MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合膜修飾電極對(duì)萊克多巴胺的靈敏檢測(cè)

尋　艷, 曹　忠, 宋天銘, 呂超志, 劉　峰, 何婧琳, 楊榮華

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院, 電力與交通材料保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,微納生物傳感與食品安全檢測(cè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 長(zhǎng)沙 410114)

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MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合膜修飾電極對(duì)萊克多巴胺的靈敏檢測(cè)

尋艷, 曹忠, 宋天銘, 呂超志, 劉峰, 何婧琳, 楊榮華

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院, 電力與交通材料保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,微納生物傳感與食品安全檢測(cè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 長(zhǎng)沙 410114)

摘要采用自組裝方法, 將聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)功能化的金納米顆粒(AuNPs)負(fù)載于多壁碳納米管(MWCNTs)-還原型氧化石墨烯(rGO)夾層, 再涂覆于玻碳電極(GCE)上, 制備了納米復(fù)合膜修飾電極MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE. 采用透射電子顯微鏡(TEM)和紫外-可見光譜(UV-Vis)對(duì)修飾膜的形貌及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征. 探討了其對(duì)萊克多巴胺(Rac)的循環(huán)伏安行為, 結(jié)果表明MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs納米復(fù)合物對(duì)Rac表現(xiàn)出顯著的電催化氧化特性. 采用差分脈沖伏安法測(cè)得該復(fù)合膜修飾電極對(duì)Rac檢測(cè)的線性范圍為0.036～4.5 μmol/L, 檢出限為6.35 nmol/L(S/N≥3), 且顯示出良好的抗干擾能力、 穩(wěn)定性及重現(xiàn)性. 采用該方法檢測(cè)豬血清及豬尿樣中的Rac, 回收率達(dá)95.4%～105.9%, 表明該復(fù)合膜修飾電極對(duì)實(shí)際樣品中Rac的檢測(cè)具有潛在應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞萊克多巴胺; 還原型氧化石墨烯; 聚二烯丙基二甲基氯化銨; MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合物; 食品安全檢測(cè)

萊克多巴胺(Rac)又稱苯乙醇胺、 雷托巴胺、 權(quán)萊克、 金萊多巴或培林, 為“瘦肉精”的一種, 最初作為傳統(tǒng)“瘦肉精”克倫特羅(Cle)的替代品出現(xiàn), 可促進(jìn)動(dòng)物肌肉生長(zhǎng), 提高動(dòng)物的蛋白質(zhì)含量, 減少胴體脂肪含量[1,2], 從而改變胴體瘦肉和脂肪比例, 同時(shí)還能提高動(dòng)物的日增重和飼料利用率, 被廣泛地應(yīng)用于畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)[3]. 但由于Rac屬于激素類添加劑, 存在激素殘留問(wèn)題, 易對(duì)動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生毒副作用[4,5], 長(zhǎng)期食用會(huì)導(dǎo)致染色體畸變, 誘發(fā)惡性腫瘤及心血管疾病等[6], 還可引起糖尿病人發(fā)生酮中毒或酸中毒[7], 因此我國(guó)及一些歐洲國(guó)家將其列為動(dòng)物飼養(yǎng)中的違禁添加劑[8]. 此外,Rac還曾在體育比賽中被作為興奮劑使用. 因此, 研究和開發(fā)Rac的分析技術(shù), 對(duì)于臨床藥物代謝研究、 食品安全及興奮劑檢測(cè)均具有重要意義.

