L—半胱氨酸自组装电极检测多巴胺和过氧化氢的实验研究

曹挺+万杨杰+沈渊明+郑威+李超+郭淼+章娟

摘 要：化学修饰实现可实现对电极的自主化设计，提高电极作为分析敏感元件的选择性和灵敏度。实验采用循环伏安法，研究多巴胺和过氧化氢在L-半胱氨酸修饰电极上的电化学行为，并对修饰电极的性能进行了检测。结果显示，L-半胱氨酸修饰电极对多巴胺具有良好的线性响应，且微量过氧化氢加入会显著增强多巴胺在电极表面的电化学响应，此电极具有选择性好、灵敏度高、稳定性好、操作简单等优点，在实际应用领域有很好的前景。

关键词：化学修饰电极；循环伏安法；电化学行为；多巴胺；过氧化氢

引言

多巴胺（Dopamine，DA）作为一种神经递质，它的功能是帮助细胞传导神经兴奋，它是由脑内分泌的[1]。多巴胺自身浓度的改变，会影响到垂体内的分泌机能，并且多巴胺参与多项神经活动，可影响一个人的神经系统，与人体健康息息相关。多巴胺的含量变化将引发很多疾病，尤其是神经系统方面的疾病[2-3]，比如：精神分裂症、帕金森症等疾病。

过氧化氢是一种重要的无机化工产品，在医药行业、食品卫生等多个工业领域中均有广泛应用。一旦人体食用过氧化氢可能会刺激胃肠粘膜导致胃肠道损伤及胃肠道疾病，也可能导致人体遗传物质DNA损伤及基因突变，与各种病变的发生关系密切，长期食用危险性巨大[4]。而且作为强氧化剂可能通过损耗体内抗氧化物质，使机体抗氧化能力低下，抵抗力下降，进一步导致各种疾病。因此对过氧化氢进行检测是十分必要的。

本项目采用L-半胱氨酸修饰玻碳电极，并以铁氰化钾为电化学探针，通过循环伏安法对传感器的电化学特征作表征，研究这种新型传感器的电化学特征。以此来测定多巴胺和过氧化氢的含量[5]。比较此种传感器对于两种物质的检测效果。得到更简单、更快速、更灵敏的电化学检测方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

（1）仪器：CHI440A电化学工作站（上海辰华仪器公司），采用三电极系统：玻碳电极（工作电极）、饱和甘汞电极（参比电极）、铂丝电极（对电极）。超声波清洗器，磁力加热搅拌器，电子分析天平。

（2）试剂：盐酸多巴胺、L-半胱氨酸、30%过氧化氢、无水乙醇、氢氧化钠、冰醋酸、磷酸、蒸馏水、Na2HPO4和KH2PO4。试剂均为分析纯。

1.2 实验过程

（1）修饰电极的制备：实验采用三电极系统：玻碳电极作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极。玻碳电极依次用0.1mol/L硫酸、无水乙醇和蒸馏水超声清洗，分别清洗20分钟。Ag/AgCl电极和铂电极分别用无水乙醇、超纯水进行超声波清洗20min，干燥备用。以经过预处理的玻碳电极为工作电极，铂丝电极为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，放入配制好的0.01mol/L的L-半胱氨酸溶液中，在-0.6～2.4V之间，以110mV/s的扫速循环扫描20圈，然后从溶液张总取出，用二次水反复冲洗，即制得L-半胱氨酸修饰玻碳电极。

（2）实验方法：将多巴胺和过氧化氢分为多个浓度梯度，用修饰电极进行循环伏安法扫描，先对扫描速度、底液pH、缓冲溶液等条件中选出最优条件，再进行各个浓度梯度的扫描，表征出多巴胺和过氧化氢的线性范围和检出限，从而得出其各自的线性回归方程，对其进行多次的重复测量，得出其相对标准差。最后测试干扰物质的影响。

2 结果和讨论

2.1 扫描速度对L-半胱氨酸修饰电极上峰电流、峰电位的影响

L-半胱氨酸修饰电极作为工作电极，分别以50、80、100、120、150mV/s的扫速，在1×10-3mol/L多巴胺溶液（pH=6.8）中，扫描电位为0.6～0.2V间，记录不同扫描速度下的循环伏安图，结果如图1所示。

由图可知，扫速不断增大的过程中，峰电流随之增强，将各个扫速的峰电流进行线性拟合，得到线性回归方程为Ip=0.0119X+0.9894，R2=0.9450。

图2为修饰电极在30mmol/L H2O2溶液中分别以4、16、36、64、100mV/s的扫速，扫描电位为350～50mV间，记录不同扫速下的循环伏安图曲线的提取结果。可以看出扫速与氧化峰电流确实存在正相关，说明扫速对电极性能由明显的影响。

