二氧化钼－石墨烯修饰电极对多巴胺、尿酸检测方法研究

谷江东，强涛涛，徐卫涛，秦向涛

（陕西科技大学 a.化学与化工学院；b.轻工科学与工程学院，西安 710021）

多巴胺（DA）又名儿茶酚乙胺或羟酪胺，是一种神经传导递质，用来帮助细胞传递脉冲的化学物质［1］，能够将开心、快乐、兴奋、悲伤、难过、痛苦等情绪情感的信息传递，因此DA含量非常重要，含量过低可能导致一些重大疾病，如帕金森［2］、癫痫和精神分裂症［3］等病。尿酸（UA）又名2，6，8－三羟基嘌呤，是嘌呤代谢的终产物，又是人体尿液中的产物，但如果人体尿酸滞留过多又来不及排泄，长期任其发展将会引起高尿酸血症、痛风等疾病的发生［4－5］因此简单快速地检测DA和UA尤为重要。

纳米材料在医学、光电、物理和化学性质等方面具有其他材料不具备的优异特性，而纳米粒子是一种极好的催化材料，表面积大，表面活性中心多，催化活性高，已被用作特殊的传感材料。纳米材料中的金属氧化物纳米颗粒具有良好的光学特性、力学特性以及优异的催化活性［6］，纳米颗粒的小尺寸，大的比表面积，使其催化效果明显，其中，MoO2纳米颗粒具有良好的金属性和导电性，较高的电子传递速率，晶格中存在的孔隙结构有利于带电粒子的穿入与流出，可用于电化学传感方面［7］。

石墨烯在传感器、催化剂、电池、复合材料及显示器材料领域得到突破性的应用进展［8］。同时，石墨烯具有的储氢特性、场效应特性、高强度特性、非凡的比表面积、高的电导率和快速的电子转移能力［9－11］，是目前在常温下已知的导电性能最好的材料，电子在其中的运动速率远超过一般导体［12］。另外石墨烯还显示出非常好的芳香有机物吸附性能［13］，有效的附集待测物，从而提高传感器的灵敏度。将石墨烯作为支持MoO2电极活性材料的理想基材，分散在石墨烯上的MoO2纳米颗粒展现出了较好的分散性，较小的粒径和更高的催化活性。

本文将MoO2／RGO复合材料滴涂于玻碳电极（GCE）表面以构筑MoO2／RGO／GCE电化学传感器，用于多巴胺和尿酸的检测。

1 实验

1.1 实验试剂与实验仪器

尿酸（上海化学试剂公司）；多巴胺（上海中秦化学试剂有限公司）；钼酸铵（湖北巨盛科技有限公司）；磷酸二氢钠（江苏采薇生物科技有限公司）；磷酸氢二钠（江苏采薇生物科技有限公司）；浓硫酸（天津大茂化学试剂厂）；铁氰化钾（中国徐州试剂总厂）；水合肼（上海科技有限公司）；亚铁氰化钾（中国徐州试剂总厂）；石墨粉（天津市福辰化学试剂厂）；马弗炉（合肥科晶材料技术有限公司）；干燥箱（上海恒科学仪器有限公司）；超声仪（昆山市超声仪器有限公司）；pH计（OHRUS）科斯特电化学工作站（德尚科技公司）；三电极体系（Pt电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，修饰有MoO2／RGO的玻碳电极为工作电极）。

1.2 二氧化钼纳米颗粒－石墨烯制备过程

将1.5 g的（NH4）6Mo7O24在氩气气氛下加热至500℃并控制气体流速为0 sccm，以10℃／min速度升温，保温2 h后自然冷却用水冲洗，并在60℃条件下干燥12 h，制得MoO［14］2。氧化石墨烯根据文献［15］制备，将1.0 g MoO2和一定量的GO粉末加入到50 mL超纯水中，并连续不断地搅拌均匀，用超纯水抽滤洗涤并将沉积物置于60℃真空干燥箱中干燥，然后将复合材料放入管式炉中在氮气氛围下控制其流速并以5℃／min升温至500℃煅烧2 h，得到黑色粉末样品。

