基于多壁碳纳米管—氧化钨纳米复合材料的多巴胺电化学传感器

黄海平 吕连连 陈重镇 陈亚南 王丽萍 陈英

摘 要 通过电化学沉积法制备多壁碳纳米管-氧化钨（MWCNTs-WOx）纳米复合材料，利用场发射扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱分析仪（XPS）对其形貌和组成进行表征。制备了复合材料修饰的玻碳电极，采用电化学阻抗（EIS）技术对修饰电极进行表征。采用循环伏安（CV）法研究了多巴胺（DA）在修饰电极上的电化学行为，以差分脉冲伏安（DPV）法建立DA检测方法。结果表明，在pH=6.5磷酸盐缓冲液（PBS）中，MWCNTs-WOx纳米复合材料对多巴胺有明显的电催化作用。在优化的条件下，氧化峰电流与DA浓度在0.05～1.00 mmol/L 范围内呈良好的线性关系，检出限为17 μmol/L（S/N=3）。 此电化学传感器具有良好的重现性、选择性及较强的抗干扰能力， 尿酸（UA）不影响DA的定量检测。将此方法用于盐酸多巴胺注射液的含量检测，效果良好。

关键词 多壁碳纳米管； 氧化钨； 多巴胺； 电化学传感器

1 引 言

多巴胺（Dopamine，DA），又称4-（2-乙胺基）苯-1，2-二酚，是一种脑内分泌神经递质，是典型的儿茶酚胺类物质，与愉悦和兴奋的情绪有关。若人体内DA含量低，则会失去控制肌肉的能力，严重时会引起帕金森症[1]、阿尔茨海默氏症[2]和精神分裂症等疾病[3]，因此多巴胺与人类的健康密切相关[4]。目前，已报道的测定DA的方法有高效液相色谱法[5]、流动注射化学发光法[6]、分光光度法[7]、电化学分析法[8]等。其中，电化学分析法因具有操作简单、灵敏度高等优点，广泛应用于多个领域。在电化学测量过程中，尿酸（UA）和DA氧化峰电位比较接近，当两者共存时常相互干扰[9]，因此在实际应用中，需降低或消除UA的干扰[10]。

碳纳米管（CNTs）[11]自1991年被Iijima[12]发现以来，因其独特的电学性能、生物相容性好、稳定性高、吸附能力强，引起研究者的极大关注[13，14]。碳纳米管具有高度疏水性，其内在的范德华力及-共轭效应相互作用，使得CNTs可与一些化合物相结合，形成纳米复合材料[15]。Sangamithirai等[16]将邻氨基苯甲醚 （POA）吸附在CNTs上，制备POA/CNTs纳米材料，构建DA电化学传感器，检测范围为10.0～260.0 μmol/L ，检出限为0.12 μmol/L 。Zhang等[17]制备CDP-GS-MWCNTs纳米复合材料，检测DA、UA和NO2， 一维碳纳米管及二维石墨片构成了三维结构大大提高了该传感器的灵敏度。

作为典型的过渡金属氧化物，氧化钨（WOx）因其具有高比表面积、高化学稳定性、良好的生物相容性和量子限制效应等特点，以及结构较灵活、独特的光催化和电学性能，被广泛应用在光降解、锂离子电池、光电催化、气体传感器和生物传感器等领域[18]。WOx具有良好的导电性、较低的氧化还原电势，能够增强氧化还原反应的电子转移，可充当电子媒介。

本研究利用MWCNTs生物相容性好以及WOx的独特性能，考察了纳米材料 MWCNTs-WOx的电催化能力及其电化学传感能力。通过电沉积法将过渡金属氧化物WOx修饰在MWCNTs材料上，构建检测多巴胺的电化学传感器。利用场发射扫描电子显微镜（SEM）对MWCNTs-WOx进行结构表征，采用循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）、电化学阻抗（EIS）技术对修饰电极的制备过程及电化学行为进行分析。结果表明，在UA与DA共存的情况下，分离效果较好，UA的存在不干扰DA的测定。所制备的MWCNTs-WOx纳米复合材料修饰电极对多巴胺具有高灵敏度和高选择性，可用于实际样品的分析。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660D型电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）； MLA650F型扫描电子显微镜（美国 FEI公司）； Escalab 250Xi型X射线光电子能谱（Thermo Fisher Scientific）； Autolab PGSTAT12 电化学交流阻抗仪（Ecochemie，BV，荷兰）。电化学测量采用三电极体系： 玻碳电极（GCE）作为工作电极（Φ=4 mm），铂丝电极为对电极，甘汞（饱和KCl溶液）电极为参比电极。