目前, 檢測(cè)Rac的方法主要包括液相色譜法[9]、 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[10]、 高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[11]、 比色法[12]和毛細(xì)管電泳法[13]等, 這些方法因儀器設(shè)備笨重, 價(jià)格昂貴, 檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)而難以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè). 電化學(xué)傳感器檢測(cè)Rac操作簡(jiǎn)單、 成本低廉, 具有良好的選擇性和靈敏度, 因而備受關(guān)注. 目前, 用于檢測(cè)Rac的化學(xué)修飾電極主要分為4種類型: 第1種是分子印跡型化學(xué)修飾電極[14～17], 如Zhang等[14]以目標(biāo)物Rac為模板、 以甲基丙烯酸為聚合單體合成分子印跡聚合物, 將其熱聚合到多壁碳納米管(MWCNTs)修飾的絲網(wǎng)印刷電極上, 然后洗脫掉模板分子, 利用分子印跡膜識(shí)別Rac過(guò)程中電流的改變, 實(shí)現(xiàn)對(duì)Rac的定量檢測(cè). 這種方法能夠選擇性地識(shí)別目標(biāo)分子從而使之具有較強(qiáng)的抗干擾能力, 但是分子印跡膜的機(jī)械穩(wěn)定性較差, 難以多次重復(fù)使用. 第2種是免疫型化學(xué)修飾電極[18～20], 如Wang等[18]制備了一種具有三維結(jié)構(gòu)的Cu/Cu2O@rGO納米復(fù)合物, 并用該納米復(fù)合物吸附Rac的抗體, 用于對(duì)Rac的定量檢測(cè), 檢出限達(dá)7.5pg/mL, 檢測(cè)線性范圍為0.1～10ng/mL, 顯示出較好的靈敏度和選擇性. 但是生物活性物質(zhì)(如抗體)的制備和純化條件苛刻、 操作繁瑣、 費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 且抗體的應(yīng)用在穩(wěn)定性和成本等方面受到諸多限制, 無(wú)法滿足大批量樣品的快速檢測(cè). 第3種為直接氧化型化學(xué)修飾電極[21～23], 如Liu等[22]提出用功能化的多壁碳納米管修飾玻碳電極, 利用MWCNTs優(yōu)異的性能實(shí)現(xiàn)對(duì)Rac的直接電化學(xué)定量檢測(cè).Bai等[23]利用直接還原的方法還原氧化石墨烯和金生長(zhǎng)溶液, 制得石墨烯/金納米棒復(fù)合膜(G/GNRs), 以此為傳感界面用于對(duì)Rac進(jìn)行直接電化學(xué)檢測(cè), 顯示出較好的靈敏性和抗干擾能力. 第4種為催化氧化型化學(xué)修飾電極[24,25], 如Yang等[24]制備了一種有序介孔碳材料修飾電極, 實(shí)現(xiàn)對(duì)Rac的直接電催化氧化. 催化氧化型修飾電極的特點(diǎn)是具有較好的靈敏性和選擇性, 操作、 取材簡(jiǎn)單, 成本低廉; 且Rac含有酚羥基, 有較高的電活性, 可在電極表面被催化氧化, 但在普通電極上較難被催化氧化. 因此, 尋找一種高導(dǎo)電性、 催化性能好、 穩(wěn)定性高且特異性強(qiáng)的新型電極修飾材料是研究的關(guān)鍵.

石墨烯(GO)作為一種新型碳材料, 具有石墨的特殊結(jié)構(gòu), 碳原子間通過(guò)sp2雜化形成二維芳環(huán)片層結(jié)構(gòu)[26], 因其優(yōu)異的電學(xué)、 力學(xué)等性能[27], 而在電化學(xué)材料等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[26,28]. 然而, 單片層結(jié)構(gòu)的GO容易發(fā)生不可逆團(tuán)聚而形成多層石墨烯, 甚至石墨. 因此, 如何獲得具有良好溶解性、 穩(wěn)定性的分散體系以及片層堆疊少的GO是其應(yīng)用研究中面臨的主要挑戰(zhàn). 在GO功能化過(guò)程中, 碳納米管是一種最能保持GO本質(zhì)性質(zhì)的摻雜劑, 主要原因是碳納米管充當(dāng)了類似導(dǎo)線的作用, 彌補(bǔ)了電子傳遞的缺陷, 并且有效地阻止GO的不可逆團(tuán)聚. 而且這種復(fù)合材料具有特殊的層狀性能、 儲(chǔ)存穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[29], 使之有望用作電化學(xué)傳感材料中催化劑的載體, 起到提高負(fù)載金屬催化劑的負(fù)載量以及復(fù)合物催化性能的作用.

