铂纳米粒子自组装膜电极差分脉冲伏安法测定多巴胺

张 雷，孙邦锦，董书顶，刘玉婷，魏 敏，李芬培，张 宏

(阜阳师范学院 化学与材料工程学院, 安徽 阜阳 236037)

铂纳米粒子自组装膜电极差分脉冲伏安法测定多巴胺

张 雷，孙邦锦，董书顶，刘玉婷，魏 敏，李芬培，张 宏*

(阜阳师范学院 化学与材料工程学院, 安徽 阜阳 236037)

本文选用1,2-乙二硫醇为连接剂，通过共价键将PVP保护的铂纳米粒子(PtNPs)固定在金电极表面，制成铂纳米粒子/乙二硫醇修饰的金电极。在PH=7.0的环境下，利用差分脉冲伏安法(DPV)测定多巴胺(DA)。结果表明，在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范围内，峰电流与多巴胺浓度成线性关系，检测限为5.0×10-6mol/L。实验同时考察了抗坏血酸(AA)对测定结果的影响，结果显示在DA和AA混合液的DPV曲线上出现两个峰，故修饰电极能够在AA共存下选择性测定DA。

多巴胺；铂纳米粒子；1,2-乙二硫醇；差分脉冲伏安法

多巴胺(Dopamine)在人体中参与许多生化反应，是人体生命过程中重要且不可或缺的神经递质[1]。随着现代科技的不断发展，人们逐渐开始研究多巴胺的作用机理、体内含量等方面在医学药理等领域的应用。因此，建立灵敏、可靠、快速的分析检测方法对于研究多巴胺而言有着十分重要意义。目前，测定多巴胺的主要方法有：气相色谱法[2]、分光光度法[3]、液相色谱法[4]、电化学法[5-7]、荧光光度法[8]、流动注射化学发光法[9]等。

在诸多检测方法中，电化学分析法操作简便并且成本较低，因而成为多巴胺理想的测定方法，但由于抗坏血酸的电化学性质与多巴胺十分相似，故对其的测定造成一定程度的干扰。化学修饰电极反应速度快、选择性强、灵敏度高，为解决多巴胺电化学测量中的干扰问题提供了一条新思路。近年来，人们已经利用静电吸附、共价键合、电沉积等有效手段将各种功能性材料修饰在基底电极表面，成功的实现了各类修饰电极对多巴胺的选择性检测。

贵金属纳米粒子常被用于制备修饰电极应用于多巴胺的电化学测定[10-20]。贵金属纳米粒子由于比表面积大、表面活性高且活性中心多以及电子遂道效应等特性致使其存在较强的吸附能力、电子传递能力和较高的催化效率，并且相比于一般的无机材料，金银铂等贵金属纳米粒子更具良好的生物相容性，所以在电化学中被广泛作为修饰材料。其中，铂纳米粒子(PtNPs)修饰电极不仅能够显著的增加电极的表面积，加速电子传递，进而缩短反应时间、提高检测灵敏度，同时也增强修饰电极的选择性。如刘伟禄等[15]制备了石墨烯-聚苯乙烯磺酸盐-铂纳米粒子复合物修饰电极并用于多巴胺的电化学测定；李靖等[14]研究了电化学活化玻碳电极制备铂纳米粒子对多巴胺的电化学催化；李娟[16]制备了Nafion/DNA/纳米铂复合膜修饰电极，并应用于多巴胺的检测；郭宪厚[17]利用石墨烯/铂纳米粒子杂化膜测定了肾上腺素；李正等[18]制备了Au核Pt壳的复合纳米结构，考察了两种纳米粒子在多巴胺化学催化中的协同作用。

本文采取共价键自组装的方式制备铂纳米颗粒修饰金电极并应用于多巴胺的选择性测定。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

CHI600D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；JK-100DB型数控超声波清洗器(合肥金尼克机械制造有限公司)；HDM-2500数显搅拌电热套(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)；TU-1901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；JEM-200CX透射电子显微镜(日本)。

多巴胺(DA，A Johnson Matthey Company)，抗坏血酸(AA，天津博迪化工股份有限公司)，磷酸缓冲溶液使用前用氮气除氧。1,2-乙二硫醇(国药集团化学试剂有限公司)，氯铂酸(H2PtCl6·6H2O，国药集团化学试剂有限公司)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP,国药集团化学试剂有限公司)，其他试剂均为分析纯，DA和AA均用磷酸缓冲溶液配制，实验用水为二次蒸馏水。

