基于两种复合纳米材料修饰的电极对多巴胺的催化氧化

王 娜， 李献锐， 王贝贝， 倪瑞星， 籍雪平*

(河北医科大学基础医学院，河北石家庄 050017)

多巴胺(DA)为儿茶酚胺类化合物，它是哺乳动物中枢神经系统中重要的神经递质，具有调节躯体活动、精神情绪及心血管活动的作用。其含量的改变可导致一些重要的疾病，例如心脏病、神经肌肉失调、帕金森氏病和精神分裂症等[1]。因此，寻找一种快速、简便测定DA的方法尤为重要。目前，测定DA的方法有很多，例如光谱法[2]、高效液相色谱法[3]、荧光法[4]、化学发光法[5]、电泳法[6]及电化学法[7]等。电化学方法具有简便、快捷、灵敏度高、成本低廉等优点，目前已成为一种重要的分析手段。近年来，多种基于新型纳米材料的电化学分析方法已被成功用于检测DA[8]。

石墨烯(GN)是一种由单层石墨片组成的二维纳米材料，它具有高的机械强度、大的比表面积、强的电子传导能力以及价格低廉等优点，近年来受到广泛的关注[9]，并被应用于各个领域。纳米金粒子(AuNPs)具有易于制备、比表面积大、导电性能好、催化能力强等优点[10]。GN与AuNPs的复合材料兼具了各自的优点，在传感器构建方面备受关注[11]。文献曾报道[12]分步电沉积GN与AuNPs测定DA，但该方法线性范围较窄，灵敏度较低。本研究先在Au电极表面自组装一层硫辛酰胺(T-NH2)，然后利用电化学还原的方法在电极表面一步电沉积还原氧化石墨烯(REGO)-AuNPs，制备修饰电极。研究了DA在该修饰电极上的电化学行为，结果表明该修饰电极有效降低了多巴胺的过电位，具有灵敏度较高，线性范围较宽，选择性和稳定性好等优点。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI 750电化学工作站(上海辰华仪器公司)；DV215CD精密电子天平(OHAUS公司)；KQ2200DE超声清洗器(昆明超声仪器有限公司)；79HW-1恒温加热磁力搅拌器(江苏荣华仪器制造有限公司)。

多巴胺(DA，阿拉丁公司)，石墨粉(光谱纯，国药集团化学试剂有限公司)，氧化石墨烯(GO)采用Hummers and Offeman法[13]制备，硫辛酰胺(T-NH2,Aldrich化学试剂公司)，HAuCl4(43%，Sigma公司)。磷酸盐缓冲液(PBS)由Na2HPO4和KH2PO4(分析纯)配制，其余试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

1.2 修饰电极的制备

将Au电极先用Al2O3粉抛光成镜面，然后依次用Piranha(H2SO4∶H2O2=3∶1，V/V)、乙醇和水超声清洗。将处理好的电极在4 ℃条件下浸入10 mmol/L T-NH2的无水乙醇溶液中24 h。取出电极用无水乙醇和水进行清洗以除去物理吸附的T-NH2，之后在电极表面滴加8 μL上述制备的GO分散液，室温晾干后，在搅拌条件下于1.25 mmol/L HAuCl4的PBS中，利用电化学还原方法在-1.45 V电位条件下保持720 s，从而在电极表面一步电沉积ERGO-AuNPs和分步电沉积ERGO与AuNPs制备修饰电极。

1.3 测试方法

实验采用三电极系统：以ERGO-AuNPs/T-NH2修饰的Au电极为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝为对电极，选取0.1 mol/L pH=7.0的PBS为底液进行实验。

2 结果与讨论

2.1 电极修饰过程中的电化学表征

图1为不同的修饰电极在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的循环伏安图。可以看出裸Au电极(图1a)有一对可逆性很好的氧化还原峰，峰电位之差△E为80 mV。当裸Au电极自组装T-NH2后(图1b)，修饰电极表面无明显的峰电流，表明电极表面修饰T-NH2后，阻碍了电子的传输。当将REGO与AuNPs一步电沉积到修饰电极表面后(图1c)，氧化还原峰电流明显增大，这归结于纳米金与石墨烯大的比表面积和优异的导电性，使修饰电极的电子传输能力大大增强，从而促进了电极上的氧化还原。而分步电沉积REGO与AuNPs得到的修饰电极(图1d)峰电流较小，说明一步电沉积得到的纳米复合材料中金纳米粒子嵌入到石墨烯中，会形成均匀有序的层状结构，而分步电沉积得到的修饰电极可能会形成比较独立的单层，从而证明一步电沉积得到的复合纳米材料具有更好的导电性。

2.2 扫描速度对修饰电极的影响

在10～500 mV/s扫速范围内，用循环伏安法研究了扫速和氧化还原峰电流的关系，在pH=7.0的PBS中3.2×10-4mol/L的DA在修饰电极上的循环伏安图见图2。随着扫速的增加，氧化峰电位正移，还原峰电位负移，表明反应的可逆性随扫速的增大而降低。但氧化峰电流与还原峰电流均随着扫描速度的增加而逐渐增加，氧化峰峰电流(Ipa/μA)及还原峰峰电流(Ipc/μA)分别与扫速(v/(mV/s))成线性关系，线性回归方程分别为：Ipa=18.901+0.6219v(r=0.9976)；Ipc=-16.366-0.6396v(r=0.9961)。因此可以推测DA首先被吸附于电极表面，然后在电极表面进行氧化还原反应。综合电流大小和DA反应的可逆性这两个方面，实验选择测定的扫速为50 mV/s。

