左旋多巴在多壁碳納米管-雙十六烷基磷酸薄膜修飾電極上的電化學行為及測定

朱元海, 張志凌, 范 森

(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)

左旋多巴(L-dopa,LDA)在活體內(nèi)通過催化氧化絡氨酸生成，被認為是神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的前體[1 - 2]。LDA是治療帕金森癥即人腦多巴胺缺乏癥的有效藥物[3 - 4]。研究顯示活體內(nèi)LDA和LDA脫羧酶的含量與肺癌有某些關(guān)聯(lián)[5]，因此LDA的快速高靈敏檢測有助于了解某些生理過程以及癌癥的早期診斷。國內(nèi)外關(guān)于LDA的檢測已有不少研究報道，如原子吸收光譜法[6]、可見-紫外分光光度法[7]、高效液相色譜法[8]、伏安法[9]、三維熒光二階校正法[10]等，但這些方法多需大型昂貴的儀器。電化學分析方法具有設備簡單，準確度和靈敏度高，特別是化學修飾電極的運用為我們開發(fā)經(jīng)濟、高效的電化學分析新方法提供了更多的可能。碳納米管(CNTs)具有大的比表面積、獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導電性和化學穩(wěn)定性，已成功地用于電極修飾和生物分子檢測[11 - 14]。CNTs薄膜修飾電極制作的關(guān)鍵在于制備穩(wěn)定均勻的CNTs分散體系。借助于超聲技術(shù)CNTs已被成功地分散于二甲基甲酰胺[15]、濃H2SO4[16]、丙酮[17]、雙十六烷基磷酸(DHP)[18]、Nafion水溶液和乙醇[19]等中。

本工作采用DHP分散劑制備多壁碳納米管(MWCNTs)修飾電極，研究LDA在該修飾電極上的電化學行為和檢測方法。DHP具有兩條長的烷基疏水鏈，能很好地將MWCNTs分散在水中。該體系非常穩(wěn)定，MWCNTs含量高(可達到1 mg·mL-1)。MWCNTs-DHP薄膜修飾電極的突出優(yōu)點是均勻、穩(wěn)定、重現(xiàn)性好[18]。該修飾電極對LDA的電化學氧化有明顯催化活性，大大提高了峰電流和檢測靈敏度。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

CHI660A電化學工作站(美國，CHI公司)。三電極系統(tǒng)：工作電極為玻碳電極(GCE，直徑為3 mm)，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)上，采用80 kV加速電壓，在JEM-100 CXⅡ電子顯微鏡(日本)上拍攝。掃描電鏡圖像(SEM)是在Hitachi X-650顯微鏡(日本)上完成。

將LDA(分析純，從Acros公司獲得)溶于去離子水配制成1.0×10-3mol·L-1貯備溶液；LDA藥片(購自廣西河豐制藥有限責任公司)碾碎后用去離子水提??；DHP(購自Aldrich公司)直接應用。MWCNTs是由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，純度優(yōu)于95%；MWCNTs應用之前要在稀HNO3中回流8 h進行剪裁和表面羧基化；其他試劑都是分析純。實驗用水為去離子水。

1.2 修飾電極的制備

將5 mg剪裁和羧基化的MWCNTs加到包含5 mg DHP的5 mL去離子水中，超聲20 min得到濃度為1 mg·mL-1均勻黑色的MWCNTs懸浮液。GCE修飾之前要用粒徑為0.05 μm的漿狀Al2O3拋光，用去離子水沖洗，并在去離子水中超聲3 min，紅外燈下烘干。然后將1 mg·mL-1黑色MWCNTs懸浮液滴涂于GCE表面，紅外燈下烘干后，備用。

圖1A是MWCNTs懸浮液的透射電鏡圖像。從圖中可以看出大多數(shù)MWCNTs長度小于600 nm，直徑20～50 nm的MWCNTs碎段不再糾纏在一塊，而均勻地分布于溶液中。圖1B是修飾過的GCE的掃描電鏡圖像，可以看出電極表面均勻地覆蓋著一層MWCNTs薄膜。

