基于石墨烯的碳糊電極對多巴胺的測定

莊貞靜， 李建永

(華僑大學(xué)分子藥物研究所， 福建 泉州 362021)

0 前 言

多巴胺(DA)是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)重要的神經(jīng)遞質(zhì)，它在機體內(nèi)的濃度變化與神經(jīng)活動有直接關(guān)系，對其測定方法的研究具有重要意義.由于DA分子內(nèi)含有2個容易被氧化的酚羥基，具有電化學(xué)活性，因此可用電化學(xué)方法對其進行定量檢測.然而，DA在金電極、鉑電極或玻碳電極等裸電極上的過電位高，電極反應(yīng)緩慢、靈敏度低，此外與DA共存的另一種生物物質(zhì)抗壞血酸(AA)的氧化峰電位與DA非常接近，對DA的測定產(chǎn)生干擾.因此，如何在AA存在下選擇性的測定DA成為DA檢測的研究熱點和難點.近年來，使用化學(xué)修飾電極尤其是納米材料修飾電極研究DA的電化學(xué)行為引起了人們的廣泛關(guān)注，如用金納米顆粒[1]、鉑納米顆粒[2]、鈀納米顆粒[3]、碳納米管[4-6]及其復(fù)合材料[7]等對電極進行修飾可有效地分離DA與AA的氧化峰.

碳納米材料的新成員——石墨烯，由于其結(jié)構(gòu)獨特、性能優(yōu)異，具有良好的導(dǎo)電性、較高的比表面、較好的機械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，因此有望作為一種良好的電化學(xué)傳感材料用于傳感器的構(gòu)建[8].目前基于石墨烯修飾電極的電化學(xué)生物傳感平臺已有報道[9-15]，然而用不同方法制備的石墨烯其性能不盡相同，并且用不同方法制備的修飾電極其電化學(xué)響應(yīng)性能也不相同.以廉價的天然石墨為基本原料，通過插層、高溫膨脹以及超聲粉碎處理即可大量制備石墨烯[16]，本文以該種石墨烯為傳感材料，制備了基于石墨烯的碳糊電極，用電化學(xué)方法對該電極進行了表征，研究了DA在該電極上的電化學(xué)行為，并對DA進行了測定.結(jié)果表明，該電極可在AA存在下選擇性測定DA.此外，該電極還具有制備簡單、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可用于實際樣品分析.

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

石墨烯由華僑大學(xué)陳國華教授提供，具體的制備與表征過程見參考文獻[16].石墨粉購自山東青島石墨股份有限公司；多巴胺、抗壞血酸、液體石蠟均購自上海晶純試劑有限公司；磷酸鹽緩沖溶液(PBS)由0.1 mol/L NaH2PO4-Na2HPO4配制，并用NaOH與H3PO4調(diào)節(jié)其pH值.所用試劑均為市售分析純，實驗用水為超純水(18.2 MΩ·cm-1).

1.2 工作電極的制備

基于石墨烯碳糊電極的制備：將液體石蠟和石墨烯按質(zhì)量比1∶3混合，用瑪瑙研缽研磨使其均勻混合，壓入潔凈的塑料管(內(nèi)徑為2.70 mm)中，壓實，另一端插入銅絲作為導(dǎo)線，即制得基于石墨烯的碳糊電極(GPE).為了對比，用石墨粉代替石墨烯，以同樣方法制備碳糊電極(CPE).使用前將電極在稱量紙上拋光.

1.3 分析測試

電化學(xué)實驗是在CHI660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)上進行；電化學(xué)實驗采用三電極系統(tǒng)：以石墨烯或石墨粉制備的碳糊電極為工作電極，鉑絲電極為對電極，Ag/AgCl(3 mol/L KCl)電極為參比電極.

2 結(jié)果與討論

圖1 CPE與GPE在0.05 mol/L K2Fe (CN)6 和0.2 mol/L KCl混合溶液中的循環(huán)伏安圖

2.1 GPE在K2Fe( CN)6 溶液中的電化學(xué)行為

將GPE和CPE置于0.05 mol/L K2Fe (CN)6和0.2 mol/L KCl混合溶液中進行循環(huán)伏安(CV)掃描，結(jié)果如圖1所示.CPE在上述溶液中的CV曲線上(曲線a) 出現(xiàn)了1對氧化還原峰，峰電位差約為480 mV，這是[Fe (CN)6]3-/4-在CPE上的電化學(xué)行為.與CPE相比，GPE在該溶液中的氧化還原峰電流都有明顯增大，且氧化峰電位負移，還原峰電位正移，電位差減小為280 mV(曲線b)，說明石墨烯對K2Fe (CN)6在GPE電極表面上的電子轉(zhuǎn)移起到了明顯的促進作用.因此，本實驗所用石墨烯有望作為一種良好的電化學(xué)材料用于傳感器的構(gòu)建.

