基于柔性纖維膜對5-羥色胺的電化學檢測

程海燕，江 歡， 文 穎，楊海峰

（資源化學教育部重點實驗室，上海師范大學化學系，上海200234）

0 引言

5-羥色胺（5-HT）作為神經(jīng)遞質(zhì)和外周激素在免疫和炎癥中起著重要作用[1]。它不僅影響心血管和呼吸功能，控制血小板止血，作為一種重要的胃腸道信號分子[2]，5-HT在新陳代謝中也具有多種功能，包括通過對微生物群的作用來影響運動和感覺功能，以及控制能量平衡[3]。此外，5-HT濃度與高血壓神經(jīng)精神疾病[4]，神經(jīng)退行性疾病[5]，代謝性疾病中的血管并發(fā)癥和糖尿病[6]相關(guān)。比如患者的5-HT濃度通常低于健康人，血小板貧乏血漿病患者（1～100 nmol/L）低于健康人（500 nmol/L～1.7μmol/L），重度抑郁患者 （0.3±0.19μmol/L）低于健康人 （1.15±0.04 μmol/L）[7]。

目前，已經(jīng)開發(fā)了多種用于檢測5-HT的方法，例如HPLC，光譜學[8]和酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）[9]等，盡管這些方法存在許多優(yōu)勢，但步驟繁瑣，需要昂貴的儀器，且樣品預(yù)處理過程復(fù)雜，這些缺點使得它們無法應(yīng)用于即時檢驗。電化學檢測方法由于其廉價，無損，簡單且可用于現(xiàn)場檢測而備受關(guān)注[10]。因此，開發(fā)一種高靈敏和選擇性的電化學傳感器來檢測5-HT顯得尤為重要。

靜電紡絲技術(shù)可制備長而連續(xù)的聚（苯乙烯-丁二烯）（SB）柔性纖維，且聚（苯乙烯-丁二烯）嵌段共聚物具有塑料的剛性和橡膠的彈性，生產(chǎn)成本低，無毒無污染，可以大批量生產(chǎn)，然而，其導(dǎo)電性較差。碳納米材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，良好的催化活性和較大的比表面積，采用碳納米材料對纖維膜進行改性，可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和催化性能。該工作構(gòu)建了一種還原氧化石墨烯修飾的聚（苯乙烯-丁二烯）柔性纖維膜傳感器，在電紡膜的基礎(chǔ)上，聚合物PDDA靜電結(jié)合帶負電的還原石墨烯（RGO），可以將RGO牢固的吸附在聚（苯乙烯-丁二烯）纖維膜上，RGO的存在加速了對5-HT檢測過程的電子轉(zhuǎn)移，制備的RGO/PDDA/SSB柔性傳感器為靈敏且選擇性檢測尿液中的5-HT奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 化學試劑

濃硫酸，聚（苯乙烯-丁二烯）固體顆粒、多巴胺、抗壞血酸、尿酸、聚乙烯亞胺水溶液均來自Sigma-Aldrich公司。多壁碳納米管（MWCNTs長度為1～2μm，管徑小于10 nm）購自深圳納米港。所有試劑為分析純，未經(jīng)任何純化，所有試劑均使用去離子水配制。

1.2 實驗儀器

所有電化學實驗（包括循環(huán)伏安法（CV）和差分脈沖伏安法（DPV））均使用CHI660C電化學工作站（上海辰華）。使用CHI660D記錄改性電極的電化學阻抗譜。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM；Hitachi S-4800）和透射電子顯微鏡（TEM；JEOL JEM-2000 FX）表征在不同制備階段改性的纖維膜的表面形態(tài)。拉曼檢測在Thermo公司的DXR2xi拉曼成像顯微鏡上進行。

1.3 電紡聚（苯乙烯-丁二烯）復(fù)合柔性纖維

將MWCNTs（0.6 g）加入到20 mL體積比為3∶1的濃硫酸和濃硝酸的混合溶液中。然后將混合物在40℃下超聲處理1 h，攪拌3 h。用去離子水洗滌官能化的MWCNTs，最后在105℃下干燥30 min。將官能化的MWCNTs加入到12.5 mL體積比1∶4的N，N-二甲基甲酰胺和四氫呋喃混合溶液中。將該溶液超聲處理4 h以形成均勻分散的溶液。

