基于碳量子点的电化学传感器检测多巴胺

韩金土，石全珍, 张月华，姜玉良，齐亚威，李亚丽

(1.信阳师范学院 化学化工学院，河南 信阳 464000；2. 驻马店职业技术学院,河南 驻马店 463000)

0 引言

多巴胺(DA)是最重要的儿茶酚胺神经递质之一,它在哺乳动物中枢神经系统中起着关键作用, 影响着学习和记忆能力,各种活动行为,注意力以及神经元的可塑性[1]. 而且,研究发现,一些疾病与多巴胺的分泌和代谢异常密切相关,如帕金森症、癫痫、老年性痴呆以及艾滋病传感等[2].因此,准确确定生物体系中多巴胺的浓度具有非常重要的意义.目前,检测多巴胺的方法主要有分光光度法、高效液相色谱法、毛细管电泳法、比色法等[3-6].然而,这些方法样品前处理复杂、仪器昂贵、比较耗时,而且通常需要专门的仪器设备.因此,发展快速、灵敏、廉价的分析方法用于多巴胺的检测具有重要的实际意义.电化学生物传感器由于其准确度高、响应速度快、成本低、操作简单,可用于实时监测,电化学传感器用于多巴胺的检测已经引起了广大研究工作者的研究兴趣[7-10].

一种新型的碳纳米材料——碳量子点由美国克莱蒙森大学的科学家首次制造出，它在包括改进生物传感器、医学成像设备和微小的发光二极管等广阔领域中都有应用前景.相对于金属量子点而言，碳量子点无毒、对环境的危害小、造价也更便宜，由它制成的传感器可以用来探测爆炸物和炭疽热等生化制剂.由于上述优点，近年来碳量子点的研究受到了广大科学工作者的关注.目前制备碳量子点的方法有：高温高压切除法、蜡烛燃烧法和电化学扫描法.

本文以蜡烛灰为原料,利用经济和绿色的合成方法制备出碳量子点纳米材料,同时基于碳量子点制备了检测多巴胺的电化学传感器.由于碳量子点具有较大的比表面积和优良的导电能力,所制备的电化学传感器的电化学响应大大提高,实现了对多巴胺的灵敏检测.同时, 该传感器在其他生物和化学分子高灵敏检测领域具有潜在的应用.

1 实验部分

1.1 试剂

多巴胺购自国药集团化学试剂有限公司(上海);0.1 mol /L磷酸缓冲溶液由Na2HPO4和NaH2PO4配制,其pH值通过0.1 mol /L HCl或者0.1 mol/L NaOH溶液来进行调节.其他试剂均为分析纯,不需进一步纯化,实验中所用水均为三次蒸馏水.

1.2 仪器

所有电化学测量均在CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器)上进行,所有电化学实验均采用三电极系统,其中以修饰碳玻电极(GCE) 为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极( SCE)为参比电极.扫描电镜图在日立S-4800电子显微镜(SEM)上获得.

1.3 碳量子点的合成

碳量子点以蜡烛灰为原材料来进行合成[11]. 2 mg 蜡烛灰分散在2 mL 三次蒸馏水中,然后在40 W功率下冰浴超声1 h.将所得的黑色溶液在3 000 r/min离心2 min,取上部溶液,去除大粒径的碳纳米颗粒. 然后将上部溶液在20 000 r/min离心10 min,收集下部黑色沉淀,除掉小颗粒的具有发光性质的碳量子点,再将下部的黑色沉淀分散在三次蒸馏水中,放在4 ℃冰箱中备用.

1.4 修饰电极的准备

首先，分别用0.3 μm 和0．05 μm 的α-氧化铝浆液对玻碳电极进行抛光，然后依次在三次蒸馏水、乙醇和三次蒸馏水中分别超声清洗2 min,接着用氮气将玻碳电极表面吹干.其次，将5 μL制备的碳量子点材料滴在玻碳电极上，在红外灯下烤干后进行电化学测定．

2 实验部分

2.1 碳量子点的表征

碳量子点的形状和尺寸可以通过扫描电子显微镜(SEM)来进行表征,结果如图1所示. 从图中可以看出,碳量子点形状接近球形,直径大约在25～40 nm之间,与文献报道结果一致[11].