1.3 玻碳电极的预处理及MoO2／RGO／GCE修饰电极的制备

玻碳电极的预处理：将玻碳电极用Al2O3悬浊液打磨成镜面，用乙醇和水依次超声洗涤，用氮气吹干备用。然后，移取5.0μL的MoO2／RGO分散液滴涂到玻碳电极表面，自然晾干，得到MoO2／RGO／GCE修饰电极。

2 结果与讨论

2.1 电极材料的表征

从图1（a）可以看出，MoO2呈现不规则的聚集的颗粒状结构；图1（b）可以看出，石墨烯具有片层褶皱状结构，这种结构使得石墨烯具有大的比表面积，MoO2颗粒均匀地分散在石墨烯上且没有明显堆积；图1（c）所示的EDS图可以清楚地看到该复合材料是由C、O、Mo 3种元素构成的，而且Mo的分布非常均匀，结果表明2种材料成功地复合在了一起。

图1 MoO2（a）、MoO2／RGO（b）的TEM图；MoO2／RGO（c）的EDS图

由图2可以观察到在230 364 454 494 737 cm－1的振动峰为二氧化钼单斜晶的峰，在281 814 990 cm－1的峰为三氧化钼的散射峰，这是因为二氧化钼作为一种中间态的氧化峰当其暴露在空气中时很容易被氧化［16］，同时在1 349 cm－1和1 591 cm－1处为石墨烯的D带和G带2个特征峰，当氧化石墨烯被还原后，其拉曼光谱中的D峰会增强，结果说明2种材料复合成功。

图2 复合材料的拉曼光谱图

图3（a）显示该复合材料在相应的电子结合能处出现了Mo 3d、C 1s、Mo 3p和O 1s明显的特征峰，表明3种元素的存在；图3（b）显示了C 1s高分辨谱，拟合分峰在284.4、284.6、286.4、288.7 eV处分别对应于碳原子4种不同的官能团：C－C／C＝C、C－O、C＝O、O－C＝O；图3（c）的Mo 3d光电子峰显示4个 分 量 分 别 属 于Mo4＋3d5／2、Mo4＋3d3／2、Mo6＋3d5／2、Mo6＋3d3／2，说明Mo4＋在空气中被氧化；图3（d）显示2个尖锐的衍射峰对应于MoO2的（110）和（101）晶面，同时在37.3°、38.8°、53.1°、53.3°、53.8°处出现了二氧化钼的（020）、（111）、（222）、（022）、（112）晶面，当复合石墨烯以后出现的3个强的衍射峰分别属于MoO2的（110）、（020）、（022）晶面，并且氧化石墨烯的（001）晶面消失，以上结果说明复合材料成功合成。

图3 MoO2／RGO（（a）、（d））的XPS全谱图、XRD图；C 1s（b）、Mo 3d（c）的高分辩率元素扫描图

2.2 MoO2／RGO／GCE修饰电极的电化学性能

图4为修饰电极在含0.1 mol／L KCl的0.1 mmol／L K3［Fe（CN）6］的溶液中的CV曲线。

图4 修饰电极的CV曲线

由图4可以看出，在裸电极上出现了一对弱的可逆的氧化还原峰，修饰MoO2后峰电流明显增强，当修饰MoO2／RGO复合物后峰电流进一步增强，表明MoO2／RGO的导电性更强，更有利于电子的转移。同时修饰电极的探针分子的氧化峰电位更负，还原峰电位更正，过电位降低，说明复合材料具有明显的电催化作用。

2.3 DA和UA在MoO2／RGO／GCE修饰电极上的电化学行为

本文用循环伏安法（CV）研究了DA和UA的单一物质及混合物在修饰电极上的电化学行为。图5（a）为裸电极和MoO2／RGO／GCE修饰电极在0.1 mmol／L且大于裸电极的DA溶液中的循环伏安响应曲线，可以看出，DA在修饰电极上出现在一对准可逆氧化还原峰且大于裸电极，说明DA在该修饰电极上的电子转移速率较裸电极明显加快，该修饰电极导电性大于裸电极；图5（b）为不同修饰电极在0.1mmol／L UA溶液中的循环伏安响应，UA在修饰电极上出现1个不可逆的氧化峰，其中曲线b的氧化峰电流较曲线a的氧化峰电流增强，说明MoO2／RGO／GCE修饰电极对UA的电子转移具有促进作用；图5（c）为裸电极和MoO2／RGO／GCE修饰电极对DA和UA混合溶液的同时检测，从曲线a可以看出，裸电极上DA只出现1对微弱的氧化还原峰，UA的氧化峰也很弱，表明裸电极的灵敏性不太好，而从MoO2／RGO／GCE修饰电极曲线b可以观察到1对明显的氧化还原峰和1个阳极峰，分别为DA的氧化还原峰和UA的氧化峰，与裸电极相比，其峰电流明显增强，氧化峰电位负移，还原峰电位正移，表明MoO2／RGO／GCE修饰电极对DA和UA具有优异的电催化能力。

