基于氧化石墨烯修飾玻碳電極的多巴胺 和尿酸的電化學(xué)檢測(cè)

武 海, 張 雷, 李競(jìng)草, 沈和平, 宋雪燕, 汪夢(mèng)迪, 張 宏

(阜陽師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽環(huán)境污染物降解 與監(jiān)測(cè)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽阜陽 236037)

多巴胺(DA)是哺乳動(dòng)物神經(jīng)中樞一種重要的兒茶芬胺類神經(jīng)遞質(zhì)，其濃度的變化或失調(diào)會(huì)導(dǎo)致如精神分裂癥和帕金森氏病等疾病的發(fā)生[1]。尿酸(UA)是人體內(nèi)代謝的最終產(chǎn)物，人體內(nèi)尿酸含量過高會(huì)發(fā)生高尿酸癥。因此，準(zhǔn)確而靈敏地檢測(cè)DA及UA對(duì)此類疾病的臨床診斷及治療具有重要意義。DA和UA均具有電化學(xué)活性，但在用電化學(xué)方法測(cè)定DA和UA時(shí)，共存的抗壞血酸(AA)的電化學(xué)信號(hào)會(huì)干擾DA和UA的測(cè)定。近年來，多種電化學(xué)傳感器已經(jīng)應(yīng)用于DA或UA的測(cè)定[2 - 3]，以期構(gòu)建出具有優(yōu)良的選擇性及抗干擾能力的電化學(xué)傳感器。

石墨烯是一種是由碳原子組成的單層二維六角晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料，具有獨(dú)特的熱和機(jī)械穩(wěn)定性。由于π-π共軛鍵的存在，石墨烯具有電子轉(zhuǎn)移速率快、電位窗口寬、電化學(xué)穩(wěn)定性好、電催化活性高等電化學(xué)特性[4]。但是，石墨烯的疏水性限制了其電化學(xué)應(yīng)用。與之相比，氧化石墨烯(GO)因其表面具有-COOH 和-OH等基團(tuán)，從而增強(qiáng)了親水性。但是，大量功能化基團(tuán)的引用也破壞了石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)，從而會(huì)降低石墨烯的導(dǎo)電性。人們研究發(fā)現(xiàn)，GO邊緣缺陷的存在能促進(jìn)異相電子轉(zhuǎn)移，在某些電化學(xué)過程中表現(xiàn)出電催化活性[4 - 9]。目前，用于選擇性測(cè)定DA和UA的石墨烯修飾電極均采用還原石墨烯[5 - 6,10 - 11]或者石墨烯復(fù)合物[12 - 14]，而直接采用GO構(gòu)建電化學(xué)傳感器用于DA和UA選擇性測(cè)定的報(bào)道并未多見。Gao等[5]采用碳二亞胺(EOC)和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)將氧化石墨烯共價(jià)鍵合于電極表面，制備了石墨烯修飾電極用于測(cè)定DA，可完全消除AA的干擾；同元輝等[15]制備了羧基化石墨烯修飾電極，研究了DA在該修飾電極上的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)羧基化石墨烯修飾電極對(duì)DA的電化學(xué)反應(yīng)有良好的催化作用。

本文利用GO直接修飾于玻碳電極表面構(gòu)建電化學(xué)傳感器，并用于DA和UA的電化學(xué)測(cè)定。與文獻(xiàn)報(bào)道相比，該傳感器的構(gòu)建不需要將GO還原為石墨烯，修飾過程簡(jiǎn)易，靈敏度高，不僅排除了AA的干擾，而且DA與UA之間的測(cè)定也互不影響，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

CHI600D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；BILON-1000Y超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(上海比朗儀器有限公司)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極體系：玻碳電極(GCE，Φ=3.0 mm)或GO/GCE為工作電極，Ag/AgCl電極(3 mol/L KCl)為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極。

鹽酸多巴胺(DA,Johnson Matthey Company),尿酸(UA，上海風(fēng)行股份有限公司)，抗壞血酸(AA，天津博迪化工股份有限公司)，氧化石墨烯(GO，南京先豐鈉米材料科技有限公司)。DA、AA和UA溶液均用0.1 mol/L的pH=7.0磷酸鹽緩沖溶液(PBS)配制，使用前氮?dú)獬?。所有試劑均為分析純，?shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

