基于有序介孔碳-聚亞甲基藍(lán)/離子液體的多巴胺電化學(xué)傳感器

李金萍，謝麗峰，郭春瑞，繆 謙

(溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

基于有序介孔碳-聚亞甲基藍(lán)/離子液體的多巴胺電化學(xué)傳感器

李金萍，謝麗峰，郭春瑞，繆 謙?

(溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

采用超聲技術(shù)和循環(huán)伏安法，構(gòu)建了一種新穎的基于有序介孔碳-聚亞甲基藍(lán)/離子液體復(fù)合物（OMC-PMB / IL）的多巴胺電化學(xué)傳感器．在較高濃度的尿酸和抗壞血酸的存在下，該傳感器仍能實(shí)現(xiàn)對多巴胺的檢測．在7 × 10-7– 2.5 × 10-4mol?L-1范圍內(nèi)，差分脈沖伏安電流與濃度成線性關(guān)系，檢測限為4.6 × 10-8mol?L-1．該傳感器具有線性范圍寬、檢測限低、抗干擾能力強(qiáng)、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)．

有序介孔碳；聚亞甲基藍(lán)；離子液體；多巴胺；電化學(xué)傳感器

有序介孔碳（OMC）是一種新型的碳納米材料[1]，具有高度有序的孔道結(jié)構(gòu)、良好的電學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性，近年來，在傳感器應(yīng)用方面的研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，其中最引人關(guān)注的是對生物分子的傳感[2]．目前已報道的由有序介孔碳可檢測的生物分子有多巴胺、尿酸、抗壞血酸、NADH、葡萄糖、DNA、腎上腺素、血紅蛋白、氨基酸[3-9]等．

導(dǎo)電聚合物由于其獨(dú)特的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于催化，且其導(dǎo)電性良好，被用于對多巴胺（DA）的檢測[10]，已報道的聚合物有聚鎘黑T、聚偶氮藍(lán)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩-連-(2-磺酸萘))、聚苯乙烯磺酸等[11-14]．

多巴胺是主要存在于人體下丘腦和腦垂體中的重要兒茶酚類神經(jīng)遞質(zhì)，在控制人體協(xié)調(diào)運(yùn)動方面起著重要的作用．體內(nèi)DA的缺失會引起重大疾病，例如精神分裂癥、帕金森綜合癥[15-16]．近年來，關(guān)于 DA的電化學(xué)檢測技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。在生物體內(nèi)樣品中，尿酸（UA）和抗壞血酸（AA）對于檢測DA來說，是最主要的干擾物質(zhì)[3]，因此，如何解決DA、UA、AA三種物質(zhì)的氧化峰電位重疊干擾以及降低檢測限是DA電化學(xué)傳感器研究的熱點(diǎn)．

本文利用有序介孔碳和染料分子亞甲基藍(lán)離域π鍵作用，借用超聲技術(shù)和循環(huán)伏安法，構(gòu)建了新穎的基于有序介孔碳-聚亞甲基藍(lán)/離子液體（OMC-PMB / IL）的DA電化學(xué)傳感器，探討了傳感器對DA的電催化行為以及傳感器的傳感性能．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)主要儀器

電化學(xué)工作站（CHI 660D，北京華科普天科技有限公司）；冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SM-6700F，日本電子公司）；電子天平（AL 104，梅特勒-托利多儀器有限公司）；玻碳電極、鉑絲電極（上海辰華儀器有限公司）；飽和甘汞電極（SCE，江蘇江分電分析儀器有限公司）．

1.2 實(shí)驗(yàn)主要試劑

1-丁基四甲基咪唑六氟磷酸鹽（上海成捷化學(xué)有限公司）；有序介孔碳（CMK-3，南京吉倉納米科技有限公司）；亞甲基藍(lán)（MB，≥ 90%，Aladdin公司）；多巴胺、尿酸、抗壞血酸（AR，Sigma公司）．