將3.0 g SB固體顆粒摻入上述分散液中，攪拌4 h以制備均勻，質(zhì)量分數(shù)為20%的電紡前驅(qū)液。靜電紡絲設(shè)備由高壓電源和注射泵組成以垂直模式運行，實驗施加12 kV的高壓，溶液流速設(shè)定為0.15 mL/h，針尖與收集裝置的工作距離為15 cm，用注射器吸取適量前驅(qū)液進行電紡，并將初紡纖維在通風櫥中室溫干燥24 h，收集備用，獲得SB復(fù)合纖維。

1.4 制備柔性PDDA/SSB纖維膜

將SB復(fù)合膜浸入濃硫酸溶液（98%）中保持10 min，然后用去離子水洗滌3次，得到SSB柔性纖維膜。將得到的SSB膜浸入1%聚乙烯亞胺（PEI）水溶液中一晚，得到PEI改性的SSB（PEI/SSB）膜。接著在5%PDDA溶液中孵育1 h，制備PDDA/SSB膜，然后取出用去離子水沖洗至少3次并在室溫條件下干燥備用。

1.5 制備RGO/PDDA/SSB柔性傳感器

取50 mL氧化石墨烯溶液（4 mg/mL），加入150 mL去離子水稀釋，超聲分散30 min，加入1.5 g硼氫化鈉進行還原，室溫下攪拌5 h得到還原氧化石墨烯（RGO），將RGO在水溶液中進行超聲分散制得均勻溶液，將上述干燥的PDDA/SSB膜浸入RGO分散液中過夜，然后取出并用去離子水沖洗。在室溫下進行干燥，將電極切成合適大小以備使用。示意圖1描述了基于RGO/PDDA/SSB柔性傳感器的制備過程。

圖1 RGO/PDDA/SSB柔性傳感器的制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fabrication of RGO/PDDA/SSB flexible sensor

2 結(jié)果與討論

2.1 柔性纖維膜的形貌及Raman表征

通過場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）表征了RGO/PDDA/SSB柔性纖維膜的形貌。如圖2（A）和（B）所示，可以看出SSB復(fù)合纖維直徑在1μm左右，纖維表面相對光滑且尺寸較為均勻。當在其表面孵育一層PDDA之后纖維表面形態(tài)沒有發(fā)生明顯變化。當PDDA/SSB柔性膜用RGO分散液處理之后，如圖2（C,D）所示，可以看出RGO典型的形態(tài)特征，說明帶正電荷的PDDA能與RGO表面負電荷通過靜電相互作用牢固結(jié)合，纖維的連續(xù)結(jié)構(gòu)大大減小了RGO在纖維表面的堆積，使得RGO能夠均勻分散[11]。以上結(jié)果證明了MWCNT/PEI/SSB復(fù)合材料的成功制備。

圖2 （A）SSB纖維,（B）PDDA/SSB纖維,（C,D）RGO/PDDA/SSB纖維的FE-SEM圖Fig.2 FE-SEM images of(A)SSB fiber,(B)PDDA/SSB fiber,(C,D)RGO/PDDA/SSB fiber

拉曼表征是采用633 nm激光在Thermo Scientific的DXR2xi拉曼成像顯微鏡上進行。圖3顯示了SB復(fù)合纖維的拉曼光譜圖。從圖中可以看出，SB復(fù)合纖維的光譜中觀察到了多壁碳納米管的特征峰，證明了MWCNTs已成功引入到纖維中。

