二氧化鉬－石墨烯修飾電極對(duì)多巴胺、尿酸檢測(cè)方法研究

谷江東，強(qiáng)濤濤，徐衛(wèi)濤，秦向濤

（陜西科技大學(xué) a.化學(xué)與化工學(xué)院；b.輕工科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021）

多巴胺（DA）又名兒茶酚乙胺或羥酪胺，是一種神經(jīng)傳導(dǎo)遞質(zhì)，用來幫助細(xì)胞傳遞脈沖的化學(xué)物質(zhì)［1］，能夠?qū)㈤_心、快樂、興奮、悲傷、難過、痛苦等情緒情感的信息傳遞，因此DA含量非常重要，含量過低可能導(dǎo)致一些重大疾病，如帕金森［2］、癲癇和精神分裂癥［3］等病。尿酸（UA）又名2，6，8－三羥基嘌呤，是嘌呤代謝的終產(chǎn)物，又是人體尿液中的產(chǎn)物，但如果人體尿酸滯留過多又來不及排泄，長(zhǎng)期任其發(fā)展將會(huì)引起高尿酸血癥、痛風(fēng)等疾病的發(fā)生［4－5］因此簡(jiǎn)單快速地檢測(cè)DA和UA尤為重要。

納米材料在醫(yī)學(xué)、光電、物理和化學(xué)性質(zhì)等方面具有其他材料不具備的優(yōu)異特性，而納米粒子是一種極好的催化材料，表面積大，表面活性中心多，催化活性高，已被用作特殊的傳感材料。納米材料中的金屬氧化物納米顆粒具有良好的光學(xué)特性、力學(xué)特性以及優(yōu)異的催化活性［6］，納米顆粒的小尺寸，大的比表面積，使其催化效果明顯，其中，MoO2納米顆粒具有良好的金屬性和導(dǎo)電性，較高的電子傳遞速率，晶格中存在的孔隙結(jié)構(gòu)有利于帶電粒子的穿入與流出，可用于電化學(xué)傳感方面［7］。

石墨烯在傳感器、催化劑、電池、復(fù)合材料及顯示器材料領(lǐng)域得到突破性的應(yīng)用進(jìn)展［8］。同時(shí)，石墨烯具有的儲(chǔ)氫特性、場(chǎng)效應(yīng)特性、高強(qiáng)度特性、非凡的比表面積、高的電導(dǎo)率和快速的電子轉(zhuǎn)移能力［9－11］，是目前在常溫下已知的導(dǎo)電性能最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速率遠(yuǎn)超過一般導(dǎo)體［12］。另外石墨烯還顯示出非常好的芳香有機(jī)物吸附性能［13］，有效的附集待測(cè)物，從而提高傳感器的靈敏度。將石墨烯作為支持MoO2電極活性材料的理想基材，分散在石墨烯上的MoO2納米顆粒展現(xiàn)出了較好的分散性，較小的粒徑和更高的催化活性。

本文將MoO2／RGO復(fù)合材料滴涂于玻碳電極（GCE）表面以構(gòu)筑MoO2／RGO／GCE電化學(xué)傳感器，用于多巴胺和尿酸的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與實(shí)驗(yàn)儀器

尿酸（上?；瘜W(xué)試劑公司）；多巴胺（上海中秦化學(xué)試劑有限公司）；鉬酸銨（湖北巨盛科技有限公司）；磷酸二氫鈉（江蘇采薇生物科技有限公司）；磷酸氫二鈉（江蘇采薇生物科技有限公司）；濃硫酸（天津大茂化學(xué)試劑廠）；鐵氰化鉀（中國(guó)徐州試劑總廠）；水合肼（上?？萍加邢薰荆粊嗚F氰化鉀（中國(guó)徐州試劑總廠）；石墨粉（天津市福辰化學(xué)試劑廠）；馬弗爐（合肥科晶材料技術(shù)有限公司）；干燥箱（上海恒科學(xué)儀器有限公司）；超聲儀（昆山市超聲儀器有限公司）；pH計(jì)（OHRUS）科斯特電化學(xué)工作站（德尚科技公司）；三電極體系（Pt電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極，修飾有MoO2／RGO的玻碳電極為工作電極）。