图5 裸GCE（a）和MoO2／RGO／GCE（b）修饰电极在混合溶液中的CV曲线

2.4 缓冲溶液pH的影响

利用DPV法考察了不同pH（pH＝5.5～7.5）对0.1 mmol／L DA和0.15 mmol／L UA电化学行为的影响，如图6所示，图6（a）（b）中，随着pH值的增加氧化峰电流先增大后减小且在pH＝6时达到最大，因此选择6为最佳pH值；由图6（c）可以看出二者的峰电势与pH值呈良好的线性关系，表明质子参与了电化学氧化反应过程。DA和UA的氧化峰电位与pH值的线性回归方程依次为DA：Ep（V）＝－0.045 5pH＋0.467 8（R2＝0.997 3）、UA：Ep（V）＝－0.036 68pH＋0.413 8（R2＝0.999 5），它们的斜率值接近－0.059 V，说明DA和UA在电极上发生的化学反应是等质子和等电子过程。

图6 不同pH（pH＝5.5～7.5）对0.1 mmol／L DA和0.15 mmol／L UA电化学行为的影响曲线

2.5 扫描速率对检测的影响

考察了DA和UA在MoO2／RGO／GCE修饰电极表面的动力学过程，利用循环伏安法研究了峰电流与不同扫速（40、60、80、100、120、140、160 mV／S）之间存在的关系。如图7（a）（b）所示，DA的氧化峰和还原峰电流都随着扫描速率的增加而增加，氧化峰电流向更正的电位移动，还原峰电流向更负的电位移动。同样，UA的阳极峰电流也随着扫速的增加而增加，氧化峰电位也向更正的电位移动，从图7（c）（d）可以看出DA和UA的峰电流与扫描速率均呈现良好的线性关系，DA的线性关系为：Ipa（μA）＝－4.208 4－0.104 4v（mV／S）（R2＝0.987 1）和Ipc（μA）＝1.190 7＋0.088 5v（mV／S）（R2＝0.9957），UA的 线性关系为：Ipa（μA）＝－4.066 57－0.038 27v（mV／S）（R2＝0.993 5）。实验结果说明：DA和UA在修饰电极MoO2／RGO／GCE上的电化学反应为吸附控制过程。

图7 不同扫速下DA（a）和UA（b）在MoO2／RGO／GCE修饰电极上的循环伏安曲线，峰电流值与扫速的线性关系

另外，还考察了峰电势与扫速的关系，从图8（a）（b）可以看出，DA和UA的阳极峰电势随扫速的增加而增加，DA阴极峰电势随扫速的增加而减小，并且峰电势与扫描速率的自然对数（lnv）呈现良好的线性关系。DA的线性回归方程为：Epa（V）＝0.046 5＋0.027 1lnv（mV／S）（R2＝0.992 1），Epc（V）＝0.194 8－0.023 5lnv（mV／S）（R2＝0.995 0），UA的线性回归方程为：Epa（V）＝0.232 0＋0.025 7lnv（mV／S）（R2＝0.990 4）。

图8 DA（a）和UA（b）的峰电位与扫描速率的自然对数之间的关系

综合上述研究，根据Laviron理论［17］可以得出DA和UA的电子转移数分别是2.23和2.02，因此DA和UA在MoO2／RGO／GCE修饰电极上的电化学反应是两电子两质子过程，其反应机理如图9所示。