圖3 SB復(fù)合纖維的Raman光譜圖Fig.3 Raman spectrum of SB composite fiber

2.2 不同修飾電極的電化學表征

為了研究傳感器表面與電解質(zhì)溶液中電子傳輸速率，在含有5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1∶1)的0.1 mol/L KCl阻抗液中，運用電化學交流阻抗（EIS）技術(shù)表征GCE，SSB/GCE，PDDA/SSB/GCE和RGO/PDDA/SSB/GCE電極的電荷轉(zhuǎn)移值，實驗條件在0.1 Hz到100 kHz范圍內(nèi)的開路電勢（OCP）下進行，振幅為50 mV。如圖4（A）所示，這些電極的奈奎斯特圖中較高頻率的半圓形部分，與電極動力學相關(guān)[12]，可以看出，裸GCE電極具有較高的電荷轉(zhuǎn)移電阻，修飾SSB之后的電極電荷轉(zhuǎn)移電阻略有減小。當孵育帶正電的聚合物電解質(zhì)PDDA之后，電極電荷轉(zhuǎn)移電阻反而增大，這是由于PDDA導(dǎo)電性較差阻礙了電極表面與溶液之間的電荷轉(zhuǎn)移。RGO/PDDA/SSB/GCE修飾電極電荷轉(zhuǎn)移電阻最小，這可能是由于RGO在SSB纖維膜上組裝后與纖維內(nèi)部的多壁碳納米管之間的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致的，RGO優(yōu)良的電導(dǎo)率，較高的電子傳輸能力和優(yōu)異的導(dǎo)電性加速了電子轉(zhuǎn)移[13]。綜上所述，在PDDA/SSB纖維的表面通過靜電作用吸附RGO可以提高傳感器的傳感性能。

圖4 （B）顯示了在0.1 mol/L PBS（pH7.0）包含100μmol/L 5-HT的電解液中不同修飾電極的差分脈沖伏安圖。沒有5-HT存在時，在RGO/PDDA/SSB/GCE電極沒有觀察到明顯的氧化還原峰。當存在5-HT時，在+0.34 V電位下出現(xiàn)5-HT催化氧化的特征峰，這與文獻報道一致[14]。從圖中可以看出，與裸GCE，SSB/GCE和PDDA/SSB/GCE電極相比，RGO/PDDA/SSB/GCE電極上可以觀察到5-HT氧化的最高峰值電流，說明RGO修飾電極對5-HT的氧化具有出色的電催化能力，這可能歸因于其獨特的結(jié)構(gòu)特征和良好的電化學活性[15]。此外，可以觀察到，SSB/GCE電極未表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能，這也進一步說明電極表面的RGO對5-HT的檢測具有突出貢獻，由此可知基于RGO/PDDA/SSB/GCE的柔性纖維膜傳感器具有良好的電化學性能，有望實現(xiàn)對于5-HT的超靈敏檢測。

圖4 (A)(a)裸GCE,(b)SSB/GCE,(c)PDDA/SSB/GCE,(d)RGO/PDDA/SSB/GCE在5 mmol/L K3Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1:1),0.1 mol/L KCl溶液中的電化學阻抗圖(B)(a)裸GCE,(b)SSB/GCE,(c)PDDA/SSB/GCE,(d)RGO/PDDA/SSB/GCE在0.1 mol/L PBS(pH7.0),100μmol/L 5-HT溶液中和（e）RGO/PDDA/SSB/GCE在0.1 mol/L PBS溶液中的差分脈沖伏安圖Fig.4 (A)Electrochemical impedance diagram of(a)GCE,(b)SSB/GCE,(c)PDDA/SSB/GCE and(d)RGO/PDDA/SSB/GCE in the solution of 5 mmol/L K3Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1:1),0.1 mol/L KCl,(B)Differential pulse voltammogram of(a)GCE,(b)SSB/GCE,(c)PDDA/SSB/GCE,and(d)RGO/PDDA/SSB/GCE in 0.1 mol/L PBS(pH7.0)with100μmol/L 5-HT，and(e)RGO/PDDA/SSB/GCE in 0.1 mol/L PBS(pH7.0)

2.3 掃速的影響

為了考察電極反應(yīng)過程的動力學，在0.1 mol/L PBS（pH7.0）包含0.5 mmol/L 5-HT的溶液中對基于RGO/PDDA/SSB的傳感器進行循環(huán)伏安測定，如圖5（A）所示，研究了制備電極對5-HT氧化的電流及電位隨掃描速率的變化情況。氧化峰值電流隨掃描速率（10～200 mV/s）平方根的呈線性增加（圖5B），線性方程為：

