劉 蓉,鐘桐生,雷存喜
(湖南城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系,湖南益陽(yáng)413000)
多巴胺(Dopamine,DA)的化學(xué)名稱為3,4-二羥基-β-苯乙胺,是一種廣泛存在于脊椎和非脊椎動(dòng)物中的重要神經(jīng)遞質(zhì)。1910年,英國(guó)科學(xué)家George首次在實(shí)驗(yàn)室合成了多巴胺。1958年,瑞典科學(xué)家Nils-?ke在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)多巴胺可以作為神經(jīng)傳遞素。得到DA不只是甲狀腺素和去甲腎上腺素的前驅(qū),而是腦內(nèi)信息傳遞者的這一結(jié)論使Carlsson獲得了2000年的諾貝爾獎(jiǎng)[1]。
DA是一種神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì),用來(lái)幫助細(xì)胞傳送脈沖,神經(jīng)功能失調(diào)是精神分裂癥和帕金森氏癥的重要原因。此外,多巴胺為擬腎上腺素藥,具有興奮心臟、增加腎血流量的功能,廣泛用于治療神經(jīng)紊亂、支氣管哮喘、高血壓、先天性心血性及感染性休克。根據(jù)研究,多巴胺還能夠治療抑郁癥;而DA不足則會(huì)令人失去控制肌肉的能力,嚴(yán)重時(shí)會(huì)令病人的手腳不由自主地顫動(dòng)或?qū)е屡两鹕习Y。因此,對(duì)其在腦、血液、尿和組織中的含量測(cè)定方法的研究無(wú)論是在生理功能研究還是在臨床應(yīng)用方面都具有重要的實(shí)際意義。
測(cè)量DA濃度的方法很多,如滴定法[2]、分光光度法[3]、液相色譜法[4]等。因?yàn)镈A的苯環(huán)上連有兩個(gè)羥基,能夠被氧化生成醌后再還原成酚,從而具有電化學(xué)活性,可以用電化學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量。電化學(xué)方法具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn),尤其是電化學(xué)型生物傳感器能夠進(jìn)行活體分析,這一優(yōu)點(diǎn)是其它方法無(wú)法比擬的。DA在電極表面的反應(yīng)式為:
抗壞血酸(Ascorbic acid,AA)、多巴胺常共存于大腦和體液中,AA的濃度一般從10-7~10-3mol/L不等且易被氧化失去兩個(gè)氫原子而轉(zhuǎn)變成脫氫抗壞血酸,而DA的濃度為10-8~10-6mol/L,AA的濃度遠(yuǎn)高于DA的濃度,而且在裸電極上兩者的氧化電位相近而使氧化峰重疊,如何在高濃度AA存在下測(cè)量DA的含量一直是電化學(xué)分析家非常感興趣的并成為電化學(xué)分析研究的重要課題之一。另外,尿酸(UA)也與DA和AA共存于體液中,但是因?yàn)槠浜枯^低,所以對(duì)DA的干擾遠(yuǎn)不如AA明顯,只有少部分的學(xué)者在研究AA干擾的同時(shí)也研究了UA的影響。
化學(xué)修飾電極是以導(dǎo)體或半導(dǎo)體為基底電極,在電極表面嫁接或涂敷具有選擇性的單分子、多分子、離子或聚合物的化學(xué)物薄膜(從單分子到幾個(gè)微米),借Faraday(電荷消耗)反應(yīng)而呈現(xiàn)出此修飾簿膜的化學(xué)、電化學(xué)及光學(xué)等性質(zhì)[5],因其具有高選擇性和高靈敏性的檢測(cè)特點(diǎn),使得化學(xué)修飾電極在分析化學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。在DA的測(cè)定中,常見的電極修飾分為以下幾大類:聚合膜、Nafion膜、碳納米管、碳納米管/納米粒子/聚合膜和氨基酸法。