基于此, 本文采用自組裝法制備了MWCNTs-GO復(fù)合物, 并將其作為催化劑載體, 通過(guò)靜電引力作用負(fù)載上聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)功能化的金納米(AuNPs), 形成一種新型復(fù)合材料修飾電極.PDDA具有弱還原性, 能在水熱條件下還原GO和Au3+, 生成還原型氧化石墨烯(rGO)及Au納米粒子; 并且PDDA作為一種聚電解質(zhì), 可起到穩(wěn)定劑的作用, 能有效防止反應(yīng)產(chǎn)物的團(tuán)聚. 此外, 吸附在MWCNTs-rGO表面的PDDA還能作為AuNPs顆粒生長(zhǎng)的晶核, 使得AuNPs顆粒能有效沉積在MWCNTs-rGO的表面, 從而達(dá)到提高復(fù)合材料電催化性能的作用. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該修飾電極對(duì)Rac的氧化具有較高的電催化活性, 檢出限達(dá)到6.35nmol/L, 在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

氧化石墨烯(GO)和多壁碳納米管(MWCNTs)購(gòu)自南京吉倉(cāng)納米科技有限公司; 聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液(PDDA, 分子量2.0×105～3.5×105, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%)購(gòu)于美國(guó)Aldrich公司; 萊克多巴胺(Rac)、 克倫特羅(Cle)、 沙丁胺醇(Sal)和苯乙醇胺-A(Pea)均購(gòu)自德國(guó)Dr.EhrenstorferGmbH公司; 硼氫化鈉和氯金酸等購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司; 豬血清和豬尿樣品由中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所提供. 實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純, 用水均為超純水(在25 ℃下電阻率≥18.3MΩ5cm).

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)均采用CHI-760B型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)完成. 采用常規(guī)的三電極系統(tǒng): 修飾電極為工作電極, 鉑絲電極為對(duì)電極, 銀/氯化銀(飽和氯化鉀)電極作為參比電極. 磷酸鹽緩沖溶液(PBS)由0.01mol/L磷酸二氫鈉和0.01mol/L磷酸氫二鈉母液配制, 其pH值用0.10mol/LHCl調(diào)節(jié), 采用pHS-3C型酸度計(jì)(上海金鵬分析儀器有限公司)測(cè)定. 納米溶膠溶液的吸收光譜采用島津UV-2201型紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定. 修飾電極表面形貌采用JEM-1230LV型透射電子顯微鏡(TEM, 日本電子株式會(huì)社)進(jìn)行表征.

1.2羧基化MWCNTs的制備

將200gMWCNTs加入體積比為3∶1的濃硫酸/濃硝酸的混合酸中(40mL), 在150 ℃的油浴鍋中攪拌加熱回流15min, 取出, 待混合液冷卻后以12000r/min的轉(zhuǎn)速離心處理5min, 棄去上層清液, 將下層沉淀即羧基化MWCNTs用超純水洗滌3次, 以除去過(guò)量的酸, 將產(chǎn)物置于真空干燥箱中于75 ℃下干燥過(guò)夜, 最后將產(chǎn)物研磨粉碎備用.

1.3MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs納米復(fù)合物的制備

MWCNTs-GO復(fù)合物的制備: 取5mg羧基化MWCNTs加入到10mL1mg/mL的氧化石墨烯(GO) 溶液中, 超聲分散2h, 得到均一懸濁溶液, 然后以12000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min, 以除去未發(fā)生自組裝的MWCNTs. 將上層清液以16000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min, 以除去未發(fā)生自組裝的GO, 所得沉淀即為MWCNTs-GO復(fù)合物.