MWCNTs（深圳纳米港有限公司）； WCl6（上海麦克林生化科技有限公司）； 多巴胺（DA）、尿酸（UA）均购自Sigma公司。N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、浓HNO3等为分析纯。0.1 mol/L 磷酸盐缓冲溶液（PBS）由NaH2PO4、Na2HPO4和KCl配制，实验所用支持电解液预先通入高纯氮气除氧； 2 mmol/L [Fe（CN）6]3/4溶液（由0.2112 g K4[Fe（CN）6]、0.1646 g K3[Fe（CN）6]、1.8638 g KCl溶于250 mL H2O配制而成）； 实验用水为Millipore纯水机制备的超纯水。

2.2 修饰电极的制备

2.2.1 电极的处理 将玻碳电极分别用0.3、0.05和1.0 μm的α-Al2O3粉末在抛光绒布上打磨，依次用乙醇和超纯水洗涤，然后于含有0.1 mol/L KCl的2 mmol/L [Fe（CN）6]3/4溶液中在0.1～0.5 V的电位范围内进行CV扫描，用超纯水润洗，待用。

2.2.2 MWCNTs修饰电极的制备 MWCNTs在浓HNO3溶液中油浴5 h（在攪拌状态下），进行功能化，得到羧基功能化MWCNTs[19]。称取3.0 mg功能化MWCNTs溶于1.0 mL DMF中，将打磨好的玻碳电极表面用高纯氮气吹干， 移取5 mL MWCNTs-DMF溶液滴加到电极表面，在室温下过夜干燥，得到MWCNTs修饰电极。

2.2.3 MWCNTs-WOx纳米复合材料修饰电极的制备 在含有1 mmol/L WCl6的磷酸盐缓冲溶液（pH=6.5）中，以MWCNTs修饰电极为工作电极，在1.1～0.5 V电势范围内，以100 mV/s的扫速循环扫描35圈，超纯水洗涤，于25℃环境下干燥，得到纳米复合材料修饰电极。

3 结果与讨论

3.1 样品的表征

如图1A所示，MWCNTs呈管状，分布均匀，表面较光滑，彼此之间结构紧凑； 图1B是MWCNTs-WOx纳米复合材料的SEM图，纳米材料管状脉络清晰，管壁凸起，结构疏松，表明此纳米复合材料制备成功。利用XPS技术对材料的元素组成进行表征（图1C），从MWCNTs-WOx的XPS总图可见，电极表面复合物的组成主要有3种元素C、O和W，C1s的结合能284.60 eV， O1s的结合能在532.69 eV，W元素则在4个位置（W4f7/2、W4f5/2、W4p5/2、W4p3/2）出峰[20]。同时XPS光谱可以提供复合物的价态信息。为进一步确认复合材料中W的价态，对W的XPS谱图（图1D）进一步分析可知，36.51 eV处的谱峰对应于六价钨W4f5/2的结合能，33.25 eV对应于五价钨W4f7/2的结合能，31.28 eV对应于四价钨的结合能，表明负载在MWCNTs上的是多价态氧化物WOx[21]。

3.2 MWCNTs-WOx的电化学表征

电化学阻抗谱图中，高频区的半圆直径大小对应于电极的电子传递阻抗值（Ret）。由图2A可见，[Fe（CN）6]3/4在裸GCE上的阻抗曲线呈现明显半圆，说明电子在GCE膜上的转移阻抗相对较大； [Fe（CN）6]3/4在MWCNTs/GCE和MWCNTs-WOx/GCE的阻抗谱 （由线b和c）在高频部分未出现半圆部分，表明反应主要是受扩散控制的过程，[Fe（CN）6]3/4容易在电极表面发生反应，说明MWCNTs及MWCNTs-WOx材料加速了电子转移，使电极的导电性能增强， WOx的引入提高了电子在修饰电极膜上的转移速率。图2B是MWCNTs/GCE在1 mmol/L WCl6溶液中电沉积过程的CV图，在1.1～0.5 V的电位下扫描35圈，CV曲线在第35圈时电流达到最大值，电流峰值的增大表明WOx在电极表面吸附和沉积。

3.3 MWCNTs-WOx修饰电极的电化学性能

考察了不同修饰电极在[Fe（CN）6]3/4溶液和DA溶液中的电化学行为。由图3A可见， [Fe（CN）6]3/4在MWCNTs-WOx修饰电极表面发生可逆的氧化还原反应，出现一对明显的氧化还原峰，且电流差值最大。MWCNTs 修饰电极的氧化还原峰相对较弱，电流差也相对较小，相比之下裸电极的电流差最小，说明MWCNTs-WOx可以大大增强[Fe（CN）6]3/4在电极表面的电子转移能力。将不同修饰电极分别放入含1 mmol/L DA的PBS溶液中（pH 6.5）进行测定（图3B）， MWCNTs-WOx修饰电极出现强氧化峰和较弱的还原峰，而MWCNTs修饰电极的氧化峰和还原峰相对较弱，裸电极只有较小的氧化峰出现，表明MWCNTs-WOx纳米复合材料对DA具有良好的电催化性能。

