基于多壁碳納米管—氧化鎢納米復(fù)合材料的多巴胺電化學(xué)傳感器

黃海平 呂連連 陳重鎮(zhèn) 陳亞南 王麗萍 陳英

摘 要 通過電化學(xué)沉積法制備多壁碳納米管-氧化鎢（MWCNTs-WOx）納米復(fù)合材料，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜分析儀（XPS）對其形貌和組成進行表征。制備了復(fù)合材料修飾的玻碳電極，采用電化學(xué)阻抗（EIS）技術(shù)對修飾電極進行表征。采用循環(huán)伏安（CV）法研究了多巴胺（DA）在修飾電極上的電化學(xué)行為，以差分脈沖伏安（DPV）法建立DA檢測方法。結(jié)果表明，在pH=6.5磷酸鹽緩沖液（PBS）中，MWCNTs-WOx納米復(fù)合材料對多巴胺有明顯的電催化作用。在優(yōu)化的條件下，氧化峰電流與DA濃度在0.05～1.00 mmol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限為17 μmol/L（S/N=3）。 此電化學(xué)傳感器具有良好的重現(xiàn)性、選擇性及較強的抗干擾能力， 尿酸（UA）不影響DA的定量檢測。將此方法用于鹽酸多巴胺注射液的含量檢測，效果良好。

關(guān)鍵詞 多壁碳納米管； 氧化鎢； 多巴胺； 電化學(xué)傳感器

1 引 言

多巴胺（Dopamine，DA），又稱4-（2-乙胺基）苯-1，2-二酚，是一種腦內(nèi)分泌神經(jīng)遞質(zhì)，是典型的兒茶酚胺類物質(zhì)，與愉悅和興奮的情緒有關(guān)。若人體內(nèi)DA含量低，則會失去控制肌肉的能力，嚴重時會引起帕金森癥[1]、阿爾茨海默氏癥[2]和精神分裂癥等疾病[3]，因此多巴胺與人類的健康密切相關(guān)[4]。目前，已報道的測定DA的方法有高效液相色譜法[5]、流動注射化學(xué)發(fā)光法[6]、分光光度法[7]、電化學(xué)分析法[8]等。其中，電化學(xué)分析法因具有操作簡單、靈敏度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。在電化學(xué)測量過程中，尿酸（UA）和DA氧化峰電位比較接近，當兩者共存時常相互干擾[9]，因此在實際應(yīng)用中，需降低或消除UA的干擾[10]。

碳納米管（CNTs）[11]自1991年被Iijima[12]發(fā)現(xiàn)以來，因其獨特的電學(xué)性能、生物相容性好、穩(wěn)定性高、吸附能力強，引起研究者的極大關(guān)注[13，14]。碳納米管具有高度疏水性，其內(nèi)在的范德華力及-共軛效應(yīng)相互作用，使得CNTs可與一些化合物相結(jié)合，形成納米復(fù)合材料[15]。Sangamithirai等[16]將鄰氨基苯甲醚 （POA）吸附在CNTs上，制備POA/CNTs納米材料，構(gòu)建DA電化學(xué)傳感器，檢測范圍為10.0～260.0 μmol/L ，檢出限為0.12 μmol/L 。Zhang等[17]制備CDP-GS-MWCNTs納米復(fù)合材料，檢測DA、UA和NO2， 一維碳納米管及二維石墨片構(gòu)成了三維結(jié)構(gòu)大大提高了該傳感器的靈敏度。

作為典型的過渡金屬氧化物，氧化鎢（WOx）因其具有高比表面積、高化學(xué)穩(wěn)定性、良好的生物相容性和量子限制效應(yīng)等特點，以及結(jié)構(gòu)較靈活、獨特的光催化和電學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用在光降解、鋰離子電池、光電催化、氣體傳感器和生物傳感器等領(lǐng)域[18]。WOx具有良好的導(dǎo)電性、較低的氧化還原電勢，能夠增強氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移，可充當電子媒介。