1.2 氧化石墨烯修飾玻碳電極的制備

稱取5.0 mg的GO于10.0 mL二次蒸餾水中，在細(xì)胞粉粹機(jī)中超聲粉碎1 h后，再放在超聲儀中持續(xù)超聲2 h得到均一的懸浮液。取4.0 μL上述GO懸浮液滴涂在預(yù)處理干凈的GCE表面，自然晾干后得GO/GCE。

2 結(jié)果與討論

2.1 GO/GCE修飾電極的表征

圖1 (A)GO/GCE的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；(B)和(C)為不同電極分別在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-和溶液中的CV曲線(插圖為不同電極EIS曲線；曲線a和b分別為GCE和GO/GCE)Fig.1 (A) SEM image of the GO/GCE;(B) and(C) CV curves of different electrodes in 5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- and 1 mmol/L solution,repectively(Inset:EIS curves of different electrodes in 5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-;and 1 mmol/L solution scan rate:100 mV/s;pH=7.0;containing 0.1 mol/L KCl;curve a:at GCE and curve b:at GO/GCE)

2.2 DA和UA在GO/GCE上的電化學(xué)行為

為了比較DA和UA在GCE和GO/GCE上的電化學(xué)行為，分別將其置于5.0×10-5mol/L的DA和UA溶液中進(jìn)行CV掃描，結(jié)果如圖2所示。相比于GCE(曲線a)，GO/GCE在DA和UA溶液中進(jìn)行CV掃描后，峰電流分別增大了約2.5倍和2倍。在GO/GCE上，DA和UA的氧化還原峰電位差減小，可逆性明顯變好。因此，GO/GCE對(duì)DA和UA的電化學(xué)氧化還原反具有良好的催化作用，能加速DA和UA與電極之間的電子轉(zhuǎn)移。

圖2 GCE(a)和GO/GCE(b)在5.0×10-5 mol/L DA 溶液(A)和UA溶液(B)中的CV曲線 Fig.2 The CV curves of 5.0×10-5 mol/L DA(A) and UA(B) at GCE(a) and GO/GCE(b) pH=7.0；scan rate:100 mV/s.

將GO/GCE分別置于5.0×10-5mol/L的DA和UA溶液中，在不同掃速下進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，結(jié)果如圖3。隨掃速的增加，DA和UA的峰電位差均有所增加，峰電流均與掃速的平方根呈良好的線性關(guān)系，說明DA和UA在GO/GCE上的氧化還原過程均受擴(kuò)散速率控制。對(duì)于DA準(zhǔn)可逆反應(yīng)過程，根據(jù)Laviron公式[16 - 17]可求得平均表觀反應(yīng)速率常數(shù)Ks為0.1523/s。

圖3 GO/GCE在5.0×10-5 mol/L DA(A)和UA(B)溶液中于不同掃速的CV曲線;插圖為峰電流與掃速平方根的關(guān)系圖Fig.3 CV curves of 5.0×10-5 mol/LDA(pH=7.0) on the GO/GCE at different scan rate;Inset:The realationship between peak current and the square root of scan rate from a to k:0.06,0.1,0.14,0.18,0.26,0.3,0.34,0.42,0.46,0.5,0.54 V/s,respectively.

2.3 pH值對(duì)DA和UA電化學(xué)行為的影響

圖4 GO/GCE在不同pH值的DA(A)和UA(B)溶液中的DPV曲線;插圖為峰電位值與pH值之間的關(guān)系Fig.4 DPV curves of DA(A) and UA(B) on the GO/GCE at different pH values;Inset:The relationship between peak potential and pH values

圖5 GCE(a)與GO/GCE(b)在5.0×10-5 mol/L AA、1.0×10-5 mol/L DA和1.0×10-5 mol/L UA混合溶液中的DPV曲線Fig.5 DPV curves of 5.0×10-5 mol/L AA,1.0×10-5 mol/L DA and 1.0×10-5 mol/L UA at GCE(a) and GO/GCE(b)