2.2 pH对氧化峰电流影响

选取pH值为5、6、7、8四个梯度的PBS溶液为变量，分别用于多巴胺和过氧化氢的测量，多巴胺的循环伏安结果如图3。

可知当pH为6时，峰电流最大，由此得出测量多巴胺溶液的PBS最适的pH为6。同样的方法得出过氧化氢测量最适的pH为7。

2.3 不同缓冲液对实验的影响

分别在两种溶液中，测定了修饰电极分别在PBS缓冲体系和HAc-NaAc缓冲体系中的伏安曲线，多巴胺的测量结果如图4。

结果表明，两种物质分别在两种缓冲体系中均有电化学响应，但是在PBS缓冲溶中，峰形明显较好，峰电流更大，因为选择PBS缓冲溶液作为缓冲体系。

2.4 物质浓度与峰电流的关系

将多巴胺浓度分为多个浓度梯度，分别进行循环伏安测定，测试结果如图5。

图5 不同多巴胺浓度的循环伏安图，a-d依次为浓度1×10-3mol/L、1×10-4mol/L、1×10-5mol/L、1×10-6mol/L的循环伏安曲线

可以得知，峰电流随着浓度的增加而增大。将各个浓度的峰电流进行线性拟合，得出其线性回归方程为Ip=0.0044X+0.2979，R2=0.9998，线性区间为1×10-5～1×10-3mol/L，检出下限为2.247×10-4mol/L。

再對过氧化氢进行多浓度梯度的测量，将其分为5、10、15、20、25、30mmol/L六个浓度梯度进行测量，将得到的循环伏安曲线进行统计分析，得出其浓度与峰电流的线性回归方程为Ip=0.1506X+1.4473，R2=0.8796，线性范围为20～30mmol/L，检出下限为5.54mmol/L。

从其两种物质最后的线性方程可以得知，L-半胱氨酸修饰电极对于多巴胺的氧化还原反应具有良好的催化性，它的峰电流随着浓度的变化几乎完美得呈现线性关系，而L-半胱氨酸修饰电极对于过氧化氢的氧化还原反应的催化性并不明显。

2.5 电极稳定性的测试

实验中，将用于多巴胺和过氧化氢的修饰电极，在同样条件下重复测定10次，得出其峰电流的标准偏差，计算得知测量多巴胺的标准偏差RSD为2.87%，测量过氧化氢的标准偏差为3.26%，由此数据可知，测量多次的峰电流变化很小，此电极具有良好的稳定性。

2.6 测定混合物的循环伏安曲线

将两种物质进行混合，分别取其在线性范围内的浓度，在PBS中加入1×10-3mol/L的多巴胺以及20mmol/L的过氧化氢，循环伏安结果如图6。

由图可知，该比例的过氧化氢对多巴胺的检测结果有较大影响，峰电流的数量級变高了，混合物的响应比单纯的多巴胺增强了，展望后续工作尝试寻找二者的相关性来进行定量测试研究。

3 结果分析

本研究采用自组装方法制备了L-半胱氨酸修饰玻碳电极，并分别对多巴胺和过氧化氢的电化学行为进行了研究。实验结果表明，L-半胱氨酸修饰电极对多巴胺的氧化还原具有良好的催化性，对过氧化氢的氧化还原反应具有一定的催化性，当将一定配比的过氧化氢加入到多巴胺中能够增强响应。实验通过研究不同因素对实验的影响，对修饰电极的性能进行了分析。

实验结果显示，多巴胺在pH=6的PBS缓冲体系中，过氧化氢在pH=7的PBS缓冲体系中，两者在L-半胱氨酸修饰电极上发生较为完全的氧化还原反应，这种反应是吸附控制的可逆过程，其中扫描速率、pH、底液均会影响实验结果。多巴胺浓度在1×10-5-1×10-3mol/L范围内呈良好的线性关系，计算得到其线性回归方程为Ip=0.0044x+0.2979，R2=0.9998，检测下限为2.247×10-4mol/L。过氧化氢浓度与峰电流的线性回归方程为Ip=0.1506X+1.4473，R2=0.8796，线性范围为20～30mmol/L，检出下限为5.54mmol/L。最后研究得到在多巴胺中加入过氧化氢对其响应有较大影响，后续工作尝试寻找二者的相关性来进行定量测试研究。

参考文献

[1]马曾燕，李将渊，向伟.多巴胺在聚L-半胱氨酸/多壁碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其伏安测定[J].应用化学，2009（2）：224-228.

[2]刘蓉，钟桐生，雷存喜.多巴胺电化学传感器的研究进展[J].化学传感器，2011（3）：10-16.

[3]张庆云，李佳林，郑培，等.大脑神经递质多巴胺检测方法研究[J].医学研究与教育，2014（1）：87-90.

[4]王琦，郑行望，章竹君，等.电还原鲁米诺电化学发光法测定过氧化氢[J].陕西师范大学学报（自然科学版），2002，30（3）：83-86.

[5]张军，邓培红，匡云飞，等.多巴胺在维生素B1修饰碳黑微电极上的电化学行为研究[J].分析化学，2004（11）：1566.

作者简介：曹挺，男，本科，研究方向：生物医学。