圖5 (A)RGO/PDDA/SSB修飾電極在0.1 mol/L PBS（pH7.0）包含有0.5 mmol/L 5-HT溶液中，不同掃描速率（10-200 mV/s）下獲得的循環(huán)伏安圖,(B)陽極峰值電流與掃描速率平方根的線性圖,(C)陽極峰電位與掃描速率對數(shù)的關(guān)系圖Fig.5 (A)Cyclic voltammogram of RGO/PDDA/SSB modified electrode in the solution of 0.5 mmol/L 5-HT at different scanning rates(10-200 mV/s).(B)Plot of anodic peak currents of 5-HT oxidation versus the square root of the scan rate and(C)Plot of anodic peak potential versus the logarithm of the scan rate

說明該過程受擴散控制。進一步研究峰電位（Epa）與掃描速率的對數(shù)（logυ）間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)傳感器對于5-HT的氧化過程是不可逆的（圖5C），Epa對logυ的線性方程[16]為：

從Epa對logυ曲線的斜率根據(jù)以下公式計算得出電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)α值為0.58。

其中，R為通用氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，其余參數(shù)都是通常的意義。使用用于擴散控制電化學過程的Laviron方程[17]：

計算得電子傳遞速率常數(shù)（Ks）值為0.032 s-1。

2.4 實驗條件的優(yōu)化

為了獲得更高的檢測靈敏度和選擇性，對實驗中所需RGO濃度、PDDA濃度以及溶液pH進行優(yōu)化。

2.4.1 RGO濃度的優(yōu)化

圖6（A）顯示了在不同濃度RGO分散液（0.1、0.3、0.5、0.7和1.0 mg/mL）中制備的RGO/PDDA/SSB電極對于50μmol/L 5-HT的電化學響應(yīng)。從圖中可以看出RGO分散液的最優(yōu)濃度為0.5 mg/mL。當溶液中RGO的濃度繼續(xù)增大時會導(dǎo)致對于5-HT檢測的峰值電流大幅降低，這是因為過量的RGO無法在水溶液中均勻分散會發(fā)生團聚從而阻礙了電子轉(zhuǎn)移使得電化學信號降低。當RGO濃度較小時也不能獲得優(yōu)異的電化學響應(yīng)，這可能是由于RGO含量不足，無法在纖維表面均勻覆蓋所致。

圖6 分別在不同濃度RGO懸浮液（A）和不同濃度PDDA溶液（B）中制備的RGO/PDDA/SSB/GCE電極對50μmol/L 5-HT的溶液檢測的陽極峰值電流圖,（C）RGO/PDDA/SSB/GCE電極在不同pH條件下以50 mV/s的掃速對50μmol/L 5-HT溶液的電流響應(yīng)Fig.6 Anodic peak current of 50μmol/L 5-HT recorded at RGO/PDDA/SSB/GCE electrodes prepared in different concentrations of RGO suspension(A)and different concentrations of PDDA solution(B),(C)Current response of RGO/PDDA/SSB/GCE electrodes at different pH values in the solution of 50μmol/L 5-HT

2.4.2 PDDA濃度的優(yōu)化

圖6（B）顯示了不同濃度PDDA溶液（1%、3%、5%、8%和10%）條件下制備的RGO/PDDA/SSB電極對50μmol/L 5-HT的電化學響應(yīng)。從圖中可以看出當PDDA溶液濃度達到為5%時即可出現(xiàn)最高的氧化峰值電流，當溶液中PDDA的濃度繼續(xù)增大時對于5-HT檢測的峰值電流沒有明顯變化，而PDDA濃度低于5%時則不能獲得優(yōu)異的電化學響應(yīng)，這可能由于PDDA濃度過低不能完全覆蓋纖維表面使得表面全部正電化，從而不能通過靜電作用在其表面充分吸附RGO所致。

