多壁碳納米管沉積膜電極的制備與多巴胺檢測

朱元海，張志凌

（1.東北石油大學 化學化工學院，黑龍江 大慶 163318；2.武漢大學 化學與分子科學學院，湖北 武漢 430072）

多壁碳納米管沉積膜電極的制備與多巴胺檢測

朱元海1*，張志凌2

（1.東北石油大學 化學化工學院，黑龍江 大慶 163318；2.武漢大學 化學與分子科學學院，湖北 武漢 430072）

采通過剪裁和羧基化成功制備了水溶性多壁碳納米管并采用恒電位沉積法將其修飾到電極表面。用掃描電鏡，拉曼光譜，電化學方法對修飾電極進行了表征。這種方法制備的電極具有很好的機械強度，性能穩(wěn)定，對多巴胺反應(yīng)非常靈敏。在5×10-8～2×10-6mol·L-1的范圍內(nèi)氧化電流與多巴胺的濃度成正比，2min富集后的檢測限可達3×10-9mol·L-1。

碳納米管；電化學沉積；拉曼光譜；多巴胺檢測

多巴胺（DA）是人體內(nèi)一種重要的神經(jīng)傳遞物質(zhì)，它參與許多生命過程[1]。腦內(nèi)多巴胺功能失調(diào)被認為是精神分裂癥和帕金森病的重要原因[2]。因此，體內(nèi)多巴胺的濃度的快速、靈敏檢測十分重要。

自碳納米管（CNTs）被發(fā)現(xiàn)以來，其獨特的結(jié)構(gòu)、良好的機械強度、大的比表面積、優(yōu)異的導電性能和化學穩(wěn)定性等引起了廣泛的關(guān)注[3]。用碳納米管構(gòu)建電化學生物傳感器在響應(yīng)電流、響應(yīng)時間和檢測線性范圍等均得到明顯的改善[4]。

碳納米管修飾電極檢測多巴胺國內(nèi)已有不少報道[5-9]。目前，修飾電極多采用滴涂法制備，機械強度往往不太好。本文研究用電沉積法制備碳納米管修飾電極及其對多巴胺的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

CHI660A電化學工作站（美國CHI公司）；三極系統(tǒng)：工作電極為玻碳電極（r=3mm）、參比電極為飽和甘汞電極（SCE）、鉑絲為對電極。透射電鏡（TEM）圖像是把樣品支撐在銅載網(wǎng)）（φ=150μm）上用80kV加速電壓在 JEM-100 CXⅡ（日本）電子顯微鏡拍攝。掃描電鏡圖像（SEM）在Hitachi X-650顯微鏡上完成。多壁碳納米管修飾膜的拉曼光譜在拉曼光譜儀）Renishaw,RM-1000,514.5nm,UK）上直接記錄，輸出功率限制在2.25mW以防止損傷碳納米管。

多壁碳納米管（MWCNTs）是中國科學院成都有機化學研究所提供，由化學氣相沉積法合成，直徑5～15nm，長度小于50μm，純度優(yōu)于95%；多巴胺購自Sigma公司，直接應(yīng)用無需進一步純化；所有水溶液都用去離子水制備，其它所用化學試劑都是分析純。

1.2 MCNTs的剪裁和羧基化

將 500mg獲贈的 MCNTs放入 100mL，2.0M HNO3回流12h，用二次蒸餾水反復洗滌純化，干燥備用。

200mg上述純化的MCNTs放入50mL比例為1:3濃硝酸和濃硫酸的混合液中，室溫下超聲3h。這樣處理的目的在于使MCNTs被剪切成小段，MCNTs表面部分碳原子被氧化成羧基。將MCNTs和酸的混合物稀釋，用二次蒸餾水反復洗滌，然后0.1M NaOH中和，再用去離子水反復抽濾，徹底純化。最后將得到的羧基化MCNTs收集保持80℃干燥過夜。

1.3 MCNTs稀溶液的制備

將1.5mg上述處理過的MCNTs加入3mL去離子水，超聲0.5h的相對穩(wěn)定的黑色懸浮液。該懸浮液靜置數(shù)日無沉淀生成，證明水溶性MCNTs制備成功。

任何多余電解質(zhì)的混入都會壓縮羧基化MCNTs的擴散層降低其穩(wěn)定性，特別是過量酸中的H+離子能有效降低表面電離度引起MCNTs團聚和沉降。羧基化MCNTs的純凈是電沉積實驗成敗的關(guān)鍵，因此要對MCNTs試樣進行反復洗滌以確保清潔干凈。

由于CNTs間強大的范德華力無法將其直接制成溶液特別是水溶液使其應(yīng)用受到了極大的限制。迄今這方面已獲得了很多進展，人們已經(jīng)可以通過表面活性劑[10]，聚合物[11]或?qū){米管表面進行化學修飾[12]將碳納米管分散到溶液中。Smalley課題組最早通過剪裁和羧基化成功制備了具有水溶性單壁碳納米管（SCNTs）[13]。

