納米金膠修飾碳糊電極的制備及對多巴胺的電催化氧化

魯芬芬,喻玖宏

(武漢工業(yè)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢 430023)

多巴胺(DA)是一種存在于哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的重要神經(jīng)遞質(zhì)[1-3],具有很強(qiáng)的電活性,很多重要的生理活動均有它的參與,同時它在吸毒、吸煙產(chǎn)生的成癮性反應(yīng)中起著較為重要的作用。很多疾病的產(chǎn)生與多巴胺也有著密切的關(guān)系,如精神分裂癥和帕金森氏病。因此,多巴胺的測定是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域研究的一個重要熱點(diǎn)。就目前而言,測定DA的方法主要有電化學(xué)法[4]、高效液相色譜法[5-6]、分光光度法[7]、化學(xué)發(fā)光法[8]等。其中 ,利用電化學(xué)法測定通常采用的途徑是固體電極測定神經(jīng)遞質(zhì),該途徑存在電子的傳遞速率較慢、過電位高、測定靈敏度不太高等缺點(diǎn)。人們采用了多種方法來克服這些不足,一些有機(jī)硫化物可在金電極上形成穩(wěn)定、致密和有序的單分子層膜,并實現(xiàn)電極界面的分子設(shè)計,以降低電極的過電位,增強(qiáng)選擇性,提高靈敏度。

金膠又叫納米金溶液,粒徑大小約為 10—12 nm。和其它許多納米材料一樣,金膠具有一些特殊性質(zhì),如較高的催化活性、界面交互性,此外金膠是均勻的中性溶液,成分單一,而且性質(zhì)十分穩(wěn)定,不易受外部環(huán)境的影響。同時金膠還具有非常好的生物相容性,這些特性使得金膠在催化、生物醫(yī)學(xué)、光電器件等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在修飾電極方面,納米金可以增加電極表面積并且加快電子傳遞的速度[9]。已有報道將納米金自組裝到基底電極表面[10-11],用于測定多巴胺;張宏等用電沉積的方式制備了納米金修飾玻碳電極[12],成功地用于研究多巴胺電化學(xué)行為;賀艷斌利用納米金 /氰霉氨修飾金電極,實現(xiàn)了對多巴胺的檢測[13],獲得了較好的結(jié)果。

用金膠作為電極的修飾劑雖然已有較多報道,但是這些報道都集中在玻碳或金為基底的固體電極表面。這樣的修飾電極制作過程較為繁瑣,而且電極表面不能更新,需要時只能重新制作。本文將制備的金膠同碳粉按一定比例混合,填入塑料管中,一端以導(dǎo)線引出制成碳糊電極。這種碳糊修飾電極不僅制作過程簡便,而且成本低,表面可以通過拋光的方式加以更新,使修飾電極得以反復(fù)使用[14-15]。碳糊中的金膠能夠保持自身的性質(zhì),對多巴胺的氧化顯示出很好的催化作用。在此基礎(chǔ)上制成的多巴胺生物傳感器對多巴胺具有很好的電化學(xué)響應(yīng),能夠成功的應(yīng)用于低含量多巴胺的檢測。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

多巴胺 (DA)和液體石蠟分別購自 Amresco公司和天津大學(xué)化學(xué)試劑廠;石墨粉為光譜純;檸檬酸鈉、四氯合金酸、濃硝酸、濃鹽酸均為分析純。B-R緩沖溶液由 100 mL0.04mol/L三酸 (磷酸、乙酸、硼酸)混合液,加入一定體積的 0.2mol/L氫氧化鈉配制。實驗用水均為三重石英蒸餾水。

所有的電化學(xué)測量均在 CH I 600C電化學(xué)工作站 (上海辰華儀器公司)上完成,實驗中采用三電極體系,修飾電極為工作電極,鉑絲作對電極,Ag/AgCl(飽和 KCl溶液)電極用作參比電極。除特別說明外,所有測試的底液均為室溫下 0.040 mol/L PH為 6.37的 B-R緩沖溶液。

1.2 膠體金的制備

參照文獻(xiàn)[16-17],按體積比為 1∶3將濃硝酸和濃鹽酸混合配制成王水,玻璃儀器經(jīng)王水浸泡后,用蒸餾水洗凈。取 25mL 0.01%氯金酸水溶液,注入三口燒瓶中加熱煮沸,劇烈攪拌下,迅速加入適量檸檬酸鈉,待溶液顏色不發(fā)生變化,再回流 15min。停止加熱和攪拌后冷卻至室溫,即得膠體金溶液,并于 4℃下保存。

1.3 電極制備

據(jù)文獻(xiàn)[18-20]將 20μL膠體金 (Au)溶液與 50mg石墨粉混合均勻,待水分蒸發(fā)后加入 15μL液體石蠟,混合均勻即得內(nèi)含膠體金的碳糊混合物;將所得碳糊混合物填入內(nèi)徑為 4mm的塑料管中,一端用銅絲引出,另一端拋光成鏡面,制成膠體金修飾的碳糊電極 (Au/CPE)?？瞻滋己姌O (CPE)的制備方法與 Au/CPE相同,只是在制備過程中不加納米金膠。所有制得的碳糊電極均在 4℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 CPE和 Au/CPE的循環(huán)伏安行為

