极的氧化还原峰电流变化值与多巴胺的浓度在1.5×10-5～5.0×10-3mol／L范围内呈良好的线性关系，线性方程为ipa=–0.115 8c-3.425 7×10–6，r2=0.991 5。该电极对多巴胺具有良好的电催化作用和较高的电子传递速率，采用加标回收法测定多巴胺模拟样品，回收率为98.3%～103.2%，检出限为5.7×10-7mol／L。

羧基-β-环糊精；石墨烯；多巴胺；电化学

石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环。理想的石墨烯结构可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性；此外，石墨烯还表现出异常的整数量子霍尔行为等特性。因此石墨烯在电子器件、高频电路、传感器及生物技术等诸多领域具有广阔的应用前景［1-4］。

β-环糊精(简称β-CD)是由直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的环状低聚糖，含有7个D-吡喃葡萄糖单元。该分子内腔疏水，外腔亲水，具有一定的包络性能，可以作为主体分子与其它分子形成主客体包络物，因而β-CD在食品、医药、化工等方面得到广泛的应用［5-7］。

多巴胺(简称DA)是大脑内分泌的一种名为4-(2-乙胺基)-1，2-二苯酚神经递质，是体内合成去甲肾上腺素的前体，具有β受体激动作用，也有一定的α受体激动作用。它对于治疗各种类型休克、肾功能不全、心排出量降低、周围血管阻力较低并且已补足血容量的病人具有重要意义［8］。

笔者利用合成的羧基-β-环糊精(β-CD-COOH)和磁性石墨烯（MGNs）的混合液对玻碳电极进行修饰制得复合膜修饰电极。通过研究该修饰电极对DA的电化学响应，探讨在最佳条件下，建立一种新型化学生物电极测定生物分子的方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电化学工作站：CHI660D型，上海辰华仪器公司；

三电极体系：玻碳电极(GCE)作为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂片电极为辅助电极；

数字式酸度计：PB-10型，赛多利斯科学仪器有限公司；

β-环糊精：化学纯，使用前经二次提纯；

高纯石墨：色谱纯；

对甲基苯磺酸酸酐、DA、氯化铁：分析纯；

磷酸盐(PBS)缓冲溶液：现用现配；

其它试剂均为分析纯；

实验用水为二次蒸馏水。

1.2 MGNs的制备

在文献［9-10］方法基础上做部分改进，制备了磁性氧化石墨烯(GO)。具体合成方法如下：

在冰水浴下，将1 g石墨粉、0.5 g NaNO3加入到装有23 mL浓H2SO4的烧杯中，搅拌反应30 min，逐滴加入3 g KMnO4，至其完全溶解。然后将水浴温度缓慢升高至30℃后，反应30 min，再缓慢加入50 mL水，搅拌，并逐渐升温至98℃，加入3.5 mL H2O2和16.5 mL水，反应15 min后，将反应混合物离心分离，最后分别用3%HCl溶液和水洗涤沉淀，真空干燥，得GO产品。随后取100 mg GO溶于50 mL乙二醇，超声60 min剥离，得分散液，加入0.5 g FeCl3·6H2O，搅拌 2 h，加入 3.6 g NaAc，1.0 g 聚乙二醇，搅拌30 min，再将反应釜加热到200℃，反应16 h，所得黑色物质用乙醇洗涤，并于50℃下真空干燥12 h，得MGNs产物。

