基于Fe3O4@MoS2-Au納米復(fù)合材料修飾電極的多巴胺電化學(xué)傳感研究

原祎璠，周影，雷鵬，雙少敏

（山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

多巴胺（DA）是人體中一種十分重要的神經(jīng)遞質(zhì)，在大腦中含量最豐富，能夠影響和支配人的活動(dòng)、感情和思緒等，在中樞神經(jīng)、腎臟和激素系統(tǒng)等人體代謝中起著重要作用［1-2］。多巴胺分泌過(guò)量時(shí)會(huì)使得大腦過(guò)度興奮，長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作，進(jìn)而引發(fā)神經(jīng)類疾病，極端情況下可能導(dǎo)致精神分裂癥［3］。而多巴胺含量低則會(huì)導(dǎo)致肢體掌控力減弱，導(dǎo)致患者四肢不受控制的震動(dòng)，極端情況下會(huì)發(fā)展成帕金森綜合征［4］。因此，監(jiān)測(cè)人體血清或尿液中的多巴胺含量對(duì)預(yù)防這些疾病的發(fā)生十分重要。

電化學(xué)法因其靈敏度高，體型輕便且易于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)在多巴胺的測(cè)定中受到廣泛關(guān)注［5］。納米材料在電子傳輸、化學(xué)和機(jī)械性能等方面所具有的獨(dú)特表現(xiàn)，為多巴胺的電化學(xué)檢測(cè)提供了新的方向。多種類型的復(fù)合材料修飾的電極已經(jīng)成功用于多巴胺的檢測(cè)，如納米顆粒［6］、聚合物［7］、自組裝單分子膜［8］和石墨烯［9］等，與單組分材料不同，復(fù)合材料往往能夠在多個(gè)組分中取長(zhǎng)補(bǔ)短，因此更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。二硫化鉬（MoS2）具有類似石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)［10］，自 2011 年 Kun Chang 等［11］研制出層狀MoS2/石墨烯復(fù)合材料并表征了其優(yōu)良電化學(xué)行為以來(lái)，關(guān)于二維（2D）MoS2電化學(xué)性能的研究十分活躍，二硫化鉬與碳納米管或石墨烯復(fù)合具有更優(yōu)良的電化學(xué)活性、巨大的電容電流以及優(yōu)異的電催化效果［12］，許多納米復(fù)合體系如 rGO/MoS2［13］、 MoS2修飾的石墨烯納米薄片修飾的多壁碳納米管［14］、MoS2/Au［15］等已經(jīng)成功用于多巴胺的測(cè)定。為了進(jìn)一步增強(qiáng)電極的功能化，我們嘗試制備了用超細(xì)Fe3O4復(fù)合的MoS2納米片，將AuNPs通過(guò)電鍍的方式修飾在Fe3O4@MoS2材料表面以提高材料的電導(dǎo)率和電子轉(zhuǎn)移速率。

在本文中，我們通過(guò)在Fe3O4@MoS2修飾的玻碳電極（GCE）表面電沉積AuNPs開(kāi)發(fā)了一種可用于檢測(cè)血清中多巴胺濃度的新型電化學(xué)傳感器，修飾路徑和檢測(cè)機(jī)理見(jiàn)圖1。這種傳感器具有出色的電催化活性和良好的模擬過(guò)氧化物酶特性，其中MoS2納米片與AuNPs產(chǎn)生的協(xié)同作用［16］大幅度提高了材料的電導(dǎo)率和催化性能，有效提高了電極的靈敏度，促進(jìn)了氧化還原過(guò)程，對(duì)多巴胺檢測(cè)具有潛在的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：三氯化鐵（FeCl3·6H2O）、氯化亞鐵（FeCl2·4H2O）、氨 水（NH4·OH）、二 硫 化 鉬（MoS2）、氯金酸（HAuCl4）等均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

儀器：Nano ZS90型粒度儀、JEM-2100 型透射電子顯微鏡、AXIS ULTRA DLD型X-射線光電子能譜儀（射線源為Al ka射線）、CHI660E電化學(xué)工作站、 U-2910 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、H2-16K-II離心機(jī)、電子天平（FA2004B）、FE20酸度計(jì)、真空干燥箱等。

1.2 Fe3O4 NPs的合成方法

以 NH3·H2O、FeCl2·4H2O 和 FeCl3·6H2O 為前體材料，水熱法合成Fe3O4納米粒子［17］。將2.2 g FeCl3·6H2O和1.54 g FeCl2·3H2O加入圓底三口瓶中與200 mL二次水混勻配制成溶液，提高溫度至90 ℃，待所有藥品完全溶解并混合均勻后，緩慢滴加氨水至pH為9.0，繼續(xù)反應(yīng)30 min，靜置冷卻至室溫，合成的Fe3O4NPs先二次水洗滌，8000 r/min下離心5 min后用乙醇洗滌，同樣方法再次離心，產(chǎn)物在80 ℃下干燥24 h。