图9 DA和UA在修饰电极上的可能反应机理示意图

2.6 DA和UA的同时测定

利用差分脉冲伏安法（DPV）考察了DA和UA在MoO2／RGO／GCE修饰电极上的氧化峰电流和浓度之间的关系。如图10（a）所示，固定UA的浓度为30μmol／L，随着DA浓度的增加，其氧化峰电流也随着增加，而UA的氧化峰电流基本不变，DA的氧化峰电流值与浓度（2～220μmol／L）呈现良好的线性关系，回归方程为Ip（μA）＝1.915 5＋0.024 9c（μmol／L）（R2＝0.997 3），检测线为0.68μmol／L（S／N＝3）。由图10（c）可知，当保持DA浓度为30μmol／L时，UA的氧化峰电流与其浓度（9～300μmol／L）呈良好的线性范围，在9～115μmol／L范围内，线性回归方程为Ip（μA）＝1.610 6＋0.021 2c（μmol／L）（R2＝0.991 6），在115～300μmol／L范围内，线性方程为Ip（μA）＝2.486 7＋0.012 4c（μmol／L）（R2＝0.995 3），检测线为1.06（μmol／LS／N＝3），实验结果表明：修饰电极MoO2／RGO／GCE可以有效地对DA和UA进行检测。

图10 DA和UA在MoO2／RGO／GCE修饰电极上的氧化峰电流和浓度之间的关系曲线

通过同时改变DA和UA的浓度来研究MoO2／RGO／GCE修饰对其电化学行为的影响。如图11（a）（b）所示，随着DA和UA的浓度的增加，其氧化峰电流与浓度均呈现良好的线性关系，其线性回归方程分别为：Ip（DA）＝4.209 1＋0.015 2c（μmol／L）（R2＝0.991 8）和Ip（UA）＝3.264 7＋0.053 9c（μmol／L）（R2＝0.995 6），其线性范围分别为2～500μmol／L、2～220μmol／L，该研究方法对DA和UA的测定具有高的灵敏性和选择性，能够很好地应用于DA和UA同时检测。表1为不同修饰电极同时检测DA和UA的分析结果。

图11 不同浓度的DA（2～500μmol／L）和UA（2～220μmol／L）在修饰电极上的差分脉冲伏安曲线，DA和UA的氧化峰电流与其浓度的线性关系

表1 不同修饰电极同时检测DA和UA的分析方法

2.7 DA和UA传感器的重现性、稳定性、选择性

将MoO2／RGO／GCE修饰电极的重现性和稳定性进行研究，结果发现，将相同条件下制备的3根不同修饰电极置于含有20μmol／L DA和50 μmol／L UA的缓冲溶液中，3次检测的相对标准偏差（RSD）分别为3.86%和4.03%。此外，用循环伏安法连续扫描50圈后对传感器的稳定性做了考察，20μmol／L DA、50μmol／L UA氧化峰电流分别为初始响应值的92.80%和94.63%，说明修饰电极MoO2／RGO／GCE对DA和UA的检测具有较好的重现性和稳定性。

通过在含有DA（0.1 mmol／L）和UA（0.2 mmol／L）的0.1 mol／L的PBS（pH＝6）溶液中加入潜在的干扰物质来评估修饰电极MoO2／RGO／GCE的选择性，加入100倍的SO2－4、CO2－3、Zn2＋、K＋、Mg2＋、Ca2＋和50倍的葡糖糖、咖啡因、L－半胱氨酸对DA和UA的检测没有显著干扰，相对误差不超过10%，说明修饰电极对待测物DA和UA具有强的抗干扰能力和高的选择性。

2.8 实际样品分析

采用标准加入法测定了10倍PBS稀释了的人体尿液中DA和UA的浓度，3份尿样中的数据如表2所示，均未检测到DA的存在，当加入一定量的DA后，可检测到相应的峰电流信号，DA和UA的加标回收率分别为99.0%～101.9%、99.6%～101.0%，DA和UA 3次平行测定的标准偏差都低于5%，说明该修饰电极可用于实际样品的检测。

表2 人体尿样中DA和UA的检测结果（n＝3）

3 结论

利用石墨烯大的比表面积和二氧化钼良好的导电性，通过简单快速的滴涂法成功构建了一种新型MoO2／RGO／GCE电化学传感器，该传感器对DA和UA显示出良好的电催化能力，建立的分析方法具有灵敏度高、稳定性选择性好、线性范围宽、检测限低等优点，可实现DA和UA的同时检测且彼此互不干扰，制备的传感器可以用于实际样品中DA和UA的检测。