1.3 OMC-MB復(fù)合物的制備

取50 mg OMC、16 mg MB和50 mL 無水乙醇，混合超聲5 h，過濾，用高純水和無水乙醇反復(fù)洗滌沉淀，以除去表面未吸附的MB，最后于65℃干燥箱中干燥6 h，得OMC-MB復(fù)合物．

1.4 玻碳電極的預(yù)處理

將玻碳電極（GCE）分別用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3拋光粉打磨，并依此用超純水、無水乙醇超聲2-3 min，用氮?dú)獯蹈桑?/p>

1.5 OMC-PMB / IL修飾電極的制備

取75 μL離子液體和25 mg的OMC-MB復(fù)合物于瑪瑙研缽中，研磨均勻得黑色凝膠OMCMB / IL，并采用研磨法將黑色凝膠修飾在玻碳電極表面，將此電極置于pH = 5.0的磷酸氫二鉀/檸檬酸緩沖溶液（K2HPO4/ HA）中，在-0.5 V – 1.0 V電位范圍以50 mV / s的掃速循環(huán)伏安掃描20圈．

2 結(jié)果與討論

2.1 OMC-PMB / IL的電鏡（SEM）表征

圖1（a）和（b）分別是OMC和OMC-PMB / IL的掃描電鏡圖．從圖1可看出OMC-PMB / IL是以較短的棒狀形態(tài)存在的，幾乎均勻分布在玻碳電極表面，其形態(tài)和OMC非常相似．從掃描電鏡圖上，不易直觀察覺二者的粒徑差別，這可能是由于組裝到 OMC表面的聚亞基藍(lán)是超薄的．這種超薄的結(jié)構(gòu)對生物分子的檢測是十分有利的，因?yàn)镺MC和PMB有可能都可以作為電化學(xué)傳感單元和生物分子充分接觸，從而有利于提高傳感器對生物分子的傳感性能．

圖1 OMC和OMC-PMB / IL的電鏡圖

2.2 OMC-MB / IL的電聚合

圖2是形成OMC-PMB / IL的電聚合CV圖，即亞甲基藍(lán)在OMC-MB / IL表面形成聚合物的循環(huán)伏安圖．IL做修飾劑的同時可以促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移[17]，MB主要通過離域鍵與 OMC相互作用．由圖2可見，在OMC-MB / IL表面，亞甲基藍(lán)單體在約 -0.26 V處的還原峰電流和在約-0.42 V處的氧化峰電流隨掃描圈數(shù)的增加而減小，在約-0.16 V的氧化峰電流和在約-0.22V處的還原峰電流隨掃描圈數(shù)的增加而增加，表明聚亞甲基藍(lán)生成．

2.3 OMC-PMB / IL修飾電極對DA的電催化行為

圖3是裸電極、OMC-IL和OMC-PMB / IL修飾電極在1 × 10-4mol?L-1DA的PBS溶液中的循環(huán)伏安圖．DA在OMC-IL修飾電極上響應(yīng)的氧化峰電位約在0.24 V附近，其對應(yīng)的氧化峰電流大小為1.27 × 10-5mol?L-1，DA在OMC-PMB / IL修飾電極上響應(yīng)的氧化峰電位約在0.22 V附近，其對應(yīng)的氧化峰電流大小約為2.31 × 10-5mol?L-1．從在三種電極上同等濃度DA的氧化電流來看，聚合物材料的引入有利于增加響應(yīng)電流，提高電化學(xué)響應(yīng)信號，這是由于MB形成的聚合物分子具有三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加了電極材料表面活性面積，形成的大分子具有離域π鍵，有利于電子的傳遞．