1.2 二氧化鉬納米顆粒－石墨烯制備過程

將1.5 g的（NH4）6Mo7O24在氬氣氣氛下加熱至500℃并控制氣體流速為0 sccm，以10℃／min速度升溫，保溫2 h后自然冷卻用水沖洗，并在60℃條件下干燥12 h，制得MoO［14］2。氧化石墨烯根據(jù)文獻(xiàn)［15］制備，將1.0 g MoO2和一定量的GO粉末加入到50 mL超純水中，并連續(xù)不斷地?cái)嚢杈鶆?，用超純水抽濾洗滌并將沉積物置于60℃真空干燥箱中干燥，然后將復(fù)合材料放入管式爐中在氮?dú)夥諊驴刂破淞魉俨⒁?℃／min升溫至500℃煅燒2 h，得到黑色粉末樣品。

1.3 玻碳電極的預(yù)處理及MoO2／RGO／GCE修飾電極的制備

玻碳電極的預(yù)處理：將玻碳電極用Al2O3懸濁液打磨成鏡面，用乙醇和水依次超聲洗滌，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。然后，移?.0μL的MoO2／RGO分散液滴涂到玻碳電極表面，自然晾干，得到MoO2／RGO／GCE修飾電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極材料的表征

從圖1（a）可以看出，MoO2呈現(xiàn)不規(guī)則的聚集的顆粒狀結(jié)構(gòu)；圖1（b）可以看出，石墨烯具有片層褶皺狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有大的比表面積，MoO2顆粒均勻地分散在石墨烯上且沒有明顯堆積；圖1（c）所示的EDS圖可以清楚地看到該復(fù)合材料是由C、O、Mo 3種元素構(gòu)成的，而且Mo的分布非常均勻，結(jié)果表明2種材料成功地復(fù)合在了一起。

圖1 MoO2（a）、MoO2／RGO（b）的TEM圖；MoO2／RGO（c）的EDS圖

由圖2可以觀察到在230 364 454 494 737 cm－1的振動(dòng)峰為二氧化鉬單斜晶的峰，在281 814 990 cm－1的峰為三氧化鉬的散射峰，這是因?yàn)槎趸f作為一種中間態(tài)的氧化峰當(dāng)其暴露在空氣中時(shí)很容易被氧化［16］，同時(shí)在1 349 cm－1和1 591 cm－1處為石墨烯的D帶和G帶2個(gè)特征峰，當(dāng)氧化石墨烯被還原后，其拉曼光譜中的D峰會(huì)增強(qiáng)，結(jié)果說明2種材料復(fù)合成功。

圖2 復(fù)合材料的拉曼光譜圖

圖3（a）顯示該復(fù)合材料在相應(yīng)的電子結(jié)合能處出現(xiàn)了Mo 3d、C 1s、Mo 3p和O 1s明顯的特征峰，表明3種元素的存在；圖3（b）顯示了C 1s高分辨譜，擬合分峰在284.4、284.6、286.4、288.7 eV處分別對(duì)應(yīng)于碳原子4種不同的官能團(tuán)：C－C／C＝C、C－O、C＝O、O－C＝O；圖3（c）的Mo 3d光電子峰顯示4個(gè) 分 量 分 別 屬 于Mo4＋3d5／2、Mo4＋3d3／2、Mo6＋3d5／2、Mo6＋3d3／2，說明Mo4＋在空氣中被氧化；圖3（d）顯示2個(gè)尖銳的衍射峰對(duì)應(yīng)于MoO2的（110）和（101）晶面，同時(shí)在37.3°、38.8°、53.1°、53.3°、53.8°處出現(xiàn)了二氧化鉬的（020）、（111）、（222）、（022）、（112）晶面，當(dāng)復(fù)合石墨烯以后出現(xiàn)的3個(gè)強(qiáng)的衍射峰分別屬于MoO2的（110）、（020）、（022）晶面，并且氧化石墨烯的（001）晶面消失，以上結(jié)果說明復(fù)合材料成功合成。

