多巴胺在石墨烯/多壁碳纳米管电极上的电化学行为

刘学杰，邢　鑫，翁前锋

(辽宁师范大学化学化工学院，辽宁　大连　116029)



多巴胺在石墨烯/多壁碳纳米管电极上的电化学行为

刘学杰，邢鑫，翁前锋

(辽宁师范大学化学化工学院，辽宁大连116029)

采用滴涂法在玻碳电极上修饰氧化石墨烯及多壁碳纳米管, 通过电化学还原方法制备石墨烯/多壁碳纳米管复合材料及相应修饰电极(ERGO/MWCNTs/GCE)。运用循环伏安法研究多巴胺(DA)在修饰电极上的电化学行为。研究表明：与裸玻碳电极相比，多巴胺在修饰电极上氧化峰与还原峰电位差为70 mV，峰电流显著提高，表明该电极对多巴胺具有较好的催化氧化作用。高浓度抗坏血酸的存在不影响多巴胺的测定。在优化实验条件下，多巴胺在4.8×10-7～1.1×10-5mol/L和1.1×10-5～2.93×10-4mol/L范围内呈良好的线性关系，检出限为8.7×10-8mol/L，RSD为4.3%。

石墨烯/多壁碳纳米管修饰电极；多巴胺；抗坏血酸；电催化

多巴胺(DA)在生物体中以神经递质的身份存在，可用来传送一些重要的信息。当人遇到一些人、事或物的时候，大脑就会自动产生大量的多巴胺，这些多巴胺用来传递高兴、情欲、兴奋等信息。当DA的含量异常时，人精神会发生紊乱，易得患帕金森症等疾病[1]。多巴胺在临床应用、神经生理学、药物质量监控或是疾病诊断方面都有着重要的意义。目前，测定多巴胺的方法主要有色谱法[2]，荧光光度法[3]，毛细管电泳法[4]，分光光度法[5]，化学发光法[6]以及电化学分析法。

DA分子内含有两个酚羟基，易被氧化，可用电化学方法检测。但DA往往与抗坏血酸(AA)等易氧化物质共存于生物体中，因此多巴胺的测定易受到干扰。在裸电极上，DA、AA的氧化电位相近，氧化峰位置几乎重叠，电极的选择性和重现性都较低[7]。发展不同修饰电极是解决这一问题的有效途径，此方法操作简单，价格低廉。例如：碳纳米管修饰电极[8]、聚合物修饰电极[9]、碳糊电极[10]等已用于DA选择性检测。

石墨烯是由碳原子经过sp2杂化连接单原子，从而形成一种由苯六元环为基本结构单元的非常稳定的新型二维原子晶体。石墨烯具有良好的导电性，良好的生物相容性以及大的比表面积，优良的机械性能等性质。这些特性使其在传感器、电化学储能、聚合物增强、药物载体等方面有很好的应用前景。

碳纳米管(CNT)具有独特的电子，化学和机械性能，如高比表面积，稳定的化学性质及高电导率等。碳纳米管作电极材料可以加速电子交换，可被制备成高灵敏的电化学传感器，用于抗生素，环境污染物等的研究。

本实验采用氧化石墨烯，并将其与多壁碳纳米管混合制得氧化石墨烯/多壁碳纳米管复合材料，然后通过电化学还原制备石墨烯/多壁碳纳米管修饰电极，利用循环伏安法及电流时间曲线法研究多巴胺在修饰电极上的电化学行为。

1　实　验

1.1仪器及试剂

LK2005型电化学工作站，天津市兰力科化学电子高技术有限公司；三电极体系：玻碳电极为基体工作电极(φ=2 mm), 饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝为对电极；PHS-3C精密 pH 计，上海雷磁仪器厂；78-1磁力加热搅拌器，常州国华电器有限公司。

氧化石墨烯(自制)；多壁碳纳米管(MWCNTs)；多巴胺；抗坏血酸。实验在常温下进行，所有试剂均为分析纯，所用到水均为二次蒸馏水，在实验中涉及到电位均相对于饱和甘汞电极的电极电位。

1.2修饰电极的制备

取5 mg氧化石墨烯和2.5 mg多壁碳纳米管加入10 mL的蒸馏水进行超声分散2 h，将所得悬浊液在10000 r/min的转速下离心洗涤，取出沉淀进行烘干，即可得到氧化石墨烯/多壁碳纳米管复合材料。取复合材料4 mg加入到4 mL的DMF中进行超声1 h，得到氧化石墨烯/多壁碳纳米管复合材料修饰剂。