化學(xué)修飾電極除了可以在高濃度的AA中測(cè)定DA外,還能增加DA的傳質(zhì)速率,從而提高測(cè)定DA的靈敏度。為了提高測(cè)定DA的選擇性,目前出現(xiàn)的修飾膜有很多,諸如:聚合膜、Nafion膜、碳納米管和氨基酸膜等,所有這些化學(xué)修飾膜的主要思路基于兩條:一是將陽(yáng)離子選擇性膜通過(guò)各種方法修飾在電極表面以達(dá)到排除抗壞血酸陰離子干擾的目的,由于這些修飾膜在一定的pH值下帶負(fù)電荷,同時(shí)使得AA(pKa=4.1)帶負(fù)電荷,而DA(pKa=8.87)帶正電荷,通過(guò)靜電相互作用,可選擇性地對(duì)DA陽(yáng)離子進(jìn)行響應(yīng),而抑制陰離子AA在電極表面的氧化反應(yīng),從而達(dá)到選擇性測(cè)定多巴胺的目的;二是選擇適當(dāng)修飾劑的化學(xué)修飾電極,該修飾膜的骨架帶有正電荷,通過(guò)靜電吸引力使帶負(fù)電荷的AA的氧化峰負(fù)移,使帶正電荷的DA的氧化峰正移,盡可能地將兩者的氧化峰分開而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)。
聚合膜因?yàn)榫哂辛己玫姆€(wěn)定性和重現(xiàn)性,在近幾年的DA測(cè)量中受到廣泛的應(yīng)用。聚合在電極表面的聚合膜對(duì)DA的測(cè)定原理主要是以下兩種:(1)聚合以后,聚合膜在待測(cè)溶液中帶負(fù)電荷,使得AA沒有響應(yīng),而直接測(cè) DA;(2)將 AA和DA的峰分開而選擇性測(cè)定DA或者分別測(cè)定DA和AA。
1.1.1 AA沒有響應(yīng),而直接測(cè)DA
孫登明等[6]用摻雜聚L-酪氨酸修飾玻碳電極同時(shí)測(cè)定DA和AA,兩種組分同時(shí)測(cè)定的線性范圍分別為 5.0×10-6~1.0×10-4mol/L 和3.0×10-5~1.0×10-3mol/L。 Zhao 等[7]在玻碳電極上聚合聚(2-吡啶甲酸)膜,在pH為7.0的PBS中,加入 1.0×10-3mol/L AA 對(duì)測(cè)量 1.0×10-4mol/L DA的結(jié)果無(wú)明顯影響,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明150倍AA不干擾其DA的結(jié)果。陳偉等[8]研究了DA在聚剛果紅修飾電極上的電化學(xué)行為,此電極對(duì)DA有明顯的電催化作用,并能有效消除AA對(duì)DA測(cè)定的干擾。咸洋[9]采用層層自組裝方法應(yīng)用無(wú)機(jī)介孔材料SBA-15,高分子聚合物聚丙烯酸(PAA)和聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)制備了層層組裝修飾電極,結(jié)果表明通過(guò)利用SBA-15的離子篩功能,PDDA(PAA/SBA-15)5層層自組裝膜成功實(shí)現(xiàn)了AA共存條件下神經(jīng)遞質(zhì)DA的選擇性測(cè)定。即使AA濃度高達(dá)1.0×10-4mol/L時(shí)仍無(wú)響應(yīng),對(duì)2.0×10-5mol/L的DA無(wú)干擾。該研究通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH值和離子強(qiáng)度來(lái)有效的控制離子通道的“開關(guān)”狀態(tài),達(dá)到了排除陰離子AA的干擾,提高了測(cè)定DA的選擇性和靈敏度的目的。Li等[10]用分子印跡法,以DA為模板分子,在金電極上電聚合鄰氨基酚法制備了多巴胺分子印跡膜傳感器。傳感器線性范圍為2.0×10-8~0.25×10-6mol/L,檢出限為 1.98×10-9mol/L。 該傳感器可在高濃度抗壞血酸(AA)存在下測(cè)定DA(DA與AA摩爾比為1/1 000),因?yàn)橹频玫挠≯E聚合膜具有特定形狀的識(shí)別孔穴,能夠選擇性識(shí)別多巴胺,多巴胺進(jìn)入識(shí)別位點(diǎn)后會(huì)引起電流變化,而大大提高了其選擇性。
