基于氧化石墨烯修饰玻碳电极的多巴胺 和尿酸的电化学检测

武 海, 张 雷, 李竞草, 沈和平, 宋雪燕, 汪梦迪, 张 宏

(阜阳师范学院化学与材料工程学院，安徽环境污染物降解 与监测省级重点实验室，安徽阜阳 236037)

多巴胺(DA)是哺乳动物神经中枢一种重要的儿茶芬胺类神经递质，其浓度的变化或失调会导致如精神分裂症和帕金森氏病等疾病的发生[1]。尿酸(UA)是人体内代谢的最终产物，人体内尿酸含量过高会发生高尿酸症。因此，准确而灵敏地检测DA及UA对此类疾病的临床诊断及治疗具有重要意义。DA和UA均具有电化学活性，但在用电化学方法测定DA和UA时，共存的抗坏血酸(AA)的电化学信号会干扰DA和UA的测定。近年来，多种电化学传感器已经应用于DA或UA的测定[2 - 3]，以期构建出具有优良的选择性及抗干扰能力的电化学传感器。

石墨烯是一种是由碳原子组成的单层二维六角晶格结构的碳质新材料，具有独特的热和机械稳定性。由于π-π共轭键的存在，石墨烯具有电子转移速率快、电位窗口宽、电化学稳定性好、电催化活性高等电化学特性[4]。但是，石墨烯的疏水性限制了其电化学应用。与之相比，氧化石墨烯(GO)因其表面具有-COOH 和-OH等基团，从而增强了亲水性。但是，大量功能化基团的引用也破坏了石墨烯的共轭结构，从而会降低石墨烯的导电性。人们研究发现，GO边缘缺陷的存在能促进异相电子转移，在某些电化学过程中表现出电催化活性[4 - 9]。目前，用于选择性测定DA和UA的石墨烯修饰电极均采用还原石墨烯[5 - 6,10 - 11]或者石墨烯复合物[12 - 14]，而直接采用GO构建电化学传感器用于DA和UA选择性测定的报道并未多见。Gao等[5]采用碳二亚胺(EOC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)将氧化石墨烯共价键合于电极表面，制备了石墨烯修饰电极用于测定DA，可完全消除AA的干扰；同元辉等[15]制备了羧基化石墨烯修饰电极，研究了DA在该修饰电极上的电化学行为，发现羧基化石墨烯修饰电极对DA的电化学反应有良好的催化作用。

本文利用GO直接修饰于玻碳电极表面构建电化学传感器，并用于DA和UA的电化学测定。与文献报道相比，该传感器的构建不需要将GO还原为石墨烯，修饰过程简易，灵敏度高，不仅排除了AA的干扰，而且DA与UA之间的测定也互不影响，可实现同时测定。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

CHI600D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；BILON-1000Y超声波细胞粉碎机(上海比朗仪器有限公司)。电化学实验采用三电极体系：玻碳电极(GCE，Φ=3.0 mm)或GO/GCE为工作电极，Ag/AgCl电极(3 mol/L KCl)为参比电极，铂丝电极为对电极。

盐酸多巴胺(DA,Johnson Matthey Company),尿酸(UA，上海风行股份有限公司)，抗坏血酸(AA，天津博迪化工股份有限公司)，氧化石墨烯(GO，南京先丰钠米材料科技有限公司)。DA、AA和UA溶液均用0.1 mol/L的pH=7.0磷酸盐缓冲溶液(PBS)配制，使用前氮气除氧。所有试剂均为分析纯，实验用水均为二次蒸馏水。

1.2 氧化石墨烯修饰玻碳电极的制备

称取5.0 mg的GO于10.0 mL二次蒸馏水中，在细胞粉粹机中超声粉碎1 h后，再放在超声仪中持续超声2 h得到均一的悬浮液。取4.0 μL上述GO悬浮液滴涂在预处理干净的GCE表面，自然晾干后得GO/GCE。

2 结果与讨论

2.1 GO/GCE修饰电极的表征

图1 (A)GO/GCE的扫描电子显微镜(SEM)图；(B)和(C)为不同电极分别在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-和溶液中的CV曲线(插图为不同电极EIS曲线；曲线a和b分别为GCE和GO/GCE)Fig.1 (A) SEM image of the GO/GCE;(B) and(C) CV curves of different electrodes in 5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- and 1 mmol/L solution,repectively(Inset:EIS curves of different electrodes in 5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-;and 1 mmol/L solution scan rate:100 mV/s;pH=7.0;containing 0.1 mol/L KCl;curve a:at GCE and curve b:at GO/GCE)

2.2 DA和UA在GO/GCE上的电化学行为

为了比较DA和UA在GCE和GO/GCE上的电化学行为，分别将其置于5.0×10-5mol/L的DA和UA溶液中进行CV扫描，结果如图2所示。相比于GCE(曲线a)，GO/GCE在DA和UA溶液中进行CV扫描后，峰电流分别增大了约2.5倍和2倍。在GO/GCE上，DA和UA的氧化还原峰电位差减小，可逆性明显变好。因此，GO/GCE对DA和UA的电化学氧化还原反具有良好的催化作用，能加速DA和UA与电极之间的电子转移。

图2 GCE(a)和GO/GCE(b)在5.0×10-5 mol/L DA 溶液(A)和UA溶液(B)中的CV曲线 Fig.2 The CV curves of 5.0×10-5 mol/L DA(A) and UA(B) at GCE(a) and GO/GCE(b) pH=7.0；scan rate:100 mV/s.