1.2 铂纳米粒子的制备与表征

铂纳米溶胶的制备参照文献[21]方法：取25 mL 1.5×10-4mol/L的氯铂酸溶液和50 mL 3.0×10-5mol/L保护剂聚乙烯吡咯烷酮溶液加到250 mL 三颈烧瓶中并混合均匀，随后将反应液搅拌升温至80 ℃，恒温搅拌下缓慢滴加30 mL 0.02 mol/L还原剂抗坏血酸，继续加热搅拌3小时后停止反应，冷却至室温后放入4 ℃冰箱备用。用透射电子显微镜(TEM)测量铂纳米粒子溶胶的形貌及粒径分布情况；用紫外-可见分光光度计分析铂纳米粒子溶胶的光学性质，光谱仪扫描的波长范围为200～400 nm。

1.3 修饰电极的制备

金电极的预处理，具体为：将金电极依次在湿润的金相砂纸(4000#)、加有Al2O3(0.05 μm)粉末的麂皮上打磨至表面光滑成镜，清洗后在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中进行循环伏安扫描至峰形稳定，随后依次在无水乙醇、二次水、丙酮中各超声5 min，然后用二次水洗净。将处理过的金电极避光、低温下浸泡于1,2-乙二硫醇溶液中10 h，冲洗后再于铂纳米粒子溶胶中避光、低温浸泡10 h，即可得到铂纳米粒子/乙二硫醇修饰的金电极，记作PtNPs/EDT/Au。

1.4 检测方法

2 结果与讨论

2.1 铂纳米粒子的表征

2.1.1 透射电子显微镜(TEM)

铂纳米粒子的粒径和形貌用TEM进行表征，从图1中可以看出这些纳米粒子的尺寸主要分别在1-5 nm之间，由于铂纳米粒子具有较高的表面能，因此很容易团聚，在加入了PVP作为保护剂以后，能有效地阻止铂纳米粒子团聚，从TEM图中可以看出，PVP保护的铂纳米颗粒主要以球形面貌均匀的分散在水相中，由于PVP是一种有机物，故无法在TEM图上显示出来。

图1 铂纳米粒子溶胶TEM图

2.1.2 紫外可见光谱(UV-vis)

通过紫外可见光谱可以考察铂纳米粒子溶胶形成前后的光学性质的变化。如图2曲线a所示H2PtCl6水溶液的紫外光谱在268 nm处显示一吸收峰，此峰与[PtCl6]2-离子的配位金属电荷位移跃迁相对应[22]。当加入抗坏血酸后反应体系仍为无色，随着反应时间的增加，分散系的颜色从无色变为淡棕色，[PtCl6]2-逐渐还原为Pt，268 nm处吸收峰基本消失，如图2曲线b所示。

图2 铂纳米粒子溶胶形成前后紫外可见光谱图

由此说明[PtCl6]2-离子已经基本被抗坏血酸还原，形成了稳定的铂纳米粒子溶胶。在1995年时Daniel曾对紫外中的这种趋势做了类似的报道，证明铂纳米粒子溶胶已经生成[22]。

将紫外可见光谱扫描范围扩大到可见光区域，即200-800 nm，并没有出现铂纳米粒子溶胶的可见吸收峰，这主要是因为合成的铂纳米粒子溶胶的棕色很淡，在做光谱实验时又进行了稀释，因此在可见光区没有看到铂纳米粒子的吸收峰。

2.2 PtNPs/EDT/Au电极的性能测试

用电化学阻抗法测试了PtNPs/EDT/Au电极的导电性能，结果如图3所示。图3中曲线a、b、c分别是Au电极、EDT/Au电极和PtNPs/EDT/Au电极在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的电化学阻抗图，从图中可以看出，当电极表面结合了EDT以后，[Fe(CN)6]3-/4-探针到达电极表面进行电子交换的阻力明显加大，Nyquist曲线半圆直径达到3 000 ohm(曲线b)，当进一步在EDT表面结合了铂纳米粒子以后，Nyquist曲线半圆直径回落到900 ohm(曲线c)，说明铂纳米粒子具有极好的电子转移促进能力，PtNPs/EDT/Au电极具有良好的性能。

图3 裸Au电极

(a)EDT/Au电极；(b)PtNPs/EDT/Au电极；(c)在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的电化学阻抗曲线

2.3 扫速对DA的循环伏安行为的影响

图4 不同扫速下PtNPs/EDT/Au电极在浓度为2×10-5mol/L DA中的循环伏安曲线a～j扫速依次为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 V/s

不同扫描速度下，PtNPs/EDT/Au电极在2×10-5mol/L DA溶液中循环伏安曲线如图4所示，随着扫速逐渐增大，DA的氧化还原峰的电流也逐渐增大，而且在扫速相同的条件下修饰电极的氧化峰与还原峰峰形大致对称、峰值几乎相等。在0.5～5 V/s范围内，DA的氧化峰、还原峰值与v0.5成良好的线性关系(图5)。

ipa(μA) = -0.035 3-0.732·v0.5(V/s) (R2=0.996)

ipc(μA) = 0.446 5+0.235 1·v0.5(V/s) (R2=0.985)

