構(gòu)建多巴胺電化學(xué)傳感器電極材料的研究進(jìn)展*

周 旋，崔澤琳，白雪峰,**

（1.黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150040；2.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

關(guān)鍵字：多巴胺檢測(cè)；電極修飾材料；電化學(xué)傳感

前言

多巴胺是一種廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的兒茶酚胺神經(jīng)遞質(zhì)[1～3]，影響動(dòng)物的各種動(dòng)機(jī)與行為，低水平的多巴胺與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，如帕金森病和精神分裂癥。由于多巴胺廣泛的生理和病理效應(yīng)，在生物系統(tǒng)中精密和準(zhǔn)確測(cè)量多巴胺及其代謝物具有十分重要的臨床意義[4]。多巴胺檢測(cè)方法多種多樣，電化學(xué)檢測(cè)多巴胺因其對(duì)生物體損傷小、操作簡(jiǎn)單、精確度高等優(yōu)點(diǎn)而在近年興起[5，6]，其中，電化學(xué)檢測(cè)中電極修飾材料的選用是電化學(xué)檢測(cè)效果好壞的決定因素。

1 非金屬修飾材料

非金屬傳感器種類繁多，在電化學(xué)領(lǐng)域中具有非常重要的作用[7～9]。例如：無(wú)機(jī)碳材料、復(fù)合材料等，它們都在多巴胺檢測(cè)中擁有良好的導(dǎo)電性和催化活性。

弓巧娟等[10]構(gòu)建了一種基于色氨酸和石墨烯復(fù)合材料靈敏檢測(cè)多巴胺的電化學(xué)傳感器。將石墨烯修飾在裸玻碳電極上，并通過(guò)電化學(xué)沉積的方法將色氨酸負(fù)載到電極表面的石墨烯中，得到Trp/GN/GCE,結(jié)果表明構(gòu)建的Trp/GN/GCE界面對(duì)多巴胺氧化反應(yīng)具有很好的電化學(xué)催化作用。以差分脈沖法記錄催化電流,多巴胺氧化峰的電流強(qiáng)度和多巴胺濃度有良好的線性關(guān)系，線性范圍為0.2～100μmol,檢出限為0.06μmol（S/N=3）。這種方法在大濃度抗壞血酸干擾下可以非常良好地檢測(cè)多巴胺,這種方法還可以用于檢測(cè)多巴胺注射劑中多巴胺含量。

李群等[11]通過(guò)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)合適的反應(yīng)路線實(shí)現(xiàn)對(duì)不同維度的低維六方氮化硼（h-BN）材料的有效合成，探究了低維h-BN材料在電、光和吸附領(lǐng)域的應(yīng)用。其中因?yàn)槠瑺頷-BN特別的二維結(jié)構(gòu),研究了這種結(jié)構(gòu)對(duì)抗壞血酸（AA）、多巴胺（DA）和尿酸（UA）的電化學(xué)檢測(cè)性能。結(jié)果表明,片狀六方氮化硼對(duì)AA、DA和UA表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化活性和良好的選擇性,與其他電極修飾材料相比,片狀六方氮化硼材料具有較高的靈敏度、較大的檢測(cè)范圍和低的檢測(cè)限,可以很好地應(yīng)用多巴胺檢測(cè)的研究。

王玉華等[12]將離子液體（IL）1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽修飾在玻碳電極（GCE）表面,得到了一種新型的離子液體修飾的玻碳電極（IL-GCE）。并采用循環(huán)伏安法對(duì)IL-GCE進(jìn)行了電化學(xué)檢測(cè),結(jié)果顯示，這種修飾電極具有非常好的導(dǎo)電性能。同時(shí)，研究了多巴胺在IL/GCE上的電化學(xué)行為，另外采用示差脈沖法對(duì)DA在0.1～600.0μmol/L范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理得到檢測(cè)限為0.031μmol/L（S/N）。最后，將IL/GCE用于人體體液的檢測(cè),顯示出良好的檢測(cè)效果。

許曉迪等[13]采用循環(huán)伏安法在HNO3溶液中對(duì)石墨柱電極進(jìn)行處理,得到被石墨片層均勻包覆的石墨柱電極。采用電化學(xué)方法研究片層石墨柱電極對(duì)多巴胺（DA）的傳感性能。研究結(jié)果表明:在多巴胺濃度為5～400μmol/L范圍內(nèi)，片層石墨柱電極的氧化峰電流與濃度存在良好的線性關(guān)系,檢測(cè)靈敏度高達(dá)0.446μA/μmol·L-1。片層石墨柱電極顯示出了良好的抗干擾能力、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

