羧基-β-環(huán)糊精–磁性石墨烯修飾電極對多巴胺的電化學(xué)行為研究

蘇建芝

(北京中醫(yī)藥大學(xué)東方學(xué)院，河北廊坊 065000)

羅學(xué)輝

(中國人民武裝警察部隊武警黃金地質(zhì)研究所，河北廊坊 065000)

李芳青，毛燕妮，劉君生

(東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西撫州 344000)

羧基-β-環(huán)糊精–磁性石墨烯修飾電極對多巴胺的電化學(xué)行為研究

蘇建芝

(北京中醫(yī)藥大學(xué)東方學(xué)院，河北廊坊 065000)

羅學(xué)輝

(中國人民武裝警察部隊武警黃金地質(zhì)研究所，河北廊坊 065000)

李芳青，毛燕妮，劉君生

(東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西撫州 344000)

制備了羧基-β-環(huán)糊精與磁性石墨烯混合溶液，采用滴涂法對玻碳電極進(jìn)行修飾，然后對多巴胺進(jìn)行電化學(xué)測定。在pH 6.0的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，掃描速率為0.10 V／s時，修飾后的復(fù)合膜電極的氧化還原峰電流變化值與多巴胺的濃度在1.5×10-5～5.0×10-3mol／L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為ipa=–0.115 8c-3.425 7×10–6，r2=0.991 5。該電極對多巴胺具有良好的電催化作用和較高的電子傳遞速率，采用加標(biāo)回收法測定多巴胺模擬樣品，回收率為98.3%～103.2%，檢出限為5.7×10-7mol／L。

羧基-β-環(huán)糊精；石墨烯；多巴胺；電化學(xué)

石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性；此外，石墨烯還表現(xiàn)出異常的整數(shù)量子霍爾行為等特性。因此石墨烯在電子器件、高頻電路、傳感器及生物技術(shù)等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-4］。

β-環(huán)糊精(簡稱β-CD)是由直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的環(huán)狀低聚糖，含有7個D-吡喃葡萄糖單元。該分子內(nèi)腔疏水，外腔親水，具有一定的包絡(luò)性能，可以作為主體分子與其它分子形成主客體包絡(luò)物，因而β-CD在食品、醫(yī)藥、化工等方面得到廣泛的應(yīng)用［5-7］。

多巴胺(簡稱DA)是大腦內(nèi)分泌的一種名為4-(2-乙胺基)-1，2-二苯酚神經(jīng)遞質(zhì)，是體內(nèi)合成去甲腎上腺素的前體，具有β受體激動作用，也有一定的α受體激動作用。它對于治療各種類型休克、腎功能不全、心排出量降低、周圍血管阻力較低并且已補(bǔ)足血容量的病人具有重要意義［8］。

筆者利用合成的羧基-β-環(huán)糊精(β-CD-COOH)和磁性石墨烯（MGNs）的混合液對玻碳電極進(jìn)行修飾制得復(fù)合膜修飾電極。通過研究該修飾電極對DA的電化學(xué)響應(yīng)，探討在最佳條件下，建立一種新型化學(xué)生物電極測定生物分子的方法。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要儀器與試劑

電化學(xué)工作站：CHI660D型，上海辰華儀器公司；

三電極體系：玻碳電極(GCE)作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑片電極為輔助電極；

數(shù)字式酸度計：PB-10型，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；

β-環(huán)糊精：化學(xué)純，使用前經(jīng)二次提純；

高純石墨：色譜純；

對甲基苯磺酸酸酐、DA、氯化鐵：分析純；

磷酸鹽(PBS)緩沖溶液：現(xiàn)用現(xiàn)配；

其它試劑均為分析純；

實(shí)驗用水為二次蒸餾水。

1.2 MGNs的制備

在文獻(xiàn)［9-10］方法基礎(chǔ)上做部分改進(jìn)，制備了磁性氧化石墨烯(GO)。具體合成方法如下：

在冰水浴下，將1 g石墨粉、0.5 g NaNO3加入到裝有23 mL濃H2SO4的燒杯中，攪拌反應(yīng)30 min，逐滴加入3 g KMnO4，至其完全溶解。然后將水浴溫度緩慢升高至30℃后，反應(yīng)30 min，再緩慢加入50 mL水，攪拌，并逐漸升溫至98℃，加入3.5 mL H2O2和16.5 mL水，反應(yīng)15 min后，將反應(yīng)混合物離心分離，最后分別用3%HCl溶液和水洗滌沉淀，真空干燥，得GO產(chǎn)品。隨后取100 mg GO溶于50 mL乙二醇，超聲60 min剝離，得分散液，加入0.5 g FeCl3·6H2O，攪拌 2 h，加入 3.6 g NaAc，1.0 g 聚乙二醇，攪拌30 min，再將反應(yīng)釜加熱到200℃，反應(yīng)16 h，所得黑色物質(zhì)用乙醇洗滌，并于50℃下真空干燥12 h，得MGNs產(chǎn)物。