反應(yīng)用化學(xué)方程式可表示為：

1.3 Fe3O4@MoS2的合成方法

采用一鍋法制備了質(zhì)量比為MoS2∶Fe3O4= 2∶1的Fe3O4@MoS2復(fù)合納米粒子。制備方法： 在60 mL蒸餾水中加入0.2 g MoS2微球和0.1 g Fe3O4NPs，超聲分散0.5 h后將溶液轉(zhuǎn)移至密閉的反應(yīng)釜中，在180 ℃下反應(yīng)12 h。用環(huán)形磁鐵收集沉降Fe3O4，用二次水和乙醇清洗幾次，在60 ℃的烘箱中干燥24 h后保存?zhèn)溆?。使用透射電子顯微鏡（TEM）、 掃描電子顯微鏡（SEM）和X-射線光電子能譜儀（XPS）等儀器對(duì)納米復(fù)合材料進(jìn)行表征。

1.4 構(gòu)建Fe3O4@MoS2-Au/GCE電化學(xué)傳感器

裸電極（GCE）修飾前先用Al2O3粉末拋光，然后用超聲法在純水和乙醇中依次漂洗。取1 mg Fe3O4@MoS2粉末分散在1 mL 二次水中，超聲分散 0.5 h （1.0 mg/mL）；然后準(zhǔn)確移取8.0 μL的分散液滴涂在電極表面，紅外光下干燥，得到 Fe3O4@MoS2/GCE。最后在Fe3O4@MoS2/GCE表面以10 mmol/L的HAuCl4溶液為電解質(zhì)溶液，通過(guò)電鍍法將AuNPs修飾在Fe3O4@MoS2/GCE表面，即得到Fe3O4@MoS2-Au/GCE。所有實(shí)驗(yàn)均在25 ℃下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4@MoS2-Au的形貌結(jié)構(gòu)表征

為了探究改性納米復(fù)合材料的形貌和結(jié)構(gòu)特征，獲取了圖2中（a）—（d）多個(gè)修飾電極的掃描電鏡圖像。圖2（a）顯示，F(xiàn)e3O4NPs呈現(xiàn)直徑約為5 nm～15 nm的不規(guī)則的超細(xì)微粒結(jié)構(gòu)，圖2（b）顯示，所制備的MoS2是由許多納米片堆疊擠壓組成，層與層之間相互重疊，呈現(xiàn)出薄紗狀的卷曲折疊的納米薄片狀，薄片平均直徑約為300 nm。為了更好地了解Fe3O4@MoS2的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步進(jìn)行了TEM表征。圖2（c）顯示的是Fe3O4@MoS2的TEM圖像，能清晰地看到超細(xì)Fe3O4NPs 均勻分散在MoS2納米片的片層中，使得Fe3O4@MoS2的比表面積增高，電子轉(zhuǎn)移更加容易。圖2（d）通過(guò)掃描電鏡對(duì)電沉積AuNPs 后的Fe3O4@MoS2修飾電極進(jìn)行了進(jìn)一步的表征，可以清楚地看到修飾在Fe3O4@MoS2表面的AuNPs，表明成功制備出Fe3O4@MoS2-Au/GCE。圖 2（e）為對(duì)Fe3O4@MoS2材料元素分析的結(jié)果，分析結(jié)果顯示材料中有Mo、S、Fe、O和Au等元素存在，且各元素分布均勻，證實(shí)了Fe3O4@MoS2-Au鍍層的形成。