3.4 影响MWCNTs-WOx电化学行为的因素

3.4.1 pH值对MWCNTs-WOx的电化学行为的影响 考察了溶液pH值为6.0、6.5、7.0和7.5时，多巴胺在MWCNTs-WOx/GCE上的氧化峰电位（Epa）和峰电流（Ipa）。由图4A可见，Epa随着溶液pH值的增加而负移，且Epa与pH值呈良好的线性关系（图4B），线性方程为Epa （V） = 0.5769- 0.0611pH （R2=0.9993），表明在整个电化学反应过程中有质子的参与。当pH=6.5时氧化峰电流最大，因此选择电化学测定多巴胺的最佳pH值为6.5。

3.4.2 扫速对 MWCNTs-WOx/GCE 电化学行为的影响 在不同扫速（v）下，研究了扫描速度对多巴胺峰电流的影响。图5A为MWCNTs-WOx/GCE在1 mmol/L DA中的循环伏安曲线，结果表明，在10～500 mV/s范围内， 氧化峰电流（Ipa）和还原峰电流（Ipc）分别与扫速（v）呈线性关系（图5A）。氧化峰电流与扫速的线性方程：Ipa（μA）= 0.2624v （mV/s）+29.6820，相关系数为0.9972。还原峰电流与扫速的线性方程：Ipc（μA）=-0.2374v （mV/s）-1.4316，相关系数为0.9987。因此，推测DA在修饰电极上的电化学反应是表面吸附控制过程。

3.4.3 浓度对MWCNTs-WOx的电化学行为的影响 采用MWCNTs-WOx/GCE修饰电极对不同浓度的DA溶液进行循环伏安检测。由图6A所示，随着DA浓度在0.05～1.00 mmol/L范围内不断增加，DA的氧化峰电流不断增大，还原峰电流不断减小，并且峰电流与DA浓度呈线性相关。氧化峰电流与浓度的线性方程：Ipa（μA）=108.573CDA（mmol/L）+14.2575，相关系数为0.9972，检出限为17 μmol/L （S/N=3）。还原峰电流与浓度的线性方程：Ipc（μA）=45.8617CDA （mmol/L）-14.6329，相关系数为0.9898（图6B）。说明MWCNTs-WOx对DA具有良好的电催化性能，可大大提高电极表面的电子转移能力。与其它检测DA的方法相比（见表1），本方法的线性范围较宽，检出限较低。

3.5 干扰实验

因为UA对DA的电化学响应具有较强的干扰性考察了UA存在下对DA进行DPV测定的情况（图7）。随着DA浓度在0.05～1.00 mmol/L范围内逐渐增长，DA的氧化峰电流也逐渐增大，UA氧化峰变化不大，对DA浓度影响较小，表明MWCNTs-WOx材料具有很好的抗干扰性，一定浓度UA不会影响DA的电化学测定。

3.6 稳定性和重現性实验

将制备的3支MWCNTs-WOx/GCE修饰电极在PBS （pH 6.5）溶液中检测，电化学响应电流的相对标准偏差（RSD）为2.7%。同样条件下制备3支修饰电极， 检测1 mmol/L DA溶液（PBS，pH 6.5），电化学响应电流的RSD为2.9%，表明修饰电极的制备过程具有良好的重现性。此外，用同一支修饰电极在含有1 mmol/L DA的PBS溶液中连续扫描10次， 其电化学响应电流值的RSD为4.5%； 将修饰电极置于4℃储存5天，在含1 mmol/L DA的PBS溶液（pH 6.5）中的响应电流仍为初始信号的97%，表明修饰电极具有较好的稳定性。

3.7 实际样品分析

为了探究MWCNTs-WOx于实际样品的检测的可行性，选择含DA的多巴胺注射液进行检测分析。在多巴胺注射液中加入一定量的多巴胺标准溶液，分别为样品1，2，3。采用本方法，分别对3个浓度添加水平（20、40和60 μmol/L）的样品进行检测，结果如表2所示，DA的回收率为100.4%～102.7%。表明此电化学传感器可用于多巴胺注射液的测定。

4 结 论

利用电沉积法将MWCNTs-WOx纳米材料扫描35圈后沉积到玻碳电极上，研究其对DA溶液的电催化能力。结果表明，制备的电化学传感器具有线性范围宽、重现性和稳定性好等优点，并且在DA与UA共存的条件下可以很好地检测DA，不受UA的影响， 灵敏度高， 选择性良好。

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