配制一系列不同pH值(4.0～9.0)的DA和UA溶液，采用差分脈沖伏安法(DPV)研究了pH值對(duì)DA和UA電化學(xué)行為的影響。從圖4A和4B可以看出，DA和UA的氧化峰隨著pH的增大而負(fù)移，峰電位與pH均呈良好的線性關(guān)系，斜率分別為0.061、0.060 V/pH，與理論值 0.059 V/pH相近，說明 DA和UA 在該修飾電極上發(fā)生的是等電子等質(zhì)子反應(yīng)。峰電流開始隨著pH的增大而增大，當(dāng)pH=7.5時(shí)達(dá)到最大，pH=9.0時(shí)電流變小，這是因?yàn)镈A和UA在溶液中以陰離子形式存在，而GO表面帶有大量的羧基負(fù)離子，對(duì)DA和UA排斥導(dǎo)致電流值下降。綜合考慮人體的生理環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)選擇在pH=7.0的磷酸緩沖溶液中進(jìn)行。

2.4 DA、UA和AA混合液在GO/GCE上的電化學(xué)行為

圖5為AA、DA和UA在不同電極上的DPV曲線，可見在GCE上，只在0.209 mV出現(xiàn)一個(gè)峰形較寬，電流較小的氧化峰，這是由于AA的氧化峰與DA和UA的氧化峰發(fā)生重疊所致。而在GO/GCE上，分別出現(xiàn)了AA(-0.053 V)、DA(0.162 V)、UA(0.365 V)三個(gè)獨(dú)立的氧化峰， 且電流響應(yīng)也明顯比在GCE上大。說明氧化石墨烯修飾電極對(duì)DA和UA具有良好的電催化活性和區(qū)分效應(yīng)，能用于DA和UA的同時(shí)測(cè)定。

將GO/GCE置于DA、UA和AA三者混合溶液中進(jìn)行DPV掃描，固定AA和DA的濃度，不斷改變UA的濃度(圖6A)，或者固定AA和UA的濃度，不斷改變DA的濃度(圖6B)。如圖所示，隨著UA和DA濃度的增大，其相應(yīng)的氧化峰電流也逐漸增大，峰電流分別在0.5～90.0 μmol/L和1.0～98.0 μmol/L范圍內(nèi)與UA和DA濃度呈良好的線性關(guān)系，檢出限分別為0.25 μmol/L和0.50 μmol/L。

圖6 (A)GO/GCE在含有50.0 μmol/L AA和10.0 μmol/L DA的不同濃度UA溶液;(B)GO/GCE在含有50.0 μmol/L AA和50.0 μmol/L UA的不同濃度DA溶液中的DPV曲線(插圖為UA和DA的DPV峰電流與濃度之間的關(guān)系)Fig.6 (A) DPV curves of different concentration of UA on the GO/GCE containing 50.0 μmol/L AA and 10.0 μmol/L DA;(B) DPV curves of different concentration of DA on the GO/GCE containing 50.0 μmol/L AA and 50.0 μmol/L UA(Inset:The relationship between DPV peak current of UA,DA and their concentrations)

2.5 GO/GCE的性能評(píng)價(jià)

2.6 多巴胺注射液樣品的測(cè)定

將一支鹽酸多巴胺注射液針劑用0.1 mol/L的PBS進(jìn)行定量稀釋，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法，加入已知量的標(biāo)準(zhǔn)DA溶液進(jìn)行回收率的測(cè)定。該傳感器測(cè)定DA樣品的回收率在93.8%～105.6%之間，見表1。

表1 多巴胺注射液的測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用GO/GCE制備一種電流型傳感器，該傳感器對(duì)DA和UA具有良好的電催化作用，DA的表觀電子傳遞速率常數(shù)Ks=0.1523/s。DPV法結(jié)果表明，GO/GCE能較好地區(qū)分DA、UA和AA的氧化峰，從而消除測(cè)定時(shí)三者之間的相互干擾。而且，該傳感器具有良好的穩(wěn)定性、較低的檢出限、以及優(yōu)良的選擇性，因此，有望建立一種方法簡(jiǎn)便、快捷、靈敏度高的DA和UA同時(shí)測(cè)定的方法。