鈀-氧化鋅納米管修飾電極同時檢測多巴胺、抗壞血酸和尿酸

唐倩 陳夢妮 朱國棟 劉建允

摘?要?以PdCl2和Zn（Ac）2為起始物，采用靜電紡絲方法結合高溫煅燒，成功制備了鈀-氧化鋅（Pd-ZnO）中空納米管。Pd的存在改善了ZnO晶體顆粒的均勻性，調控纖維向中空管狀結構轉變。利用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射等表征技術證明了納米管內徑為240 nm，Pd納米粒子粒徑約為80 nm，且在納米管上均勻分布。X射線光電子能譜證明，Pd納米粒子主要以PdO形態(tài)存在。所得的Pd-ZnO修飾玻碳電極對多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）均顯示出良好的催化活性。采用差分脈沖伏安法測定含DA、AA和UA的混合液，三者的氧化峰電位在此修飾電極上可完全分離，對應的線性范圍分別為3.0×107～3.0×105 mol/L（R2=0.9967）、1.0×105～1.0×103 mol/L（R2=0.9991）和6.0×106～6.0×104 mol/L（R2=0.9935），檢出限（S/N=3）分別為1.0×108 mol/L、1.0×106 mol/L和3.0×106 mol/L。此電極重現性及穩(wěn)定性良好，可同時測定樣品中的DA、AA和UA。

關鍵詞?多巴胺; 抗壞血酸; 尿酸; 鈀; 氧化鋅; 脈沖伏安法

1?引 言

多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）作為生物活性小分子，在人體中樞神經系統(tǒng)、新陳代謝和循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用[1]?。這些生物活性物質的缺乏或失調可導致多種疾病，如人體內DA的失調會引發(fā)心臟病、帕金森病等; AA的嚴重缺乏可能使人罹患敗血癥[1]?; UA在體內失調會引起痛風、高血壓、高尿酸癥等[2]?。因此，DA、AA和UA的檢測對某些疾病的診斷具有重要意義。

電化學法因其具有選擇性高、靈敏度好、操作簡單和成本較低等特點而得到廣泛應用。然而DA、AA、UA三者的氧化峰電位十分接近，常規(guī)電極檢測時電化學信號易互相干擾，影響檢測的靈敏度與選擇性[3]?。采用納米復合材料修飾電極可有效調節(jié)其氧化還原電位，提高選擇性。近年來，研究者利用各種材料，如石墨烯[4]?、碳納米管[5]?、金屬[6]?或導電聚合物[7]?等，制備出復合材料修飾電極，以同時檢測DA、AA和UA。氧化鋅（ZnO）因其優(yōu)異的光學、催化、電化學等特性在電池、光電催化和傳感等領域得到廣泛應用[8]?。貴金屬鈀（Pd）具有電導率高、催化活性強并且穩(wěn)定性高等特點[9]，其卓越的導電性、氧化還原特性及特殊選擇性使之成為理想的電極催化材料[10]?。Pd-ZnO納米復合材料兼具良好的電子導電性和有效電催化活性[11]?。Li等[12]?制備的Pd-ZnO催化劑對硝基酚加氫反應具有較高催化活性; Cao等[13]?利用Pd-ZnO納米棒制備了選擇性乙醇氣體傳感器。但Pd-ZnO復合材料在傳感、催化等應用中，發(fā)現Pd在ZnO中的均勻分布特性及材料活性仍需進一步改善。

本研究采用靜電紡絲技術制備Pd-ZnO納米復合材料，通過改變前驅液中Pd含量調節(jié)復合材料結構，從而得到均勻、穩(wěn)定的Pd-ZnO中空納米管復合物，通過簡單的滴涂法制備了Pd-ZnO復合物修飾玻碳電極（Pd-ZnO/GCE）。不同于其它納米修飾電極，Pd-ZnO/GCE修飾材料制備簡單、成本低廉，且電極的靈敏度高、選擇性好，可以有效實現DA、AA和UA的同時檢測。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

