苝酐-納米金修飾電極同時檢測抗壞血酸、多巴胺和尿酸的研究

歸國風(fēng)，宋 鵬，孫小媛

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700)

0 引言

生物活性小分子物質(zhì)在哺乳動物及人類體內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。不同的活性小分子物質(zhì)在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達調(diào)控和生物學(xué)效應(yīng)上形成復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著調(diào)節(jié)機體穩(wěn)態(tài)的重要使命。目前，在電化學(xué)領(lǐng)域研究比較多的生物活性小分子物質(zhì)主要有H2O2[1]，多巴胺（DA）[2]，抗壞血酸（AA）[3]，尿酸（UA）[4]等。其中DA 是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)[5]，UA 是人體最基礎(chǔ)的代謝產(chǎn)物[6]，AA 是維持人體健康必需的維生素[7]，三者作為生物活性小分子同時存在于體液當(dāng)中，其含量對于人體的健康有著極大的影響。在實際樣品的檢測中，DA，AA 和UA 三種物質(zhì)在裸電極上的出峰位置比較接近，很難分離，相互干擾嚴重[8]。因此，實現(xiàn)多組分DA，AA 和UA 的同時檢測具有重要的意義。

納米材料具有比表面積大、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強、表面活性高等特點，被廣泛應(yīng)用于生物傳感器的研究。金納米顆粒就是納米材料中的一員，具有良好的催化特性，吸附特性，光學(xué)特性，熱學(xué)特性等[9]。該文利用具有多孔結(jié)構(gòu)的3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）為骨架，固載納米金制備得到具有高催化活性的PTC-GNPs 納米復(fù)合物，用于修飾玻碳電極。用循環(huán)伏安法（CV）和脈沖伏安法（DPV）研究了該修飾電極對多巴胺、尿酸、抗壞血酸的電化學(xué)行為。

1 實驗部分

1.1 試驗儀器與試劑

CHI 660C 電化學(xué)工作站 （上海辰華儀器公司）；AB204-S 電子天平 （瑞士Mettler&Toledo 公司）；BRANSONIC200超聲清洗儀（德國BRANSON ULTRASCHALL 公司）；3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTCDA,98%)購于遼寧連港燃料化學(xué)工業(yè)品公司。氯金酸(HAuCl4) 購于Sigma 化學(xué)公司(St.Louis,MO,USA)；多巴胺、抗壞血酸及尿酸購于北京化工廠。磷酸鹽緩沖溶液 （PBS）由K2HPO4-KH2PO4配制，支持電解質(zhì)為0.1 mol/L KCl。其他試劑均為分析純試劑，實驗用水為二次蒸餾水。實驗中采用三電極系統(tǒng)：修飾玻碳電極為工作電極( φ=4 mm)，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對電極；JBZ-14型磁力攪拌器（上海康儀儀器有限公司）。實驗中所用水為蒸餾水。所有的化學(xué)藥品為分析純且使用時無需進一步純化。

1.2 PTCGNPs 復(fù)合物的制備

1.0 g PTCDA 溶解在10 mL 0.5 mol/L NaOH中，然后逐滴加入1.0 mol/L 的HCl 至沉淀完全，隨后離心分離,并用大量的蒸餾水洗滌除去過量的試劑，得到處理后的苝四甲酸(PTCA)；最后將所得PTCA 再次分散于蒸餾水中制得懸濁液備用。

取5 mL 上述PTCA 懸濁液超聲分散5 min，然后加入0.5 mL HAuCl4(ω=1.0%)，在室溫下強力攪拌10 min 使其充分混合。后在不斷攪拌下于混合液中逐滴加入1.25 mL 0.1 mol/L 抗壞血酸溶液作為HAuCl4的還原劑來制備納米金(GNPs)。繼續(xù)攪拌2 h 之后,納米金原位還原在PTCA 表面制得納米金修飾的PTCA 復(fù)合材料 (PTCAGNPs)。將該復(fù)合材料離心洗滌后分散于蒸餾水中，儲存于4℃下備用。

1.3 傳感器的制備

首先，裸的玻碳電極 （GCE） 分別用0.3 和0.05 μm 的氧化鋁粉末拋光后，再依次用蒸餾水、乙醇、蒸餾水中超聲洗滌，清洗后的電極置于室溫下晾干備用。取10 mL 制備好的PTC-GNPs溶液滴于電極表面，在室溫下晾干后就制得目標傳感器（PTC-GNPs/GCE）。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同的修飾電極的電化學(xué)行為