PDDA包裹的AuNPs(PDDA-AuNPs)的制備: 參照文獻(xiàn)[30]方法, 將50μLPDDA(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)、 200μL0.5mol/LNaOH及100μLHAuCl4(10mg/mL) 加入到40mL超純水中, 混合均勻后, 在100 ℃的油浴鍋中加熱回流至混合液的顏色變?yōu)樽霞t色且再無(wú)顏色變化為止.

MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs納米復(fù)合物的制備: 取3mLMWCNTs-GO(1.0mg/mL)、 1mL8.45mol/L硼氫化鈉、 30μLPDDA和6mLPDDA-AuNPs混合均勻后, 于冰水浴條件下處理30min, 再置于100 ℃的油浴鍋中回流40min, 得到黑色均一的懸浮液, 以10000r/min離心10min, 棄去上層清液, 將所得沉淀用超純水清洗3次, 然后用6mL無(wú)水乙醇溶解, 超聲分散1～3h后, 置于4 ℃的冰箱中保存?zhèn)溆?

1.4MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合納米材料修飾電極的制備

取8μLMWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合物分散液, 采用滴涂法涂覆于拋光的玻碳電極表面, 室溫下自然晾干后置于4 ℃的冰箱中保存.PDDA-AuNPs/GCE和MWCNTs-rGO/GCE修飾電極均按上述方法制備.

1.5樣品的前處理

1.5.1豬血樣的處理取5mL豬血液, 加入一定量Rac標(biāo)準(zhǔn)品, 于4500r/min轉(zhuǎn)速下離心15min, 取1mL上層清液置于5mL玻璃離心管中, 加入2mL0.1mol/LHClO4溶液, 超聲處理20min, 然后置于80 ℃水浴中加熱30min, 冷卻后以4500r/min轉(zhuǎn)速離心15min, 傾出上層清液, 將沉淀用1mL0.1mol/LHClO4溶液洗滌, 離心(同上)并合并上清液; 再重復(fù)1次洗滌步驟, 合并上層清液, 向其中加入約1gNaCl和2mL體積比為2∶3的異丙醇-乙酸乙酯混合液. 振蕩萃取20min, 放置5min后移出有機(jī)相置于5mL離心管中, 按以上步驟重復(fù)萃取2次, 合并有機(jī)相, 并吹干待用, 或用5mL0.01mol/LPBS緩沖液(pH=6.5)溶解, 于4 ℃保存?zhèn)溆?

1.5.2豬尿樣的處理取5mL豬尿液, 加入一定量Rac標(biāo)準(zhǔn)品, 再加入20mL0.1mol/LHClO4溶液, 超聲20min, 混合均勻, 置于80 ℃水浴中加熱30min. 用1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至9.5±0.1, 加入8gNaCl和25mL體積比為2∶3的異丙醇-乙酸乙酯混合液, 振蕩萃取20min. 然后放置5min, 取上層有機(jī)相, 用25mL體積比為2∶3的異丙醇-乙酸乙酯混合液重復(fù)萃取1次, 合并有機(jī)相, 在60 ℃水浴下濃縮至干, 溶于5mL0.01mol/L的PBS(pH=6.5)溶液中, 于4 ℃保存?zhèn)溆?

2結(jié)果與討論

2.1傳感界面形態(tài)和結(jié)構(gòu)的表征

Fig.1　TEM images of PDDA-AuNPs(A) and MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs hybrids(B)

圖1示出了PDDA-AuNPs及MWCNTs-rGO負(fù)載PDDA-AuNPs后(MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs)的透射電子顯微鏡照片. 由圖1(A)可見, 以PDDA為保護(hù)劑和還原劑制得的AuNPs的粒徑約為20nm, 粒徑分布較均勻. 由圖1(B)可見,PDDA功能化的AuNPs較均勻地分散在基底載體MWCNTs-rGO復(fù)合物上, 得到了具有較大比表面積的復(fù)合物膜, 同時(shí)由于MWCNTs-rGO為夾層結(jié)構(gòu), 因此部分AuNPs不能被清晰地觀察到.