圖3 MoO2／RGO（（a）、（d））的XPS全譜圖、XRD圖；C 1s（b）、Mo 3d（c）的高分辯率元素掃描圖

2.2 MoO2／RGO／GCE修飾電極的電化學(xué)性能

圖4為修飾電極在含0.1 mol／L KCl的0.1 mmol／L K3［Fe（CN）6］的溶液中的CV曲線。

圖4 修飾電極的CV曲線

由圖4可以看出，在裸電極上出現(xiàn)了一對(duì)弱的可逆的氧化還原峰，修飾MoO2后峰電流明顯增強(qiáng)，當(dāng)修飾MoO2／RGO復(fù)合物后峰電流進(jìn)一步增強(qiáng)，表明MoO2／RGO的導(dǎo)電性更強(qiáng)，更有利于電子的轉(zhuǎn)移。同時(shí)修飾電極的探針分子的氧化峰電位更負(fù)，還原峰電位更正，過電位降低，說明復(fù)合材料具有明顯的電催化作用。

2.3 DA和UA在MoO2／RGO／GCE修飾電極上的電化學(xué)行為

本文用循環(huán)伏安法（CV）研究了DA和UA的單一物質(zhì)及混合物在修飾電極上的電化學(xué)行為。圖5（a）為裸電極和MoO2／RGO／GCE修飾電極在0.1 mmol／L且大于裸電極的DA溶液中的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線，可以看出，DA在修飾電極上出現(xiàn)在一對(duì)準(zhǔn)可逆氧化還原峰且大于裸電極，說明DA在該修飾電極上的電子轉(zhuǎn)移速率較裸電極明顯加快，該修飾電極導(dǎo)電性大于裸電極；圖5（b）為不同修飾電極在0.1mmol／L UA溶液中的循環(huán)伏安響應(yīng)，UA在修飾電極上出現(xiàn)1個(gè)不可逆的氧化峰，其中曲線b的氧化峰電流較曲線a的氧化峰電流增強(qiáng)，說明MoO2／RGO／GCE修飾電極對(duì)UA的電子轉(zhuǎn)移具有促進(jìn)作用；圖5（c）為裸電極和MoO2／RGO／GCE修飾電極對(duì)DA和UA混合溶液的同時(shí)檢測(cè)，從曲線a可以看出，裸電極上DA只出現(xiàn)1對(duì)微弱的氧化還原峰，UA的氧化峰也很弱，表明裸電極的靈敏性不太好，而從MoO2／RGO／GCE修飾電極曲線b可以觀察到1對(duì)明顯的氧化還原峰和1個(gè)陽極峰，分別為DA的氧化還原峰和UA的氧化峰，與裸電極相比，其峰電流明顯增強(qiáng)，氧化峰電位負(fù)移，還原峰電位正移，表明MoO2／RGO／GCE修飾電極對(duì)DA和UA具有優(yōu)異的電催化能力。

圖5 裸GCE（a）和MoO2／RGO／GCE（b）修飾電極在混合溶液中的CV曲線

2.4 緩沖溶液pH的影響

利用DPV法考察了不同pH（pH＝5.5～7.5）對(duì)0.1 mmol／L DA和0.15 mmol／L UA電化學(xué)行為的影響，如圖6所示，圖6（a）（b）中，隨著pH值的增加氧化峰電流先增大后減小且在pH＝6時(shí)達(dá)到最大，因此選擇6為最佳pH值；由圖6（c）可以看出二者的峰電勢(shì)與pH值呈良好的線性關(guān)系，表明質(zhì)子參與了電化學(xué)氧化反應(yīng)過程。DA和UA的氧化峰電位與pH值的線性回歸方程依次為DA：Ep（V）＝－0.045 5pH＋0.467 8（R2＝0.997 3）、UA：Ep（V）＝－0.036 68pH＋0.413 8（R2＝0.999 5），它們的斜率值接近－0.059 V，說明DA和UA在電極上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是等質(zhì)子和等電子過程。