圖2 形成OMC-PMB / IL的電聚合CV圖

圖3 裸電極、OMC-IL和OMC-PMB / IL修飾電極在1 × 10-4mol?L-1DA的PBS溶液中的循環(huán)伏安圖

2.4 OMC-PMB / IL修飾電極對DA的DPV響應(yīng)

2.4.1 同一體系中UA、AA、DA的DPV曲線

AA、UA、DA三者氧化峰電位相近，在同一體系中氧化峰易重疊，因此構(gòu)建能將DA、UA、AA三者峰電位區(qū)分開的電化學(xué)傳感器是有重要意義的．圖4是基于OMC-PMB / IL構(gòu)建的傳感器在PBS溶液（pH 6.0）中以及依次加入1 × 10-4mol?L-1UA、2 × 10-4mol?L-1AA、5 × 10-5mol?L-1DA后的差分脈沖伏安（DPV）曲線．比較圖4的a曲線和b曲線可見，加入1 × 10-4mol?L-1UA后，UA在約0.32 V附近出現(xiàn)了明顯的氧化峰；該體系中繼續(xù)加入2 × 10-4mol?L-1AA，見曲線c，沒有出現(xiàn)的新的氧化峰，且UA的峰電位和峰電流幾乎沒有變化，說明OMC-PMB / IL對AA沒有電化學(xué)響應(yīng)；繼續(xù)加入5 × 10-5mol?L-1DA后，從曲線d可看出，約在0.20 V出現(xiàn)DA的氧化峰，UA與AA的氧化峰電位和峰電流僅有微弱的變化，說明在同一體系中，較高含量的主要干擾物UA、AA對DA的干擾是微小的，基于OMC-PMB/IL構(gòu)建的傳感器可有效地將DA、UA、AA分開．其中，DA與UA的峰電位差值為120 mV，AA沒有電化學(xué)響應(yīng)．

2.4.2 OMC-PMB / IL 修飾電極對DA的定量檢測

圖5是傳感器在不同濃度DA溶液中的DPV疊加圖，內(nèi)插圖為DA氧化峰電流ipa與DA濃度c的工作曲線．從內(nèi)插圖可以看出，在7 × 10-7mol?L-1– 2.5 × 10-4mol?L-1范圍內(nèi)，峰電流與濃度呈良好的線性關(guān)系，回歸方程為ipa(μA) = 0.881 2 + 0.506 9c(μmol?L-1)，相關(guān)系數(shù) R = 0.997 5，檢測限為4.6 × 10-8mol?L-1．與已報道的幾種DA電化學(xué)傳感器[14]比較，基于OMC-PMB / IL修飾電極構(gòu)建的電化學(xué)傳感器對DA的檢測具有更寬的線性氛圍和更低的檢測限．

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

為了評價OMC-PMB / IL修飾電極構(gòu)建的傳感器的選擇性，本文采用DPV方法檢測一些常見干擾物對1 × 10-4mol?L-1DA測定時響應(yīng)電流的影響，并用相對誤差公式RE = (i干擾物+DA-iDA) / iDA計算，i干擾物+DA和iDA分別表示有干擾物存在和無干擾物存在時DA的響應(yīng)電流值，結(jié)果如表 1所示．從表1可知，濃度達(dá)到10倍DA的陰離子對測定幾乎無干擾，陽離子如Ca2+、Mn2+、Fe3+會對測定產(chǎn)生較小的干擾，這可能是由于金屬陽離子的水解會對DA的測定產(chǎn)生影響．對于生物體內(nèi)常見的生物分子葡萄糖和麥芽糖，高濃度存在的條件下，葡萄糖幾乎不干擾，麥芽糖對DA的檢測產(chǎn)生的干擾也較小．由此可見，基于OMC-PMB / IL構(gòu)建的電化學(xué)傳感器對DA的檢測有較好的選擇性．