DW-P303-1ACF0高壓直流電源（天津東文高壓電源有限公司）; 恒流注射泵（保定蘭格恒流泵有限公司）; 掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）（日本JEOL公司）; D/Max-2550 PC X-射線衍射儀（XRD，日本Rigaku公司）; PHI-5000V Ersaprobe X-射線光電子能譜儀（XPS，ULVCA-PHI公司）; DAJGW-360B接觸角測量儀（美國科諾工業(yè)有限公司）; μAUTOLAB-Ⅲ電化學工作站（瑞士萬通中國有限公司）; 采用三電極系統(tǒng)：GCE（d=3 mm）為工作電極，Ag/AgCl（3 mol/L NaCl）為參比電極，鉑絲為輔助電極。

聚乙烯吡咯烷酮（PVP，MW 1300000）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，MW 12000） （Acros Organics 公司）; DA和UA（分析純，百靈威科技）; 醋酸鋅（Zn（Ac）2）、AA和PdCl2（國藥集團化學試劑有限公司）; 實驗用水為超純水（18.2 MΩ cm，Thermo公司）。

2.2?Pd-ZnO納米纖維的制備

將PVP和PMMA（質量比為1：0.8，總含量10% （w/v））加入DMF溶劑，攪拌溶解得到混合液。隨后加入Zn（Ac）2（8%）及適量PdCl2，于60℃水浴中攪拌形成均勻紡絲液。調整紡絲電壓為11 kV、注射流速為0.5 mL/h、接收距離為15 cm，制得PdCl2-Zn（Ac）2/PVP-PMMA復合原絲納米纖維。將其置于馬弗爐中，以25℃/h升溫至500℃，保持1 h，得到Pd-ZnO納米復合物（Pd-ZnO）。調節(jié)PdCl2在紡絲液中的含量為0、0.1%、0.4%、1%、2%、3%，得到一系列不同Pd含量的Pd-ZnO復合材料（ZnO、Pd（0.1）-ZnO、Pd（0.4）-ZnO、Pd（1）-ZnO、Pd（2）-ZnO、Pd（3）-ZnO）。

2.3?Pd-ZnO修飾GCE

GCE依次采用1.0、0.3和0.05 μm的氧化鋁粉末拋光，在水和無水乙醇混合溶液中超聲清洗2 min，用N2吹干，備用。

將Pd-ZnO納米復合物樣品混合均勻，純水中超聲分散3 h。取適量分散液滴涂于GCE表面，自然晾干，得到Pd-ZnO修飾GCE，不同Pd含量對應的修飾電極分別標記為ZnO/GCE、Pd（0.1）-ZnO/GCE、Pd（0.4）-ZnO/GCE、Pd（1）-ZnO/GCE、Pd（2）-ZnO/GCE和Pd（3）-ZnO/GCE。

2.4?實驗方法

室溫下，取0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶10 mL，采用循環(huán)伏安法（CV）研究Pd-ZnO/GCE的電化學性能; 采用差分脈沖伏安法（DPV）檢測DA、AA和UA。電位掃描范圍為0.1～0.7 V，脈沖振幅為50 mV，脈沖周期為100 ms，電壓梯度為5 mV，采樣時間為500 ms。

3?結果與討論

3.1?材料的表征及親水性研究

圖1 A～1F為Pd含量分別為0、0.1%、0.4%、1%、2%、3%時制備的PdCl2-Zn（Ac）2/PVP-PMMA復合原絲纖維的SEM圖。由圖1可知，隨著Pd含量增加，溶液的電導性和可紡性增強，所得纖維表面更加光滑，直徑略變大。對應煅燒后樣品的SEM形貌如圖1中A′～F′所示。Pd含量低時，煅燒后纖維收縮明顯，且高溫過程導致部分纖維融合而不均勻。當紡絲液中Pd含量逐漸增加至1%時，纖維形貌明顯改善，且纖維向中空納米管狀結構轉變

（圖1D′右上方插圖）。但Pd含量過高時，納米顆粒有團聚現象，導致納米管坍塌。Pd（1）-ZnO樣為納米管結構，且連續(xù)性及均勻性最好。

圖2A和2B分別為Pd（0.1）-ZnO和Pd（1）-ZnO復合纖維的TEM圖像，圖2C和2D為相應的高分辨TEM圖像（HRTEM）。Pd（0.1）-ZnO呈實心的纖維，纖維表面由Pd和ZnO納米顆粒構成，顆粒大小不均一。在圖2C和2D中可清晰看到ZnO（100）[14]，和Pd（111）、（101）[15]?的晶格條紋。Pd（1）-ZnO樣品呈現清晰的中空納米管結構，顆粒均勻致密，同時HRTEM結果顯示 Pd與ZnO納米粒子之間具有較好的相容性。結果表明，復合纖維中存在適量的Pd可改善ZnO的成核，抑制較大晶體生長，增加均勻性。

