納米Cu2O/氮摻雜石墨烯復(fù)合修飾電極對多巴胺的電化學(xué)分析研究

梁秀麗， 吳芳輝*， 江彬彬， 徐 帆， 劉飛躍， 黃曉潔

(安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

多巴胺(DA)是一種神經(jīng)遞質(zhì)，它對于中樞神經(jīng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、腎臟和心血管系統(tǒng)發(fā)揮正常功能具有重要作用，因此，DA的測定在生物化學(xué)、生命科學(xué)、疾病診斷和藥物控制等方面具有重要的意義[1]。目前已報道了多種化學(xué)修飾電極用于測定DA，較為常見有導(dǎo)電聚合物[2]、金屬化合物[3]、生物活性分子[4]以及碳納米管[5]等。近年來，具有特殊性能的石墨烯成為研究的熱點，而氮摻雜石墨烯相對于石墨烯具有更大的比表面積、更大的活性基團、更好的水溶性以及更佳的導(dǎo)電性和生物相容性[6,7]。納米Cu2O現(xiàn)被廣泛用于太陽能電池、光催化降解和傳感器等領(lǐng)域[8-14]。但有關(guān)納米Cu2O和氮摻雜石墨烯復(fù)合材料制作修飾電極，用于檢測生物和藥物分子的報道極少。

本文采用簡單的化學(xué)還原法將Cu2O納米顆粒均勻的負載在氮摻雜石墨烯(NG)表面，同時將能減少表面負電荷活性大分子干擾的Nafion[15]修飾至玻碳電極(GCE)上，并研究了DA在該修飾電極上的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，該復(fù)合物修飾電極由于增大了氧化還原峰電流，降低了氧化還原峰之間的電位差而對DA表現(xiàn)出良好的催化活性。催化電流與DA濃度在一定范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性范圍比文獻分別報道的杯芳烴[16]和聚合物[17]修飾電極測定DA的寬，檢測限低，并且等量的抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)和其它常見的共存物質(zhì)不干擾測定。納米Cu2O/NG復(fù)合材料由于發(fā)揮了協(xié)同作用而在生物和藥物電化學(xué)分析領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

CHI660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)，采用三電極體系：GCE(Φ=3 mm)、Cu2O/NG/Nafion/GCE為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對電極；S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)(日本，日立公司)；XRD-6000 X-射線粉末衍射儀(日本，島津公司)；X-射線光電子能譜分析(XPS)(Thermo ESCALAB 250XI,美國)。

多巴胺(DA)、抗壞血酸(AA)和尿酸(UA)標準品，均購于百靈威科技有限公司。氮摻雜石墨烯(3%～5%，wt%)購于南京先豐納米材料科技有限公司。其它試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 納米Cu2O/NG復(fù)合材料的制備

稱取 4 mg NG 于4 mL水中并超聲使其分散均勻，吸取1.2 mL 0.05 mol/L CuCl2溶液緩慢加入上述NG分散液中，持續(xù)攪拌2 h，再加入1.8 mL 0.2 mol/L NaOH溶液并攪拌10 min。最后加入5 mL 0.023 L-抗壞血酸并攪拌2 h。反應(yīng)所得到的沉淀物用離心機分離，并用水和無水乙醇洗至中性后，將沉積物于真空干燥箱中干燥12 h。

1.3 修飾電極的制備

稱取 4 mg納米Cu2O/NG復(fù)合材料，加入2 mL含0.05% Nafion 的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，超聲震蕩1 h，形成濃度為2 mg/mL的穩(wěn)定、均一的Cu2O/NG/Nafion分散液。將GCE依次放在HNO3(1+1)、丙酮和無水乙醇中各超聲洗滌3 min，然后用0.05 μm的Al2O3粉拋光成鏡面。最后在GCE表面滴加6 μL 制備好的納米Cu2O/NG復(fù)合材料懸浮液，于真空下自然晾干，即制得納米Cu2O/NG/Nafion復(fù)合材料修飾電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米Cu2O/NG復(fù)合材料的表征

利用X-射線粉末衍射(XRD)對制備的納米Cu2O/NG復(fù)合材料進行表征，如圖1A所示。根據(jù)Cu2O的標準圖譜，其2θ角分別為29.65°、36.43°、42.49°、61.40°和73.53°的特征峰分別對應(yīng)Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面的衍射。將該XRD衍射圖與標準圖庫(JCPDS No.05-0667)中對比后發(fā)現(xiàn)樣品中沒有摻雜其它的雜質(zhì)，表明合成的納米Cu2O/NG復(fù)合材料的純度較高。