将得到的MGNs利用超声混合均匀于水中得到MGNs溶液，以预处理后的GCE为基体电极，滴加15 μL MGNs溶液，于红外灯下干燥，待用。

1.3 β-CD-COOH 的合成

β-CD-COOH 的合成步骤如下［11-12］：

将11.53 gβ-CD（0.01 mol）加入到含有2 mL 1 mol／L HNO3溶液 和 20 mL H2O2溶液的混合溶液（1∶1）中，加热回流10 h至溶液由乳白色变为透明。冷却后，反应混合物依次以丙酮和无水乙醇洗涤数次以除去水，然后在减压条件下移除溶剂，浓缩产物在60℃下真空干燥12 h。取干燥后的产物（0.05 mol）溶解于少量N，N-二甲基甲酰胺中，再加入用吡啶和等量KOH 溶解的甘氨酸（0.15 mol）混合溶液，将混合物溶液升温至70～80℃。搅拌反应约7～8 h至溶液呈黄色，过滤除去未反应的原料，再往滤液中加入0.15 mol硼氢化钠，调节溶液至pH 3～4，加入大量丙酮，生成沉淀，抽滤，用丙酮和乙醇多次洗涤，干燥后得目标产物。

1.4 β-CD-COOH-MGNs修饰电极的制备

将玻碳电极(GCE)进行预处理，具体步骤如下：先用金相砂纸打磨电极表面，再用氧化铝粉浆抛光处理，在超声波清洗器中依次用6 mol／L HNO3溶液、乙醇、二次水超声5 min，即得到处理好的玻碳电极。然后将MGNs与β-CD-COOH进行超声混合均匀，将预处理后的玻碳电极作为基体电极，滴加15 μLβ-CD-COOH–MGNs溶液进行修饰，最后在红外灯下干燥，待用。

1.5 多巴胺的测定

在不同电化学条件下用循环伏安法测定β-CDCOOH-MGNs修饰电极对DA的电催化能力，探讨电极表面的变化规律，选择最佳测定条件。

2 结果与讨论

2.1 不同电极对测定DA的影响

为了便于比较并说明问题，笔者采用类似方法，分别利用MGNs和β-CD-COOH滴涂在预处理后的玻碳电极表面，得到相应的MGNs修饰电极和β-CD-COOH修饰电极。

在0.1 V／s的扫描速率下，将两个修饰电极分别与裸电极、β-CD-COOH-MGNs修饰电极在相同条件下测定1×10-4mol／L DA的循环伏安曲线，结果如图1所示。

由图1可知，与裸电极、β-CD-COOH修饰电极及MGNs修饰电极相比，DA在β-CD-COOH-MGNs修饰电极表面的氧化–还原峰电流值变化最大，可能是因为该电极复合膜中的β-CD-COOH所含有的羧基吸电子基团和磁性片层石墨烯具有协同导电作用，加速促进DA在电极表面的电子传递速率，提高了电极表面对DA的电催化作用，增大了对DA的电流响应。因此实验探讨采用β-CD-COOH–MGNs复合膜修饰电极对DA进行电化学测定。

图1 DA在不同修饰电极上的循环伏安曲线

2.2 溶液酸度对测定DA的影响

用pH值分别为 2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0 的PBS缓冲溶液作溶剂，依次配制不同酸度、浓度为 1.0×10-4mol／L的 DA溶液，然后利用β-CDCOOH-MGNs修饰电极通过循环伏安法测定不同DA溶液的氧化峰电流。测定结果表明，电极对DA的响应电流随pH值的增大而增大，尤其在pH 6.0时，DA的循环伏安曲线最佳，所以选择pH 6.0为宜。

2.3 不同扫描速率对测定DA的影响

通过改变扫描速率测定DA，观察不同扫描速率对β-CD-COOH-MGNs修饰电极表面电流变化的影响。在酸度为pH 6.0的1.0×10-4mol／L DA溶液中，当扫描速率分别为 0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3 V／s时，DA在β-CD-COOH-MGNs修饰电极上的循环伏安曲线如图2所示。

图2 在不同扫描速率上的DA循环伏安曲线

由图 2可知，在 0.02～0.10 V／s范围内，随着扫描速率的增大，DA的氧化峰电流ipa和还原峰电流ipc的变化值的比值也增大，而且氧化峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，线性方程为，相关系数r=0.993 1，说明DA在该修饰电极上的电化学反应受扩散电流控制［13］。这主要因为β-CD-COOH中的羧基吸电子基团与MGNs的协同作用使玻碳电极具有更强的导电性能，导电率提高，进而促进了DA氧化还原反应中电子的转移。此外，由图2可以看出，峰电流随扫描速率增大而增大，其中在0.10 V／s时峰电流较大且峰形较好。为避免扫描速率过高导致充电电流过大而对测定结果造成影响和信噪比降低，实验选择扫描速率为0.10 V／s。