本研究利用MWCNTs生物相容性好以及WOx的獨特性能，考察了納米材料 MWCNTs-WOx的電催化能力及其電化學(xué)傳感能力。通過電沉積法將過渡金屬氧化物WOx修飾在MWCNTs材料上，構(gòu)建檢測多巴胺的電化學(xué)傳感器。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對MWCNTs-WOx進行結(jié)構(gòu)表征，采用循環(huán)伏安法（CV）、差分脈沖伏安法（DPV）、電化學(xué)阻抗（EIS）技術(shù)對修飾電極的制備過程及電化學(xué)行為進行分析。結(jié)果表明，在UA與DA共存的情況下，分離效果較好，UA的存在不干擾DA的測定。所制備的MWCNTs-WOx納米復(fù)合材料修飾電極對多巴胺具有高靈敏度和高選擇性，可用于實際樣品的分析。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CHI660D型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）； MLA650F型掃描電子顯微鏡（美國 FEI公司）； Escalab 250Xi型X射線光電子能譜（Thermo Fisher Scientific）； Autolab PGSTAT12 電化學(xué)交流阻抗儀（Ecochemie，BV，荷蘭）。電化學(xué)測量采用三電極體系： 玻碳電極（GCE）作為工作電極（Φ=4 mm），鉑絲電極為對電極，甘汞（飽和KCl溶液）電極為參比電極。

MWCNTs（深圳納米港有限公司）； WCl6（上海麥克林生化科技有限公司）； 多巴胺（DA）、尿酸（UA）均購自Sigma公司。N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、濃HNO3等為分析純。0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液（PBS）由NaH2PO4、Na2HPO4和KCl配制，實驗所用支持電解液預(yù)先通入高純氮氣除氧； 2 mmol/L [Fe（CN）6]3/4溶液（由0.2112 g K4[Fe（CN）6]、0.1646 g K3[Fe（CN）6]、1.8638 g KCl溶于250 mL H2O配制而成）； 實驗用水為Millipore純水機制備的超純水。

2.2 修飾電極的制備

2.2.1 電極的處理 將玻碳電極分別用0.3、0.05和1.0 μm的α-Al2O3粉末在拋光絨布上打磨，依次用乙醇和超純水洗滌，然后于含有0.1 mol/L KCl的2 mmol/L [Fe（CN）6]3/4溶液中在0.1～0.5 V的電位范圍內(nèi)進行CV掃描，用超純水潤洗，待用。

2.2.2 MWCNTs修飾電極的制備 MWCNTs在濃HNO3溶液中油浴5 h（在攪拌狀態(tài)下），進行功能化，得到羧基功能化MWCNTs[19]。稱取3.0 mg功能化MWCNTs溶于1.0 mL DMF中，將打磨好的玻碳電極表面用高純氮氣吹干， 移取5 mL MWCNTs-DMF溶液滴加到電極表面，在室溫下過夜干燥，得到MWCNTs修飾電極。

2.2.3 MWCNTs-WOx納米復(fù)合材料修飾電極的制備 在含有1 mmol/L WCl6的磷酸鹽緩沖溶液（pH=6.5）中，以MWCNTs修飾電極為工作電極，在1.1～0.5 V電勢范圍內(nèi)，以100 mV/s的掃速循環(huán)掃描35圈，超純水洗滌，于25℃環(huán)境下干燥，得到納米復(fù)合材料修飾電極。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品的表征