将玻碳电极依次用0.5 μm和50 nm的Al2O3粉打磨成镜面，然后依次用1:1的乙醇溶液和二次水在超声下分别清洗2 min，在红外干燥箱中烘干。用微量移液枪取5 μL的氧化石墨烯/多壁碳纳米管滴涂在玻碳电极表面，烘干。再将电极放入pH=7的PBS中，在-1.7～0.0 V的电位范围下，设置100 mV/s的扫描速度用循环伏安法扫描7圈进行还原，取出电极用蒸馏水冲洗后晾干，即得石墨烯/多壁碳纳米管修饰电极修饰电极(REGO/MWCNTs /GCE)。

1.3实验方法

以pH=2 浓度为0.2 mol/L的H3PO4-NaH2PO4缓冲溶液为底液配置一定浓度的多巴胺待测液，将三电极体系置于待测液中，在-0.4 V下进行富集200 s后以100 mV/s的扫描速率在-0.2～1.0 V电位范围内用循环伏安法进行扫描并记录峰电流。

2　结果与讨论

2.1多巴胺在不同修饰电极上的电化学行为

图1　1×10-3 mol/L DA在GCE(1)、MWCNTs/GCE(2)、ERGO/GCE(3)、ERGO/MWCNTs/GCE(4)的循环伏安图

图1是1×10-3mol/L DA在裸玻碳电极和不同修饰电极上的循环伏安图。在裸电极上进行扫描过程氧化峰与还原峰的电位差为324 mV；在ERGO/MWCNTs/GCE电极上扫描氧化峰与还原峰的电位差为70 mV，从图1中以及数据分析可看出DA的电化学可逆性在ERGO/MWCNTs/GCE电极上得到了很大的改善，并且该修饰电极对多巴胺产生了较强的电催化效应，这使得DA的峰电流都到了较大的提高。主要是由于石墨烯为二维纳米材料，碳纳米管是由单层石墨烯进行卷筒式卷曲形成的，属于一维材料。二者结合形成三维立体的复合物，不仅保持了各自的性质，而且增大了电子的传递能力和对电活性物质的结合位点。所以，石墨烯与多壁碳纳米管的协同作用，提高了电子的转移速率，图中也可以看出ERGO/MWCNTs/GCE电极具有较大的背景电流，也进一步证明了这一点。

2.2石墨烯与多壁碳纳米管不同比例的影响

石墨烯与多壁碳纳米管以不同比例混合也对峰电流有一定的影响，分别考察了4种(1:1、1.5:1、2:1、1:1.5)不同比例混合的修饰剂，实验发现，当混合比例为2:1时，DA峰电流达到最大，因此，石墨烯与多壁碳纳米管混合比例为2:1，用作后续实验。

2.3还原圈数的影响

氧化石墨烯表面存在大量含氧官能团，破坏了其本身大π键共轭结构，失去了一些特殊性质。本实验采用了在线电化学还原氧化石墨烯的方法，考察了还原圈数对DA峰电流的影响，不同的还原时间，氧化石墨烯的含氧基团会被不同程度的还原，石墨烯的共轭结构得到恢复，电极的导电性增强。从图2可以看出，当还原圈数为9时，峰电流达到最大。

图2　石墨烯的还原圈数对DA峰电流的影响

2.4pH值的影响

为考察DA在不同pH值的H3PO4-NaH2PO4缓冲液中所受的影响，取底液的pH为1.0～5.0的H3PO4-NaH2PO4进行实验。由实验可知，随着pH的增大峰电流有逐渐升高的趋势，但当pH=2.0时DA峰电流达到最大值，之后随着pH值的增大电流开始降低。

随着缓冲液pH值的增大，多巴胺氧化峰电位随着pH增大发生了负移，说明有质子参与电极反应。实验数据表明氧化峰电位与缓冲液的pH值呈线性关系，线性方程为：Epa=0.55-0.054pH，相关系数为0.9993，回归方程的斜率为-0.054 mV/pH，与理论值-0.059 mV/pH接近，说明了多巴胺是等电子等质子参与该电极的氧化还原过程。