圖1 CPE在 0.04mol/L pH6.37的 B-R緩沖溶液中的 CV曲線

如圖1所示,在 0.04 mol/L pH 6.37 B-R緩沖溶液中在掃速 0.05V/s下,0.15—0.75 V電位區(qū)間進(jìn)行循環(huán)伏安 (CV)掃描時,CPE的 CV圖 (圖1a)上未出現(xiàn)氧化還原峰,只反映出很低的背景電流,說明在此電位范圍內(nèi),CPE不存在電化學(xué)活性。Au/CPE(圖1b)對 B-R空白緩沖溶液的電流電位明顯比CPE要有所增加。由此可以證明,金膠有利于電子的傳遞。在 B-R空白緩沖溶液中分別加入 0μM(b),0.01μmol/L(c),0.02μmol/L(d),0.03μmol/L(e)多巴胺 (DA),隨著多巴胺濃度的增加,Au/CPE修飾電極的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線 (圖1c,d,e)在0.48 V處的氧化峰依次不斷增加。這充分表明,金膠可以使電子的傳遞變得更加容易,加快了電子移動速率,從而使多巴胺在修飾電極上更容易被催化氧化。

2.2 pH對電化學(xué)行為的影響

圖2為 pH分別為 3.29,4.35,5.33,6.37,7.00,7.96,8.95,9.91,10.88,11.82的0.04 mol/L B-R緩沖溶液值與氧化還原峰電流 (IP)關(guān)系曲線。實驗結(jié)果表明,pH對電極反應(yīng)有一定的影響?？偟膩碚f,在 pH 4—7間的峰電流最大,為實驗的最佳范圍,多巴胺在酸性的緩沖溶液中有較好的氧化行為,在堿性環(huán)境中其氧化還原作用將逐漸的減小。當(dāng)pH 7.96—11.82強(qiáng)堿下,氧化峰電流明顯降低,可能由于溶液的強(qiáng)堿性會影響DA的活性大小,從而影響Au/CPE對DA的催化氧化過程。所以我們應(yīng)該選用pH值為 4—7間的電解質(zhì)溶液作為緩沖溶液。

圖2 pH對 Au/CPE在 0.04mol/LB-R緩沖溶液的氧化還原峰電流的影響 (掃速 0.05V/s)

2.3 掃描速度的影響

Au/CPE在 0.04 mol/L pH 6.37的 B-R緩沖液中,分別以 0.01V/s,0.02V/s,0.05V/s,0.10V/s,0.15V/s,0.20V/s,0.25V/s,0.30V/s不同掃描速率 (v)下進(jìn)行循環(huán)伏安掃描 (如圖3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著 v的增加,峰電流依次逐漸增大,DA的氧化還原峰電流與掃描速率的大小呈良好線性關(guān)系。線性相關(guān)系數(shù) (R)為 0.99112,因此該電化學(xué)反應(yīng)是一表面控制過程或者薄膜電化學(xué)行為。

圖3 掃描速度和峰電流的關(guān)系

2.4 多巴胺濃度對實驗的影響

依次向 0.04 mol/L pH 6.37靜止的 B-R緩沖溶液中添加 DA,并對 Au/CPE進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,可知隨著 DA濃度 (C)的增加,陽極氧化峰電流(IPa)逐漸增大。由多巴胺濃度與氧化峰電流的關(guān)系 (如圖4)可知,催化氧化峰電流與 DA濃度在 6.0×10-8—2.6×10-7mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)為 0.9121。較寬的 DA濃度范圍內(nèi)金膠修飾電極對其有良好的電催化效果,可準(zhǔn)確測定較低濃度范圍的多巴胺。

圖4 多巴胺濃度與氧化峰電流的關(guān)系

2.5 催化機(jī)理的探討

多巴胺的催化作用可能是由于碳糊電極中含有納米金微粒。其中的金微粒能與酚羥基的氫形成氫鍵,從而使羥基活化,削弱 H—O鍵的鍵能。電子通過 Au…H—O鍵傳遞。當(dāng) pH較低時,溶液中的 H+濃度過大,Au上的電子與—OH上的 H較難形成氫鍵,使得電子在 Au…H—O鍵中很容易就能傳遞。而當(dāng) pH值大于 7.0時溶液中的 H+濃度的減少使得Au表面的電子傳遞介質(zhì)減少,使得電子的傳遞也因此而減少,因而沒有削弱 H—O鍵,使得電子的傳遞受阻,導(dǎo)致氧化峰的減小,甚至消失。

3 結(jié)論

納米金膠是一種制備方法相對簡便的納米顆粒,具有很好的催化活性和生物兼容性,是制備生物傳感器的理想納米材料。將金膠與碳粉混合制成碳糊修飾電極,能夠有效地保持金膠本身的物理化學(xué)特性。這種金膠碳糊生物傳感器對多巴胺具有良好的電化學(xué)響應(yīng),靈敏度高、穩(wěn)定性好、表面易于更新且重現(xiàn)性好,能成功應(yīng)用于低濃度多巴胺的檢測。

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