将GO/GCE分别置于5.0×10-5mol/L的DA和UA溶液中，在不同扫速下进行循环伏安扫描，结果如图3。随扫速的增加，DA和UA的峰电位差均有所增加，峰电流均与扫速的平方根呈良好的线性关系，说明DA和UA在GO/GCE上的氧化还原过程均受扩散速率控制。对于DA准可逆反应过程，根据Laviron公式[16 - 17]可求得平均表观反应速率常数Ks为0.1523/s。

图3 GO/GCE在5.0×10-5 mol/L DA(A)和UA(B)溶液中于不同扫速的CV曲线;插图为峰电流与扫速平方根的关系图Fig.3 CV curves of 5.0×10-5 mol/LDA(pH=7.0) on the GO/GCE at different scan rate;Inset:The realationship between peak current and the square root of scan rate from a to k:0.06,0.1,0.14,0.18,0.26,0.3,0.34,0.42,0.46,0.5,0.54 V/s,respectively.

2.3 pH值对DA和UA电化学行为的影响

图4 GO/GCE在不同pH值的DA(A)和UA(B)溶液中的DPV曲线;插图为峰电位值与pH值之间的关系Fig.4 DPV curves of DA(A) and UA(B) on the GO/GCE at different pH values;Inset:The relationship between peak potential and pH values

图5 GCE(a)与GO/GCE(b)在5.0×10-5 mol/L AA、1.0×10-5 mol/L DA和1.0×10-5 mol/L UA混合溶液中的DPV曲线Fig.5 DPV curves of 5.0×10-5 mol/L AA,1.0×10-5 mol/L DA and 1.0×10-5 mol/L UA at GCE(a) and GO/GCE(b)

配制一系列不同pH值(4.0～9.0)的DA和UA溶液，采用差分脉冲伏安法(DPV)研究了pH值对DA和UA电化学行为的影响。从图4A和4B可以看出，DA和UA的氧化峰随着pH的增大而负移，峰电位与pH均呈良好的线性关系，斜率分别为0.061、0.060 V/pH，与理论值 0.059 V/pH相近，说明 DA和UA 在该修饰电极上发生的是等电子等质子反应。峰电流开始随着pH的增大而增大，当pH=7.5时达到最大，pH=9.0时电流变小，这是因为DA和UA在溶液中以阴离子形式存在，而GO表面带有大量的羧基负离子，对DA和UA排斥导致电流值下降。综合考虑人体的生理环境，本实验选择在pH=7.0的磷酸缓冲溶液中进行。

2.4 DA、UA和AA混合液在GO/GCE上的电化学行为

图5为AA、DA和UA在不同电极上的DPV曲线，可见在GCE上，只在0.209 mV出现一个峰形较宽，电流较小的氧化峰，这是由于AA的氧化峰与DA和UA的氧化峰发生重叠所致。而在GO/GCE上，分别出现了AA(-0.053 V)、DA(0.162 V)、UA(0.365 V)三个独立的氧化峰， 且电流响应也明显比在GCE上大。说明氧化石墨烯修饰电极对DA和UA具有良好的电催化活性和区分效应，能用于DA和UA的同时测定。

将GO/GCE置于DA、UA和AA三者混合溶液中进行DPV扫描，固定AA和DA的浓度，不断改变UA的浓度(图6A)，或者固定AA和UA的浓度，不断改变DA的浓度(图6B)。如图所示，随着UA和DA浓度的增大，其相应的氧化峰电流也逐渐增大，峰电流分别在0.5～90.0 μmol/L和1.0～98.0 μmol/L范围内与UA和DA浓度呈良好的线性关系，检出限分别为0.25 μmol/L和0.50 μmol/L。

图6 (A)GO/GCE在含有50.0 μmol/L AA和10.0 μmol/L DA的不同浓度UA溶液;(B)GO/GCE在含有50.0 μmol/L AA和50.0 μmol/L UA的不同浓度DA溶液中的DPV曲线(插图为UA和DA的DPV峰电流与浓度之间的关系)Fig.6 (A) DPV curves of different concentration of UA on the GO/GCE containing 50.0 μmol/L AA and 10.0 μmol/L DA;(B) DPV curves of different concentration of DA on the GO/GCE containing 50.0 μmol/L AA and 50.0 μmol/L UA(Inset:The relationship between DPV peak current of UA,DA and their concentrations)

2.5 GO/GCE的性能评价

2.6 多巴胺注射液样品的测定

将一支盐酸多巴胺注射液针剂用0.1 mol/L的PBS进行定量稀释，采用标准加入法，加入已知量的标准DA溶液进行回收率的测定。该传感器测定DA样品的回收率在93.8%～105.6%之间，见表1。

表1 多巴胺注射液的测定结果

3 结论

本文利用GO/GCE制备一种电流型传感器，该传感器对DA和UA具有良好的电催化作用，DA的表观电子传递速率常数Ks=0.1523/s。DPV法结果表明，GO/GCE能较好地区分DA、UA和AA的氧化峰，从而消除测定时三者之间的相互干扰。而且，该传感器具有良好的稳定性、较低的检出限、以及优良的选择性，因此，有望建立一种方法简便、快捷、灵敏度高的DA和UA同时测定的方法。