圖1 MWCNTs-DHP懸浮液透射電鏡(TEM)圖像(A)和MWCNTs-DHP修飾膜的掃描電鏡(SEM)圖像(B)Fig.1 TEM images(A) of MWCNTs-DHP suspension magnified 48 thousand times and SEM image(B) of MWCNTs-DHP film on a GCE disc

1.3 實驗方法

所有實驗都是在室溫下，于0.10 mol·L-1磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中進行。測量前后要將MWCNTs-DHP膜修飾電極浸入空白PBS中，通過20次循環(huán)伏安掃描進行活化，電位控制在0～0.50 V之間，掃描速率為0.10 V·s-1。加入試樣后要先進行120 s的開路富集，然后再進行電位掃描。

2 結(jié)果與討論

圖2 1.010-4 mol·L-1LDA在修飾電極(a,b)和裸電極(c,d)上的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of 1.0×10-4 mol·L-1 LDA at MWCNTs-DHP modified GCE(a and b) and at bare GCE(c and d) scan rate:0.1 V·s-1,pH=6.0.

2.1 LDA在裸電極和修飾電極上的循環(huán)伏安圖比較

圖2是濃度為1.0×10-4mol·L-1的LDA于 PBS(pH=6.0)中，在MWCNTs-DHP膜修飾電極與裸電極上的電化學響應情況。在裸電極上于0.229 V和0.119 V處出現(xiàn)一對弱而寬的氧化還原峰，而在修飾電極上的一對氧化還原峰出現(xiàn)在0.223 V和0.186 V處。還原電位的明顯升高和氧化電位的稍微降低表明修飾電極比裸電極電子傳遞變得容易，可逆性增加。氧化峰電流的明顯提升歸因于MWCNTs大的比表面積所引起的吸附量增大，以及MWCNTs的特殊結(jié)構(gòu)和表面拓撲缺陷產(chǎn)生的電催化效應。

2.2 掃描速率和溶液pH對峰電流的影響

在pH=7.0的PBS中，LDA濃度為1.5×10-5mol·L-1，通過循環(huán)伏安法研究掃描速率對修飾電極峰電流的影響(圖3)。從圖3B可看出陽極峰電流與掃描速率平方根成線性關(guān)系(r=0.998)，說明修飾電極上LDA氧化過程是由擴散控制；從圖3C可看出陰極電流與掃描速率成線性關(guān)系(r=0.998)，表明陰極上LDA還原過程主要是由吸附控制。

圖3 (A)pH=7.0 PBS中1.5×10-5 mol·L-1LDA于不同掃描速率下的循環(huán)伏安圖；(B)陽極電流與掃描速率平方根的線性關(guān)系；(C)陰極電流與掃描速率的線性關(guān)系；(D)氧化電勢與掃描速率對數(shù)的線性關(guān)系Fig.3 (A) Cyclic voltammograms of 1.5×10-5 mol·L-1 LDA in pH=7.0 PBS different (scan rates (from a to i):0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 and 0.9 V·s-1;(B) The linear relationship between the anodic peak currents and the square roots of scan rates;(C) The linear relationship between the cathodic peak currents and scan rates;(D) The linear relationship between the oxidation potentials and logrithum of the scan rates

羧基化MWCNTs和兩性LDA分子都會因羧基電離而帶負電，并且電離度隨pH值升高而增大。pH值對氧化還原電位的顯著影響說明LDA分子與電極表面的靜電排斥起著重要作用。在pH=7.0時雖然LDA分子(等電點約5.7)羧基端帶負電，這種情況下它仍可能通過羥基與MWCNTs上羧酸根形成氫鍵發(fā)生定向吸附。LDA分子氧化后變成了醌，與電極表面失去了氫鍵作用，靜電排斥就會顯現(xiàn)，從而使吸附變得困難，還原反應演變?yōu)槲娇刂茷橹?。圖4A中隨pH增大變?nèi)醯倪€原峰可以認為是這一機理的佐證。峰電位與pH值呈線性關(guān)系如圖4B，E(V)=0.551-0.054pH(r=0.998)，隨著pH值增加負移。斜率為54 mV/pH，說明電極反應的電子轉(zhuǎn)移數(shù)與參加反應的氫離子數(shù)相等。