2.6 實(shí)際樣品的測定

DA在人血清中的含量極低，采用電化學(xué)傳感器直接測定血清中的DA比較困難，但血清中含有的多種成分有可能對實(shí)際測定產(chǎn)生影響，在血清樣品中測定DA的回收率具有一定意義，可為日后開發(fā)研究DA傳感器提供相關(guān)的參考依據(jù)．本文運(yùn)用DPV技術(shù)，取100 μL血清至10.0 mL pH = 6.0的 PBS溶液中，加入一定濃度的DA，測定的加標(biāo)回收率在95.3 – 98.8%之間，平均值為97.6%，重復(fù)測3次的RSD平均值為2.77%，說明血清中的共存物質(zhì)對DA的檢測影響是較小的．

圖4 OMC-PMB/IL修飾電極在PBS (pH 6.0)底液中以及依次加入UA, AA, DA后的差分脈沖伏安曲線

圖5 不同濃度DA溶液在OMC-PMB/IL修飾電極上的差分脈沖伏安圖(a-k的濃度分別為0.7, 7, 20, 30, 50, 70, 100, 120, 150, 200, 250 μmol?L-1)

表1 共存物質(zhì)(Coe)對檢測1 × 10-4mol?L-1DA的影響

2.7 傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

使用同一根OMC-PMB / IL修飾電極對1.0 × 10-4的DA溶液連續(xù)進(jìn)行4次平行測定，響應(yīng)電流的RSD為2.61%，4根不同的OMC-PMB / IL修飾電極測定的RSD為4.98%．結(jié)果表明，基于OMC-PMB / IL構(gòu)建的電化學(xué)傳感器具有較好的重現(xiàn)性．該傳感器不使用時，保存在pH=6.0的K2HPO4/ HA溶液中，避免強(qiáng)光直射．28天后的DPV響應(yīng)信號為最初電流信號的93.3%，說明該傳感器可以長時間保存，具有較好的穩(wěn)定性．

3 結(jié) 論

本文構(gòu)建了一種新穎的基于OMC-PMB / IL復(fù)合物的DA電化學(xué)傳感器，由于OMC和PMB的協(xié)同催化作用，在較高濃度的重要干擾UA和AA的存在下，DA、UA、AA三者的氧化峰可明顯區(qū)分開．在7 × 10-7– 2.5×10-4mol?L-1范圍內(nèi)，差分脈沖伏安電流與DA濃度成線性關(guān)系，檢測限為4.6 × 10-8mol?L-1。該傳感器具有線性范圍寬、檢測限低，抗干擾能力強(qiáng)，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)．

[1] Ryoo R, Joo S H, Jun S. Synthesis of highly ordered carbon molecular sieves via template-mediated structural transformation [J]. The Journal of Physical Chemistry B, 1999, 103(37): 7743-7746.

[2] Zhu L, Tian C Y, Zhu D X, et al. Ordered mesoporous carbon paste electrodes for electrochemical sensing and biosensing [J]. Electroanalysis, 2008, 20(10): 1128-1134.

[3] Zheng D, Ye J S, Zhou L, et al. Simultaneous determination of dopamine, ascorbic acid and uric acid on ordered mesoporous carbon / nafion composite film [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2009, 625(1): 82-87.

[4] Zhu L D, Yang R L, Jiang X Y, et al. Amperometric determination of nadh at a nile blue / ordered mesoporous carbon composite electrode [J]. Electrochemistry Communications, 2009, 11(3): 530-533.

[5] Luo L Q, Li F, Zhu L M, et al. Nonenzymatic glucose sensor based on nickel(ii)oxide / ordered mesoporous carbon modified glassy carbon electrode [J]. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces, 2013, 102: 307-311.

[6] Zhu Z H, Li X, Zeng Y, et al. Ordered mesoporous carbon modified carbon ionic liquid electrode for the electrochemical detection of double-stranded DNA [J]. Biosensors and Bioelectronics, 2010, 25(10): 2313-2317.

[7] Luo L Q, Li F, Zhu LM, et al. Simultaneous determination of epinephrine and uric acid at ordered mesoporous carbon modified glassy carbon electrode [J]. Analytical Methods, 2012, 4(8): 2417-2422.