2.4.3 pH的優(yōu)化

采用相同的電化學方法研究了不同pH條件下RGO/PDDA/SSB電極對5-HT的電化學響應(yīng)。如圖6（C）所示，當pH為7.0時，出現(xiàn)最大的氧化峰電流值。隨著電解液pH值增加或降低，氧化峰值電流均下降，因此，選擇最優(yōu)檢測pH為7.0。

2.5 對5-羥色胺檢測的線性范圍研究

在最佳實驗條件下采用差分脈沖伏安法研究了RGO/PDDA/SSB電極對5-HT檢測的線性范圍，如圖7（A）所示，在0.1 mol/L PBS緩沖溶液中逐漸增大5-HT的濃度，差分脈沖伏安響應(yīng)逐漸增大。從對應(yīng)的標準曲線圖7（B）可以看出，基于RGO/PDDA/SSB的傳感器在5-HT濃度為1～300μmol/L范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)，檢測限為0.82μmol/L，該傳感器與其他文獻相比，線性范圍較寬（表1），說明基于RGO/PDDA/SSB的傳感器對5-HT催化氧化過程的電化學測定具有優(yōu)異的性能。

表1 RGO/PDDA/SSB傳感器與其他方法的對比Tab.1 Comparison of detection performance with different sensors

圖7 (A)RGO/PDDA/SSB/GCE電極在不同濃度5-HT溶液中：1，3，5，7，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，150，200，250和300μmol/L的差分脈沖伏安圖,(B)陽極峰值電流（I pa）與5-HT濃度的關(guān)系圖Fig.7(A)DPVs of RGO/PDDA/SSB/GCE electrodes at different concentration of 5-HT solutions:1,3,5,7,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,150,200,250 and 300μmol/L(B)Plot of the anode currents(I pa)as a function of the concentration of 5-HT

2.6 傳感器的抗干擾性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性考察

在實際樣品的檢測過程中常存在其他活性物質(zhì)的干擾，因此需要對制備的傳感器進行抗干擾能力的考察。如圖8（A）所示，在0.1 mol/L PBS(pH7.0)溶液中分別加入100μmol/L 5-HT，2倍濃度的DA，AA和UA以及10倍濃度的谷氨酸，酪氨酸，苯丙氨酸，檸檬酸，賴氨酸和色氨酸，電化學行為結(jié)果顯示基于RGO/PDDA/SSB的傳感器對5-HT的測定具有最高電化學響應(yīng)，干擾物的峰值電流均低于5-HT響應(yīng)的1/5，表明制備的傳感器對于5-HT的檢測具有良好的選擇性。

此外，還研究了電極在檢測過程中的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。如圖8（B）所示，選取5個批次制備的傳感器，每個傳感器對100μmol/L 5-HT溶液進行3次差分脈沖伏安測定，得出不同電極之間的RSD為1.7%。將制備的傳感器在室溫下保存，每隔一段時間對5-HT進行電化學測定，從圖8(C)中，觀察到傳感器在室溫下保存51天仍然可以保留初始電流值的94%。說明RGO/PDDA/SSB傳感器重現(xiàn)性及穩(wěn)定性良好。

2.7 在實際樣品中的檢測

為了考察基于RGO/PDDA/SSB的傳感器在實際樣品分析中的適用性，采用加標回收法對稀釋后的尿液樣品中5-HT進行測定，如表2所示，回收率在97.1%～100.9%之間，RSD為1.78%～3.69%，表明制備的傳感器可成功應(yīng)用于實際樣品中5-HT的測定。

表2 在尿液樣品中5-HT的加標檢測Tab.2 Summary of the detection of 5-HT in urine

3 結(jié)論

綜上所述，該工作構(gòu)建了一種基于RGO/PDDA/SSB的柔性纖維膜傳感器用于定量測定5-HT。由于PDDA與帶負電RGO和纖維之間強烈的靜電相互作用使得RGO牢固的吸附在纖維表面，纖維較大的比表面積和長徑比為RGO的分散提供了平臺，避免RGO的團聚。制備的RGO/PDDA/SSB柔性傳感器重現(xiàn)性好，穩(wěn)定性高，可用于實際樣品尿液中5-HT的檢測。