L—半胱氨酸自組裝電極檢測(cè)多巴胺和過(guò)氧化氫的實(shí)驗(yàn)研究

曹挺+萬(wàn)楊杰+沈淵明+鄭威+李超+郭淼+章娟

摘 要：化學(xué)修飾實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電極的自主化設(shè)計(jì)，提高電極作為分析敏感元件的選擇性和靈敏度。實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)伏安法，研究多巴胺和過(guò)氧化氫在L-半胱氨酸修飾電極上的電化學(xué)行為，并對(duì)修飾電極的性能進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果顯示，L-半胱氨酸修飾電極對(duì)多巴胺具有良好的線性響應(yīng)，且微量過(guò)氧化氫加入會(huì)顯著增強(qiáng)多巴胺在電極表面的電化學(xué)響應(yīng)，此電極具有選擇性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域有很好的前景。

關(guān)鍵詞：化學(xué)修飾電極；循環(huán)伏安法；電化學(xué)行為；多巴胺；過(guò)氧化氫

引言

多巴胺（Dopamine，DA）作為一種神經(jīng)遞質(zhì)，它的功能是幫助細(xì)胞傳導(dǎo)神經(jīng)興奮，它是由腦內(nèi)分泌的[1]。多巴胺自身濃度的改變，會(huì)影響到垂體內(nèi)的分泌機(jī)能，并且多巴胺參與多項(xiàng)神經(jīng)活動(dòng)，可影響一個(gè)人的神經(jīng)系統(tǒng)，與人體健康息息相關(guān)。多巴胺的含量變化將引發(fā)很多疾病，尤其是神經(jīng)系統(tǒng)方面的疾病[2-3]，比如：精神分裂癥、帕金森癥等疾病。

過(guò)氧化氫是一種重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品，在醫(yī)藥行業(yè)、食品衛(wèi)生等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。一旦人體食用過(guò)氧化氫可能會(huì)刺激胃腸粘膜導(dǎo)致胃腸道損傷及胃腸道疾病，也可能導(dǎo)致人體遺傳物質(zhì)DNA損傷及基因突變，與各種病變的發(fā)生關(guān)系密切，長(zhǎng)期食用危險(xiǎn)性巨大[4]。而且作為強(qiáng)氧化劑可能通過(guò)損耗體內(nèi)抗氧化物質(zhì)，使機(jī)體抗氧化能力低下，抵抗力下降，進(jìn)一步導(dǎo)致各種疾病。因此對(duì)過(guò)氧化氫進(jìn)行檢測(cè)是十分必要的。

本項(xiàng)目采用L-半胱氨酸修飾玻碳電極，并以鐵氰化鉀為電化學(xué)探針，通過(guò)循環(huán)伏安法對(duì)傳感器的電化學(xué)特征作表征，研究這種新型傳感器的電化學(xué)特征。以此來(lái)測(cè)定多巴胺和過(guò)氧化氫的含量[5]。比較此種傳感器對(duì)于兩種物質(zhì)的檢測(cè)效果。得到更簡(jiǎn)單、更快速、更靈敏的電化學(xué)檢測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

（1）儀器：CHI440A電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），采用三電極系統(tǒng)：玻碳電極（工作電極）、飽和甘汞電極（參比電極）、鉑絲電極（對(duì)電極）。超聲波清洗器，磁力加熱攪拌器，電子分析天平。

（2）試劑：鹽酸多巴胺、L-半胱氨酸、30%過(guò)氧化氫、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、冰醋酸、磷酸、蒸餾水、Na2HPO4和KH2PO4。試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）修飾電極的制備：實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng)：玻碳電極作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，鉑絲電極作為輔助電極。玻碳電極依次用0.1mol/L硫酸、無(wú)水乙醇和蒸餾水超聲清洗，分別清洗20分鐘。Ag/AgCl電極和鉑電極分別用無(wú)水乙醇、超純水進(jìn)行超聲波清洗20min，干燥備用。以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的玻碳電極為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，Ag/AgCl電極為參比電極，放入配制好的0.01mol/L的L-半胱氨酸溶液中，在-0.6～2.4V之間，以110mV/s的掃速循環(huán)掃描20圈，然后從溶液張總?cè)〕?，用二次水反?fù)沖洗，即制得L-半胱氨酸修飾玻碳電極。

（2）實(shí)驗(yàn)方法：將多巴胺和過(guò)氧化氫分為多個(gè)濃度梯度，用修飾電極進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描，先對(duì)掃描速度、底液pH、緩沖溶液等條件中選出最優(yōu)條件，再進(jìn)行各個(gè)濃度梯度的掃描，表征出多巴胺和過(guò)氧化氫的線性范圍和檢出限，從而得出其各自的線性回歸方程，對(duì)其進(jìn)行多次的重復(fù)測(cè)量，得出其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。最后測(cè)試干擾物質(zhì)的影響。

2 結(jié)果和討論

2.1 掃描速度對(duì)L-半胱氨酸修飾電極上峰電流、峰電位的影響

L-半胱氨酸修飾電極作為工作電極，分別以50、80、100、120、150mV/s的掃速，在1×10-3mol/L多巴胺溶液（pH=6.8）中，掃描電位為0.6～0.2V間，記錄不同掃描速度下的循環(huán)伏安圖，結(jié)果如圖1所示。

由圖可知，掃速不斷增大的過(guò)程中，峰電流隨之增強(qiáng)，將各個(gè)掃速的峰電流進(jìn)行線性擬合，得到線性回歸方程為Ip=0.0119X+0.9894，R2=0.9450。