Wu等[14]使用電吸附的方法，使用多環(huán)糊精-聚n-異丙基丙烯酰胺（CD-PNIPAM）聚合物膜修飾在玻碳電極（GCE）表面。同時(shí)研究了這種傳感器在pH值為5.0時(shí)磷酸鹽緩沖溶液中對(duì)多巴胺催化氧化的電化學(xué)過(guò)程。結(jié)果顯示，環(huán)糊精-聚異丙基丙烯酰胺聚合物膜修飾電極不僅顯著提高了DA的峰值電流響應(yīng)，并很好地降低了多巴胺的氧化過(guò)電位，而且在抗壞血酸存在下也對(duì)多巴胺有很好的檢測(cè)效果。在差示脈沖伏安法（DPV）電化學(xué)檢測(cè)中，DA的檢出限估計(jì)為3.34×10-8M，所制傳感器的靈敏度為564.2μA·mM-1，這種傳感器有良好的穩(wěn)定性、選擇性及抗干擾能力，在實(shí)際多巴胺樣品檢測(cè)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。

非金屬納米復(fù)合材料大多具有大的比表面積、強(qiáng)的吸附性、高的催化活性和良好的生物相容性,用于生物分子的負(fù)載不僅可以提高生物分子的吸附量和穩(wěn)定性,還能非常好地保持生物分子的活性,從而使傳感器的性能得到提高。

2 單金屬修飾材料

金屬催化劑發(fā)展較為成熟，催化性能研究比較透徹，制備技術(shù)也很完善，對(duì)多巴胺電化學(xué)傳感的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Nada F.Atta,Maher F.El-Kady[15]將鉑或鈀納米粒子分布在導(dǎo)電聚合物基體聚3-甲基噻吩（PMT）中，制備了一種有應(yīng)用前景的改性電極。采用循環(huán)伏安法和微分脈沖伏安法對(duì)所制備的薄膜進(jìn)行了電化學(xué)檢測(cè)表征。將Pt修飾的電極和Pd修飾的電極進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)，Pd修飾電極的氧化電位更低，峰值電流更高。這表明，在Pd修飾電極上，HQ/BQ偶的氧化還原反應(yīng)在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上都比其它電極更有利。此外，電流響應(yīng)的顯著增強(qiáng)和峰電位的下降表明Pd粒子作為促進(jìn)劑增強(qiáng)了電化學(xué)反應(yīng)，大大加快了電子轉(zhuǎn)移的速率。最后還做了抗干擾能力檢測(cè)，在不同的pH值溶液中的出峰電位不同，另UA和AA對(duì)DA檢測(cè)影響甚小，這種修飾電極具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和催化活性，還能方便地用在實(shí)際多巴胺樣品檢測(cè)中。

高先娟等[16]基于羧基化石墨烯/半胱胺修飾金電極建立了檢測(cè)多巴胺的生物傳感器，利用自組裝技術(shù)將半胱胺修飾在金電極上,然后利用1-乙基-[3-二甲基氨基丙基]碳酰二亞胺鹽酸化物/N-羥基琥珀酰亞胺（EDC/NHS）交聯(lián)劑將羧基化石墨烯穩(wěn)定于修飾后的金電極上制成電化學(xué)傳感器。對(duì)所修飾的電極進(jìn)行電化學(xué)表征，結(jié)果顯示,修飾的金電極顯著提高了電極的傳遞電子能力，使其具有很好的靈敏度。經(jīng)控制實(shí)驗(yàn)變量得出,最佳檢測(cè)條件為利用pH值為6.00的0.30M磷酸鹽緩沖溶液配制多巴胺溶液,在最好的檢測(cè)條件下，制備的多巴胺電化學(xué)傳感器電流的大小隨著多巴胺濃度的增大而增大,在1.0×10-3～3.5×10-3mol·L-1范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。且所制備的傳感器具有良好的精密度和穩(wěn)定性,具有較好的抗干擾能力。研究結(jié)果表明該傳感器可以用于藥物鹽酸多巴胺注射液中多巴胺的檢測(cè)。

Ding等[17]首次制備了一種尖端修飾團(tuán)簇狀金納米結(jié)構(gòu)（Au/GSNE）的玻璃密封金納米電極，用于老鼠體內(nèi)DA檢測(cè)。在含有0.1mol/L的HClO4和20 mmol/L的HAuCl4的溶液中，金納米粒子電化學(xué)沉積到玻璃密封的金納米微電極中。所制得的傳感器在多巴胺濃度為0.01～2.55mmol/L時(shí)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，計(jì)算得到檢出限為5.2nmol/L（S/N=3）?？垢蓴_實(shí)驗(yàn)中在含有生理濃度的尿酸、腎上腺素、去腎上腺素、3,4-二羥基苯乙酸和抗壞血酸的溶液里，對(duì)多巴胺具有良好的選擇性，此外體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，將直徑約800nm的Nafion修飾電極植入富含多巴胺膜泡的左紋狀體，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，所制的傳感器對(duì)多巴胺具有很好地檢測(cè)性能。

