基于碳量子點的電化學傳感器檢測多巴胺

韓金土，石全珍, 張月華，姜玉良，齊亞威，李亞麗

(1.信陽師范學院 化學化工學院，河南 信陽 464000；2. 駐馬店職業(yè)技術學院,河南 駐馬店 463000)

0 引言

多巴胺(DA)是最重要的兒茶酚胺神經遞質之一,它在哺乳動物中樞神經系統(tǒng)中起著關鍵作用, 影響著學習和記憶能力,各種活動行為,注意力以及神經元的可塑性[1]. 而且,研究發(fā)現,一些疾病與多巴胺的分泌和代謝異常密切相關,如帕金森癥、癲癇、老年性癡呆以及艾滋病傳感等[2].因此,準確確定生物體系中多巴胺的濃度具有非常重要的意義.目前,檢測多巴胺的方法主要有分光光度法、高效液相色譜法、毛細管電泳法、比色法等[3-6].然而,這些方法樣品前處理復雜、儀器昂貴、比較耗時,而且通常需要專門的儀器設備.因此,發(fā)展快速、靈敏、廉價的分析方法用于多巴胺的檢測具有重要的實際意義.電化學生物傳感器由于其準確度高、響應速度快、成本低、操作簡單,可用于實時監(jiān)測,電化學傳感器用于多巴胺的檢測已經引起了廣大研究工作者的研究興趣[7-10].

一種新型的碳納米材料——碳量子點由美國克萊蒙森大學的科學家首次制造出，它在包括改進生物傳感器、醫(yī)學成像設備和微小的發(fā)光二極管等廣闊領域中都有應用前景.相對于金屬量子點而言，碳量子點無毒、對環(huán)境的危害小、造價也更便宜，由它制成的傳感器可以用來探測爆炸物和炭疽熱等生化制劑.由于上述優(yōu)點，近年來碳量子點的研究受到了廣大科學工作者的關注.目前制備碳量子點的方法有：高溫高壓切除法、蠟燭燃燒法和電化學掃描法.

本文以蠟燭灰為原料,利用經濟和綠色的合成方法制備出碳量子點納米材料,同時基于碳量子點制備了檢測多巴胺的電化學傳感器.由于碳量子點具有較大的比表面積和優(yōu)良的導電能力,所制備的電化學傳感器的電化學響應大大提高,實現了對多巴胺的靈敏檢測.同時, 該傳感器在其他生物和化學分子高靈敏檢測領域具有潛在的應用.

1 實驗部分

1.1 試劑

多巴胺購自國藥集團化學試劑有限公司(上海);0.1 mol /L磷酸緩沖溶液由Na2HPO4和NaH2PO4配制,其pH值通過0.1 mol /L HCl或者0.1 mol/L NaOH溶液來進行調節(jié).其他試劑均為分析純,不需進一步純化,實驗中所用水均為三次蒸餾水.

1.2 儀器

所有電化學測量均在CHI660D電化學工作站(上海辰華儀器)上進行,所有電化學實驗均采用三電極系統(tǒng),其中以修飾碳玻電極(GCE) 為工作電極，鉑絲為對電極，飽和甘汞電極( SCE)為參比電極.掃描電鏡圖在日立S-4800電子顯微鏡(SEM)上獲得.

1.3 碳量子點的合成

碳量子點以蠟燭灰為原材料來進行合成[11]. 2 mg 蠟燭灰分散在2 mL 三次蒸餾水中,然后在40 W功率下冰浴超聲1 h.將所得的黑色溶液在3 000 r/min離心2 min,取上部溶液,去除大粒徑的碳納米顆粒. 然后將上部溶液在20 000 r/min離心10 min,收集下部黑色沉淀,除掉小顆粒的具有發(fā)光性質的碳量子點,再將下部的黑色沉淀分散在三次蒸餾水中,放在4 ℃冰箱中備用.