图1 碳量子点的扫描电子显微镜图Fig.1 SEM images of carbon nanodot

2.2 碳量子点的电化学特征

裸电极和碳量子点修饰电极的电化学特征通过循环伏安法和电化学阻抗谱法来进行考察,结果如图2所示.

图2 (A)不同修饰电极的循环伏安图; (B)不同修饰电极的电化学阻抗图Fig.2 (A) Cyclic voltammograms of bare GCE (a), carbon nanodot/GCE (b) in 5 mmol /L Fe(CN)63-/4- containing 0.1 mol /L KCl;(B) Nyquist plots of bare GCE (a), carbon nanodot/GCE (b) in 5 mmol /L Fe(CN)63-/4- containing 0.1 mol /L KCl. The frequency range was from 0.1 to 105 Hz with perturbation amplitude of 5 mV.

从图2A中可以看出,碳量子点修饰的电极比裸电极的峰电流大.这有可能是碳量子点的表面结构能够促使氧化还原体系的电子传递速度加快所引起的.

电化学阻抗谱法是一种研究不同修饰电极界面性质变化的有效方法,阻抗谱包括了一个半圆部分和直接部分,半圆部分越小,表示阻抗值越小,导电能力越好.该传感器的不同修饰阶段也利用电化学阻抗谱法来进行考察,结果如图2B所示.从图2B中可以看出,碳量子点修饰电极的电化学阻抗谱曲线半圆部分比裸电极要小,结果显示碳量子点修饰电极具有更好的电子传导能力.

2.3 电化学传感器的电化学性能

图3为不同修饰电极在0.1 mol/L PBS缓冲溶液(pH7.0)中存在20 μmol /L多巴胺时的循环伏安曲线．

图3 不同修饰电极的循环伏安图Fig.3 Cyclic voltammograms of 20 μmol /L DA at bare GCE (a), carbon nanodot/GCE (b) in 0.1 mol /L PBS (pH 6.0)

由图3可知，在电压从-0.1 V到0.8 V范围内,可观测到多巴胺的良好的氧化还原峰，表明多巴胺在电极上进行的是准可逆的氧化还原过程．裸电极存在一对峰形较宽,峰电流不明显的氧化还原峰,并且阳极和阴极峰电位之差达到了130 mV.而碳量子点修饰电极存在一对明显的氧化还原峰,峰电流明显增大,峰电位之差减小到了29 mV. 峰电流的显著增加主要是由于碳量子点具有较大的比表面积,良好的导电能力以及优越的电子传导能力,从而使吸附多巴胺的效率和氧化多巴胺的电催化性能得到了显著提高.

电极扫描速率对阳极和阴极峰电流的影响见图4.随着扫描速率的增加,多巴胺的氧化还原峰迅速增加,并且在扫描速率从50 mV/s到300 mV/s之间,峰电流(Ipa,Ipc,μA)与扫描速率(v,mv·s-1)呈现线性关系,线性回归方程分别为

Ipa= -2.790 5 - 0.025 7v,

R= 0.999 6;

Ipc= 1.681 6 + 0.017 8v,

R= 0.998 9.

结果如图4插图所示. 这表明其机理为表面控制过程.同时,峰电位差稍有增加,这种略微的移动可能是由于电极表面电荷转移相关的限制.

图4 不同扫描速率的循环伏安图Fig.4 Cyclic voltammograms of 20 μmol /L DA on the carbon nanodot/GCE at different scan rates (50, 100, 150, 200, 250, 300 mV/s)in 0.1 mol /L PBS (pH 6.0). The inset is the effect of scan rate on the peak current.