圖4 (A) 1.0×10-4 mol·L-1 LDA在0.1 mol·L-1 PBS中于不同pH值(1→7：5.8,6.22,6.55,7.14,7.41,8.04,8.49)下的循環(huán)伏安圖;(B)陽極峰電位對pH值作圖(掃描速率0.10 V·s-1)Fig.4 (A) Cyclic voltammograms of 1.0×10-4 mol·L-1 LDA in 0.1 mol·L-1 PBS at different pH(1→7:5.80,6.22,6.55,7.14,7.41,8.04,8.49;(B) Plot of Epa vs. pH(scan rate :0.1 V·s-1)

2.3 電子轉(zhuǎn)移數(shù)的確定

電子轉(zhuǎn)移數(shù)可以有多種方法確定。對于可逆電極過程，|Ep-Ep/2|=56.5 mV/n(25 ℃)[20]。根據(jù)圖2曲線a,Epa=0.223 V,Epa/2=0.192 V，代入前式可得LDA電極反應的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=2。

電極反應的電子轉(zhuǎn)移數(shù)也可由下面方程估算[20]:

(1)

據(jù)圖3D，修飾電極Epa-lnv成線性關(guān)系(r=0.998)，斜率=0.0141，即RT/2(1-α)nF=0.0141。對大多數(shù)電極反應α的數(shù)值在0.6～0.4之間[21]，近似地取α=0.5，可得電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=1.84≈2。如圖5所示，LDA的電極過程包括2個電子轉(zhuǎn)移，同時伴有2個氫離子參與反應[22]。

圖5 左旋多巴在MWCNTs-DHP薄膜修飾電極上的氧化還原反應Fig.5 Redox reactions of LDA at MWCNTs-DHP modified electrode

在考察的pH范圍內(nèi)氧化峰電流沒有明顯變化。從平衡移動的角度考慮較高的pH有利于氧化反應，也有利于酚羥基與電極表面已電離的羧基形成氫鍵，降低氧化的活化能和氧化電位；但是過高的pH則使LDA電離度增大，不利于在帶負電的表面上吸附，氧化電流下降。參照生理pH要求，測定LDA的pH可以控制在7.0左右。另外，pH值越小羰基氧越容易捕獲氫離子生成羥基，有利于氧化產(chǎn)物的還原，而高的pH是不利的。高的pH還使氧化態(tài)LDA分子和電極表面靜電排斥作用增大，導致吸附困難，還原過程活化能升高，還原電勢降低，從而不利于還原過程進行。圖4A印證了上述分析。

2.4 擴散系數(shù)的確定

我們已經(jīng)證明LDA在修飾電極上氧化過程是擴散控制為主，擴散系數(shù)可以根據(jù)方程[20]通過計時庫侖法求得：

(2)

0到1.5 V電位階躍結(jié)果表明Q對t1/2線性關(guān)系良好(r=0.997)，直線斜率為2.90×10-6，由此計算得到LDA的擴散系數(shù)DR=2.53×10-5cm2·s-1。

2.5 MWCNTs-DHP薄膜修飾電極測定LDA

圖6 不同濃度LDA在MWCNTs-DHP修飾電極上的差分脈沖伏安(DPV)圖Fig.6 DPV of LDA of different concentrations at MWCNTs-DHP modified electrode a-i:0，5.0×10-8,2.0×10-7,1.0×10-6,2.5×10-6,5.0×10-6,1.0×10-5,2.0×10-5,3.0×10-5 mol·L-1.

由購買的LDA藥片制備樣品溶液，用本方法測定的濃度為6.86×10-3mol·L-1，用紫外分光光度法測定的濃度為6.96×10-3mol·L-1，皆與標簽濃度一致。紫外分光光度法是中國藥典[23]推薦的測定方法，LDA在λ=287 nm處的摩爾吸光系數(shù)是2 780 L·mol-1·cm-1，能夠準確測定的大致濃度范圍在7.0×10-5～3.0×10-4mol·L-1。相比之下本文開發(fā)的電化學方法檢測限更低，靈敏度更高。

3 結(jié)論

LDA在MWCNTs-DHP膜修飾電極上的反應是一個2電子準可逆過程，氧化反應是由擴散控制，還原反應是由吸附控制。修飾電極在中性介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，電催化效應明顯提升了氧化電流，為LDA檢測提供了一個新方法。