1.1.2 將AA和DA的峰分開測(cè)定
Balamurugan等[11]利用聚(3,4-乙烯二氧噻吩-連-(2-磺酸萘))(PEDOT-PANs)測(cè)得DA和AA的氧化峰分別為 0.33 V和 0.1 V,PEDOTPANs膜中的磺酸基團(tuán)可以使得AA的峰電位負(fù)移,從而使得AA和DA的峰分開。Zhang等[12]采用聚(氨基磺酸)對(duì) 1.0×10-5mol/L DA 和 1.0×10-3mol/L AA的混合溶液進(jìn)行測(cè)量,DA和AA的氧化峰分別為0.163 V和-0.012 V。Jin等[13]利用聚(氨基苯磺酸)膜修飾電極同時(shí)測(cè)定DA和AA,差示脈沖伏安法(DPV)的結(jié)果,DA和AA的氧化峰分別為0.196 V和0.008 V。Ensafi等[14]用聚偶氮砜測(cè)得AA、DA和UA的氧化峰分別為0.17 V、0.35 V和0.50 V。萬(wàn)其進(jìn)等[15]研究了聚茜素紅膜修飾電極(PARE)的制備及其對(duì)DA和AA的電催化性能表明,二者的氧化峰電位分開近200 mV,可通過(guò)控制不同的電位范圍進(jìn)行分步掃描,實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一體系中DA和AA的分別測(cè)定。Roy等[16]用聚(N,N-二甲基苯胺)修飾玻碳電極可以同時(shí)測(cè)定DA和AA,且將兩者的氧化峰分開約300 mV。Lin等[17]用對(duì)硝基偶氮間苯二酚(NBAR)修飾玻碳電極,在pH為4.0的磷酸緩沖溶液中,當(dāng)AA和UA的濃度比DA分別高30和3倍時(shí),不影響對(duì)DA的測(cè)定結(jié)果,在NBAR修飾玻碳電極上DA和AA的峰分別出現(xiàn)在0.390 V和0.195 V。還有用通過(guò)電聚合聚苯二胺[18]、甲酚紅[19]可以通過(guò)將二者的峰分開來(lái)測(cè)定DA。
近年來(lái)研究得比較多的陽(yáng)離子交換劑中,使用最多并且最成功的就數(shù)Nafion膜。Nafion膜是典型的全氟磺酸質(zhì)子交換膜,具有優(yōu)異的電化學(xué)性能、良好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性,經(jīng)過(guò)Nafion膜修飾后,傳感器對(duì)AA的響應(yīng)靈敏度隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低,而DA的響應(yīng)則逐漸上升。另外Nafion膜具有滲透性,根據(jù)溶液中分子或離子的大小、荷電及空間結(jié)構(gòu)等差異能有選擇地使某些分子或離子透過(guò)膜孔起到“分子篩”的作用,從而達(dá)到使待測(cè)物富集的目的,同時(shí)Nafion膜中存在陽(yáng)離子傳遞通道,有利于DA分子的擴(kuò)散,從而提高了傳感器的靈敏度,縮短了響應(yīng)時(shí)間。