圖6 不同pH（pH＝5.5～7.5）對(duì)0.1 mmol／L DA和0.15 mmol／L UA電化學(xué)行為的影響曲線

2.5 掃描速率對(duì)檢測(cè)的影響

考察了DA和UA在MoO2／RGO／GCE修飾電極表面的動(dòng)力學(xué)過程，利用循環(huán)伏安法研究了峰電流與不同掃速（40、60、80、100、120、140、160 mV／S）之間存在的關(guān)系。如圖7（a）（b）所示，DA的氧化峰和還原峰電流都隨著掃描速率的增加而增加，氧化峰電流向更正的電位移動(dòng)，還原峰電流向更負(fù)的電位移動(dòng)。同樣，UA的陽極峰電流也隨著掃速的增加而增加，氧化峰電位也向更正的電位移動(dòng)，從圖7（c）（d）可以看出DA和UA的峰電流與掃描速率均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，DA的線性關(guān)系為：Ipa（μA）＝－4.208 4－0.104 4v（mV／S）（R2＝0.987 1）和Ipc（μA）＝1.190 7＋0.088 5v（mV／S）（R2＝0.9957），UA的 線性關(guān)系為：Ipa（μA）＝－4.066 57－0.038 27v（mV／S）（R2＝0.993 5）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：DA和UA在修飾電極MoO2／RGO／GCE上的電化學(xué)反應(yīng)為吸附控制過程。

圖7 不同掃速下DA（a）和UA（b）在MoO2／RGO／GCE修飾電極上的循環(huán)伏安曲線，峰電流值與掃速的線性關(guān)系

另外，還考察了峰電勢(shì)與掃速的關(guān)系，從圖8（a）（b）可以看出，DA和UA的陽極峰電勢(shì)隨掃速的增加而增加，DA陰極峰電勢(shì)隨掃速的增加而減小，并且峰電勢(shì)與掃描速率的自然對(duì)數(shù)（lnv）呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。DA的線性回歸方程為：Epa（V）＝0.046 5＋0.027 1lnv（mV／S）（R2＝0.992 1），Epc（V）＝0.194 8－0.023 5lnv（mV／S）（R2＝0.995 0），UA的線性回歸方程為：Epa（V）＝0.232 0＋0.025 7lnv（mV／S）（R2＝0.990 4）。

圖8 DA（a）和UA（b）的峰電位與掃描速率的自然對(duì)數(shù)之間的關(guān)系

綜合上述研究，根據(jù)Laviron理論［17］可以得出DA和UA的電子轉(zhuǎn)移數(shù)分別是2.23和2.02，因此DA和UA在MoO2／RGO／GCE修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)是兩電子兩質(zhì)子過程，其反應(yīng)機(jī)理如圖9所示。

圖9 DA和UA在修飾電極上的可能反應(yīng)機(jī)理示意圖

2.6 DA和UA的同時(shí)測(cè)定

利用差分脈沖伏安法（DPV）考察了DA和UA在MoO2／RGO／GCE修飾電極上的氧化峰電流和濃度之間的關(guān)系。如圖10（a）所示，固定UA的濃度為30μmol／L，隨著DA濃度的增加，其氧化峰電流也隨著增加，而UA的氧化峰電流基本不變，DA的氧化峰電流值與濃度（2～220μmol／L）呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，回歸方程為Ip（μA）＝1.915 5＋0.024 9c（μmol／L）（R2＝0.997 3），檢測(cè)線為0.68μmol／L（S／N＝3）。由圖10（c）可知，當(dāng)保持DA濃度為30μmol／L時(shí)，UA的氧化峰電流與其濃度（9～300μmol／L）呈良好的線性范圍，在9～115μmol／L范圍內(nèi)，線性回歸方程為Ip（μA）＝1.610 6＋0.021 2c（μmol／L）（R2＝0.991 6），在115～300μmol／L范圍內(nèi)，線性方程為Ip（μA）＝2.486 7＋0.012 4c（μmol／L）（R2＝0.995 3），檢測(cè)線為1.06（μmol／LS／N＝3），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：修飾電極MoO2／RGO／GCE可以有效地對(duì)DA和UA進(jìn)行檢測(cè)。