2.4 线性范围和检出限

用pH 6.0的PBS缓冲溶液作溶剂，配制浓度分别为 1×10-3，5×10-4，1×10-4，5×10-5，1×10-5，5×10-6，1×10-6，5×10-7，1×10-7mol／L的DA 溶液。在0.1 V／s的扫描速率下，用β-CD-COOH-MGNs修饰电极通过线性扫描伏安法(LSV)测定不同浓度的DA溶液，探讨DA溶液的浓度与氧化峰电流的关系，结果如图3所示。结果表明，DA氧化峰与其浓度在1.5×10-5～5.0×10-3mol/L范围内呈良好的线性关系，线性回归方程为ipa=-0.115 8c-3.425 7×10-6，r2=0.991 5，检出限为5.7×10-7mol／L。由图3可知，峰电流随DA浓度的增加而增大，因此其可以作为DA浓度定量的依据。

图3 不同浓度DA的线性扫描伏安曲线

2.5 干扰试验

在最佳实验条件下，固定DA 的浓度为1×10-4mol／L，利用β-CD-COOH-MGNs修饰电极考查一些常见物质对DA电化学检测的干扰情况，结果表明，150 倍的 K+，Na+，Cl-，NO3-，Ac-，PO43-；60 倍的葡萄糖、维生素E、草酸、乳酸、苯酚、精氨酸、谷氨酸、柠檬酸；30倍的尿酸对DA测定无干扰，表明修饰电极对DA 有较好的选择性。

2.6 加标回收试验

配制不同浓度的DA模拟样品溶液，采用加标回收法分别往其中加入不同浓度的标准DA溶液并进行测定，测得数据见表1。由表1可知，DA的加标回收率为98.3%～103.2%。

表1 DA的加标回收率

3 结语

复合物膜中羧基官能团与磁性石墨烯的协同作用，使β-CD-COOH-MGNs修饰电极能够有效提高DA在电极表面的电子传递速率，对DA具有良好的电催化作用，电极响应灵敏度高、重现性好、稳定性高，有望用于疾病诊断研究及药物的质量控制。

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Electrochemical Behaviors of Dopamine via Carboxyl-β-Cyclodextrin-Magnetic Graphene Modified Electrode

Su Jianzhi
(Beijing University of Chinese Medicine Dongfang College， Langfang 065000， China)

Luo Xuehui
(Gold Geological Institute of CAPF， Langfang 065000， China)

Li Fangqing， Mao Yanni， Liu Junsheng
(School of Chemistry， Biology and Materials Science， East China Institute of Technology， Fuzhou 344000， China)

Carboxylβ-cyclodextrins–magnetic graphene composite materials were prepared and used to modify bare glass carbon electrode by drop-coating method，and dopamine(DA) was determined utilizing the modified electrode via cyclic voltammetry. The volt-ampere characteristics of modified electrode had good liner relationship, the change value of peak current curves was proportional to the concentration of DA in phosphate buffer(pH 6.0) in the range of 1.5×10-5-5.0×10-3mol／L as scaning rate was 0.10 V／s. The linear regression equation wasipa=-0.115 8c-3.425 7×10-6,r2=0.991 5. The modified electrode had better electronic transmission rate and faster electrocatalystic properties, the simulation samples were determined via the recovery method, the recovery was 98.3%-103.2%, and the detection limit was 5.7×10-7mol／L.

carboxyl-β-cyclodextrin; graphene; dopamine; electrochemistry

O657.15

A

1008–6145(2012)05–0058–04

doi ：10.3969／j.issn.1008–6145.2012.05.018

联系人：罗学辉；E-mail: lsl9760811@sohu.com

2012-07-09