方禹之等[20]根據(jù)碳纖維表面的多孔性,用Nafion來(lái)修飾碳纖維微電極表面,在AA共存下選擇性測(cè)定神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素和DA,不僅有效地消除了高含量AA的干擾,而且大大降低了電極的噪音,使電極測(cè)定DA的靈敏度大大提高。林祥欽等[21]制備了膽堿(Ch)共價(jià)鍵植的碳纖維電極(Ch/CFE),進(jìn)而吸附涂敷一薄層Nafion膜得到了Nafion/Ch/CFE。使用DPV法,該電極能良好抵抗AA的干擾而選擇性測(cè)量DA,適用于活體監(jiān)測(cè)。張亞等[22]用Nafion和親水性離子液體溴化1-辛基-3-甲基咪唑([OMIM]Br)作修飾劑制作了Nafion-離子液體-修飾碳糊電極,在0.1 mol/L PBS(pH=7.40)中,該修飾電極降低了DA氧化、還原反應(yīng)的過(guò)電位,增大了其氧化、還原反應(yīng)的峰電流,而AA和UA在該修飾電極上無(wú)響應(yīng),該法可用于注射液和模擬生物樣品中DA的測(cè)定。
1991年日本科學(xué)家Iijima[23]用真空電弧蒸發(fā)石墨電極,并對(duì)產(chǎn)物作高分辨透射電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)了具有納米尺寸的碳納米管 (Carbon nanotubes,CNTs)。作為一維納米材料,重量輕,直徑細(xì),結(jié)構(gòu)多變,六邊形結(jié)構(gòu)連接完美,有獨(dú)特的物理、化學(xué)特征,在納米材料科學(xué)與加工技術(shù)、分子電子器件及生命科學(xué)領(lǐng)域中吸引了人們的廣泛注意。
王宗花等[24]制備了碳納米管(CNT)修飾電極(鑲嵌、涂層),并首次研究了電分離DA和AA的機(jī)理,結(jié)果表明,該電極的表面有一個(gè)多孔性的立體界面層,不僅對(duì)DA和AA具有較強(qiáng)的電催化作用,而且二者的氧化峰電位差達(dá)250 mV以上。用酸處理后的多壁碳納米管修飾的石墨電極可以使DA和AA的氧化峰明顯地分開,對(duì)兩者的氧化均具有明顯的電催化作用,可以同時(shí)測(cè)定DA和AA。但碳納米管在用酸處理時(shí),酸的氧化性不宜太強(qiáng),否則將不利于在AA存在下對(duì)DA的測(cè)定。這是因?yàn)樗岬难趸栽綇?qiáng),碳納米管表面生成的羧基和羥基越多,使碳納米管的電負(fù)性增強(qiáng),碳納米管與AA的靜電斥力增大,這使AA的峰電位正移,與DA的峰電位差減小,影響DA的測(cè)定[25]。Baldrich等[26]用磁性納米粒子(MP)吸附CNT制得MP/CNT電極,這樣的電極既繼承了CNT將DA和UA之間分開的優(yōu)點(diǎn),又繼承了MP納米粒子增敏的特點(diǎn)。與一般電極相比,MP/CNT電極上的峰電流可增大2.6~5倍。楊瑞蘭[27]將CNT制成糊狀電極(CNTPE),研究了該電極在DA和AA共存時(shí)的電化學(xué)行為,并且將其與傳統(tǒng)的碳糊電極(CPE)作了比較。結(jié)果表明,CNTPE比CPE具有更明顯的催化作用,而且使DA的氧化峰位正移,兩者的氧化峰位分離達(dá)200 mV,并在AA存在的情況下成功的測(cè)定了DA的含量。羧基化CNT將AA和DA的峰分開,且使得AA和DA的峰電流明顯增大,主要原因有:(1)MWNT特有的管、空腔及攜帶的-COOH和-OH基團(tuán),容易與DA分子酚羥基中的氫形成氫鍵,電子通過(guò)O-H-O鍵傳遞,從而使酚羥基活化,削弱了苯環(huán)上O-H鍵之間的鍵能,使DA更容易被氧化,因而降低了氧化過(guò)電位[28];(2)MWNT上特有的空腔及-COOH和-OH基團(tuán),提供較多的反應(yīng)位點(diǎn)和傳輸空間,MWNT上帶點(diǎn)較多的含氧基起著質(zhì)子的接受體的作用,同時(shí)空間界面有利于質(zhì)子、電子的傳輸[29],從而使DA和AA在該修飾電極上的峰電流顯著增大。