將得到的MGNs利用超聲混合均勻于水中得到MGNs溶液，以預(yù)處理后的GCE為基體電極，滴加15 μL MGNs溶液，于紅外燈下干燥，待用。

1.3 β-CD-COOH 的合成

β-CD-COOH 的合成步驟如下［11-12］：

將11.53 gβ-CD（0.01 mol）加入到含有2 mL 1 mol／L HNO3溶液 和 20 mL H2O2溶液的混合溶液（1∶1）中，加熱回流10 h至溶液由乳白色變?yōu)橥该?。冷卻后，反應(yīng)混合物依次以丙酮和無水乙醇洗滌數(shù)次以除去水，然后在減壓條件下移除溶劑，濃縮產(chǎn)物在60℃下真空干燥12 h。取干燥后的產(chǎn)物（0.05 mol）溶解于少量N，N-二甲基甲酰胺中，再加入用吡啶和等量KOH 溶解的甘氨酸（0.15 mol）混合溶液，將混合物溶液升溫至70～80℃。攪拌反應(yīng)約7～8 h至溶液呈黃色，過濾除去未反應(yīng)的原料，再往濾液中加入0.15 mol硼氫化鈉，調(diào)節(jié)溶液至pH 3～4，加入大量丙酮，生成沉淀，抽濾，用丙酮和乙醇多次洗滌，干燥后得目標(biāo)產(chǎn)物。

1.4 β-CD-COOH-MGNs修飾電極的制備

將玻碳電極(GCE)進(jìn)行預(yù)處理，具體步驟如下：先用金相砂紙打磨電極表面，再用氧化鋁粉漿拋光處理，在超聲波清洗器中依次用6 mol／L HNO3溶液、乙醇、二次水超聲5 min，即得到處理好的玻碳電極。然后將MGNs與β-CD-COOH進(jìn)行超聲混合均勻，將預(yù)處理后的玻碳電極作為基體電極，滴加15 μLβ-CD-COOH–MGNs溶液進(jìn)行修飾，最后在紅外燈下干燥，待用。

1.5 多巴胺的測定

在不同電化學(xué)條件下用循環(huán)伏安法測定β-CDCOOH-MGNs修飾電極對DA的電催化能力，探討電極表面的變化規(guī)律，選擇最佳測定條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電極對測定DA的影響

為了便于比較并說明問題，筆者采用類似方法，分別利用MGNs和β-CD-COOH滴涂在預(yù)處理后的玻碳電極表面，得到相應(yīng)的MGNs修飾電極和β-CD-COOH修飾電極。

在0.1 V／s的掃描速率下，將兩個修飾電極分別與裸電極、β-CD-COOH-MGNs修飾電極在相同條件下測定1×10-4mol／L DA的循環(huán)伏安曲線，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，與裸電極、β-CD-COOH修飾電極及MGNs修飾電極相比，DA在β-CD-COOH-MGNs修飾電極表面的氧化–還原峰電流值變化最大，可能是因為該電極復(fù)合膜中的β-CD-COOH所含有的羧基吸電子基團(tuán)和磁性片層石墨烯具有協(xié)同導(dǎo)電作用，加速促進(jìn)DA在電極表面的電子傳遞速率，提高了電極表面對DA的電催化作用，增大了對DA的電流響應(yīng)。因此實(shí)驗探討采用β-CD-COOH–MGNs復(fù)合膜修飾電極對DA進(jìn)行電化學(xué)測定。

圖1 DA在不同修飾電極上的循環(huán)伏安曲線

2.2 溶液酸度對測定DA的影響

用pH值分別為 2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0 的PBS緩沖溶液作溶劑，依次配制不同酸度、濃度為 1.0×10-4mol／L的 DA溶液，然后利用β-CDCOOH-MGNs修飾電極通過循環(huán)伏安法測定不同DA溶液的氧化峰電流。測定結(jié)果表明，電極對DA的響應(yīng)電流隨pH值的增大而增大，尤其在pH 6.0時，DA的循環(huán)伏安曲線最佳，所以選擇pH 6.0為宜。

2.3 不同掃描速率對測定DA的影響

通過改變掃描速率測定DA，觀察不同掃描速率對β-CD-COOH-MGNs修飾電極表面電流變化的影響。在酸度為pH 6.0的1.0×10-4mol／L DA溶液中，當(dāng)掃描速率分別為 0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3 V／s時，DA在β-CD-COOH-MGNs修飾電極上的循環(huán)伏安曲線如圖2所示。