如圖1A所示，MWCNTs呈管狀，分布均勻，表面較光滑，彼此之間結(jié)構(gòu)緊湊； 圖1B是MWCNTs-WOx納米復(fù)合材料的SEM圖，納米材料管狀脈絡(luò)清晰，管壁凸起，結(jié)構(gòu)疏松，表明此納米復(fù)合材料制備成功。利用XPS技術(shù)對材料的元素組成進行表征（圖1C），從MWCNTs-WOx的XPS總圖可見，電極表面復(fù)合物的組成主要有3種元素C、O和W，C1s的結(jié)合能284.60 eV， O1s的結(jié)合能在532.69 eV，W元素則在4個位置（W4f7/2、W4f5/2、W4p5/2、W4p3/2）出峰[20]。同時XPS光譜可以提供復(fù)合物的價態(tài)信息。為進一步確認復(fù)合材料中W的價態(tài)，對W的XPS譜圖（圖1D）進一步分析可知，36.51 eV處的譜峰對應(yīng)于六價鎢W4f5/2的結(jié)合能，33.25 eV對應(yīng)于五價鎢W4f7/2的結(jié)合能，31.28 eV對應(yīng)于四價鎢的結(jié)合能，表明負載在MWCNTs上的是多價態(tài)氧化物WOx[21]。

3.2 MWCNTs-WOx的電化學(xué)表征

電化學(xué)阻抗譜圖中，高頻區(qū)的半圓直徑大小對應(yīng)于電極的電子傳遞阻抗值（Ret）。由圖2A可見，[Fe（CN）6]3/4在裸GCE上的阻抗曲線呈現(xiàn)明顯半圓，說明電子在GCE膜上的轉(zhuǎn)移阻抗相對較大； [Fe（CN）6]3/4在MWCNTs/GCE和MWCNTs-WOx/GCE的阻抗譜 （由線b和c）在高頻部分未出現(xiàn)半圓部分，表明反應(yīng)主要是受擴散控制的過程，[Fe（CN）6]3/4容易在電極表面發(fā)生反應(yīng)，說明MWCNTs及MWCNTs-WOx材料加速了電子轉(zhuǎn)移，使電極的導(dǎo)電性能增強， WOx的引入提高了電子在修飾電極膜上的轉(zhuǎn)移速率。圖2B是MWCNTs/GCE在1 mmol/L WCl6溶液中電沉積過程的CV圖，在1.1～0.5 V的電位下掃描35圈，CV曲線在第35圈時電流達到最大值，電流峰值的增大表明WOx在電極表面吸附和沉積。

3.3 MWCNTs-WOx修飾電極的電化學(xué)性能

考察了不同修飾電極在[Fe（CN）6]3/4溶液和DA溶液中的電化學(xué)行為。由圖3A可見， [Fe（CN）6]3/4在MWCNTs-WOx修飾電極表面發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，出現(xiàn)一對明顯的氧化還原峰，且電流差值最大。MWCNTs 修飾電極的氧化還原峰相對較弱，電流差也相對較小，相比之下裸電極的電流差最小，說明MWCNTs-WOx可以大大增強[Fe（CN）6]3/4在電極表面的電子轉(zhuǎn)移能力。將不同修飾電極分別放入含1 mmol/L DA的PBS溶液中（pH 6.5）進行測定（圖3B）， MWCNTs-WOx修飾電極出現(xiàn)強氧化峰和較弱的還原峰，而MWCNTs修飾電極的氧化峰和還原峰相對較弱，裸電極只有較小的氧化峰出現(xiàn)，表明MWCNTs-WOx納米復(fù)合材料對DA具有良好的電催化性能。

3.4 影響MWCNTs-WOx電化學(xué)行為的因素

3.4.1 pH值對MWCNTs-WOx的電化學(xué)行為的影響 考察了溶液pH值為6.0、6.5、7.0和7.5時，多巴胺在MWCNTs-WOx/GCE上的氧化峰電位（Epa）和峰電流（Ipa）。由圖4A可見，Epa隨著溶液pH值的增加而負移，且Epa與pH值呈良好的線性關(guān)系（圖4B），線性方程為Epa （V） = 0.5769- 0.0611pH （R2=0.9993），表明在整個電化學(xué)反應(yīng)過程中有質(zhì)子的參與。當pH=6.5時氧化峰電流最大，因此選擇電化學(xué)測定多巴胺的最佳pH值為6.5。