實(shí)驗(yàn)中制備的MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合物非常穩(wěn)定, 在4 ℃冰箱中保存6個(gè)月后性質(zhì)仍然保持不變. 這是因?yàn)檫€原態(tài)氧化石墨烯表面存在大π鍵的芳環(huán), 可以與MWCNTs的側(cè)面通過(guò)π-π電子云堆疊結(jié)合在一起, 同時(shí)還原態(tài)氧化石墨烯邊緣的含氧基團(tuán)及羧基化MWCNTs表面的含氧基團(tuán)可以有效地提高復(fù)合物在溶液中的分散性. 而且復(fù)合物層間及表面的MWCNTs可以有效地防止還原石墨烯的團(tuán)聚, 從而保持石墨烯良好的導(dǎo)電能力以及高比表面積等特殊的性質(zhì), 為AuNPs提供了大量的附著位點(diǎn), 這不僅有利于增加目標(biāo)檢測(cè)物Rac的富集量, 而且還能起到催化和信號(hào)放大的作用[31,32].

Fig.2　UV-Vis absorption spectra of GO(a), PDDA-AuNPs(b), MWCNTs-GO(c), MWCNTs-rGO(d) and MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs hybrids(e)

2.2電化學(xué)有效面積的計(jì)算

Fig.3　Q-t curves for the bare GCE(a), MWCNTs-rGO/GCE(b) and MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE(c) in 0.2 mmol/L K3[Fe(CN)6] with pulse width of 0.25 s

計(jì)時(shí)電量法是電化學(xué)研究體系中用于測(cè)量固體電極面積的有效方法. 本文考察了不同修飾電極在0.2mmol/LK3[Fe(CN)6]溶液中的計(jì)時(shí)電量行為, 所得Q-t曲線如圖3所示. 根據(jù)Cottrell方程:

(1)

可得Q-t1/2之間呈線性關(guān)系, 依據(jù)Q-t1/2關(guān)系曲線的直線斜率, S=2nFACD1/2/π1/2(A為工作電極的有效面積; C為探針分子的濃度; D為擴(kuò)散系數(shù), 約為6.057×10-6cm2/s; F為法拉第常數(shù)), 可以計(jì)算出電極的有效面積. 實(shí)驗(yàn)測(cè)得裸GCE,MWCNTs-rGO/GCE和MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE電極的有效表面積分別為0.0701, 0.159和0.259cm2, 說(shuō)明復(fù)合物MWCNTs-rGO具有較大的比表面積, 是一種性能優(yōu)良的載體. 當(dāng)負(fù)載上PDDA-AuNPs后, 所得MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合物的有效面積進(jìn)一步增大, 可以增加Rac被催化氧化的活性位點(diǎn)及對(duì)Rac的總吸附量, 從而提高對(duì)目標(biāo)分子檢測(cè)的靈敏度, 降低其檢出限.

2.3萊克多巴胺在電極表面的電催化氧化行為

為了探討Rac在修飾電極上的電催化氧化特性, 考察了裸GCE,PDDA-AuNPs/GCE,MWCNTs-rGO/GCE和MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE在0.01mol/LPBS緩沖溶液中對(duì)Rac的循環(huán)伏安(CV)行為, 結(jié)果如圖4所示.

Fig.4　CV curves for the oxidation of Rac at bare GCE without(a) and with(b) 3.6×10-6 mol/L Rac, and at PDDA-AuNPs/GCE(c), MWCNTs-rGO/GCE(d) and MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE(e) in PBS(0.01 mol/L, pH=6.5) containing 3.6×10-6 mol/L Rac Scan rate: 50 mV/s.

