纳米金/双氢氧化物膜修饰电极制备及对肾上腺素的测定

郑 晶， 张 燕， 郭满栋

(山西师范大学化学与材料科学学院，山西临汾 041004)

双氢氧化物(Layered Double Hydroxides，LDHs)又称为阴离子土，它是一种纳米级的层状结构材料，由二、三价金属离子组成的金属氢氧化物及层与层间填充的阴离子而构成。LDHs层板带有正电荷，易吸引带有相反电荷的物质，表现出一定的吸附性。又因比表面积大、热稳定性高及毒性低[1 - 3]等优良性质，使其在催化、生物传感器等方面展示出广阔的应用前景。纳米材料具有尺寸效应小、比表面积大、电化学窗口宽等优点，表现出高的选择性和催化活性[4]，成为当前电化学研究的热点。在制备电化学传感器时，在电极表面修饰一层纳米材料，有利于提高电子传递速率[5]，提高了传感器的发展空间。

肾上腺素(Adrenaline，AD)是一种神经递质类激素，利用其兴奋心脏收缩血管及松弛支气管平滑肌等作用，可以缓解心跳微弱、血压下降、呼吸困难等症状，是拯救濒死的人或动物的必备品。常用的检测肾上腺素的方法有光化学法[6]和色谱法[7]，但是由于仪器昂贵、检测耗时，在实际中应用有一定困难。而电化学方法灵敏度高，检测限低，可以快速、准确地测定肾上腺素，如聚合物修饰电极[8 - 10]、多壁碳纳米管修饰电极[11 - 12]、复合膜修饰电极[13 - 16]和分子印迹[17]。本文将LDHs的强吸附性、良好的生物相容性与纳米金优异的电子导电特性结合起来，制得了纳米金/双氢氧化物膜修饰玻碳电极(AuNPs/LDHs/GCE)，研究了肾上腺素在该修饰电极上的电化学行为，发现肾上腺素有灵敏的氧化还原反应。据此建立了一种新的测定肾上腺素的电化学分析方法，类似方法未见文献报道。

1 实验部分

1.1仪器与试剂

LK2005A型电化学工作站(天津市兰力科化学电子高技术有限公司)；JSM-7500F型扫描电子显微镜(SEM)(日本，电子公司)；KQ-250B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；pHS-3C型酸度计(上海伟业仪器厂)。三电极系统：工作电极为AuNPs/LDHs/GCE(d=2 mm)，参比电极为Ag/AgCl电极(饱和KCl溶液)，对电极为铂电极。

肾上腺素(AD，合肥博美生物科技有限责任公司)溶液：配制成1.0×10-4mol/L的储备溶液，室温避光保存，使用时逐级稀释；氯金酸(武汉鑫思锐科技有限公司)；柠檬酸钠(天津市科密欧化学试剂有限公司)；KH2PO4、Na2HPO4(天津市申泰化学试剂有限公司)配成不同pH值的磷酸盐缓冲溶液(PBS)。所用试剂均为分析纯，实验用水为去离子水，且实验过程均在室温下进行。

盐酸肾上腺素注射液(远大医药(中国)有限公司)。

1.2 修饰电极的制备

图1 修饰电极制备过程示意图Fig.1 Schematic illustration of adrenaline amperometric biosensor based on glass cabon electrode

将50 mL 0.01%的氯金酸溶液置于烧杯中，放入搅拌磁子，将烧杯置于磁力搅拌器上加热搅拌，待溶液沸腾后，迅速滴入1.5 mL 0.05 mol/L的柠檬酸钠溶液，2 min后再加入1.0 mL柠檬酸钠溶液。继续搅拌，待溶液由蓝色变为酒红色时，立即停止加热，待溶液冷却后即形成纳米金溶胶[18]，4 ℃下保存在棕色试剂瓶中待用。将Ni(NO3)2、Cu(NO3)2和KNO3的混合溶液，用HNO3将其pH调到3.8，然后将预处理的玻碳电极(GCE)作为工作电极放入溶液中，在搅拌状态下于-0.9 V(vs.Ag/AgCl)电解90 s，得到Ni-Cu双氢氧化物膜修饰电极[19]。洗净待晾干后滴涂3 μL制备好的纳米金溶胶，在室温下晾干，4 ℃下保存。修饰电极制备的示意图如图1。