图1 裸Au电极(a)、T-NH2/Au电极(b)、ERGO-AuNPs/T-NH2/Au电极(c)和AuNPs/ERGO/T-NH2/Au电极(d)在5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-溶液中循环伏安图Fig.1 Cyclic voltammograms of bare Au electrode(a),T-NH2/Au(b),ERGO-AuNPs/T-NH2/Au(c) and AuNPs/ERGO/T-NH2/Au(d) in 5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4 with a scan rate of 50 mV/s

图2 修饰电极在不同扫速下的循环伏安图(A)和扫描速度与峰电流关系图(B)Fig.2 Cyclic voltammograms of the modified electrode at different scan rate(A) and the relationship between the peak current of modified electrode and scan rate(B) 0.1 mmol/L PBS(pH=7.0);v=10,20,50,80,100,150,200,300,500 mV/s(from inside to out).

图3 pH对2.0×10-4 mol/L DA Ipa的影响Fig.3 Effects of pH on Ipa for 2.0×10-4 mol/L DA

2.3 pH对修饰电极的影响

用0.1 mol/L PBS配制pH=5.5～8.5的2.0×10-4mol /L DA溶液，研究pH对其峰电流的影响，如图3所示。当pH从5.5到7.0变化时，峰电流值先随pH的增加而增大，并在pH=7.0时达到最大值，继续增大pH，峰电流值又明显减小。说明反应的最佳pH为7.0，故以下实验均在pH=7.0的条件下进行。

2.4 多巴胺在修饰电极表面的电化学响应

图4 裸Au电极(a)、AuNPs/T-NH2/Au电极(b)、ERGO/T-NH2/Au电极(c)、ERGO-AuNPs/T-NH2/Au电极(d)与AuNPs/ERGO/T-NH2/Au电极(e)在3.25×10-4 mol/L DA中的循环伏安图Fig.4 Cyclic voltammograms of bare Au electrode(a),AuNPs/T-NH2/Au(b),ERGO/T-NH2/Au(c),ERGO-AuNPs/T-NH2/Au(d) and AuNPs/ERGO/T-NH2/Au(e) in 3.25×10-4 mol/L DA scan rate:50 mV/s;Inset:Magnified figures of (a).

图4为3.25×10-4mol/L DA在不同电极上的循环伏安图。可以看出，在裸Au电极表面出现一对弱的氧化峰和还原峰(图4a)，氧化和还原峰电位分别为0.335 V和0.085 V，相差达0.25 V，峰电流较小，峰形较差。在AuNPs/T-NH2/Au修饰电极表面(图4b)，氧化还原峰电流有所增大，氧化还原峰电位分别为0.185 V、0.135 V，相差50 mV，这是由于AuNPs增大了电极的比表面积且具有优良的电学性能，从而增强了AuNPs/T-NH2/Au对DA的响应灵敏度。在ERGO/T-NH2/Au修饰电极表面(图4c)，峰电流进一步增大，氧化还原峰电位分别为0.215和0.135 V，说明ERGO具有优良的导电性和丰富的表面官能团，为电极表面的电化学过程提供了更多的反应位点，使电子传递更加容易，在ERGO-AuNPs/T-NH2/Au修饰电极表面(图4d)，其氧化还原峰电流增大到最大值，且氧化峰和还原峰电位分别移至0.205和0.135 V，氧化峰电位与裸Au电极相比降低了130 mV，表明反应的可逆性增强，这是由于ERGO和纳米金的协同作用加速促进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。而在AuNPs/ERGO/T-NH2/Au修饰电极表面(图4e)，氧化还原峰电流较小，从而进一步证明一步电沉积得到的复合纳米材料具有更好的协同效应。

2.5 修饰电极测定DA的线性范围及检出限

实验考察了DA的氧化峰电流与其浓度间的关系，研究结果表明氧化峰电流与DA浓度在6.49×10-6～7.62×10-3mol/L范围内呈良好的线性关系，其线性回归方程为：Ipa(μA)=30.086+37.749c(mmol/L)(R=0.996)，检出限(S/N=3)为2.0×10-6mol/L。

2.6 修饰电极的稳定性及重现性

在最佳实验条件下，用同一支修饰电极连续测定5.0×10-5mol/L DA溶液7次，峰电流的相对标准偏差(RSD)为4.1%，表明修饰金电极具有良好的重现性。将该修饰电极放置在PBS(pH=7.0)中4 ℃保存两个星期后，峰电流下降约9.05%，表明该电极具有较好的稳定性。

2.7 干扰实验

2.8 样品测定

取10 mg/mL的盐酸多巴胺注射液，用水稀释，采用建立的方法进行测定并进行加标回收试验，结果见表1。

表1 样品分析结果

3 结论

本文采用电化学还原的方法将REGO-AuNPs电沉积到T-NH2自组装的Au电极表面，成功制备出了ERGO -AuNPs/T-NH2修饰的Au电极，考察了该电极对DA的响应性能，建立了测定DA的新方法。该方法对DA检测具有较好的灵敏度、检测成本低、快捷、简便等优点。