Da-Seul Kim、Ee-Seul Kang等[18]制備了一種新的圓柱形金納米電極（CAuNE）感應(yīng)平臺(tái)，利用連續(xù)激光干涉光刻技術(shù)（LIL）和電化學(xué)沉積（ECD）的方法制備了均勻圓柱黃金納米微電極（CAuNE）平臺(tái),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定多巴胺獨(dú)特的電化學(xué)信號(hào)并減少電化學(xué)信號(hào)的變化。使用勞氏鏡干涉儀,在氧化銦錫（ITO）表面上制備了三種不同直徑（500nm、700nm、900nm）的均相光刻膠（PR）。然后以均向光刻膠納米孔陣列為模板，采用電化學(xué)沉積的方法制備金納米管陣列。在多巴胺濃度范圍為1～100μM溶液中定量地加入類似于真正的人血漿成分濃度的葡萄糖（40g/L）,尿酸（44mM）和人類血清白蛋白（0.1g/L）,結(jié)果表明，CAuNE是一個(gè)良好的檢測(cè)多巴胺的高度敏感和選擇性的電化學(xué)檢測(cè)材料,即使是真正的人血漿樣品。

單金屬修飾材料使用的多為貴金屬，催化活性高，檢出限較低，但結(jié)構(gòu)比較單一。

3 雙金屬修飾材料

雙金屬因不同金屬的協(xié)同作用使催化性能得到改善，而且由于非貴金屬的價(jià)格低廉研究成本降低，在多巴胺檢測(cè)中具有很好的研究前景。

Zhou等[19]采用LBL法制備了一種基于P2W16V2和Au/Pd兩個(gè)功能組成部分的傳感復(fù)合膜，并通過(guò)CV和DPV對(duì)其電化學(xué)行為進(jìn)行了研究。該復(fù)合材料薄膜通過(guò)降低氧化超電位和增加峰值電流表現(xiàn)出對(duì)AA和DA的良好催化活性，對(duì)AA和DA的檢測(cè)范圍在0.43～0.83μm，且重復(fù)300次循環(huán)伏安法檢測(cè)也沒(méi)有太大變化，具有很好的重現(xiàn)性，可用在實(shí)際多巴胺樣品的檢測(cè)。

Chen等[20]采用一鍋水熱法將硼原子嵌進(jìn)多孔骨架石墨烯里。然后，將Au/Pd雜化納米棒（Au/Pd HNRs）負(fù)載到摻雜B的石墨烯（BG）中，形成Au/Pd HNRs/BG雜化納米復(fù)合材料，摻硼效應(yīng)引入高度分散的羧基基團(tuán)和大量缺陷位點(diǎn)，不僅加大了Au/Pd雜化納米棒的負(fù)載量，還增加了石墨烯比表面積。結(jié)果顯示檢出限為4.58μM（S/N=3），能應(yīng)用于人體尿液的多巴胺檢測(cè)。

Jiao等[21]用Pd/Pt納米合金負(fù)載到含有多氧金屬酸鹽（PMo9V3）的多壁碳納米管（CNTs）并修飾到氧化銦錫（ITO）電極制備了一種新型的傳感器。制備的改性電極不僅顯著增強(qiáng)了對(duì)DA的峰值電流響應(yīng)，而且降低了DA氧化的過(guò)電位，消除了AA和UA的干擾。檢測(cè)濃度范圍：2.50×10-8～1.78×10-4M檢出限為1.25×10-8M。

張銀烽等[22]研究了一種基于Pt/Au納米合金負(fù)載于石墨烯的電化學(xué)傳感器，能很好地實(shí)現(xiàn)DA和AA還原峰的分離（ΔE=200mV）,所制得的傳感器能夠?qū)δ蛩岷投喟桶愤M(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，結(jié)果顯示尿酸和多巴胺的檢出限分別為1.996μmol/L和0.999μmol/L,線性范圍分別是17.417μmol/L～1259.357μmol/L和2.486μmol/L～260.141μmol/L。Au/Pt雙金屬傳感器制備過(guò)程簡(jiǎn)單，且擁有良好的重現(xiàn)性。