為了展示修飾的電極可以同時檢測這三種物質(zhì)。裸電極與PTC-GNPs/GCE 目標電極分別被用來在0.1 mol/L PBS(pH5.0) 含有AA(1.6 mol/L),DA(0.2 mol/L) 和UA(0.4 mol/L) 的溶液中進行循環(huán)伏安響應(yīng)。由圖1可以看出，工作電極為裸的玻碳電極時，只有兩個弱且寬的氧化峰在300 mV 和420 mV 出現(xiàn)（曲線a），其中DA 和UA 的氧化峰重疊在一起，沒能分開，這表明裸的玻碳電極不能對這三種物質(zhì)進行同時檢測。而在同樣的條件下，用PTC-GNPs/GCE 目標電極作為工作電極進行循環(huán)伏安表征時，分別在100，250 和410 mV 處出現(xiàn)三個明顯的氧化峰（曲線b），說明三種物質(zhì)的氧化峰的出峰位置能夠很好的分離開來。實驗結(jié)果表明，目標電極能夠?qū)崿F(xiàn)AA、DA和UA 三種物質(zhì)的同時檢測。

圖1 裸電極（a）和PTC-GNPs 修飾電極（b）Fig.1 Cyclic voltammetry of bare electrode(a)and PTCGNPs modified electrode(b)in 0.1 mol/L PBS buffer solution(pH=5.0)containing 1.6 mol/L AA,0.2 mol/L DA and 0.4 mol/L UA.Scan rate:100 mV/s

2.2 pH 的影響

由于質(zhì)子參與AA、DA 和UA 的電極反應(yīng)過程，測試溶液的pH 會影響修飾電極對目標物的信號響應(yīng)。為了能夠使AA、DA 和UA 這三種物質(zhì)在進行檢測時的信號響應(yīng)能更好的分離開，該文研究了pH 對PTC-GNPs/GCE 影響。根據(jù)圖2可知，在沒有目標物的空白PBS 緩沖溶液中測試，沒有出現(xiàn)任何氧化還原峰（曲線a）。加入目標物AA、DA 和UA，在pH為3、4、5時，均出現(xiàn)了3個信號峰，其中在pH=5時，電流信號較大，且3個峰的出峰電位能夠明顯的分開；但pH 增大到6 和7時，只有1個氧化峰比較大，其他的2個都很弱。故在后面的實驗中選擇用pH = 5.0 PBS(0.1 mol/L) 的緩沖溶液作為測試液。

圖2 pH 對PTC-GNPs 修飾電極的影響Fig.2 Effect of pH on PTC-GNPs modified electrode.Test solution:(a)pH=5,0.1 mol/L PBS;(b～f)the pH values were 3,4,5,6 and 7,0.1 mol/L PBS containing 1.6 mol/L AA,0.2 mol/L DA and 0.4 mol/L UA.Scan rate:100 mV/s

2.3 循環(huán)伏安法同時測定AA、DA 和UA

循環(huán)伏安法（CV）一種常用的電化學(xué)研究方法?？捎糜陔姌O反應(yīng)的性質(zhì)、機理和電極過程動力學(xué)參數(shù)的研究。為了研究修飾電極對不同濃度AA、DA 和UA 的電流響應(yīng)情況，該文課題組用循環(huán)伏安法測試了在含不同濃度AA、DA 和UA的測試液中修飾電極的響應(yīng)特性。如圖3所示，修飾的電極可以將AA、DA 和UA 明顯分開，且隨著各組分濃度的增加，其相對應(yīng)的峰電流也呈現(xiàn)一種增加的趨勢。實驗結(jié)果說明PTC-GNPs/GCE 對AA、DA 和UA 能夠起到很好的分離檢測效果。

圖3 PTC-GNPs 修飾電極在不同濃度的AA、DA 和UA 的循環(huán)伏安檢測Fig.3 CV of PTC-GNPs modified electrode.(a)：0.04 mol/L AA、0.002 mol/L DA and 0.002 mol/L UA，(b)：0.09 mol/L AA、0.012 mol/L DA and 0.012 mol/L UA，(c)：0.14 mol/L AA、0.032 mol/L DA and 0.062 mol/L UA，(d)：0.24 mol/L AA、0.052 mol/L DA and 0.162 mol/L UA，(e)：0.34 mol/L AA、0.102 mol/L DA and 0.262 mol/L UA，(f)：0.44 mol/L AA、0.202 mol/L DA and 0.362 mol/L UA，(g)：0.54 mol/L AA、0.402 mol/L DA and 0.462 mol /L UA，(h)：0.74 mol/L AA、0.602 mol/L DA and 0.662 mol/L UA，(i)：0.94 mol/L AA、0.802 mol/L DA and 0.862 mol/L UA。Text solution:0.1 mol/L PBS(pH=5).Scan rate:100 mV/s