1.4 修飾電極的準備

首先，分別用0.3 μm 和0．05 μm 的α-氧化鋁漿液對玻碳電極進行拋光，然后依次在三次蒸餾水、乙醇和三次蒸餾水中分別超聲清洗2 min,接著用氮氣將玻碳電極表面吹干.其次，將5 μL制備的碳量子點材料滴在玻碳電極上，在紅外燈下烤干后進行電化學測定．

2 實驗部分

2.1 碳量子點的表征

碳量子點的形狀和尺寸可以通過掃描電子顯微鏡(SEM)來進行表征,結果如圖1所示. 從圖中可以看出,碳量子點形狀接近球形,直徑大約在25～40 nm之間,與文獻報道結果一致[11].

圖1 碳量子點的掃描電子顯微鏡圖Fig.1 SEM images of carbon nanodot

2.2 碳量子點的電化學特征

裸電極和碳量子點修飾電極的電化學特征通過循環(huán)伏安法和電化學阻抗譜法來進行考察,結果如圖2所示.

圖2 (A)不同修飾電極的循環(huán)伏安圖; (B)不同修飾電極的電化學阻抗圖Fig.2 (A) Cyclic voltammograms of bare GCE (a), carbon nanodot/GCE (b) in 5 mmol /L Fe(CN)63-/4- containing 0.1 mol /L KCl;(B) Nyquist plots of bare GCE (a), carbon nanodot/GCE (b) in 5 mmol /L Fe(CN)63-/4- containing 0.1 mol /L KCl. The frequency range was from 0.1 to 105 Hz with perturbation amplitude of 5 mV.

從圖2A中可以看出,碳量子點修飾的電極比裸電極的峰電流大.這有可能是碳量子點的表面結構能夠促使氧化還原體系的電子傳遞速度加快所引起的.

電化學阻抗譜法是一種研究不同修飾電極界面性質變化的有效方法,阻抗譜包括了一個半圓部分和直接部分,半圓部分越小,表示阻抗值越小,導電能力越好.該傳感器的不同修飾階段也利用電化學阻抗譜法來進行考察,結果如圖2B所示.從圖2B中可以看出,碳量子點修飾電極的電化學阻抗譜曲線半圓部分比裸電極要小,結果顯示碳量子點修飾電極具有更好的電子傳導能力.

2.3 電化學傳感器的電化學性能

圖3為不同修飾電極在0.1 mol/L PBS緩沖溶液(pH7.0)中存在20 μmol /L多巴胺時的循環(huán)伏安曲線．

圖3 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of 20 μmol /L DA at bare GCE (a), carbon nanodot/GCE (b) in 0.1 mol /L PBS (pH 6.0)

由圖3可知，在電壓從-0.1 V到0.8 V范圍內,可觀測到多巴胺的良好的氧化還原峰，表明多巴胺在電極上進行的是準可逆的氧化還原過程．裸電極存在一對峰形較寬,峰電流不明顯的氧化還原峰,并且陽極和陰極峰電位之差達到了130 mV.而碳量子點修飾電極存在一對明顯的氧化還原峰,峰電流明顯增大,峰電位之差減小到了29 mV. 峰電流的顯著增加主要是由于碳量子點具有較大的比表面積,良好的導電能力以及優(yōu)越的電子傳導能力,從而使吸附多巴胺的效率和氧化多巴胺的電催化性能得到了顯著提高.

電極掃描速率對陽極和陰極峰電流的影響見圖4.隨著掃描速率的增加,多巴胺的氧化還原峰迅速增加,并且在掃描速率從50 mV/s到300 mV/s之間,峰電流(Ipa,Ipc,μA)與掃描速率(v,mv·s-1)呈現線性關系,線性回歸方程分別為

Ipa= -2.790 5 - 0.025 7v,

R= 0.999 6;

Ipc= 1.681 6 + 0.017 8v,

R= 0.998 9.

結果如圖4插圖所示. 這表明其機理為表面控制過程.同時,峰電位差稍有增加,這種略微的移動可能是由于電極表面電荷轉移相關的限制.

圖4 不同掃描速率的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of 20 μmol /L DA on the carbon nanodot/GCE at different scan rates (50, 100, 150, 200, 250, 300 mV/s)in 0.1 mol /L PBS (pH 6.0). The inset is the effect of scan rate on the peak current.