Yang等[23]采用均勻沉積的方法制備了具有空心結(jié)構(gòu)的鈷鎳前驅(qū)體微球，因?yàn)殁掓囯s化材料具有多種形態(tài)和其多種價(jià)態(tài)，該材料具有良好的電化學(xué)活性，這種方法簡(jiǎn)單快速，不需要模板化合物的存在，也不需要高溫或者高壓條件。此外，該反應(yīng)僅使用尿素作為沉淀反應(yīng)物，其分解產(chǎn)物為水和氨，整個(gè)制備過(guò)程是綠色環(huán)保的。分析其結(jié)構(gòu)和成分，這種前驅(qū)體有微納米層狀結(jié)構(gòu)。對(duì)多巴胺濃度在10μM～0.5mM的溶液進(jìn)行檢測(cè)，所得的檢出限為0.0082mM，該研究表明具有空心結(jié)構(gòu)的鈷鎳前驅(qū)體微球是良好的多巴胺電化學(xué)檢測(cè)修飾材料。

雙金屬修飾材料由于兩種金屬之間的協(xié)同作用，使得功能互補(bǔ)，對(duì)生物分子選擇性提高，同時(shí)也具有良好的催化活性，有很大的發(fā)展前景。

4 其他種類修飾材料

多種含有金屬的復(fù)合材料和金屬氧化物有很強(qiáng)的導(dǎo)電性和電催化活性，適用于多巴胺檢測(cè)領(lǐng)域。

方智利等[24]采用具有一維手性通道的手性金屬有機(jī)框架HMOF-Zn與乙炔黑共混復(fù)合作為修飾材料改性玻碳電極（HMOF-Zn@AB-Nafion-GCE）。并將復(fù)合后的電極對(duì)多巴胺（DA）和尿酸（UA）進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。該傳感器表現(xiàn)出良好的選擇性較高的靈敏度。DA檢測(cè)范圍為0.15～2.5μmol/L，UA檢測(cè)范圍為0.2～4μmol/L，檢出限分別為0.003μmol/L和0.02μmol/L。另外成功實(shí)現(xiàn)了人體尿液中尿酸和多巴胺的檢測(cè)。

Elhag等[25]通過(guò)合成具有超薄形貌的Co3O4納米結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一種化學(xué)修飾電極。通過(guò)調(diào)整溶液中十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的濃度，可以調(diào)整Co3O4納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)。且由于SDBS定向劑特性使之具有超薄的形貌。塑化劑PVC聚合物和β-CD離子載體的結(jié)合讓該納米結(jié)構(gòu)獲得了對(duì)DA的選擇性。結(jié)果顯示，該傳感器對(duì)DA檢測(cè)范圍是10-9～10-2M，而人體內(nèi)的DA濃度是10-8～10-6M。

Zhong等[26]采用冷淬法研究了一種碗狀氧化石墨烯/Fe3O4復(fù)合材料，且有很大的比表面積。這種復(fù)合材料與多巴胺之間的相互作用可以通過(guò)空聚力和靜電相互作用增強(qiáng)，這是因?yàn)檠趸┑姆枷悱h(huán)（GO）和多巴胺官能團(tuán)含有氫鍵。在25～200μМ濃度范圍內(nèi)檢測(cè)性能良好，多巴胺檢測(cè)下限（LOD）約0.023μМ。在抗壞血酸和尿酸存在的情況下，氧化石墨烯/Fe3O4復(fù)合物在多巴胺檢測(cè)中表現(xiàn)出極好的敏感性。氧化石墨烯/Fe3O4復(fù)合修飾的金印刷電路板電極（Au-PCB）多巴胺電極可以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

Shervedani等[27]采用電化學(xué)沉積的方法制作了一種RuOHCF/RuHCF薄膜修飾玻碳電極材料，具體方法是在含有1mm K3Fe（CN）6和1mm RuCl3的電解質(zhì)（0.5 M NaNO3+0.05 M HCl）水溶液中，通過(guò)100mV/s在0.5和+1.3 V的極值之間進(jìn)行電勢(shì)循環(huán)，完成RuOHCF/RuHCF薄膜的沉積。所得的電極材料在兩種不同的多巴胺濃度范圍（5.0×10-7×10-5mol/L，25.0×10-5～5.50×10-4moL）內(nèi)檢測(cè)，表現(xiàn)出良好的檢測(cè)活性，檢出限為1.95×10-7mol/L（S/N=3）。在人體血漿和注射藥物中多巴胺濃度的檢測(cè)中也具有良好效果。

5 結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)傳感器的修飾材料非常多樣，催化性能良好，在實(shí)際樣品中的檢測(cè)也有良好的效果。近年來(lái)，多巴胺電化學(xué)傳感方面的研究也不斷發(fā)展，各種不同的修飾材料對(duì)多巴胺也都有很好的催化活性和選擇性，隨著電極修飾材料的研究增多，電化學(xué)傳感也將更多地應(yīng)用于實(shí)際生活中多巴胺的檢測(cè)。