1.3 实验方法

室温下，在含磷酸盐缓冲溶液(pH=7.0)的电解池中，用循环伏安法和差分脉冲伏安法对电极进行表征，研究电极反应机理以及测定肾上腺素。

2 结果与讨论

2.1 修饰电极的表征

图2 LDHs GCE的扫描电镜(SEM)图Fig.2 SEM image of LDHs/GCE

2.1.1扫描电镜表征图2是采用扫描电镜(SEM)观察样品的形貌。可以看出，电沉积的LDHs样品的尺寸分散性较好，呈现层状结构。

2.1.2电化学表征通过循环伏安法研究电极表面的电化学性质。图3A为含5.0×10-3mol/L [Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol/L KNO3溶液中，用[Fe(CN)6]3-/4-作为“探针”，不同电极的循环伏安曲线。裸GCE在0.2 V附近出现一对可逆性良好的氧化还原峰(曲线a)；与裸电极a相比，当裸GCE表面沉积双氢氧化物膜后(曲线b)，氧化还原峰电流减小，这是由于LDHs修饰电极有效活性表面积减小导致的，峰峰电位差的变化说明在电极表面修饰LDHs后电阻增大，可逆性变差，所以峰峰电位差变大；曲线c把双氢氧化物膜和纳米金一起固定在玻碳电极表面后，在研究的电位范围内，峰电流明显增大，说明纳米金改善了双氢氧化物的导电性。

电化学阻抗是研究电极表面性质的很好的手段。本文用此方法进一步测定双氢氧化物膜的修饰电极表面的电荷转移电阻。从图3B中可以看出，在裸GCE上[Fe(CN)6]3-/4-的阻抗谱图基本上是一条直线(曲线a)，在电极表面沉积上Cu-Ni-LDHs膜后，电荷转移电阻明显增加(曲线b)，这是因为双氢氧化物膜不导电，阻碍了探针到电极表面的电子传递进而使得阻抗变大。而在纳米金与双氢氧化物复合后(曲线c)，电极表面的阻抗明显减小，说明纳米金促进了双氢氧化物膜修饰电极的电子转移能力。

图3 (A)不同电极的循环伏安图;(B)不同电极的阻抗图Fig.3 (A)Cyclic voltammograms of different electrodes;(B)Electrochemical impedance spectroscopy(EIS) of different electrodes (a)bare GCE;(b)LDHs/GCE;(c)AuNPs/LDHs/GCE.

2.2 肾上腺素的循环伏安行为研究

图4 肾上腺素的电化学行为Fig.4 Cyclic voltammograms of AuNPs/LDHs/GCE in blank phosphate buffer(a) and in phosphate buffer(pH=7.0) containing AD(b)scan rate:100 mV/s;c=5.0×10-6 mol/L.

图4表示的是修饰电极分别在空白和含AD的PBS(pH=7.0)中的循环伏安图。修饰电极在空白溶液中没有氧化还原过程发生，当AuNPs/LDHs/GCE在含1 mL AD的PBS中进行循环伏安扫描时，产生一个氧化峰(0.54 V)和一个稍低的还原峰(0.28 V)，分别对应肾上腺素的电化学氧化过程及肾上腺素醌的电化学还原过程。修饰电极的循环伏安响应表示AuNPs/LDHs修饰电极对肾上腺素具有很好的电催化作用。

2.3 测定条件的优化

2.3.1测定介质的选择缓冲体系影响AD的伏安行为，故本文研究AD在相同(pH=7.0)的KH2PO4-NaOH、B-R、柠檬酸-Na2HPO4和PBS(均为0.1 mol·L-1)中的电化学行为。结果表明，AD在PBS中响应电流最高，峰形尖锐，灵敏度高。所以选择PBS为测定介质。

2.3.2pH值的影响研究了pH值(4.5～8.4)对AD在AuNPs/LDHs/GCE上的氧化峰电流的影响。结果表明在pH=4.5～7.0范围内，随着溶液酸度的增大峰电流增大；在pH=7.0～8.4范围内，随着溶液的酸度增大峰电流逐渐减小。故本实验选择pH=7.0的PBS作为最佳测定条件，这与AD在体液中的pH接近。

2.3.3扫速的影响考察了在pH=7.0的PBS中，浓度为1.0×10-6mol/L AD在AuNPs/LDHs修饰电极上的循环伏安行为。肾上腺素的氧化峰电流与扫描速度在60～240 mV/s之间存在良好的线性关系(R2=0.9952)，表明肾上腺素的氧化过程是受吸附控制[20]。另外随扫描速度增大充电电流必将增大，为了获得较好的信噪比，扫描速度选为100 mV/s。