图5 氧化还原峰电流与扫速之间的关系

上述结果表明DA在修饰电极上的电化学过程是受扩散控制的。此外，DA在PtNPs/EDT/Au电极上氧化原峰电流之比约为1，峰电位差值△E=75 mV且随扫速的增长逐渐增大，说明DA在此电极表面发生的是准可逆的电化学过程。

2.4 PtNPs/EDT/Au电极在DA和AA混合液中的DPV行为

将裸金电极和PtNPs/EDT/Au电极分别置于1.5×10-3mol/L的DA和AA混合液中进行DPV扫描，结果如图6所示。

图6 裸电极与修饰电极在DA和AA混合液中差分脉冲对比图

(a)裸金电极在DA(1.5×10-3mol/L)和AA(1.5×10-3mol/L)混合液中的DPV曲线;(b)PtNPs/EDT/Au电极在相同混合液中的DPV曲线

从图中可以明显看出相比于裸电极(a)而言，DA在PtNPs/EDT/Au电极上(b)的响应电流明显增大，裸电极在DA和AA混合溶液中的DPV曲线仅在0.15 V处有一个峰，而PtNPs/EDT/Au电极在利用差分脉冲伏安法检测多巴胺和抗坏血酸时除了在0.15 V左右有一个多巴胺的峰之外在0.13 V处还有一个弱峰，说明PtNPs/EDT/Au电极测量多巴胺和抗坏血酸的时候可以将两种物质区分开从而消除抗坏血酸对多巴胺的干扰，增加了测定的选择性。

2.5 PtNPs/EDT/Au电极对DA的检测性能

实验利用差分脉冲伏安法考查了PtNPs/EDT/Au电极对不同浓度多巴胺的响应情况。

如图7所示，随着多巴胺浓度的增加，PtNPs/EDT/Au电极峰电流值逐渐增加，并且，响应电流与DA浓度在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范围内成线性关系(图8)，其校正曲线方程可拟合为：

y=0.81+11.07x

x为多巴胺浓度(mmol/L)，y为峰电流响应值(μA)，R2=0.996。检出限为5.0×10-6。

图7 PtNPs/EDT/Au电极在不同浓度DA溶液中的差分脉冲曲线

(a～h表示DA浓度分别为c=5.0×10-6, 1.0×10-5, 2.0×10-5, 5.0×10-5, 1.0×10-4, 2.0×10-4, 5.0×10-4, 1.0×10-3mol/L)

图8 峰电流与DA浓度线性关系图

3 结论

本文利用差分脉冲伏安法研究了多巴胺在PtNPs/EDT/Au电极上的电化学行为，研究表明铂纳米粒子能够加速多巴胺在电极表面的电子传递作用，从而增强多巴胺的电化学响应。同时，PtNPs/EDT/Au电极可以在抗坏血酸存在下选择测定多巴胺。多巴胺在PtNPs/EDT/Au电极上的响应电流与其浓度具有良好的线性关系，可用于多巴胺的检测。

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Platinum nanoparticles /ethanedithiol modified gold electrode differential pulse voltammetry for the determination of dopamine

ZHANG Lei, SUN Bang-jin,DONG Shu-ding, LIU Yu-ting,WEI Min, LI Fen-pei, ZHANG Hong*

(CollegeofChemistry&MaterialEngineering,FuyangNormalUniversity,FuyangAnhui236037,China)

In this topic 1,2-ethanedithiol was employed as a linker to fix platinum nanoparticles protected by PVP on the surface of gold electrode through covalent bond to construct the platinum nanoparticles /ethanedithiol modified gold electrode (PtNPs/EDT/Au). This modified electrode was used to detect dopamine (DA) by differential pulse voltammetry (DPV). The peak currents are linear with concentration of DA in the range of 1.0×10-5～1.0×10-3mol/L with the detection limit as 5.0×10-6mol/L. Meanwhile, the effect of ascorbic acid (AA) on the detection of DA was studied, and the result showed that two separated peak of DA and AA can be observed in DPV curve, which indicated the PtNPs/EDT/Au can be used to detect dopamine in the presence of AA.

dopamine; platinum nanoparticles; 1,2-ethanedithiol; differential pulse voltammetry

2015-04-22

安徽省高校自然科学基金项目(KJ2011A210)；大学生创新创业训练计划项目(AH201410371001)；安徽省本科教学工程项目(2014sjjd018, 2014JXTD03,2013zytz042, 2012ZYSD01, 20100633, 2011JPKC03)资助。

张 宏(1967-) ，男，博士，教授，研究方向：生物电分析化学，Email: zhanghong@fync.edu.cn。

O657.1

A

1004-4329(2015)03-039-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2015)03-039-05