圖10 DA和UA在MoO2／RGO／GCE修飾電極上的氧化峰電流和濃度之間的關(guān)系曲線

通過同時(shí)改變DA和UA的濃度來研究MoO2／RGO／GCE修飾對(duì)其電化學(xué)行為的影響。如圖11（a）（b）所示，隨著DA和UA的濃度的增加，其氧化峰電流與濃度均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程分別為：Ip（DA）＝4.209 1＋0.015 2c（μmol／L）（R2＝0.991 8）和Ip（UA）＝3.264 7＋0.053 9c（μmol／L）（R2＝0.995 6），其線性范圍分別為2～500μmol／L、2～220μmol／L，該研究方法對(duì)DA和UA的測(cè)定具有高的靈敏性和選擇性，能夠很好地應(yīng)用于DA和UA同時(shí)檢測(cè)。表1為不同修飾電極同時(shí)檢測(cè)DA和UA的分析結(jié)果。

圖11 不同濃度的DA（2～500μmol／L）和UA（2～220μmol／L）在修飾電極上的差分脈沖伏安曲線，DA和UA的氧化峰電流與其濃度的線性關(guān)系

表1 不同修飾電極同時(shí)檢測(cè)DA和UA的分析方法

2.7 DA和UA傳感器的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性、選擇性

將MoO2／RGO／GCE修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將相同條件下制備的3根不同修飾電極置于含有20μmol／L DA和50 μmol／L UA的緩沖溶液中，3次檢測(cè)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為3.86%和4.03%。此外，用循環(huán)伏安法連續(xù)掃描50圈后對(duì)傳感器的穩(wěn)定性做了考察，20μmol／L DA、50μmol／L UA氧化峰電流分別為初始響應(yīng)值的92.80%和94.63%，說明修飾電極MoO2／RGO／GCE對(duì)DA和UA的檢測(cè)具有較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

通過在含有DA（0.1 mmol／L）和UA（0.2 mmol／L）的0.1 mol／L的PBS（pH＝6）溶液中加入潛在的干擾物質(zhì)來評(píng)估修飾電極MoO2／RGO／GCE的選擇性，加入100倍的SO2－4、CO2－3、Zn2＋、K＋、Mg2＋、Ca2＋和50倍的葡糖糖、咖啡因、L－半胱氨酸對(duì)DA和UA的檢測(cè)沒有顯著干擾，相對(duì)誤差不超過10%，說明修飾電極對(duì)待測(cè)物DA和UA具有強(qiáng)的抗干擾能力和高的選擇性。

2.8 實(shí)際樣品分析

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定了10倍PBS稀釋了的人體尿液中DA和UA的濃度，3份尿樣中的數(shù)據(jù)如表2所示，均未檢測(cè)到DA的存在，當(dāng)加入一定量的DA后，可檢測(cè)到相應(yīng)的峰電流信號(hào)，DA和UA的加標(biāo)回收率分別為99.0%～101.9%、99.6%～101.0%，DA和UA 3次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差都低于5%，說明該修飾電極可用于實(shí)際樣品的檢測(cè)。

表2 人體尿樣中DA和UA的檢測(cè)結(jié)果（n＝3）

3 結(jié)論

利用石墨烯大的比表面積和二氧化鉬良好的導(dǎo)電性，通過簡(jiǎn)單快速的滴涂法成功構(gòu)建了一種新型MoO2／RGO／GCE電化學(xué)傳感器，該傳感器對(duì)DA和UA顯示出良好的電催化能力，建立的分析方法具有靈敏度高、穩(wěn)定性選擇性好、線性范圍寬、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)DA和UA的同時(shí)檢測(cè)且彼此互不干擾，制備的傳感器可以用于實(shí)際樣品中DA和UA的檢測(cè)。