圖2 在不同掃描速率上的DA循環(huán)伏安曲線

由圖 2可知，在 0.02～0.10 V／s范圍內(nèi)，隨著掃描速率的增大，DA的氧化峰電流ipa和還原峰電流ipc的變化值的比值也增大，而且氧化峰電流與掃描速率的平方根呈線性關(guān)系，線性方程為，相關(guān)系數(shù)r=0.993 1，說明DA在該修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)受擴(kuò)散電流控制［13］。這主要因為β-CD-COOH中的羧基吸電子基團(tuán)與MGNs的協(xié)同作用使玻碳電極具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性能，導(dǎo)電率提高，進(jìn)而促進(jìn)了DA氧化還原反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移。此外，由圖2可以看出，峰電流隨掃描速率增大而增大，其中在0.10 V／s時峰電流較大且峰形較好。為避免掃描速率過高導(dǎo)致充電電流過大而對測定結(jié)果造成影響和信噪比降低，實(shí)驗選擇掃描速率為0.10 V／s。

2.4 線性范圍和檢出限

用pH 6.0的PBS緩沖溶液作溶劑，配制濃度分別為 1×10-3，5×10-4，1×10-4，5×10-5，1×10-5，5×10-6，1×10-6，5×10-7，1×10-7mol／L的DA 溶液。在0.1 V／s的掃描速率下，用β-CD-COOH-MGNs修飾電極通過線性掃描伏安法(LSV)測定不同濃度的DA溶液，探討DA溶液的濃度與氧化峰電流的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，DA氧化峰與其濃度在1.5×10-5～5.0×10-3mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為ipa=-0.115 8c-3.425 7×10-6，r2=0.991 5，檢出限為5.7×10-7mol／L。由圖3可知，峰電流隨DA濃度的增加而增大，因此其可以作為DA濃度定量的依據(jù)。

圖3 不同濃度DA的線性掃描伏安曲線

2.5 干擾試驗

在最佳實(shí)驗條件下，固定DA 的濃度為1×10-4mol／L，利用β-CD-COOH-MGNs修飾電極考查一些常見物質(zhì)對DA電化學(xué)檢測的干擾情況，結(jié)果表明，150 倍的 K+，Na+，Cl-，NO3-，Ac-，PO43-；60 倍的葡萄糖、維生素E、草酸、乳酸、苯酚、精氨酸、谷氨酸、檸檬酸；30倍的尿酸對DA測定無干擾，表明修飾電極對DA 有較好的選擇性。

2.6 加標(biāo)回收試驗

配制不同濃度的DA模擬樣品溶液，采用加標(biāo)回收法分別往其中加入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)DA溶液并進(jìn)行測定，測得數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，DA的加標(biāo)回收率為98.3%～103.2%。

表1 DA的加標(biāo)回收率

3 結(jié)語

復(fù)合物膜中羧基官能團(tuán)與磁性石墨烯的協(xié)同作用，使β-CD-COOH-MGNs修飾電極能夠有效提高DA在電極表面的電子傳遞速率，對DA具有良好的電催化作用，電極響應(yīng)靈敏度高、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性高，有望用于疾病診斷研究及藥物的質(zhì)量控制。

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Electrochemical Behaviors of Dopamine via Carboxyl-β-Cyclodextrin-Magnetic Graphene Modified Electrode

Su Jianzhi
(Beijing University of Chinese Medicine Dongfang College， Langfang 065000， China)

Luo Xuehui
(Gold Geological Institute of CAPF， Langfang 065000， China)

Li Fangqing， Mao Yanni， Liu Junsheng
(School of Chemistry， Biology and Materials Science， East China Institute of Technology， Fuzhou 344000， China)

Carboxylβ-cyclodextrins–magnetic graphene composite materials were prepared and used to modify bare glass carbon electrode by drop-coating method，and dopamine(DA) was determined utilizing the modified electrode via cyclic voltammetry. The volt-ampere characteristics of modified electrode had good liner relationship, the change value of peak current curves was proportional to the concentration of DA in phosphate buffer(pH 6.0) in the range of 1.5×10-5-5.0×10-3mol／L as scaning rate was 0.10 V／s. The linear regression equation wasipa=-0.115 8c-3.425 7×10-6,r2=0.991 5. The modified electrode had better electronic transmission rate and faster electrocatalystic properties, the simulation samples were determined via the recovery method, the recovery was 98.3%-103.2%, and the detection limit was 5.7×10-7mol／L.

carboxyl-β-cyclodextrin; graphene; dopamine; electrochemistry

O657.15

A

1008–6145(2012)05–0058–04

doi ：10.3969／j.issn.1008–6145.2012.05.018

聯(lián)系人：羅學(xué)輝；E-mail: lsl9760811@sohu.com

2012-07-09