左旋多巴在多壁碳纳米管-双十六烷基磷酸薄膜修饰电极上的电化学行为及测定

朱元海, 张志凌, 范 森

(1.东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆 163318； 2.武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉 430072)

左旋多巴(L-dopa,LDA)在活体内通过催化氧化络氨酸生成，被认为是神经递质多巴胺的前体[1 - 2]。LDA是治疗帕金森症即人脑多巴胺缺乏症的有效药物[3 - 4]。研究显示活体内LDA和LDA脱羧酶的含量与肺癌有某些关联[5]，因此LDA的快速高灵敏检测有助于了解某些生理过程以及癌症的早期诊断。国内外关于LDA的检测已有不少研究报道，如原子吸收光谱法[6]、可见-紫外分光光度法[7]、高效液相色谱法[8]、伏安法[9]、三维荧光二阶校正法[10]等，但这些方法多需大型昂贵的仪器。电化学分析方法具有设备简单，准确度和灵敏度高，特别是化学修饰电极的运用为我们开发经济、高效的电化学分析新方法提供了更多的可能。碳纳米管(CNTs)具有大的比表面积、独特的结构、优异的导电性和化学稳定性，已成功地用于电极修饰和生物分子检测[11 - 14]。CNTs薄膜修饰电极制作的关键在于制备稳定均匀的CNTs分散体系。借助于超声技术CNTs已被成功地分散于二甲基甲酰胺[15]、浓H2SO4[16]、丙酮[17]、双十六烷基磷酸(DHP)[18]、Nafion水溶液和乙醇[19]等中。

本工作采用DHP分散剂制备多壁碳纳米管(MWCNTs)修饰电极，研究LDA在该修饰电极上的电化学行为和检测方法。DHP具有两条长的烷基疏水链，能很好地将MWCNTs分散在水中。该体系非常稳定，MWCNTs含量高(可达到1 mg·mL-1)。MWCNTs-DHP薄膜修饰电极的突出优点是均匀、稳定、重现性好[18]。该修饰电极对LDA的电化学氧化有明显催化活性，大大提高了峰电流和检测灵敏度。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

CHI660A电化学工作站(美国，CHI公司)。三电极系统：工作电极为玻碳电极(GCE，直径为3 mm)，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，铂丝为对电极。透射电镜(TEM)图像是把样品支撑在铜载网上，采用80 kV加速电压，在JEM-100 CXⅡ电子显微镜(日本)上拍摄。扫描电镜图像(SEM)是在Hitachi X-650显微镜(日本)上完成。

将LDA(分析纯，从Acros公司获得)溶于去离子水配制成1.0×10-3mol·L-1贮备溶液；LDA药片(购自广西河丰制药有限责任公司)碾碎后用去离子水提取；DHP(购自Aldrich公司)直接应用。MWCNTs是由中国科学院成都有机化学研究所提供，由化学气相沉积法合成，纯度优于95%；MWCNTs应用之前要在稀HNO3中回流8 h进行剪裁和表面羧基化；其他试剂都是分析纯。实验用水为去离子水。

1.2 修饰电极的制备

将5 mg剪裁和羧基化的MWCNTs加到包含5 mg DHP的5 mL去离子水中，超声20 min得到浓度为1 mg·mL-1均匀黑色的MWCNTs悬浮液。GCE修饰之前要用粒径为0.05 μm的浆状Al2O3抛光，用去离子水冲洗，并在去离子水中超声3 min，红外灯下烘干。然后将1 mg·mL-1黑色MWCNTs悬浮液滴涂于GCE表面，红外灯下烘干后，备用。

图1A是MWCNTs悬浮液的透射电镜图像。从图中可以看出大多数MWCNTs长度小于600 nm，直径20～50 nm的MWCNTs碎段不再纠缠在一块，而均匀地分布于溶液中。图1B是修饰过的GCE的扫描电镜图像，可以看出电极表面均匀地覆盖着一层MWCNTs薄膜。