此外，利用X-射線光電子能譜測(cè)定了Fe3O4@MoS2納米復(fù)合材料的元素組成和化學(xué)狀態(tài)。圖3的全譜掃描中發(fā)現(xiàn)了MoS2（100 eV～ 400 eV）和Fe3O4（700 eV ～ 900 eV）納米粒子的特征峰，證實(shí)了納米復(fù)合材料中MoS2和Fe3O4的存在。為了進(jìn)一步確定Fe3O4@MoS2中各元素的化合價(jià)態(tài)，我們對(duì)Fe，Mo，S三種元素進(jìn)行了高分辨XPS分析，結(jié)果如圖3（b）?（d）。圖3（b）顯示Fe3O4包括Fe2+和Fe3+兩種氧化態(tài)。Fe2+的最低結(jié)合能峰值為711.3 eV，對(duì)應(yīng)峰的結(jié)合能為725.0 eV，F(xiàn)e3+峰的結(jié)合能為714.4 eV，對(duì)應(yīng)峰的結(jié)合能為727.7 eV；圖3（c）顯示S元素的2p1/2和2p3/2軌道，S 2p可以被分解成163.88 eV和162.70 eV處的兩個(gè)峰（圖2（c））；圖3（d）顯示在233.04 eV和229.87 eV處為Mo元素的3d峰，分別對(duì)應(yīng)3d5/2和3d3/2雙重態(tài)，以上各元素峰位置均與文獻(xiàn)報(bào)道一致［18］，證實(shí)了在MoS2納米片中Mo和S的電荷狀態(tài)為Mo4+和S2?。在高結(jié)合能區(qū)和低結(jié)合能區(qū)沒(méi)有額外的金屬M(fèi)o峰，這證實(shí)了剝脫的MoS2納米片的結(jié)構(gòu)類似于金剛石結(jié)構(gòu)的石墨烯。

2.2 Fe3O4@MoS2-Au/GCE的電化學(xué)特性

2.2.1 電化學(xué)性能

電化學(xué)分析如圖4所示，用CV和EIS對(duì)Fe3O4@MoS2-Au/GCE在0.5 mmol/L ［Fe（CN）6］3-/4-（1∶1，摩爾比）和0.1 mol/L KCl存在下的電化學(xué)特征進(jìn)行了表征，與其他電極相比，F(xiàn)e3O4@MoS2-Au/GCE的CV曲線具有更高的峰電流響應(yīng)。從圖4（a）中可以看出，F(xiàn)e3O4@MoS2-Au/GCE的氧化還原峰與Fe3O4@MoS2/GCE和裸電極相比均有明顯的改善，這歸因于Fe3O4@MoS2材料具有更大的表面積以及更高的電子轉(zhuǎn)移速率，導(dǎo)致電流響應(yīng)較大?？紤]到Fe3O4@MoS2-Au/GCE較小的電位差和較大的電流響應(yīng)，這個(gè)電極為氧化還原反應(yīng)的發(fā)生提供了有利條件，且電子轉(zhuǎn)移過(guò)程是快速和可逆的。EIS通常由半圓形部分和線性部分組成，高頻下的半圓形部分是電子轉(zhuǎn)移受限產(chǎn)生的，其直徑大小與電子轉(zhuǎn)移電阻正相關(guān)，反映復(fù)合材料的導(dǎo)電性，低頻線性部分為擴(kuò)散過(guò)程。從奈奎斯特圖（圖4（b））中可以看出，F(xiàn)e3O4@MoS2-Au/GCE具有較低的電阻和較高的電子轉(zhuǎn)移效率，這可以歸因于AuNPs出色的導(dǎo)電性和電子轉(zhuǎn)移能力。

2.2.2 條件優(yōu)化

如圖5（a）所示，研究了pH對(duì)多巴胺檢測(cè)的影響，獲取了Fe3O4@MoS2-Au/GCE在pH值分別為 5.4， 6.4， 7.4， 8.4， 9.4 時(shí)的差分脈沖伏安曲線。在pH值為7.4時(shí)有最大電流和氧化峰電位的最大峰電流；當(dāng)pH值從5.4變化到7.4時(shí)，多巴胺的峰電流值不斷升高；在 pH為7.4時(shí)有最大峰電流；當(dāng) pH值繼續(xù)從7.4變化到9.4時(shí)，多巴胺的峰電流值呈降低趨勢(shì)。因此在接下來(lái)的伏安分析中，選擇pH為7.4的0.1 mol/L的 PBS作為電解質(zhì)溶液。

如圖5（b）所示，為了研究掃描速率對(duì)多巴胺峰電位的影響，獲取了掃描速率在10至100 mV/s 之間時(shí)Fe3O4@MoS2-Au/GCE在pH = 7.4的0.1 mol/L的PBS溶液中的循環(huán)伏安曲線。從表面掃描的結(jié)果可以看出，峰電流與掃描速率呈正相關(guān)， 表明多巴胺在該電極上主要受吸附控制。