采用XRD研究了不同含量Pd復合材料的晶體結構。圖3A中曲線分別為ZnO、Pd（0.1%）-ZnO、Pd（0.4%）-ZnO、Pd（1）-ZnO、Pd（2）-ZnO和Pd（3）-ZnO樣品的XRD圖。在2θ為 31.7°、 34.4°、 36.2°、 47.5°、 56.5°、 62.8°、 66.4°、 67.9°和69.0°處，呈現典型ZnO纖鋅礦晶體結構的衍射峰[16]?。Pd含量增加時，Pd及PdO的特征衍射峰變得明顯（如圖中標示），說明Pd在復合物中以Pd和PdO形式存在。

進一步采用XPS分析Pd（1）-ZnO中元素化學形態(tài)。圖3B和3C分別為元素Zn和Pd的高分辨XPS掃描圖。在1021.7 和1044.8 eV處出現ZnO的Zn 2p3/2和2p1/2 特征結合能峰[13]?; Pd元素的結合能峰出現在336.2和341.8 eV，對應于PdO的Pd 3d5/2 和Pd 3d3/2[11]?。說明Pd-ZnO納米管中Pd主要以PdO形式存在，Pd單質形態(tài)的含量較少。

將Pd-ZnO復合材料滴涂于GCE表面，考察其表面親水性。如圖3D所示，Pd-ZnO在GCE表面的修飾明顯改善了其親水性，且隨著Pd含量增加，其水接觸角逐漸減小。因ZnO含有親水基團（羥基）[17]，在負載Pd后，由于顆粒更小更均勻，其表面活性羥基含量更多，親水性進一步增強，這有利于改善對應電極的電化學性能。

3.2?Pd-ZnO/GCE電極的電化學特性

不同Pd含量的Pd-ZnO/GCE在1 mmol/L [Fe（CN）6]3/4 中的循環(huán)伏安曲線如圖4A所示，隨著Pd含量增加，峰電流逐漸增大，這可能是由于Pd的存在提高了材料的導電性和親水性，從而促進了電子轉移，更有利于溶液中離子在電極表面的擴散和傳輸。

3.3?DA、AA和UA在Pd-ZnO/GCE電極上的測定及條件優(yōu)化

3.3.1?DA、AA和UA的DPV響應?分析了Pd（1）-ZnO/GCE在含1 mmol/L DA、 70 mmol/L AA、 50 mmol/L UA的混合溶液中的DPV曲線（圖4B）。在裸GCE（a）和ZnO/GCE（b）表面，僅出現兩個氧化峰，而在Pd（1）-ZnO/GCE（c）表面，則有3個明顯的氧化峰。這主要因為在裸GCE和ZnO/GCE表面，AA和DA的氧化峰重合，不能分辨。而在Pd（1）-ZnO/GCE上，AA、DA和UA的氧化峰分別出現在0.25、0.38和0.51 V，三者互不干擾，證明Pd與DA的結合作用較強，促進了DA在電極表面富集，信號增大; 同時，由于結合態(tài)較穩(wěn)定，使其在電極表面的氧化電勢正移，從而使AA、DA的響應信號分開。上述結果表明，Pd-ZnO/GCE可用于AA、DA和UA的同時檢測。