图1 MWCNTs-DHP悬浮液透射电镜(TEM)图像(A)和MWCNTs-DHP修饰膜的扫描电镜(SEM)图像(B)Fig.1 TEM images(A) of MWCNTs-DHP suspension magnified 48 thousand times and SEM image(B) of MWCNTs-DHP film on a GCE disc

1.3 实验方法

所有实验都是在室温下，于0.10 mol·L-1磷酸盐缓冲溶液(PBS)中进行。测量前后要将MWCNTs-DHP膜修饰电极浸入空白PBS中，通过20次循环伏安扫描进行活化，电位控制在0～0.50 V之间，扫描速率为0.10 V·s-1。加入试样后要先进行120 s的开路富集，然后再进行电位扫描。

2 结果与讨论

图2 1.010-4 mol·L-1LDA在修饰电极(a,b)和裸电极(c,d)上的循环伏安图Fig.2 Cyclic voltammograms of 1.0×10-4 mol·L-1 LDA at MWCNTs-DHP modified GCE(a and b) and at bare GCE(c and d) scan rate:0.1 V·s-1,pH=6.0.

2.1 LDA在裸电极和修饰电极上的循环伏安图比较

图2是浓度为1.0×10-4mol·L-1的LDA于 PBS(pH=6.0)中，在MWCNTs-DHP膜修饰电极与裸电极上的电化学响应情况。在裸电极上于0.229 V和0.119 V处出现一对弱而宽的氧化还原峰，而在修饰电极上的一对氧化还原峰出现在0.223 V和0.186 V处。还原电位的明显升高和氧化电位的稍微降低表明修饰电极比裸电极电子传递变得容易，可逆性增加。氧化峰电流的明显提升归因于MWCNTs大的比表面积所引起的吸附量增大，以及MWCNTs的特殊结构和表面拓扑缺陷产生的电催化效应。

2.2 扫描速率和溶液pH对峰电流的影响

在pH=7.0的PBS中，LDA浓度为1.5×10-5mol·L-1，通过循环伏安法研究扫描速率对修饰电极峰电流的影响(图3)。从图3B可看出阳极峰电流与扫描速率平方根成线性关系(r=0.998)，说明修饰电极上LDA氧化过程是由扩散控制；从图3C可看出阴极电流与扫描速率成线性关系(r=0.998)，表明阴极上LDA还原过程主要是由吸附控制。

图3 (A)pH=7.0 PBS中1.5×10-5 mol·L-1LDA于不同扫描速率下的循环伏安图；(B)阳极电流与扫描速率平方根的线性关系；(C)阴极电流与扫描速率的线性关系；(D)氧化电势与扫描速率对数的线性关系Fig.3 (A) Cyclic voltammograms of 1.5×10-5 mol·L-1 LDA in pH=7.0 PBS different (scan rates (from a to i):0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 and 0.9 V·s-1;(B) The linear relationship between the anodic peak currents and the square roots of scan rates;(C) The linear relationship between the cathodic peak currents and scan rates;(D) The linear relationship between the oxidation potentials and logrithum of the scan rates

羧基化MWCNTs和两性LDA分子都会因羧基电离而带负电，并且电离度随pH值升高而增大。pH值对氧化还原电位的显著影响说明LDA分子与电极表面的静电排斥起着重要作用。在pH=7.0时虽然LDA分子(等电点约5.7)羧基端带负电，这种情况下它仍可能通过羟基与MWCNTs上羧酸根形成氢键发生定向吸附。LDA分子氧化后变成了醌，与电极表面失去了氢键作用，静电排斥就会显现，从而使吸附变得困难，还原反应演变为吸附控制为主。图4A中随pH增大变弱的还原峰可以认为是这一机理的佐证。峰电位与pH值呈线性关系如图4B，E(V)=0.551-0.054pH(r=0.998)，随着pH值增加负移。斜率为54 mV/pH，说明电极反应的电子转移数与参加反应的氢离子数相等。