2.4 微分脈沖伏安法（DPV） 同時測定AA、DA和UA

微分脈沖伏安法（DPV） 是一個更敏感的技術(shù)，已被廣泛用于電化學(xué)檢測。如圖4所示，DPV是記錄陽極峰電極電流來驗證同時測定AA，DA和UA 可行性的傳感器。如圖4A所示，在不同濃度的AA 在DA 和UA 下測試了修飾電極的DPV信號，隨著不同濃度的AA、DA 和UA 分別加入，三個陽極峰電流隨著加入的AA、DA 和UA 的濃度的增加而增加，且峰值電流與AA、DA 和UA的濃度成線性關(guān)系。圖4B顯示的峰電流對AA的濃度成線性，回歸方程表示為IAA= 14.09 +23.98 cAA(mol/L)，相關(guān)系數(shù)r = 0.996。同樣，DA(圖4C) 和UA（圖4D）的線性回歸方程分別為：IDA=18.20+23.82 cDA(mol/L)、IDA=32.52+74.14 cDA(mol/L) 和IUA= 19.18 + 91.06 cUA(mol/L)、IUA=27.36+40.24 cUA(mol/L)，相關(guān)系數(shù)分別為0.996、0.998 和0.999、0.998。

圖4 修飾電極在不同濃度的AA、DA 和UA 的PBS溶液中DPV 響應(yīng)曲線Fig.4 The differential pulse voltammetric response of modified electrode towards different concentration of AA、DA and UA and the correlation coefficient of AA(B),DA(C)and UA(D).(a)：0.04 mol/L AA、0.002 mol/L DA and 0.002 mol/L UA，(b)：0.09 mol/L AA、0.012 mol/L DA and 0.012 mol/L UA，(c)：0.14 mol/L AA、0.032 mol/L DA and 0.062 mol/L UA，(d)：0.24 mol/L AA、0.052 mol/L DA and 0.112 mol/L UA，(e)：0.34 mol/L AA、0.077 mol/L DA and 0.162 mol/L UA，(f)：0.54 mol/L AA、0.102 mol/L DA and 0.212 mol/L UA，(g)：0.74 mol/L AA、0.152 mol/L DA and 0.262 mol/L UA，(h)：0.94 mol/L AA、0.202 mol/L DA and 0.312 mol/L UA，(i)：1.14 mol/L AA、0.252 mol/L DA and 0.362 mol/L UA,(j)：1.54 mol/L AA、0.352 mol/L DA and 0.462 mol/L UA。Text solution:0.1 mol/L PBS(pH=5).Scan rate:100 mV/s

3 結(jié)論

該實驗利用苝四甲酸二酐獨特的多孔結(jié)構(gòu)作為納米金的載體，再結(jié)合納米金優(yōu)良的催化性能，制備了固載有大量納米金的修飾電極，用于AA、DA 和UA 的三組分的電化學(xué)檢測。苝酐-納米金復(fù)合物電極可以提高電荷轉(zhuǎn)移速率并可以在PTCA 表面產(chǎn)生附加的催化活性位點，能夠很好的分離并識別AA、DA 和UA 的三組分。并且該方法制備簡單，具有較高的靈敏度和特異性，在臨床醫(yī)學(xué)檢測上具有一定的意義。

[1]Senel M,Cevik E,Abas?yan?k M F.A novel amperometric hydrogen peroxide biosensor based on catalase immobilization on poly (glycidyl methacrylate-co-binylferrocene)[J].Anal.Bioanal.Electrochem.,2011,3:14 ～25.

[2]Wang H W,Ren F F,Yue R R.Macroporous flower-like graphene-nanosheet clusters used for electrochemical determination of dopamine[J].Colloid Surf.A-Physicochem.Eng.Asp,2014,448:181～185.

[3]Pakapongpan S,Mensing J P,Phokharatkul D.Highly selective electrochemical sensor for ascorbic acid based on a novel hybrid graphene-copper phthalocyaninepolyaniline nanocomposites[J].Electrochim.Acta,2014,133:294～301.

[4]Wei Y,Li M,Jiao S,et al.Fabrication of CeO2nanoparticles modified glassy carbon electrode and its application for electrochemical determination of UA and AA simultaneously[J].Electrochim.Acta,2006,52:766～772.

[5]Dursun Z,Gelmez B.Simultaneous determination ofascorbic acid,dopamine and uric acid at Pt nanoparticles decorated multiwall carbon nanotubes modified GCE[J].Electroanal.,2010,22(10):1 106～1 114.

[6]Li N B，Ren W，Luo H Q.Caffeic acid-modified glassy carbon electrode for the simultaneous determination of epinephrine and dopamine [J].Electroanal.,2007，19(14):1 496～1 502.

[7]Kaur H，Halliwell B.Action of biologically-relevant oxidizing species upon uric acid.Identification of uric acid oxidation products[J].Chemico-biological interactions，1990，73(2/3):235～247.

[8]Falat L,Cheng H.Voltammetric differentiation of ascorbic acid and dopamine at an electrochemically treated graphite/epoxy electrode[J].Anal.Chem.,1982,54:2 108～2 111.

[9]楊鼎宜,孫偉.納米材料的結(jié)構(gòu)特征與特殊性能[J].材料導(dǎo)報,2003,17(10):7～9.