3.3.2?DA、AA和UA測試條件的優(yōu)化?（1）Pd含量的影響?研究了不同Pd含量的Pd-ZnO/GCE在混合溶液（1 μmol/L DA、70 μmol/L AA、50 μmol/L UA）中的催化氧化性能。圖4C為DA、AA和UA在不同電極上的DPV響應對應的DA-AA峰電位差（E）及各自的電流值。隨著Pd含量的增加，DA-AA峰E增大，同時，DA和 AA的峰電流呈現先升后降的趨勢，Pd（1%）-ZnO/GCE電極的E及峰電流最大。UA的峰電流隨Pd含量的增加而增大?？紤]到三者同時檢測，結合SEM表征結果可知，過量的Pd會引起納米管的結構坍塌、比表面積降低、活性位點減少，從而影響檢測結果。因此，后續(xù)實驗選擇Pd（1%）-ZnO/GCE為工作電極。（2）支持電解液的影響?比較了DA、AA和UA在0.1 mol/L的HAc-NaAc、PBS、Citric acid和NH4 Ac緩沖溶液中的差分脈沖伏安響應。DA、AA和UA的峰電流值及對應的DA-AA峰ΔE如圖4D所示，在HAc-NaAc緩沖溶液中，DA-AA峰ΔΕ最大，響應電流最大。因此，選擇0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液作為支持電解質。

3.3.3?DA、AA 和 UA 的選擇性檢測?選用Pd（1）-ZnO/GCE，考察DA、AA和UA 共存時相互干擾情況，實驗結果如圖5所示。圖5A表明，固定DA濃度（15 μmol/L），AA和UA濃度分別在1.0×104～7.0×104 mol/L、7.0×105～4.0×104 mol/L范圍內變化，二者電流隨其濃度增加而逐漸增大，DA電流不變; 圖5B表明，固定AA濃度（300 μmol/L），DA與UA濃度分別在3.0×106～3.0×105 mol/L、3.0×105～3.0×104 mol/L范圍變化時，二者電流線性增加，且不干擾AA的信號; 圖5C表明，固定DA、AA的濃度不變，UA濃度在3.0×105～1.5×104 mol/L范圍內，不干擾DA和AA的響應。綜上，此電極可以實現DA、AA和UA的選擇性測定。

3.4?DA、AA 和 UA 同時檢測的標準曲線

在最優(yōu)實驗條件下，對系列DA、AA和UA混合溶液進行測定，得到相應DPV曲線，如圖6A所示。隨濃度增加，溶出峰電流逐漸增強，AA、DA和UA分別在0.25、0.38和 0.51 V處出現明顯的氧化峰，線性范圍分別為1.0×105～1.0×103 mol/L（R2=0.9991）、3.0×107～ 3.0×105 mol/L（R2=0.9967）和 6.0×106～ 6.0×104 mol/L（R2=0.9935），檢出限（S/N=3）分別為1.0×106 mol/L、1.0×108 mol/L和3.0×106 mol/L，且三者互不干擾。與文獻報道的結果（表1）相比，Pd（1%）-ZnO/GCE的線性范圍寬、檢出限低，可以實現DA、AA和UA的同時檢測。

使用同一根電極在1 μmol/L DA、70 μmol/L AA和50 μmol/L UA的混合溶液中連續(xù)檢測6次，各自對應的峰電流相對偏差值（RSD）<10%; 采用相同方法制備5根修飾電極，在相同條件下，DA、AA和UA檢測結果的RSD分別為10%、13%和15%，表明此修飾電極具有良好的重現性和穩(wěn)定性。

3.5?實際樣品分析

將人尿樣品經0.25 μm膜過濾后，用0.1 mol/L HAc-NaAc溶液（pH=4）將樣品稀釋50倍，采用本方法檢測。樣品中UA濃度為36.7 μmol/L。標準加入實驗結果見表2。DA、AA和UA的加標回收率分別為99.3%、98.8%和105.5%，相對標準偏差（RSD，n=3）在1.6%～ 3.3%之間，可滿足實際樣品的分析要求。

4?結 論

采用靜電紡絲及高溫煅燒技術，通過調節(jié)Pd鹽起始濃度，制備了Pd均勻負載的ZnO中空納米管。Pd的存在改善了ZnO的微觀形貌及結構，增加了活性位點。同時，由于Pd含量高并在納米管表面分布均勻，大大提高了Pd-ZnO納米管修飾電極的導電性及對DA、AA和UA氧化的催化活性，使三者氧化峰電位較好分離。Pd-ZnO/GCE成功用于DA、AA和UA的同時檢測，三者互不干擾，具有高靈敏度和選擇性，檢測線性范圍寬，檢出限低。此修飾電極有望用于實際樣品中DA、AA和UA的同時檢測。

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