图4 (A) 1.0×10-4 mol·L-1 LDA在0.1 mol·L-1 PBS中于不同pH值(1→7：5.8,6.22,6.55,7.14,7.41,8.04,8.49)下的循环伏安图;(B)阳极峰电位对pH值作图(扫描速率0.10 V·s-1)Fig.4 (A) Cyclic voltammograms of 1.0×10-4 mol·L-1 LDA in 0.1 mol·L-1 PBS at different pH(1→7:5.80,6.22,6.55,7.14,7.41,8.04,8.49;(B) Plot of Epa vs. pH(scan rate :0.1 V·s-1)

2.3 电子转移数的确定

电子转移数可以有多种方法确定。对于可逆电极过程，|Ep-Ep/2|=56.5 mV/n(25 ℃)[20]。根据图2曲线a,Epa=0.223 V,Epa/2=0.192 V，代入前式可得LDA电极反应的电子转移数n=2。

电极反应的电子转移数也可由下面方程估算[20]:

(1)

据图3D，修饰电极Epa-lnv成线性关系(r=0.998)，斜率=0.0141，即RT/2(1-α)nF=0.0141。对大多数电极反应α的数值在0.6～0.4之间[21]，近似地取α=0.5，可得电子转移数n=1.84≈2。如图5所示，LDA的电极过程包括2个电子转移，同时伴有2个氢离子参与反应[22]。

图5 左旋多巴在MWCNTs-DHP薄膜修饰电极上的氧化还原反应Fig.5 Redox reactions of LDA at MWCNTs-DHP modified electrode

在考察的pH范围内氧化峰电流没有明显变化。从平衡移动的角度考虑较高的pH有利于氧化反应，也有利于酚羟基与电极表面已电离的羧基形成氢键，降低氧化的活化能和氧化电位；但是过高的pH则使LDA电离度增大，不利于在带负电的表面上吸附，氧化电流下降。参照生理pH要求，测定LDA的pH可以控制在7.0左右。另外，pH值越小羰基氧越容易捕获氢离子生成羟基，有利于氧化产物的还原，而高的pH是不利的。高的pH还使氧化态LDA分子和电极表面静电排斥作用增大，导致吸附困难，还原过程活化能升高，还原电势降低，从而不利于还原过程进行。图4A印证了上述分析。

2.4 扩散系数的确定

我们已经证明LDA在修饰电极上氧化过程是扩散控制为主，扩散系数可以根据方程[20]通过计时库仑法求得：

(2)

0到1.5 V电位阶跃结果表明Q对t1/2线性关系良好(r=0.997)，直线斜率为2.90×10-6，由此计算得到LDA的扩散系数DR=2.53×10-5cm2·s-1。

2.5 MWCNTs-DHP薄膜修饰电极测定LDA

图6 不同浓度LDA在MWCNTs-DHP修饰电极上的差分脉冲伏安(DPV)图Fig.6 DPV of LDA of different concentrations at MWCNTs-DHP modified electrode a-i:0，5.0×10-8,2.0×10-7,1.0×10-6,2.5×10-6,5.0×10-6,1.0×10-5,2.0×10-5,3.0×10-5 mol·L-1.

由购买的LDA药片制备样品溶液，用本方法测定的浓度为6.86×10-3mol·L-1，用紫外分光光度法测定的浓度为6.96×10-3mol·L-1，皆与标签浓度一致。紫外分光光度法是中国药典[23]推荐的测定方法，LDA在λ=287 nm处的摩尔吸光系数是2 780 L·mol-1·cm-1，能够准确测定的大致浓度范围在7.0×10-5～3.0×10-4mol·L-1。相比之下本文开发的电化学方法检测限更低，灵敏度更高。

3 结论

LDA在MWCNTs-DHP膜修饰电极上的反应是一个2电子准可逆过程，氧化反应是由扩散控制，还原反应是由吸附控制。修饰电极在中性介质中表现出良好的稳定性和重现性，电催化效应明显提升了氧化电流，为LDA检测提供了一个新方法。