采用SEM分別對納米Cu2O負載NG材料前后的形貌進行了表征，如圖1B所示。負載前納米Cu2O呈顆粒狀，粒徑約為50 nm。從圖1C中可以看出，納米Cu2O已經(jīng)均勻的負載在NG的表面。

圖1 (A)納米Cu2O和納米Cu2O/NG復(fù)合材料的XRD圖;(B)、(C)納米Cu2O和納米Cu2O/NG復(fù)合材料的SEM圖Fig.1 (A)XRD image of nano Cu2O and nano Cu2O/NG composite material；(B) and (C)SEM image of nano Cu2O and nano Cu2O/NG composite material,respectively

2.2 多巴胺在不同修飾電極上的循環(huán)伏安響應(yīng)

在0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，不同修飾電極在含0.5 mmol/L DA或不含DA溶液中的循環(huán)伏安圖如圖2所示。在空白底液中，因為修飾了納米復(fù)合材料，Cu2O/NG/Nafion/GCE相對于Cu2O/Nafion/GCE、NG/Nafion/GCE和GCE具有更大的背景電流，而且修飾有納米Cu2O的電極在-0.2 V左右有一對準可逆的氧化還原峰，對應(yīng)著Cu2O氧化成CuO，繼而CuO又還原成Cu2O，表明納米Cu2O材料已經(jīng)成功修飾到GCE表面[18]。在體系中加入0.5 mmol/L DA溶液后，修飾電極均對其響應(yīng)并出現(xiàn)了一對氧化還原峰。經(jīng)過比較可知，裸GCE(圖2A)對DA響應(yīng)電流最小，響應(yīng)電位偏正，一對準可逆的氧化還原峰峰形較差，而且峰電位差最大。NG/Nafion/GCE(圖2B)、Cu2O/Nafion/GCE(圖2C)和Cu2O/NG/Nafion/GCE(圖2D)相對于裸GCE具有更大的響應(yīng)電流(氧化峰電流分別增大了2.9、1.7和6.3倍)，響應(yīng)電位明顯負移，峰電位差分別減小了105、38和115 mV。表明Cu2O/NG/Nafion/GCE因為發(fā)揮了納米Cu2O和NG之間的協(xié)同作用，從而對DA表現(xiàn)出最高的催化活性。

圖2 不同電極在含和不含0.5 mmol/L DA的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of different electrodes in the presence and absence of 0.5 mmol/L DA in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) GCE(A),NG/Nafion/GCE(B),Cu2O/Nafion/GCE(C)and Cu2O/NG/Nafion/GCE(D).

2.3 測定條件的優(yōu)化

2.3.1介質(zhì)pH值的影響研究了pH在5.0至8.5之間緩沖介質(zhì)的pH值對復(fù)合修飾電極測定DA的影響(圖略)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在pH為7.0的0.1 mol/L PBS中氧化還原峰峰形最好，峰電流最大。在上述pH范圍內(nèi)，氧化還原峰電位均隨pH值的增大呈線性降低，氧化峰電位與pH之間的線性方程為：Ep=-0.066pH+0.657，r=0.9912。表明DA是等電子等質(zhì)子參與電極反應(yīng)，這與文獻報道[19]一致。實驗選擇pH為7.0的接近人體生理環(huán)境的PBS(0.1 mol/L)作為緩沖介質(zhì)。

2.3.2修飾劑用量的影響研究了修飾劑用量在2～10 μL范圍內(nèi)對復(fù)合修飾電極測定DA的影響，結(jié)果表明修飾劑用量在小于6 μL時，催化電流隨著修飾劑用量的增大而增大，但是超過6 μL后，由于電阻增大，催化電流反而降低，所以選擇6 μL作為修飾劑的最佳用量。

2.3.3掃描速度的影響在0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，掃速在50～400 mV/s范圍，0.5 mmol/L DA在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的循環(huán)伏安圖如圖3A所示。結(jié)果表明，修飾電極對DA的催化電流隨著掃速的增加而增加，且DA的氧化峰電流(Ipa)和還原峰電流(ipc)與掃速(v)在50～400 mV/s之間存在良好的線性關(guān)系，線性方程為：ipa(μA)=-4.2557-0.0428v(mV/s)，R=0.9984;ipc(μA)=0.6335+0.0570v(mV/s)，R=0.9984(圖3B)。表明DA在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的反應(yīng)受吸附過程控制。后續(xù)實驗選擇掃速為50 mV/s。

圖3 (A)掃速對0.5 mmol/L DA氧化還原電流的影響;(B)DA的氧化還原峰電流與掃速之間的關(guān)系圖Fig.3 (A) The effect of scan rate on the peak current of 0.5 mmol/L DA;(B) Calibration curve between catalytic current and scan rate(a)-(i):50,75,100,150,200,250,300,350,400 mV/s.