[8] Zheng J, Zhao J C, Gong C, et al. Preparation of the ordered mesoporous carbon / Fe3O4and its application for the direct electrochemistry of hemoglobin [J]. Acta Chimica Sinica, 2012, 70(5): 617-623.

[9] Ndamanisha J C, Bai J, Qj B, et al. Application of electrochemical properties of ordered mesoporous carbon to the determination of glutathione and cysteine [J]. Analytical Biochemistry, 2009, 386(1): 79-84.

[10] Janaky C, Visy C. Conducting polymer-based hybrid assemblies for electrochemical sensing: A materials science perspective [J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2013, 405(11): 3489-3511.

[11] Yao H, Sun Y Y, Lin X H, et al. Electrochemical characterization of poly(eriochrome black t) modified glassy carbon electrode and its application to simultaneous determination of dopamine, ascorbic acid and uric acid [J]. Electrochimica Acta, 2007, 52(20): 6165-6171.

[12] Lin L Q, Chen J H, Yao H, et al. Simultaneous determination of doparnine, ascorbic acid and uric acid at poly (evans blue) modified glassy carbon electrode [J]. Bioelectrochemistry, 2008, 73(1): 11-17.

[13] Balamurugan A, ChenShen M. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene-co-(5-amino-2-naphthalenesulfonic acid)) (pedot-pans) film modified glassy carbon electrode for selective detection of dopamine in the presence of ascorbic acid and uric acid [J]. Analytica Chimica Acta, 2007, 596(1): 92-98.

[14] Zhang Y Z, Cai Y J, Su S. Determination of dopamine in the presence of ascorbic acid by poly(styrene. Sulfonic acid) sodium salt / single-wall carbon nanotube film modified glassy carbon electrode [J]. Analytical Biochemistry, 2006, 350(2): 285-291.

[15] Davis K L, Kahn R S, Ko G, et al. Dopamine in schizophrenia: A review and reconceptualization [J]. American Journal of Psychiatry, 1991, 148(11): 1474-1486.

[16] Hirsch E, Graybiel A M, Agid Y A. Melanized dopaminergic neurons are differentially susceptible to degeneration in parkinson's disease [J]. Nature, 1988, 334(6180): 345-8.

[17] Buzzeo M C, Evans R G, Compton R G. Non-haloaluminate room-temperature ionic liquids in electrochemistry–a review [J]. Chemphyschem: A European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry, 2004, 5(8): 1106-1120.

A Dopamine Electrochemical Sensor Based on Ordered Mesoporous Carbon-poly(methylene blue) / Ionic Liquid

LI Jinping, XIE Lifeng, GUO Chunrui, MIAO Qian
(College of Chemistry and Materials Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035 )

This paper introduces a novel dopamine (DA) Electrochemical sensor based on ordered mesoporous carbon-poly(methylene blue) / ionic liquid composites (OMC-PMB / IL) built by ultrasonic technique and cyclic voltammetry. Despite in presence of higher concentration of uric acid and ascorbic acid, the sensor tends to realize the electrochemical detection of DA. By differential-pulse voltammetry, the current of DA is linear with its concentration in the range of 7×10-7– 2.5×10-4mol?L–1. Further more, the sensor owns such advantages as wide linear range, low detection limit, strong anti-interference ability, good reproducibility and stability.

Ordered Mesoporous Carbon; Polymethylene Blue; Ionic Liquid; Dopamine; Electrochemical Sensor

O657.1

A

1674-3563(2015)04-0033-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.04.006 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2015-03-23

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2012C37010)；溫州市公益性科技計劃項(xiàng)目(S20140017)

李金萍(1989- )，女，山東威海人，碩士研究生，研究方向：電化學(xué)傳感器．? 通訊作者，miaoqian@ wzu.edu.cn