2.2 多巴胺的GPE上的電化學(xué)行為

用差示脈沖伏安法(DPV)對比考察了GPE與CPE電極在pH=7的PBS緩沖溶液中對DA、AA和同時含有DA及AA的電化學(xué)響應(yīng)性能，結(jié)果如圖2所示.在CPE電極上(圖2A)，AA和DA都出現(xiàn)一個明顯的氧化峰，兩個氧化峰電位較為接近，分別位于0.25 V和0.18 V附近；當(dāng)溶液中同時存在AA和DA時，AA和DA在該電極上的氧化峰電位相互疊加.對于GPE而言(圖2B)，該電極在含有AA及不含AA的PBS(pH=7)緩沖溶液中的DPV曲線基本重合，而在含有DA的PBS(pH=7)緩沖溶液中在0.21 V處出現(xiàn)了一個明顯的氧化峰，并且該氧化峰的電位及電流強度不受AA的影響.可見，用DPV方法在石墨粉制備的CPE電極上檢測DA將受AA的干擾，而用石墨烯制備的GPE電極在AA存在下對DA具有很好的選擇性響應(yīng)，這可能是由于一方面石墨烯具有較大表面積，可促進分析物質(zhì)與電極表面之間的電子轉(zhuǎn)移過程，另一方面，所用石墨烯表面帶有羥基、羧基等官能團而使得表面帶有負電荷，對DA具有富集作用，可提高DA檢測的靈敏度，而對AA有排斥作用，因此能減小AA的干擾.

圖2 CPE(A)和GPE(B)在各種不同介質(zhì)中的DPV曲線(所用介質(zhì)分別是：pH=7的PBS緩沖溶液(曲線a)以及在該溶液中分別含有1 mmol/L AA (曲線b)、 50 μmol/L DA(曲線c)和同時含有1 mmol/L AA與50 μmol/L DA(曲線d))

圖3 在GPE上的DA氧化峰電位與pH關(guān)系圖

溶液的pH對DA在GPE上的電化學(xué)行為也有較大影響.用DPV方法考察溶液pH的變化對DA在GPE上響應(yīng)性能的變化，結(jié)果如圖3所示.由圖3可看出：隨著pH升高(5.0～9.0)，DA在GPE上的氧化峰電位負移，呈線性關(guān)系，其線形回歸方程為y(V)=0.644 7-0.065 2pH，相關(guān)系數(shù)為0.999 7.方程的斜率接近理論的能斯特斜率，說明DA在GPE電極上的氧化還原是等電子等質(zhì)子過程，與文獻報道一致[17].為保持與人體內(nèi)接近的pH環(huán)境，以下實驗介質(zhì)均取pH=7的PBS為緩沖溶液.

2.3 線性范圍和檢出限

圖4 含有1 mmol/L AA的PBS(pH=7)緩沖溶液中不同濃度的DA在GPE上的DPV圖(a.0 μmol/L DA；b.3 μmol/L DA；c.10 μmol/L DA; d.20 μmol/L DA; e.30 μmol/L DA; f.50 μmol/L DA; g.70 μmol/L DA; h.100 μmol/L DA.插入圖為峰高與DA濃度的線性關(guān)系圖)

圖4是在含有1 mmol/L AA的PBS(pH=7)緩沖溶液中，不同濃度的DA在GPE上的DPV圖.由圖4可看出，隨著DA濃度的增加，相應(yīng)的氧化峰電流明顯增大，在3 μmol/L到50 μmol/L范圍內(nèi)，DA濃度與氧化峰峰高呈良好的線性關(guān)系(見圖4的插入圖)，對應(yīng)線性方程為y(μA)=-0.805 7-0.748 8c(μmol/L)，r=0.998 4，檢出限為0.8 μmol/L (S/N=3).

2.4 重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

用PEG電極連續(xù)平行測定含有0.05 DA的PBS溶液，測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.23%，該電極放置一個星期后(每天檢測一次)，對相同濃度的DA的響應(yīng)下降5.87%，表明所制備的PEG電極對DA的響應(yīng)具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性.

2.5 樣品分析

取10 μL鹽酸多巴胺注射液樣品，加入20 mL PBS(pH=7)緩沖溶液中，用PEG對樣品中的DA含量進行測定(n=5)，測定結(jié)果為10.2 g/L，與標(biāo)準(zhǔn)值(10 g/L)相符，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.87%.

3 結(jié)束語

用石墨烯制備了碳糊電極，首先考察了該電極在含有KCl的K2Fe (CN)6溶液中的電化學(xué)性能，結(jié)果表明石墨烯對K2Fe(CN)6在GPE電極表面上的電子轉(zhuǎn)移起到了明顯的促進作用.其次，考察了該電極對多巴胺的響應(yīng)性能，結(jié)果表明該電極對多巴胺的響應(yīng)具有良好的選擇性，可在抗壞血酸存在下定量測定多巴胺，并具有良好的靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性.該電極可用于實際樣品分析，結(jié)果令人滿意.

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