2.4 修飾電極對多巴胺的安培響應(yīng)

在最佳實驗條件下，采用計時電流法在0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，于工作電位為+0.19 V連續(xù)測定不同濃度的DA，如圖4A所示?？梢钥闯?，修飾電極在加入0.1 mmol/L DA時其催化電流于2 s內(nèi)達到穩(wěn)定值，表明對DA響應(yīng)速度較快。該修飾電極對DA催化響應(yīng)電流及其濃度之間的校正曲線如圖4B所示，其催化電流與濃度在0.5～700 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為：ip(μA)=1.7309+0.1998c(μmol/L)，r=0.9943，檢測限為0.17 μmol/L。

圖4 (A)Cu2O/NG/Nafion/GCE對不同濃度DA溶液的安培響應(yīng)圖(插圖為Cu2O/NG/Nafion/GCE對低濃度多巴胺溶液的安培響應(yīng)圖)；(B)Cu2O/NG/Nafion/GCE對DA響應(yīng)的線性曲線圖Fig.4 (A)Chronoamperometry of different concentrations of DA at Cu2O/NG/Nafion modified electrode (inset is Chronoamperometry of low-concentration DA at Cu2O/NG/Nafion modified electrode);(B)Calibration curve between current and DA concentration

圖5 0.5 mmol/L DA(a)、AA(b)和UA(c)在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of 0.5 mmol/L DA(a),AA (b)and UA (c) at Cu2O/NG/Nafion/GCE

2.5 干擾實驗、重現(xiàn)性及穩(wěn)定性

分別研究了抗壞血酸(AA)和尿酸(UA)在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的循環(huán)伏安行為，如圖5 A所示。結(jié)果表明，0.5 mmol的AA在復(fù)合修飾電極上沒有響應(yīng)(曲線b)，而加入0.5 mmol/L的UA時，修飾電極于+0.303 V出現(xiàn)了UA的氧化峰(曲線c)，并且與DA的氧化峰電位差為130 mV，等量的 AA和UA對DA的測定幾乎沒有影響。同時研究了體系中其它可能的共存物質(zhì)對Cu2O/NG/Nafion復(fù)合修飾電極的干擾。在0.5 mmol/L的DA溶液中加入100倍的NaCl、KCl、CuSO4；10倍的AlCl3、檸檬酸、L-組氨酸、MnSO4、CoSO4；5倍的葡萄糖對測定幾乎無影響，表明該修飾電極有很好的選擇性。運用該修飾電極對0.5 mmol/的DA平行測定10次，相對標準偏差(RSD)為4.20%，表明該修飾電極具有良好的重現(xiàn)性。該修飾電極在4 ℃下保存一個星期并運用計時電流法測定0.5 mmol/L的DA，其氧化電流仍能達到原始電流的93.0%，表明該修飾電極具有良好的穩(wěn)定性。

2.6 樣品分析

準確移取鹽酸多巴胺注射液1.0 mL并定容至100 mL容量瓶中，然后移取l.0 mL稀釋液，置于另一10 mL容量瓶中，用pH=7.0的0.1 mol/L PBS稀釋至刻度，按以上實驗方法測定。向上述樣品中各加入10 μL 5 g/L的DA標準溶液，測得的結(jié)果見表1。

表1 多巴胺注射液的測定結(jié)果(n=6)

3 結(jié)論

本文采用簡單的化學(xué)還原法制備了納米Cu2O/NG復(fù)合納米材料，并用X射線粉末衍射、掃描電子顯微鏡對其進行了表征。將這兩種材料添加Nafion制作成復(fù)合修飾電極，并研究了DA在該修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)。實驗結(jié)果表明，與各自單一納米材料修飾電極相比，該復(fù)合材料修飾電極由于發(fā)揮了納米Cu2O和氮摻雜石墨烯之間的協(xié)同作用，從而對DA表現(xiàn)出顯著的電催化活性，等量的AA和UA對DA的測定幾乎沒有影響，并且測定的穩(wěn)定性和重復(fù)性較好，表明納米Cu2O/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料可用于實際藥物中活性成分的電化學(xué)檢測。