1.4 電沉積法制備MCNTs修飾膜

電沉積法制備MCNTs修飾膜之前要對玻碳電極用粒徑分別為1.0μm,0.3μm and 0.05μm Al2O2漿狀體進行拋光，沖洗，然后在去離子水中超聲3min。將5mL的小燒杯裝入3mL濃度為0.5mg·mL-1的功能化MCNTs懸浮液，插入三級系統(tǒng)，將工作電極初始電位設(shè)定在+1.7V開始恒電位沉積。實驗過程中使用磁力攪拌器不斷攪拌懸浮液。大約1.5h以后電極表面生成一層MCNTs薄膜，因時間長短和膜的厚度不同呈現(xiàn)光亮的黑色或深棕色。

2 結(jié)果與討論

2.1 MCNTs溶液的透射電鏡圖像

剪裁和羧基化的MCNTs的純度和形貌用透射電鏡）TEM）考查（圖 1）。

圖1 MCNTs的透射電鏡圖像Fig.1 TEM image of as-treated MCNTs

從圖1可以看出看出處理后的MCNTs已非常純凈，在水溶液中分散良好，不再糾纏在一塊；剪裁后的納米管已經(jīng)變短，平均直徑約為8～15nm。

帶負電MCNTs粒子間的庫倫排斥作用是懸浮體穩(wěn)定的主要原因。中和后的羧基化MCNTs基團由-COOH轉(zhuǎn)變?yōu)?-COO-Na+，后者在水中完全電離，顯著的提升了羧基化MCNTs的穩(wěn)定性和溶解性。

2.2 MCNTs沉積膜的掃描電鏡圖像

沉積膜的質(zhì)量，厚度和均勻性用掃描電鏡（SEM）表征（圖 2）。

圖2 MCNTs沉積膜的掃描電鏡圖像Fig.2 SEM images of deposition film on GCE surface

從圖2看出，多數(shù)沉積的MCNTs不是平躺在電極表面，它們傾向于弓起，扎堆生長，卷曲的外形顯示MCNTs存在結(jié)構(gòu)缺陷[14]。表面張力，納米管間的范德華引力和納米管與電極表面間的吸附作用都能夠扭曲MCNTs。MCNTs在電極表面簇狀外形說明它們優(yōu)先聚集在已經(jīng)吸附納米管的點位，這歸因于MCNTs大的比表面積和碳納米管上羧基和其它氧化基團間的氫鍵作用。從微觀上看沉積膜是不均勻的，但宏觀上看仍然均勻。

用作修飾電極的MCNTs主要應(yīng)用其電催化功能，MCNTs表面缺陷和斷裂處都可能成為催化活性中心，所以適當?shù)募舨煤汪然怯欣摹?/p>

2.3 MCNTs沉積膜的拉曼光譜

拉曼光譜普遍用于表征碳材料，圖2是電極表面拉曼光譜圖像。1585cm-1（G峰）是石墨的典型振動帶，可以指認為MCNTs層狀結(jié)構(gòu)的面內(nèi)伸縮振動[15]。1350 cm-1是（D峰）石墨內(nèi)位錯結(jié)構(gòu)缺陷引起，也是結(jié)構(gòu)缺陷程度的反映[16]。圖3b說明MCNTs已經(jīng)沉積到電極表面，而且氧化后的MCNTs具有很高程度的結(jié)構(gòu)缺陷。

圖3 a剪裁和羧基化后的MCNTs拉曼光譜;b沉積膜的拉曼光譜Fig.3 （a）Raman spectra ofMCNTs after oxidized treatment（b）Raman spectra ofMCNTs film on GCE surface

2.4 MCNTs沉積膜的伏安行為

將處于高電勢下的沉積膜電極放入pH值為6.0的磷酸緩沖溶液（PBS）中在-0.5V的電勢下靜置10m in使處于氧化態(tài)的MCNTs徹底還原，接著反復掃描直到電極逐步穩(wěn)定下來。選擇掃描速率0.1Vs-1，掃描電勢-0.3V、-0.9V，在pH值為6.0的PBS中掃描7圈，電極第二圈即開始穩(wěn)定（圖4）。在0.089V和-0.071V處出現(xiàn)的一對氧化還原峰是碳納米管的一對征氧化還原峰峰。當電勢高于0.8V低于-0.2V時MWNTs沉積膜的背景電流迅速增大，這可能是極端電勢引起了雙電層結(jié)構(gòu)改變增大了充電電流的緣故。實驗完畢后將修飾電極取出用二次蒸餾水沖洗在空氣中放置過夜，峰電流和峰電勢基本不變，說明MWNTs沉積膜電極穩(wěn)定性良好。

圖4 沉積膜修飾電極的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms ofMWNT film on GCE

2.5 MCNTs沉積膜電極檢測多巴胺

碳納米管修飾電極對很多生物分子都有催化活性。本文以人體內(nèi)重要的神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺（DA）為例說明MCNTs沉積膜電極可作為一個很好的生物傳感器。

在0.1molL-1PBS（pH=7）中，濃度為3×10-6mol·L-1DA在未修飾的裸電極上幾乎沒有相應(yīng)；而在MCNTs沉積膜電極上出現(xiàn)一對明顯的氧化還原峰（圖5）。顯然MCNTs沉積膜電極對DA的電極反應(yīng)有明顯的催化效應(yīng)。DA電極反應(yīng)的氧化還原峰電勢差約28mV，可以判斷是一個準可逆雙電子轉(zhuǎn)移過程[17]。