圖4曲線a和b分別示出了不存在及存在Rac時(shí)裸GCE的循環(huán)伏安行為, 可見Rac在裸GCE上的電化學(xué)行為是一個(gè)不可逆的氧化過(guò)程, 氧化峰電位約0.75V, 且過(guò)電位較大. 這印證了Rac在普通電極上較難被氧化的結(jié)論. 圖4曲線c和d示出了PDDA-AuNPs和MWCNTs-rGO復(fù)合物修飾電極對(duì)Rac的循環(huán)伏安行為, 可見修飾電極的響應(yīng)信號(hào)比裸GCE明顯增強(qiáng), 且峰電位發(fā)生負(fù)移. 然而, 相比于前三者,MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE(圖4曲線e)對(duì)Rac的氧化峰電流顯著增大, 且其峰電位負(fù)移至約0.65V, 與裸GCE相比, 其陽(yáng)極過(guò)電位降低約100mV, 說(shuō)明該復(fù)合材料修飾電極對(duì)Rac顯示出較好的電催化氧化性能, 這可能是由于在MWCNTs-rGO復(fù)合物上負(fù)載了PDDA功能化的AuNPs, 而AuNPs具有比表面積大及表面活性高等特點(diǎn), 從而有效提高了復(fù)合材料的電子傳導(dǎo)能力, 增大了復(fù)合材料的比表面積, 導(dǎo)致其對(duì)Rac的催化氧化活性大大提高.

2.4pH對(duì)催化氧化萊克多巴胺的影響

考察了MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE在不同pH值的PBS緩沖液中, 對(duì)2.64×10-6mol/L的Rac溶液的DPV行為,Rac的氧化峰電流和峰電位隨pH變化的關(guān)系如圖5所示. 由圖5(A)可見, 當(dāng)緩沖溶液的pH值由4.0增至6.5時(shí),Rac的氧化峰電流也隨之增大, 在pH=6.5時(shí)氧化峰電流達(dá)到最大值; 繼續(xù)增大PBS緩沖液的pH, 峰電流隨之減小. 因此, 選擇pH=6.5 的PBS緩沖體系作為檢測(cè)Rac的最優(yōu)pH值. 由圖5(B)可見,pH值與峰電位具有良好的線性關(guān)系, 說(shuō)明氧化Rac的過(guò)程涉及質(zhì)子的轉(zhuǎn)移, 其線性擬合方程為Epa=0.887-0.0541pH, 線性相關(guān)系數(shù)R=0.999, 根據(jù)能斯特方程Ep=E0-nRT/zFpH(式中: n為反應(yīng)轉(zhuǎn)移的質(zhì)子數(shù); z為轉(zhuǎn)移的電子數(shù)), 當(dāng)n=z時(shí), Epa=常數(shù)-0.0592pH, 而此處的能斯特斜率為0.0541, 由此可推算出n=0.914 z, 即n≈z, 說(shuō)明Rac在該修飾電極上的電化學(xué)行為是一個(gè)等電子等質(zhì)子的過(guò)程.

Fig.5　Effects of pH on the oxidation peak current(A) and peak potential(B) of 2.64×10-6 mol/L Rac in 0.01 mol/L PBS

2.5萊克多巴胺在修飾電極上的氧化機(jī)理

循環(huán)伏安法是一種常用來(lái)推斷反應(yīng)機(jī)理及電極反應(yīng)可逆程度的有效手段. 本文采用循環(huán)伏安法考察了Rac在MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE上的電化學(xué)行為. 為進(jìn)一步探討Rac在該復(fù)合膜修飾電極上的氧化機(jī)理, 考察了掃描速率與氧化Rac的峰電流和峰電位的關(guān)系, 結(jié)果如圖6所示.