同时，氧化峰电位E与lnv(mV/s)呈良好的线性关系，线性方程为:E(V)=0.0313lnv+0.3325(R2=0.9940)，直线斜率为0.0313。根据Laviron方程[21]：Epa=E0+(RT/αnF)ln(RTk0/αnF)+(RT/αnF)lnv，其中E0为式量电位(V)；T为温度(K)；α为电极反应电子传递系数；n为氧化反应的电子转移数；k0为电极反应的速率常数(s-1)；F为法拉第常数。根据直线斜率RT×(αnF)-1=0.0313，求得n≈2；由此可知，AD在AuNPs/LDHs/GCE电极上发生了2个电子交换的不可逆氧化反应。

2.3.4纳米金修饰量的影响研究了峰电流大小与修饰量的关系，结果显示当纳米金的修饰量从1 μL增加到3 μL时，峰电流随之增加，修饰量继续从3 μL增加到9 μL时，峰电流基本不变。故本实验选择纳米金的最佳修饰量为3 μL。

2.4 线性范围与检测限

用差分脉冲伏安法(DPV)测定不同浓度AD(图5)。实验表明，AD浓度与响应电流在9.0×10-8～1.0×10-4mol/L范围内表现出良好的线性关系。其线性方程为：Ip(μA)=0.2234c+28.7166，相关系数R2=0.9982，检测限(S/N=3)为3.1×10-8mol/L。说明由于修饰电极促进AD的氧化还原，浓度越大，在电极表面发生氧化的AD越多，峰电流越高。

与其它方法相比(不同方法检测AD的结果见表1)，本文的研究方法具有更宽的线性范围和更低的检测限，适用于快速检测低浓度水平的肾上腺素。

图5 (A)不同浓度肾上腺素的示差脉冲伏安(DPV)曲线;(B)AuNPs/LDHs/GCE上峰电流对肾上腺素浓度线性拟合曲线Fig.5 (A)DPV of different concentration of AD at AuNPs/LDHs/GCE;(B) Linear fitting curve of current peak difference vs.AD concentration at AuNPs/LDHs/GCEa-n：0.09，0.70，0.90，1.0，3.0，5.0，7.0，9.0，10，30，50，70，90，100 μmol/L.

2.5 稳定性、重现性和干扰实验

将所制备的修饰电极储存在室温下一星期后，再对肾上腺素进行测定，电流响应基本保持不变，说明该修饰电极很稳定。用AuNPs/LDHs/GCE对1.0×10-6mol/L的肾上腺素平行测定5次，其相对标准偏差(RSD)为2.56%，表明该修饰电极有良好的重现性。

表1 不同测定肾上腺素的方法对比

考察了药品中一些常见的无机金属干扰离子及小分子有机干扰物对测定AD含量的影响。当相对误差在±5%范围内，对于1.0×10-6mol/L肾上腺素，1.0×10-3mol/L的K+、Na+、Zn2+、Mg2+混合溶液对测定均无干扰；随着1.0×10-5mol/L抗坏血酸(AA)的加入，在0.7 V左右产生一个新的氧化峰，但与AD的氧化峰电位(0.54 V)相差达160 mV，说明AA对AD的测定没有干扰；随着1.0×10-5mol/L多巴胺(DA)的加入，在0.65 V左右产生一个新的氧化峰，与AD的氧化峰电位(0.54 V)相差达110 mV，说明DA对AD的测定没有干扰。结果表明，10倍AA、DA和1 000倍的K+、Na+、Zn2+、Mg2+的存在对1.0×10-6mol/L AD的检测不产生影响，说明该传感器对于AD的检测具有较好的选择性。

2.6 回收率测定

将一支盐酸肾上腺素注射液(标示量1 mg/mL)开瓶后，直接取5 μL的样品于10 mL底液中，搅拌均匀后用差分脉冲伏安法进行电化学定量测定，结果见表2。肾上腺素的浓度用标准加入法获得，加标后的回收率在97.7%～101.7%范围内；每份样品平行测定5次的RSD为0.85%～2.16%。样品测定结果平均值为5.40×10-3mol/L(相当于0.987 mg/mL)，与其标示值1 mg/mL相符，表明此方法准确度高。可用于肾上腺素的定量测定。

表2 肾上腺素的回收率(n=3)

3 结论

本文将LDHs的强吸附性、良好的生物相容性与纳米金优异的电子导电特性结合起来，采用一种简便的电化学方法制得了AuNPs/LDHs/GCE，利用电化学方法表征了电极的构建过程，并研究了对肾上腺素的电化学性能。结果表明该修饰电极对肾上腺素的线性范围为9.0×10-8～1.0×10-4mol/L，相关系数为0.9982，其检出限(S/N=3)可达3.1×10-8mol/L，具有优越的灵敏度、稳定性、重现性以及良好的电催化作用，据此建立了一种测定实际样品中肾上腺素含量的新方法。