2.4 pH值的影响

在碳量子点修饰电极上,溶液从pH4.0 到9.0范围内研究了pH变化对峰的影响,结果见图5.

图5 不同pH值的循环伏安图Fig.5 Cyclic voltammograms of 20 μmol /L DA for different pH values (from 5.0 to 9.0) at carbon nanodot/GCE. The inset is the effect of Epa for DA at carbon nanodot/GCE.

多巴胺的峰电流在pH值从4.0 到6.0逐渐增加，当pH值高于6.0 时，多巴胺的峰电流随pH值增加反而下降.因此,pH值为6.0时作为最佳实验条件.此外，还研究了pH值与多巴胺峰电势的关系，结果表明:随着pH值从4.0增加到9.0,峰电位负移,并且多巴胺的阳极峰与pH值存在线性关系,线性回归方程为

Epa(V) = -0.057 6 pH + 0.713 4 ,

R=0.999 0.

该方程斜率为-0.057 6 mV·pH-1，与理论值-0.059 mV·pH-1非常接近. 结果表明，在电极表面发生的反应中转移的质子数和电子数相同.

2.5 多巴胺的检测

在最佳的实验条件下,用微分脉冲伏安法(DPV)对多巴胺的浓度进行了测定．不同浓度的DPV响应如图6所示．

图6 不同浓度多巴胺的微分脉冲伏安图Fig.6 Differential pulse voltammograms responses of 0.1, 0.5, 1, 3,5, 10, 20, 40, 60, 80 and 100 μmol /L DA (from a to k) on carbon nanodot/GCE in 0.1 mol /L PBS (pH 6.0). The inset is the linear relationship between the peak current and DA concentration.

由图6可知，氧化峰电流随着多巴胺浓度的增加显著增强.峰电流(Ipa,μA)与多巴胺的浓度(C)在0.1～100 μmol /L 内符合线性关系，线性回归方程为

Ipa= 0.153 9C+0.447 4,

R=0.996 9,

检出限为0.02 μmol /L(S/N= 3)．

由此可以看出本文提出的方法具有宽的线性范围和低的检测限．表明该法可用于测定微量多巴胺．

2.6 干扰实验

在生物样品中,多巴胺的检测经常会受到抗坏血酸和尿酸的干扰.对本文构建传感器的抗干扰能力进行了考察,结果见图7.

图7 同时存在多巴胺(DA),抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)的微分脉冲伏安图Fig.7 Differential pulse voltammograms of 400 μmol /L AA,30 μmol /L DA and 30 μmol /L AC on carbon nanodot/GCE.

图7分别给出裸电极和碳量子点修饰电极在多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)同时存在条件下的微分脉冲伏安曲线.结果发现,多巴胺呈现良好的峰形,并与抗坏血酸和尿酸能够良好的分离.而且,100 倍的K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、Cl-、NO3-、葡萄糖、半胱氨酸和赖氨酸基本不干扰测定(信号改变小于5%),表明该传感器具有良好的选择性.

2.7 传感器的稳定性和重现性

碳量子点修饰电极对20 μmol /L的多巴胺测定10次，峰电流的相对标准偏差为3.4%．在相同条件下分别制作了5 支传感器，研究了制得的不同电极的重现性，测定20 μmol /L 的多巴胺，RSD为3.2%．表明碳量子点修饰电极具有很好的稳定性和重现性．另外，对单支电极的稳定性也进行了评价．结果表明: 修饰电极在4 ℃保存2周，峰电流仍是原来数值的96.8%．

3 结论

本文以蜡烛灰为原料,利用经济和绿色的合成方法制备出碳量子点纳米材料,利用碳量子点修饰碳玻电极制备电化学传感器,研制了一种测定多巴胺的电化学分析方法．该法步骤简单、测定方法简便、灵敏度高，有望为多巴胺检测提供新方法．