圖2為修飾電極在30mmol/L H2O2溶液中分別以4、16、36、64、100mV/s的掃速，掃描電位為350～50mV間，記錄不同掃速下的循環(huán)伏安圖曲線的提取結(jié)果?？梢钥闯鰭咚倥c氧化峰電流確實(shí)存在正相關(guān)，說(shuō)明掃速對(duì)電極性能由明顯的影響。

2.2 pH對(duì)氧化峰電流影響

選取pH值為5、6、7、8四個(gè)梯度的PBS溶液為變量，分別用于多巴胺和過(guò)氧化氫的測(cè)量，多巴胺的循環(huán)伏安結(jié)果如圖3。

可知當(dāng)pH為6時(shí)，峰電流最大，由此得出測(cè)量多巴胺溶液的PBS最適的pH為6。同樣的方法得出過(guò)氧化氫測(cè)量最適的pH為7。

2.3 不同緩沖液對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

分別在兩種溶液中，測(cè)定了修飾電極分別在PBS緩沖體系和HAc-NaAc緩沖體系中的伏安曲線，多巴胺的測(cè)量結(jié)果如圖4。

結(jié)果表明，兩種物質(zhì)分別在兩種緩沖體系中均有電化學(xué)響應(yīng)，但是在PBS緩沖溶中，峰形明顯較好，峰電流更大，因?yàn)檫x擇PBS緩沖溶液作為緩沖體系。

2.4 物質(zhì)濃度與峰電流的關(guān)系

將多巴胺濃度分為多個(gè)濃度梯度，分別進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 不同多巴胺濃度的循環(huán)伏安圖，a-d依次為濃度1×10-3mol/L、1×10-4mol/L、1×10-5mol/L、1×10-6mol/L的循環(huán)伏安曲線

可以得知，峰電流隨著濃度的增加而增大。將各個(gè)濃度的峰電流進(jìn)行線性擬合，得出其線性回歸方程為Ip=0.0044X+0.2979，R2=0.9998，線性區(qū)間為1×10-5～1×10-3mol/L，檢出下限為2.247×10-4mol/L。

再對(duì)過(guò)氧化氫進(jìn)行多濃度梯度的測(cè)量，將其分為5、10、15、20、25、30mmol/L六個(gè)濃度梯度進(jìn)行測(cè)量，將得到的循環(huán)伏安曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出其濃度與峰電流的線性回歸方程為Ip=0.1506X+1.4473，R2=0.8796，線性范圍為20～30mmol/L，檢出下限為5.54mmol/L。

從其兩種物質(zhì)最后的線性方程可以得知，L-半胱氨酸修飾電極對(duì)于多巴胺的氧化還原反應(yīng)具有良好的催化性，它的峰電流隨著濃度的變化幾乎完美得呈現(xiàn)線性關(guān)系，而L-半胱氨酸修飾電極對(duì)于過(guò)氧化氫的氧化還原反應(yīng)的催化性并不明顯。

2.5 電極穩(wěn)定性的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，將用于多巴胺和過(guò)氧化氫的修飾電極，在同樣條件下重復(fù)測(cè)定10次，得出其峰電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算得知測(cè)量多巴胺的標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為2.87%，測(cè)量過(guò)氧化氫的標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.26%，由此數(shù)據(jù)可知，測(cè)量多次的峰電流變化很小，此電極具有良好的穩(wěn)定性。

2.6 測(cè)定混合物的循環(huán)伏安曲線

將兩種物質(zhì)進(jìn)行混合，分別取其在線性范圍內(nèi)的濃度，在PBS中加入1×10-3mol/L的多巴胺以及20mmol/L的過(guò)氧化氫，循環(huán)伏安結(jié)果如圖6。

由圖可知，該比例的過(guò)氧化氫對(duì)多巴胺的檢測(cè)結(jié)果有較大影響，峰電流的數(shù)量級(jí)變高了，混合物的響應(yīng)比單純的多巴胺增強(qiáng)了，展望后續(xù)工作嘗試尋找二者的相關(guān)性來(lái)進(jìn)行定量測(cè)試研究。

3 結(jié)果分析

本研究采用自組裝方法制備了L-半胱氨酸修飾玻碳電極，并分別對(duì)多巴胺和過(guò)氧化氫的電化學(xué)行為進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，L-半胱氨酸修飾電極對(duì)多巴胺的氧化還原具有良好的催化性，對(duì)過(guò)氧化氫的氧化還原反應(yīng)具有一定的催化性，當(dāng)將一定配比的過(guò)氧化氫加入到多巴胺中能夠增強(qiáng)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究不同因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，對(duì)修飾電極的性能進(jìn)行了分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，多巴胺在pH=6的PBS緩沖體系中，過(guò)氧化氫在pH=7的PBS緩沖體系中，兩者在L-半胱氨酸修飾電極上發(fā)生較為完全的氧化還原反應(yīng)，這種反應(yīng)是吸附控制的可逆過(guò)程，其中掃描速率、pH、底液均會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。多巴胺濃度在1×10-5-1×10-3mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，計(jì)算得到其線性回歸方程為Ip=0.0044x+0.2979，R2=0.9998，檢測(cè)下限為2.247×10-4mol/L。過(guò)氧化氫濃度與峰電流的線性回歸方程為Ip=0.1506X+1.4473，R2=0.8796，線性范圍為20～30mmol/L，檢出下限為5.54mmol/L。最后研究得到在多巴胺中加入過(guò)氧化氫對(duì)其響應(yīng)有較大影響，后續(xù)工作嘗試尋找二者的相關(guān)性來(lái)進(jìn)行定量測(cè)試研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：曹挺，男，本科，研究方向：生物醫(yī)學(xué)。