3.4.2 掃速對 MWCNTs-WOx/GCE 電化學(xué)行為的影響 在不同掃速（v）下，研究了掃描速度對多巴胺峰電流的影響。圖5A為MWCNTs-WOx/GCE在1 mmol/L DA中的循環(huán)伏安曲線，結(jié)果表明，在10～500 mV/s范圍內(nèi)， 氧化峰電流（Ipa）和還原峰電流（Ipc）分別與掃速（v）呈線性關(guān)系（圖5A）。氧化峰電流與掃速的線性方程：Ipa（μA）= 0.2624v （mV/s）+29.6820，相關(guān)系數(shù)為0.9972。還原峰電流與掃速的線性方程：Ipc（μA）=-0.2374v （mV/s）-1.4316，相關(guān)系數(shù)為0.9987。因此，推測DA在修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)是表面吸附控制過程。

3.4.3 濃度對MWCNTs-WOx的電化學(xué)行為的影響 采用MWCNTs-WOx/GCE修飾電極對不同濃度的DA溶液進行循環(huán)伏安檢測。由圖6A所示，隨著DA濃度在0.05～1.00 mmol/L范圍內(nèi)不斷增加，DA的氧化峰電流不斷增大，還原峰電流不斷減小，并且峰電流與DA濃度呈線性相關(guān)。氧化峰電流與濃度的線性方程：Ipa（μA）=108.573CDA（mmol/L）+14.2575，相關(guān)系數(shù)為0.9972，檢出限為17 μmol/L （S/N=3）。還原峰電流與濃度的線性方程：Ipc（μA）=45.8617CDA （mmol/L）-14.6329，相關(guān)系數(shù)為0.9898（圖6B）。說明MWCNTs-WOx對DA具有良好的電催化性能，可大大提高電極表面的電子轉(zhuǎn)移能力。與其它檢測DA的方法相比（見表1），本方法的線性范圍較寬，檢出限較低。

3.5 干擾實驗

因為UA對DA的電化學(xué)響應(yīng)具有較強的干擾性考察了UA存在下對DA進行DPV測定的情況（圖7）。隨著DA濃度在0.05～1.00 mmol/L范圍內(nèi)逐漸增長，DA的氧化峰電流也逐漸增大，UA氧化峰變化不大，對DA濃度影響較小，表明MWCNTs-WOx材料具有很好的抗干擾性，一定濃度UA不會影響DA的電化學(xué)測定。

3.6 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性實驗

將制備的3支MWCNTs-WOx/GCE修飾電極在PBS （pH 6.5）溶液中檢測，電化學(xué)響應(yīng)電流的相對標準偏差（RSD）為2.7%。同樣條件下制備3支修飾電極， 檢測1 mmol/L DA溶液（PBS，pH 6.5），電化學(xué)響應(yīng)電流的RSD為2.9%，表明修飾電極的制備過程具有良好的重現(xiàn)性。此外，用同一支修飾電極在含有1 mmol/L DA的PBS溶液中連續(xù)掃描10次， 其電化學(xué)響應(yīng)電流值的RSD為4.5%； 將修飾電極置于4℃儲存5天，在含1 mmol/L DA的PBS溶液（pH 6.5）中的響應(yīng)電流仍為初始信號的97%，表明修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。

3.7 實際樣品分析

為了探究MWCNTs-WOx于實際樣品的檢測的可行性，選擇含DA的多巴胺注射液進行檢測分析。在多巴胺注射液中加入一定量的多巴胺標準溶液，分別為樣品1，2，3。采用本方法，分別對3個濃度添加水平（20、40和60 μmol/L）的樣品進行檢測，結(jié)果如表2所示，DA的回收率為100.4%～102.7%。表明此電化學(xué)傳感器可用于多巴胺注射液的測定。

4 結(jié) 論

利用電沉積法將MWCNTs-WOx納米材料掃描35圈后沉積到玻碳電極上，研究其對DA溶液的電催化能力。結(jié)果表明，制備的電化學(xué)傳感器具有線性范圍寬、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，并且在DA與UA共存的條件下可以很好地檢測DA，不受UA的影響， 靈敏度高， 選擇性良好。

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