納米金粒子有大的比表面積和良好的導(dǎo)電性,是優(yōu)良的電子導(dǎo)線和活性催化劑[30],可顯著提高現(xiàn)有分析方法的靈敏度。在多層膜中,金納米粒子作為電子導(dǎo)線大大加快了電子傳遞速率。另外,金屬納米粒子還具有提高電化學(xué)敏感膜中電活性物質(zhì)氧化還原可逆性的功能。
近年來(lái),將能夠分別測(cè)定DA的聚合膜和碳納米管聯(lián)用,并加入具有良好的催化活性性能的納米粒子制成碳納米管/納米粒子/聚合膜,其優(yōu)點(diǎn)在于形成了新的復(fù)合材料,并通過(guò)協(xié)同效應(yīng)保留了單種組分的性能。現(xiàn)已研究出的此類復(fù)合材料有聚苯胺/多壁碳納米管(PAN I/MCNT),聚對(duì)苯乙烯/碳納米管(PPV/CNT)、聚二氧乙基噻吩/碳納米(PEDOT/CNT)等,目前有部分已經(jīng)用于DA的測(cè)定。
1.4.1 AA沒有響應(yīng),而直接測(cè)DA
李春香等[31]利用2,6-吡啶二甲酸(PDA)與多壁碳納米管(MCNT)共聚修飾玻碳電極,制成了聚2,6-吡啶二甲酸/多壁碳納米管(PPDA/MCNT)修飾電極,并將其應(yīng)用于DA的測(cè)定,與MCNT修飾電極相比,前者更具有響應(yīng)靈敏、檢出限低、選擇性高及基線電流低的優(yōu)勢(shì)。該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在DA 濃度為 1.0×10-7mol/L 時(shí),AA(2.0×10-5mol/L)對(duì)DA測(cè)定無(wú)明顯干擾。當(dāng)AA濃度為DA濃度的1 000倍時(shí),能使DA峰電流降低7.2%。這表明該修飾電極具有良好的選擇性,能用于實(shí)際樣品的檢測(cè)。Zhang等[32]制備的聚苯乙烯磺酸/單壁碳納米管成功地測(cè)得了DA的含量,在pH為7.0的PBS中,帶負(fù)電荷的聚苯乙烯磺酸可以吸引帶正電荷的DA,并排斥帶負(fù)電荷的AA從而消除AA的干擾。馬曾燕等[33]在玻碳電極上通過(guò)電聚合制備了聚L-半胱氨酸/多壁碳納米管 (poly-LCys/MWNT)復(fù)合修飾電極,實(shí)驗(yàn)表明,poly-LCys/MWNT修飾電極對(duì)DA有良好的電催化作用,且AA對(duì)DA檢測(cè)無(wú)干擾。鄭娜等[34]研究了聚磺基水楊酸/多壁碳納米管修飾玻碳電極的制備及DA在此修飾電極上的電化學(xué)行為,pH=7.4 PBS中,在1.0×10-3mol/L AA共存的條件下,DA氧化峰電流與其濃度在5.0×10-7~1.0×10-4mol/L范圍內(nèi)分段呈線性關(guān)系,結(jié)果表明:聚磺基水楊酸/多壁碳納米管修飾電極結(jié)合了多壁碳納米管靈敏度高和聚磺基水楊酸選擇性好的優(yōu)點(diǎn),可用于AA共存條件下DA的測(cè)定。馬曾燕等[35]制備了聚吡咯/多壁碳納米管(PPy/MWNT)復(fù)合膜修飾電極。pH=4.10的0.2 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中,DA在該修飾電極上的CV曲線于0.31 V和0.28 V處出現(xiàn)一對(duì)靈敏的氧化還原峰,峰電位差ΔEp比裸玻碳電極降低58 mV,比PPy修飾電極低28 mV,峰電流顯著增加。
1.4.2 將AA和DA的峰分開分別測(cè)定
王宗花等[36]采用電聚合方法將茜素紅修飾到碳納米管上,制備了聚茜素紅/碳納米管修飾電極,該電極能顯著提高電極的靈敏度和分子識(shí)別性能,DA和AA的氧化峰位分離達(dá)240 mV,在AA的存在下,DA的差分脈沖伏安法峰電流在10-7~10-5mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。