Fig.6　CV curves of MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE responding to Rac at different scan rates(A), plots of peak current vs. scan rate(B) and peak potential vs. logarithmic scan rate(C) Scan rate/(mV·s-1): a. 10; b. 25; c. 50; d. 75; e. 100; f. 125.

Fig.7　Schematic diagram for preparation of MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE modified GCE and its detecting of Rac

圖6(A)示出了不同掃描速率下Rac在修飾電極上的CV行為. 由圖6(A)可見,Rac在電極上的電化學(xué)行為是一個(gè)不可逆的氧化過(guò)程, 其峰電流隨著掃描速率v的增大而增加[圖6(B)], 峰電流與掃描速率成正比, 其線性擬合方程為Ip=2.07+0.0936v(R=0.998), 表明Rac在修飾電極上的電催化氧化是一個(gè)受吸附控制的過(guò)程. 由圖6(C)可知峰電位與掃描速率對(duì)數(shù)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系, 線性擬合方程為Ep=0.5426+0.06757lgv(R=0.999), 根據(jù)Laviron公式[33]:

(2)

式中: E0′為式電位; T為溫度; α為電子傳遞系數(shù); n為電子傳遞數(shù); k0為標(biāo)準(zhǔn)異相電子傳遞速率常數(shù); F為法拉第常數(shù). 而Epa=0.5426+0.06757lgv, 對(duì)比式(2)得αn=0.8820, 常溫下不可逆電極反應(yīng)的α=0.4～0.6, 因此參與Rac氧化過(guò)程的電子數(shù)n≈2, 這與文獻(xiàn)[24]結(jié)果一致. 而2.4節(jié)得出Rac在修飾電極上氧化過(guò)程為一個(gè)等電子和等質(zhì)子的過(guò)程, 因此Rac在修飾電極上的氧化轉(zhuǎn)移的質(zhì)子數(shù)也為2, 根據(jù)其結(jié)構(gòu)推斷在修飾電極上的氧化反應(yīng)機(jī)理如圖7所示.

2.6萊克多巴胺的電化學(xué)檢測(cè)

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下, 采用DPV法以MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE復(fù)合膜修飾玻碳電極對(duì)不同濃度的Rac進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè), 所得結(jié)果如圖8所示. 由8(B)可見,Rac的濃度與氧化峰電流呈線性關(guān)系, 線性擬合方程為Ip=0.7509+0.3825c; 線性相關(guān)系數(shù)R=0.9986, 檢測(cè)的線性范圍為3.6×10-8～4.6×10-6mol/L, 檢出限為6.35×10-9mol/L(S/N≥3). 與已報(bào)道的催化氧化型方法[24,25]相比, 該方法具有較低的檢出限及較寬的線性范圍, 表明該復(fù)合膜修飾電極對(duì)檢測(cè)Rac具有優(yōu)異的響應(yīng)性能.

Fig.8　DPV curves of MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE responding to different concentrations of Rac in 0.01 mol/L PBS(pH=6.5)(A) and linear plot of response current vs. concentration(B) c/(mol·L-1): a. 3.6×10-8; b. 6.60×10-8; c. 3.96×10-7; d. 7.92×10-7; e. 1.45×10-6; f. 2.90×10-6; g. 3.60×10-6; h. 4.50×10-6. Accumulation potential: -0.3 V, accumulation time: 120 s.

2.7電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性

對(duì)該復(fù)合膜修飾電極的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試, 即每天測(cè)試其對(duì)Rac的響應(yīng), 記錄其氧化峰電流, 15d內(nèi)峰電流波動(dòng)幅度較小, 其電流響應(yīng)的平均值為(1.234±0.085)×10-6A(n=21), 電流響應(yīng)變化的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.4%. 使用21d后樣品在修飾電極上的響應(yīng)信號(hào)為最初的83.33%, 表明該修飾電極具有良好的穩(wěn)定性.