2.4 pH值的影響

在碳量子點修飾電極上,溶液從pH4.0 到9.0范圍內研究了pH變化對峰的影響,結果見圖5.

圖5 不同pH值的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of 20 μmol /L DA for different pH values (from 5.0 to 9.0) at carbon nanodot/GCE. The inset is the effect of Epa for DA at carbon nanodot/GCE.

多巴胺的峰電流在pH值從4.0 到6.0逐漸增加，當pH值高于6.0 時，多巴胺的峰電流隨pH值增加反而下降.因此,pH值為6.0時作為最佳實驗條件.此外，還研究了pH值與多巴胺峰電勢的關系，結果表明:隨著pH值從4.0增加到9.0,峰電位負移,并且多巴胺的陽極峰與pH值存在線性關系,線性回歸方程為

Epa(V) = -0.057 6 pH + 0.713 4 ,

R=0.999 0.

該方程斜率為-0.057 6 mV·pH-1，與理論值-0.059 mV·pH-1非常接近. 結果表明，在電極表面發(fā)生的反應中轉移的質子數和電子數相同.

2.5 多巴胺的檢測

在最佳的實驗條件下,用微分脈沖伏安法(DPV)對多巴胺的濃度進行了測定．不同濃度的DPV響應如圖6所示．

圖6 不同濃度多巴胺的微分脈沖伏安圖Fig.6 Differential pulse voltammograms responses of 0.1, 0.5, 1, 3,5, 10, 20, 40, 60, 80 and 100 μmol /L DA (from a to k) on carbon nanodot/GCE in 0.1 mol /L PBS (pH 6.0). The inset is the linear relationship between the peak current and DA concentration.

由圖6可知，氧化峰電流隨著多巴胺濃度的增加顯著增強.峰電流(Ipa,μA)與多巴胺的濃度(C)在0.1～100 μmol /L 內符合線性關系，線性回歸方程為

Ipa= 0.153 9C+0.447 4,

R=0.996 9,

檢出限為0.02 μmol /L(S/N= 3)．

由此可以看出本文提出的方法具有寬的線性范圍和低的檢測限．表明該法可用于測定微量多巴胺．

2.6 干擾實驗

在生物樣品中,多巴胺的檢測經常會受到抗壞血酸和尿酸的干擾.對本文構建傳感器的抗干擾能力進行了考察,結果見圖7.

圖7 同時存在多巴胺(DA),抗壞血酸(AA)和尿酸(UA)的微分脈沖伏安圖Fig.7 Differential pulse voltammograms of 400 μmol /L AA,30 μmol /L DA and 30 μmol /L AC on carbon nanodot/GCE.

圖7分別給出裸電極和碳量子點修飾電極在多巴胺(DA)、抗壞血酸(AA)和尿酸(UA)同時存在條件下的微分脈沖伏安曲線.結果發(fā)現,多巴胺呈現良好的峰形,并與抗壞血酸和尿酸能夠良好的分離.而且,100 倍的K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、Cl-、NO3-、葡萄糖、半胱氨酸和賴氨酸基本不干擾測定(信號改變小于5%),表明該傳感器具有良好的選擇性.

2.7 傳感器的穩(wěn)定性和重現性

碳量子點修飾電極對20 μmol /L的多巴胺測定10次，峰電流的相對標準偏差為3.4%．在相同條件下分別制作了5 支傳感器，研究了制得的不同電極的重現性，測定20 μmol /L 的多巴胺，RSD為3.2%．表明碳量子點修飾電極具有很好的穩(wěn)定性和重現性．另外，對單支電極的穩(wěn)定性也進行了評價．結果表明: 修飾電極在4 ℃保存2周，峰電流仍是原來數值的96.8%．

3 結論

本文以蠟燭灰為原料,利用經濟和綠色的合成方法制備出碳量子點納米材料,利用碳量子點修飾碳玻電極制備電化學傳感器,研制了一種測定多巴胺的電化學分析方法．該法步驟簡單、測定方法簡便、靈敏度高，有望為多巴胺檢測提供新方法．