黃燕生[37]將L-賴氨酸玻碳修飾電極上,通過(guò)DPV測(cè)得AA和DA的氧化峰峰間距為460 mV;L-酪氨酸玻碳修飾電極的DPV圖上峰間距為408 mV,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明玻碳電極上DA和AA重疊的單氧化峰在氨基酸修飾玻碳電極上分開成為兩個(gè)完全獨(dú)立的氧化峰,從而實(shí)現(xiàn)了選擇性檢測(cè)DA。張雷等[38]采用電氧化法制備了一種新型γ-氨基丁酸(ABA)修飾的玻碳電極,DA與AA分別于0.45 V和0.07 V出現(xiàn)獨(dú)立的陽(yáng)極方波伏安峰,表明此修飾電極可用于這兩種物質(zhì)的同時(shí)測(cè)定。陳賢光等[39]表明L-半胱氨酸(L-Cys)自組裝金電極對(duì)多巴胺有明顯的電催化氧化作用,DA與AA的氧化峰均可以得到足夠大的分離,用CV和DPV測(cè)得其電位差分別為385 mV和400 mV,進(jìn)一步的試驗(yàn)結(jié)果表明,在相對(duì)誤差±5%以內(nèi),3倍的AA不影響3.3×10-4mol/L DA的循環(huán)伏安法測(cè)定[39]。
連靠奇[40]研究了在強(qiáng)堿溶液中活化粗糙玻碳電極(ARE)的制備方法及其對(duì)DA和AA電催化性能。表明ARE使DA和AA的氧化峰得到了很好的分離,在pH=5.72的溶液中峰位差為200 mV,在pH=1.98的溶液中峰位差達(dá)230 mV,實(shí)現(xiàn)了DA和AA共存時(shí)的同時(shí)測(cè)定。Zhao等[41]研究了DA、AA在離子液體1-辛基-3-甲基咪唑六氟合磷(OMIMPF6)/多壁碳納米管凝膠修飾電極上的電化學(xué)行為,實(shí)現(xiàn)了對(duì)DA、AA的催化、分離,發(fā)現(xiàn)可同時(shí)檢測(cè)這兩種生物小分子而互不干擾。Milczarek等[42]利用2,2-雙(3-氨基-4-羥基苯基)六氟丙烷修飾電極測(cè)得DA和AA的氧化峰分別是 -0.073 V 和 0.131 V, 溶液中 4 000倍 AA 不干擾DA的測(cè)定結(jié)果。 Li等[43]用 β-環(huán)糊精在5 mmol/L的AA中,在1~200 μmol/L的范圍內(nèi),DA的氧化峰電流與其濃度成正比。Li等[44]制得DTPA(二亞乙基三胺五乙酸)/Cys(半胱氨酸)/Au,相比5.0×10-6mol/L DA的氧化峰的峰電流值,此電極對(duì) 5.0×10-5mol/L UA 和 5.0×10-5mol/L AA幾乎不響應(yīng),在pH值為7.4的PBS中,具有五個(gè)羧基的DTPA帶大量負(fù)電荷可吸引帶正電荷的DA分子,使得DA在電極上的氧化峰非常明顯;同時(shí)帶負(fù)電荷的DTPA能夠排斥帶負(fù)電荷的AA,使得AA無(wú)法靠近修飾電極而無(wú)法顯現(xiàn)明顯的氧化峰,這樣就達(dá)到了消除AA干擾的目的。
建立具有選擇性好、靈敏度高的DA測(cè)定方法在臨床應(yīng)用、探討其生理機(jī)制方面具有重要的實(shí)際意義,從該綜述中可以看出雖然其研究已經(jīng)取得了較多成果,但理論方面不是非常具體,而且實(shí)際應(yīng)用也是處在發(fā)展之中。聚合物修飾電極的發(fā)展將對(duì)DA檢測(cè)起重大作用;納米金屬或金屬氧化物顆粒摻雜聚合物修飾電極因其對(duì)DA有較好的電催化活性,在DA檢測(cè)中有較大的應(yīng)用前景。納米結(jié)構(gòu)的電極上電催化氧化機(jī)理的深入探索,靈敏度高、選擇性好和穩(wěn)定性好的DA傳感器的制備不僅在實(shí)際應(yīng)用中得到進(jìn)一步地發(fā)展,而且其理論內(nèi)容也越來(lái)越豐富。
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