2.5富集时间的影响

富集时间对实验也有一定影响。当富集时间为200 s时，DA的氧化峰和还原峰电流均可达到最大值。产生这种现象的原因可能是因为多巴胺在电极表面发生一个富集的过程，当富集时间少于200 s时，随着富集时间的增大多巴胺的积累量也逐渐增大；当富集时间多于200 s时，多巴胺富集的量将近达到饱和。所以本次实验选用的富集时间为200 s。

2.6多巴胺的选择性测定

AA与DA共存于生物体脑和体液中，两者的氧化峰电位十分接近，所以AA对DA 的检测产生严重干扰。本实验研究了1×10-4mol/L DA和1×10-3mol/L AA混合溶液在裸玻碳电极和ERGO/MWCNTs/GCE电极上的电化学行为。在修饰电极上，DA峰电流显著提高，而AA的峰电位负移，峰电流却有所降低。这是因为石墨烯和功能化后的多壁碳纳米管在水溶液中带负电荷，排斥带负电的AA，静电吸附带正电的DA，实现了在高浓度AA存在时对DA的检测。在优化实验条件下，固定AA浓度为1×10-3mol/L，采用循环伏安法对不同浓度的DA进行测定，如图3所示，DA峰电流随着浓度增加不断增大，而AA峰电流却降低。

图3　AA和不同浓度DA混合溶液在ERGO/MWCNTs/GCE的循环伏安图

2.7线性范围、检出限及重现性

图4　ERGO/MWCNTs修饰电极对DA的电流时间响应曲线

在0.2 mol/L H3PO4-Na2HPO4作为底液的条件下，采用电流时间曲线法考察了ERGO/MWCNTs/GCE电极对DA的检测性能。在0.50 V的检测电位下，向不断搅拌的溶液中连续加入不同浓度的DA，其稳态电流与时间的关系曲线如图4所示。电极对DA的响应迅速，在4.8×10-7～1.1×10-5mol/L和1.1×10-5～2.9×10-4mol/L浓度范围内，DA的响应电流与浓度呈良好的线性关系，线性方程分别为Ipa=0.2263+0.3101CDA和Ipa=3.4169+0.6138CDA，线性相关系数为0.9964和0.9955。检出限为8.7×10-8mol/L(三倍噪音法)。当用同一根修饰电极对浓度为1×10-3mol/L的DA进行重复测定7次，RSD为4.9%，用同样的方法修饰电极7次测同一溶液，RSD为4.3%，说明修饰电极的重现性较好。

2.8干扰实验

3　结　论

本文用氧化石墨烯与多壁碳纳米管混合制备出GO/MWCNTs复合材料，采用电化学还原法制备ERGO/MWCNTs/GCE电极，研究了多巴胺在该修饰电极上的电化学行为，该电极有良好的稳定性和重现性，灵敏度高。对多巴胺有良好的催化作用。而且该修饰电极对多巴胺可产生较强的吸附效果，能够使多巴胺的氧化反应和还原反应更容易进行，并且可在高浓度AA存在下实现对DA的选择性测定，检出限较为理想。可用于实际样品的检测。

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Electrochemical Behavior of Dopamine at Graphene/Multiwall Carbon Nanotube Modified Electrode

LIUXue-jie,XINGXin,WENGQian-feng

(Liaoning Normal University, Liaoning Dalian 116029, China)

Graphite oxide (GO) and multiwall carbon nanotube(MWCNT) were fabricated onto the glassy carbon electrode(GCE) to form the REGO/MWCNTs/GCE for the electrochemical determination of dopamine. The GO and MWCNT composites film on GCE was obtained by coating-method, then the GO was electrochemically reduced to REGO. The resultant ERGO/MWCNTs/GCE was characterized by cyclic voltammetry, and showed excellent electrochemical response to dopamine in H3PO4-Na2HPO4buffer solution (pH=2.0). Compared with GCE, the peak potential of DA shifted negatively and the peak current increased at the modified electrodes significantly. Under the optimum experimental conditions, DA measurements showed excellent linear response, ranging from 4.8×10-7～1.1×10-5mol/L and 1.1×10-5～2.9×10-4mol/L. The detection limit was found to be 8.7×10-8mol/L. The relative standard deviation was 4.3%. This method is simple and convenient, can be used for the determination of actual samples.

graphene/multiwall carbon nanotube modified electrode; dopamine; ascorbic acid; electrocatalysis

刘学杰，女，硕士研究生，主要从事电化学分析研究。

翁前锋。

O657.1

A

1001-9677(2016)012-0090-03