基于层状磷酸锰-金纳米颗粒复合物的电化学传感器研究

王海波，陈 颖，李 娜，李 阳

(信阳师范学院 a.化学化工学院；b.大别山农业生物资源保护与利用研究院，河南 信阳 464000)

0 引言

近年来，纳米材料由于其独特的光学和电化学性能，在光电子学、电子学、存储设备等领域得到了广泛应用[1-2].目前，层状过渡金属纳米材料由于其具有空旷的结构和较大的比表面积，已经广泛用于吸附剂、催化剂、催化载体剂等领域[3-4].层状磷酸锰是过渡金属磷酸盐纳米材料中典型的家庭成员，具有优越的催化能力和吸附能力，已经用作锂电池的阴极电极材料[5].然而，磷酸锰的电子传导能力较弱，以磷酸锰作为电极修饰材料构建电化学传感器的报道仍然较少.因此，将层状磷酸锰与导电性强的纳米材料复合，有利于拓宽其在电化学传感器领域的应用.

多巴胺是一种神经递质，在维持中枢神经、心血管和激素系统的功能活动方面起着至关重要的作用[6].多巴胺的浓度异常与许多疾病紧密相关，如阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病、癫痫、嗜铬细胞瘤和神经母细胞瘤等[7-8].因此，精确测定多巴胺的浓度对于诊断、监测、预防和治疗各种多巴胺相关的重大疾病具有重要意义.在过去的几十年中，已经开发了许多方法用于定量检测多巴胺，如荧光法、化学发光法、毛细管电泳法、质谱法、离子色谱法[9-10].尽管这些方法灵敏度较高，但是需要昂贵的大型仪器设备和大量的化学试剂，而且操作复杂，费时费力.电化学方法具有操作简便、检测快速、成本低廉、灵敏度高等优点，因此，发展新型的电化学方法用于检测多巴胺引起了极大的研究兴趣.

本文采用化学沉淀方法室温下水相合成层状磷酸锰纳米材料并修饰玻碳电极，对通过电沉积方法将金纳米颗粒沉积到修饰电极表面，构建了检测多巴胺的电化学传感器.由于二维层状磷酸锰纳米材料具有较大的比表面积以及金纳米颗粒具有良好的导电能力，显著增强了传感器的电化学响应信号，实现了对小分子多巴胺的灵敏检测.

1 实验部分

1.1 试剂

MnCl2·4H2O、KH2PO4、N-(2-羟乙基)哌嗪-N'-2磺酸(HEPES)、盐酸多巴胺、三水氯金酸，均购自生工生物工程(上海)股份有限公司.多巴胺测定均在0.1 mol/L磷酸缓冲溶液(PBS，pH 6.0)进行.其他试剂均为分析纯，实验中所用的水均为三重蒸馏水.

1.2 仪器

CHI660D电化学工作站(上海辰华)，电化学测试采用三电极体系，其中复合物修饰的玻碳电极作为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极.扫描电镜图在日立S-4800电子显微镜(SEM，Hitachi，日本)上获得.

1.3 层状磷酸锰的合成

层状磷酸锰纳米材料采用化学沉淀方法室温下水相进行合成.称取0.2722 g KH2PO4加入100 mL 1.85 mmol/L HEPES缓冲溶液中.准确移取40 mL上述溶液，在37 ℃搅拌条件下，缓慢滴加到40 mL 1 mmol/L MnCl2溶液中，溶液逐渐变浑浊，室温下继续搅拌反应12 h.所得悬浊液在5000 r/min的转速下离心5 min，收集下部沉淀.所得沉淀通过离心方法分别用三重蒸馏水清洗3次，无水乙醇清洗2次，最后将收集到的沉淀在干燥箱中(50 ℃)烘干.准确称取1 mg所得固体，超声分散于10 mL三重蒸馏水中，超声30 min形成均匀的分散液，置于4 ℃冰箱中备用.

1.4 电化学传感器的构建

玻碳电极分别用0.3 μm和0.05 μm的α-氧化铝粉末打磨抛光，然后分别用乙醇、三重蒸馏水超声洗涤三次，然后用氮气流将玻碳电极表面吹干.取8 μL层状磷酸锰分散液滴于玻碳电极表面，在红外灯下烤干，得到层状磷酸锰修饰电极(Mn3(PO4)2/GCE).随后将该修饰电极浸入含有0.1 % HAuCl4的0.1 mol/L KCl溶液中，采用电沉积方法在层状磷酸锰修饰电极表面沉积金纳米颗粒，制得层状磷酸锰-金纳米颗粒复合物修饰电极(Mn3(PO4)2-Au NPs/GCE)，修饰之后的电极进行电化学测试.

2 结果与讨论

2.1 层状磷酸锰的形貌表征

层状磷酸锰纳米材料的形貌可以通过扫描电子显微镜来进行表征，如图1所示，磷酸锰纳米材料的形状为二维层状结构，说明层状磷酸锰具有较大的比表面积和较强的吸附能力.

图1 层状磷酸锰的扫描电子显微镜图Fig. 1 SEM images of layered Manganese (II) Phosphate

2.2 不同修饰电极的电化学阻抗表征

层状磷酸锰-金纳米颗粒复合物修饰电极的电化学性能通过电化学阻抗来进行表征，结果如图2所示.