采用同一批次相同條件下制備的6只修飾電極檢測(cè)1.45×10-6mol/L的Rac, 所得結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.1%, 表明該電極具有良好的重現(xiàn)性. 而且, 用同一支修飾電極對(duì)1.45×10-6mol/L的Rac連續(xù)檢測(cè)5次, 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.7%, 說(shuō)明該電極具有良好的重復(fù)性.

2.8干擾實(shí)驗(yàn)

Fig.9　Effect of interferring substance on the modified electrode a. Rac; b. L-Leucine; c. L-Cysteine; d. L-Arginine; e. L-Alanine; f. L-Glycine; g. ascorbic acid; h. I-; i.j.l. Zn2+; m. Cle; n. Sal; o. Pea.

2.9分析應(yīng)用

采用MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合膜修飾電極對(duì)實(shí)際樣品中豬血清及豬尿樣中的Rac進(jìn)行了檢測(cè). 在預(yù)處理過(guò)的豬血清和豬尿樣中均未檢測(cè)到Rac. 采用標(biāo)準(zhǔn)加入法, 分別向預(yù)處理過(guò)的豬血清和豬尿樣溶液中加入不同濃度的Rac, 用修飾電極進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)算回收率. 由表1可知, 測(cè)得的回收率在95.4%～105.9%之間, 說(shuō)明該傳感器具有較好的準(zhǔn)確性, 可以用于實(shí)際樣品的檢測(cè).

Table 1　Application of MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs/GCE for determination of

3結(jié)論

制備了MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs復(fù)合膜修飾電極, 循環(huán)優(yōu)安測(cè)試結(jié)果表明該電報(bào)對(duì)Rac顯示出優(yōu)異的電催化氧化活性, 且Rac在該電極上的電化學(xué)行為為兩電子兩質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程. 將其應(yīng)用于豬血清及豬尿樣品中Rac的檢測(cè), 回收率達(dá)到95.4%～105.9%, 并顯示出良好的穩(wěn)定性、 重現(xiàn)性、 選擇性和靈敏性, 表明該修飾電極在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景.

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(Ed.:N,K)

?SupportedbytheNationalNaturalScienceFoudationofChina(Nos.21275022, 21545010, 31527803).

doi:10.7503/cjcu20160026

收稿日期:2016-01-13. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-04-15.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 21275022, 21545010, 31527803)資助.

中圖分類號(hào)O657.1; O646.54

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPsNanocompositeModifiedElectrodeforSensitiveDetectionofRactopamine?

XUNYan,CAOZhong*,SONGTianming,LüChaozhi,LIUFeng,HEJinglin,YANGRonghua

(Collaborative Innovation Center of Micro/nano Bio-sensing and Food Safety Inspection, Hunan Provincial Key Laboratory of Materials Protection for Electric Power and Transportation, School of Chemistry and Biological Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

AbstractA nanocomposite film of MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs was fabricated through self-assembly method. The surface morphologies of different composite modified glassy carbon electrodes(GCEs) were characterized by means of TEM and UV-Vis spectroscopy, and the cyclic voltammetry behaviors of ractopamine(Rac) were investigated. The results showed that the MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs composite exhibited significantly electrocatalytic activity towards oxidation of Rac. The results of differential pulse voltammetry showed that the electrode possessed a linear range of 0.036—4.5 μmol/L and a detection limit of 6.35 nmol/L(S/N≥3) with good stability, reproducibility and selectivity. The electrode can be well applied to determination of Rac in pork serum and pork urine with a recovery rate of 95.4%—105.9%, suggesting a potential application for actual samples in food security field.

KeywordsRactopamine; Reductive graphene oxide; Poly(diallyldimethylammonium chloride); MWCNTs-rGO/PDDA-AuNPs composite; Food safety inspection

聯(lián)系人簡(jiǎn)介: 曹忠, 男, 博士, 教授, 主要從事納米生物傳感與食品安全檢測(cè).E-mail:zhongcao2004@163.com