2.2.3 差分脈沖伏安法

為了評(píng)估用Fe3O4@MoS2-Au/GCE準(zhǔn)確測(cè)定多巴胺的可行性，本工作使用了比循環(huán)伏安法更加靈敏可靠的差分脈沖伏安法 （DPV） 來(lái)檢測(cè)不同多巴胺濃度下電信號(hào)的變化。電流曲線的峰值在 15 μmol～750 μmol之間呈線性變化。如圖6所示，多巴胺的濃度與峰電流值有正相關(guān)的線性關(guān)系（圖6（a））。以濃度對(duì)電信號(hào)比值作圖，兩個(gè)線性范圍的線性回歸方程分別為 y =0.228 6+0.011 3x（R2=0.991 1）（多巴 胺 濃 度 在 15 μmol/L～ 200 μmol/L），y =1.569 4+0.004 4x（R2=0.991 7）（多巴胺濃度在200 μmol/L～750 μmol/L），該檢測(cè)方法在以上兩個(gè)濃度區(qū)間內(nèi)均表現(xiàn)出可靠的線性關(guān)系，檢出限為8 μmol/L，進(jìn)一步說(shuō)明了該修飾電極用于血清中多巴胺檢測(cè)的應(yīng)用前景。

2.3 修飾電極的重復(fù)性、選擇性和抗干擾性

如圖7（a）所示，通過(guò)掃描同一個(gè)Fe3O4@MoS2-Au/GCE在0 d～12 d內(nèi)在含有0.5 mM多巴胺的0.1 mol/L PBS（pH = 7.4）中的峰值電流的衰減情況評(píng)價(jià)了傳感器的穩(wěn)定性。在7和11 d后，與第一天相比，相應(yīng)的電流響應(yīng)值僅減少了7.9%和13.7%，有理由認(rèn)為該多巴胺傳感器具有較高的穩(wěn)定性。圖7（b）為重復(fù)性試驗(yàn)，相同條件下，在含有0.5 mmol/L多巴胺的0.1 M PBS（pH = 7.4）中制備的4個(gè)Fe3O4@MoS2-Au/GCE的差分脈沖伏安掃描曲線，峰值電流沒(méi)有發(fā)生明顯波動(dòng)，重復(fù)性較好。

如圖8（a），對(duì)幾種血液中常見(jiàn)離子和小分子進(jìn)行了差分脈沖伏安掃描，均無(wú)明顯電化學(xué)信號(hào)，與相同條件下多巴胺的電化學(xué)信號(hào)相比證實(shí)了Fe3O4@MoS2-Au/GCE對(duì)多巴胺具有的選擇性。為了探究修飾電極的抗干擾能力，我們對(duì)幾種血液中常見(jiàn)的小分子的影響進(jìn)行了探究。如圖8（b）， 在以下多巴胺100倍濃度的干擾物質(zhì)中檢測(cè)多巴胺時(shí)沒(méi)有觀察到明顯的干擾： Na+、Ca2+、Mg2+、NO3?、L-谷氨酸和葡萄糖。所制備的傳感器在多巴胺與高濃度干擾物質(zhì)共存的情況下可以選擇性地檢測(cè)多巴胺，確定了Fe3O4@MoS2-Au/GCE的抗干擾能力。以上結(jié)果證明該電化學(xué)傳感器具有良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性、選擇性和抗干擾性，在實(shí)際檢測(cè)中具有潛在的適用前景。

2.4 實(shí)際樣品中DA的檢測(cè)

為了驗(yàn)證上述傳感器的適用性，F(xiàn)e3O4@MoS2-Au/GCE被應(yīng)用于人體血清樣品中多巴胺的含量分析中。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法并分別設(shè)置三種濃度梯度（20， 50和 80μmol/L）考察在實(shí)際樣品中，修飾電極對(duì)多巴胺的檢測(cè)能力。表1詳細(xì)列出了檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于血清樣品，回收率為96.85%～106.57%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1%～2.1%，在與其他復(fù)合材料修飾的多巴胺傳感器相比時(shí)，F(xiàn)e3O4@MoS2-Au/GCE也表現(xiàn)出了更寬的線性范圍和相對(duì)較低的檢出限，因此有理由認(rèn)為使用該方法測(cè)定人血清中的多巴胺是可靠和有效的。

3 結(jié)論

本文采用一鍋法合成了Fe3O4@MoS2復(fù)合納米材料，合成的Fe3O4@MoS2的導(dǎo)電性和催化活性均有不同程度的增強(qiáng)，且與隨后修飾的AuNPs發(fā)生協(xié)同作用，進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度和實(shí)用性，用于構(gòu)建人體血清中多巴胺含量測(cè)定的電化學(xué)傳感器。該復(fù)合材料修飾的電極不僅靈敏度高、選擇性好，在實(shí)際血樣的檢測(cè)中也有令人滿意的表現(xiàn)。為多巴胺的檢測(cè)提供了新方法，具有一定的可靠性和應(yīng)用前景。