图2 不同修饰电极的电化学阻抗图Fig. 2 Nyquist plots of bare GCE(a), Mn3(PO4)2/GCE (b) and Mn3(PO4)2-Au NPs/GCE (c) in 5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4- solution containing 0.1 mol/L KCl

从图中可以发现，裸电极的电化学阻抗值最大，磷酸锰-金纳米颗粒复合物的电化学阻抗值最小，表明层状磷酸锰-金纳米颗粒复合物修饰电极具有良好的电子传导能力.

2.3 传感器的电化学性能研究

利用循环伏安法对不同修饰电极对多巴胺的电化学行为进行了考察，结果如图3所示.从图中可以观察到，多巴胺在电极上进行的是准可逆的氧化还原过程，裸电极对多巴胺存在一对氧化还原峰，但是峰形较宽，峰电位相差168 mV，并且峰电流不明显.与裸电极相比，层状磷酸锰修饰电极存在一对明显的氧化还原峰，并且氧化峰电流明显增强，这表明层状磷酸锰具有较大的比表面积，从而使吸附多巴胺的效率得到了提高.相对于裸电极和磷酸锰修饰电极，磷酸锰-金纳米颗粒复合物修饰电极的氧化还原峰电流最大，这是由于复合物具有较大的比表面积和良好的电子传导能力，从而增加了多巴胺在电极表面的吸附量，提高了氧化多巴胺的电催化性能.

图3 不同修饰电极的循环伏安图Fig. 3 Cyclic voltammograms of 100 μmol/L dopamine at on bare GCE (a), Mn3(PO4)2/GCE (b) and Mn3(PO4)2-Au NPs/GCE (c) in 0.1 mol/L PBS (pH 6.0)

图4为层状磷酸锰-金纳米颗粒复合物修饰电极在0.1 mol/L PBS (pH 6.0)缓冲溶液(存在100 μmol/L多巴胺)中不同扫描速率的循环伏安图.从图中可以看出，随着扫描速率的不断增加，从50 mV/s增加到200 mV/s，多巴胺的氧化还原峰不断增大,并且峰电流与扫描速率呈现线性关系，线性方程分别为：

Ipa(μA) = 1.430 + 0.017v，

R= 0.9979；

Ipc(μA) = -2.183 - 0.010v，

R= 0.9959.

结果表明，该催化过程受扩散控制.

图4 不同扫描速率的循环伏安图

2.4 实验条件的优化

对不同pH值对多巴胺氧化还原反应峰电流和峰电位的影响进行了考察.如图5所示，氧化峰电流逐渐增加随着pH值从4.0增加到6.0，当pH值高于6.0时，氧化峰电流随着pH值的增加反而降低，因此，pH 6.0选为最佳实验条件.此外，氧化峰电位Epa随着pH增加而降低，并且呈线性关系，线性回归方程为：

Epa(V) = -0.0568 pH + 0.3738，

R= 0.9988.

其中，斜率为-56.8 mV/pH，与理论值-59.0 mV/pH比较接近，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.

图5 不同pH值的循环伏安图Fig. 5 Cyclic voltammograms of 100 μmol/L dopamine at different pH values (from 4.0 to 8.0)The inset is the effect of pH value on the Epa

由于富集电位和富集时间对峰电流具有较大的影响，因此，对富集电位和富集时间进行了优化.随着富集电位的不断增加，氧化峰电流不断增加，当富集电位高于-0.2 V时，氧化峰电流反而降低，所以-0.2 V作为最优的富集电位.当富集时间为60 s时，氧化峰电流最大，因此，60 s作为最佳的富集时间.

2.5 传感器的分析性能

在优化的实验条件下，利用微分脉冲伏安法考察了不同浓度多巴胺的氧化峰电流响应(见图6).

图6 不同浓度扑热息痛的微分脉冲伏安图Fig. 6 Differential pulse voltammograms responses of 0.5, 1, 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 and 120 μmol/L acetaminophen on Mn3(PO4)2-Au NPs/GCE in 0.1 mol/L PBS (pH 6.0)The inset is the linear relationship between the peak current and dopamine concentrations

由图6可以看出，随着多巴胺浓度的不断增大，氧化峰电流逐渐增强，并且峰电流(Ipa)与多巴胺的浓度在0.5～120 μmol/L范围内呈现良好的线性关系，线性方程为

Ipa(μA) = 0.0194C(μmol/L) + 0.7103，

R= 0.9975.

检出限为5.0×10-8mol/L (RSN=3)，结果表明该传感器可用于多巴胺的灵敏检测.

2.6 传感器的稳定性和重现性

将层状磷酸锰-金纳米颗粒复合物修饰电极对100 μmol/L的多巴胺连续测定10次，峰电流的相对标准偏差为3.6%，在相同条件下平行制备了7支修饰电极测定同一浓度的多巴胺，其RSD<5%，表明该传感器具有良好的稳定性和重现性.

3 结论

本文以层状磷酸锰纳米材料为基底修饰玻碳电极，再利用电沉积方法将金纳米颗粒沉积到电极表面，构建了电化学传感器用于多巴胺的检测.实验结果表明，该传感器灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性好，在药品分析领域具有潜在的应用价值.