圖5 3×10-6mol L-1DA在裸電極和修飾電極循環(huán)伏安圖比較（虛線為背景電流，掃描速率0.1Vs-1）Fig.5 Cyclic voltammogramms at a bare（inner）and modified GCE（outer） in the absence of DA（dashed lines） and in3×10-6mol L-1DA（solid line）.Scan rate:0.1Vs-1

在0.1mol L-1PBS中用循環(huán)伏安法測量了pH值從5.5到9.5的氧化峰電勢。結(jié)果顯示隨著pH值的增加氧化還原峰電勢直線下降，斜率55.1mV/pH。這一數(shù)值與理論值59mV/pH）22℃）非常接近，說明DA電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)與參與反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)一樣多。多巴胺的電極反應(yīng)過程可表示為：

在0.1～0.7Vs-1范圍內(nèi)測量陽極電流和陰極電流與掃描速率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們皆與掃描速率的平方根成正比。這個結(jié)果表明DA的氧化過程和還原過程皆是擴散控制。

將電位設(shè)定在1.8V，DA的濃度增量1×10-7mol·L-1，在pH=7.0的PBS中進行計時電流實驗（圖6）?？梢钥闯鲂揎楇姌O對連續(xù)濃度變化非常敏感，響應(yīng)快速。

圖6 MWNTs沉積膜電極對DA的電流響應(yīng)Fig.6 Amperometric responses of the deposited MCNT film modified GCE to successive additions of DA

用伏安法研究DA氧化峰電流與酸度關(guān)系，結(jié)果表明在pH值為7附近達到最大，是測量DA的最佳酸度。這個結(jié)果可以做如下解釋：參照乙酸中羧基的p Ka=4.75，估計碳納米管上的羧基在pH值大于4.75時主要以陰離子形式存在，在pH值為7左右完全以陰離子形式存在[18]。多巴胺的兩個酚羥基很容易通過氫鍵電離的羧基陰離子結(jié)合，形成有利于氧化的方位。而pH過高是不利的，它不僅不能繼續(xù)提升電極表面的負電性，反而使DA中酸性較強的酚羥基電離帶上負電，不利于表面吸附和氧化。

圖7 氧化電流與DA濃度的關(guān)系（pH=7 PBS中）Fig.7 Dependence of the anodic peak currents on the DA concentration in a range of 5×10-8～2×10-6mol·L-1

開路富集 60s，在 5×10-8mol L-1～2×10-6mol L-1濃度范圍內(nèi)陽極峰電流與DA的濃度成線性關(guān)系（圖 7），靈敏度約 3μA/μmol·L-1。增加膜的厚度可以提高修飾電極的靈敏度，但對低濃度檢測不利的背景電流同樣增加。為了保持較高的靈敏度和較低的檢測限，實驗表明背景電流最好不要超過10μA。

在去離子水中超聲15m in陽極峰電流下降約30%，MWNTs沉積膜電極顯示很好的機械強度和穩(wěn)定性。在PBS中對濃度為3×10-6mol L-1DA連續(xù)測定7次的標準偏差僅為2.1%，富集2min后的檢測限可達 3×10-9mol·L-1。

DA濃度為10-6mol·L-1時，加入100的葡萄糖和尿素不干擾測定，常見的無機離子Na+，K+，NH4+，等對測定均無影響。

3 結(jié)論

MWNTs沉積膜修飾電極由于制備方法無需借助于表面活性劑或聚合物，提供了更多的活性點位，顯著的增加了測量靈敏度。這種方法制備的電極同樣顯示了突出的穩(wěn)定性，重現(xiàn)性，相應(yīng)快，檢測限低等優(yōu)點。

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Preparation ofmulti-wall carbon nanotubemodified electrode and its sensitive detection of dopam ine

ZHU Yuan-hai1，ZHANG Zhi-ling2
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering,North East Petroleum University,Daqing,163318，China；2.College of Chemistry and Molecular Science,Wuhan University,Wuhan 430072 China）

With concentrated nitric and sulphuricmixture carboxylated and water-soluble MCNTswas prepared successfully.A multi-wall carbon nanotube-modified glassy carbon wasmade by direct electrochemical deposition of the carbon nanotubes on it from aqueous solution.The MWNTs thin film was characterized by scanning electron microscopy,Raman spectroscopy and electrochemical techniques.The as-prepared MWNTmodified electrode is robust,stable and exhibits remarkable sensitive to dopamine.In the range of 5×10-8～2×10-6mol·L-1,the anodic peak current increases linearly with the concentration of dopamine,and the detection limit can reach 3×10-9mol·L-1after 180s of accumulation.

scarbon nanotubes;electrochemical deposition;Raman spectroscopy;detection of dopamine

O657.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170480

2017-01-17

朱元海（1963-），男，碩士，教授，1990年畢業(yè)于武漢大學，從事物理化學與分析化學方面的教學與研究工作。