史曉霞，李 琳，王 珂，吳霞琴，王 榮

(上海師范大學生命與環(huán)境科學學院，上海200234)

石墨烯修飾電極對抗壞血酸和多巴胺的同時檢測

史曉霞，李 琳，王 珂，吳霞琴*，王 榮

(上海師范大學生命與環(huán)境科學學院，上海200234)

通過將電化學聚合的聚賴氨酸膜（PLL）修飾的玻碳電極浸入氧化石墨烯（GO）溶液中4 h，利用電化學方法將電極上吸附的氧化石墨烯進行還原（ERGO），然后滴涂聚陽離子電解質(zhì)（PDDA）制得PDDA/ ERGO/PLL/GC修飾電極。研究了抗壞血酸和多巴胺在該修飾電極上的電化學行為，結果表明在PDDA和石墨烯的共同作用下，使得抗壞血酸（AA）和多巴胺（DA）的氧化峰電位負移，兩者的氧化峰電位差達到140 mV。利用微分脈沖伏安法考察了抗壞血酸和多巴胺的同時測定，AA的線性范圍是0.2~2 mmol/L，DA的線性范圍是1~230 μmol/L。該修飾電極具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

石墨烯；抗壞血酸；多巴胺；尿酸；微分脈沖伏安法

0 引言

抗壞 血 酸 （Ascorbic acid，AA）， 多巴胺（Dopamine，DA）是人體新陳代謝過程中承擔重要作用的生物分子[1]。AA又稱維生素C，具有強的抗氧化作用，是人類的食物和飲食中不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì)，也常被用于預防和治療感冒、精神疾病、癌癥和艾滋病等。DA是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要神經(jīng)遞質(zhì)，人體缺少多巴胺會導致神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如精神分裂癥和帕金森氏綜合癥。因此，臨床中體內(nèi)的DA水平的檢測是十分重要的[2]，而探索能同時檢測AA和DA的方法簡便、靈敏度高的電化學傳感器，在臨床診斷和病理研究中有著重要的意義。

AA，DA都是電化學活性物質(zhì)，但由于它們在常規(guī)電極上的氧化電位相近，因而，難以利用電化學方法進行同時檢測[3]。Chunyan Deng等利用在玻碳電極上修飾金納米粒子和碳納米管復合薄膜，在AA存在下可以檢測DA[4]。Wei Gong等利用在玻碳電極上修飾共價聚環(huán)氧乙烯來同時檢測多巴胺和抗壞血酸[5]。Robson P.da Silva等利用熱解石墨修飾電極研究了對AA、DA和UA的同時檢測[6]。此外，Jianfeng Ping等[7]利用絲網(wǎng)印刷碳修飾電極、Tony Thomas等[8]利用石墨烯修飾電極也進行了相關的研究。

石墨烯是近年來形成研究熱點的又一種碳材料。由于石墨烯具有獨特的納米結構、超大的比表面積、優(yōu)良的機械性能、良好的導電性等特性，在電子、醫(yī)學等領域展示了廣闊的應用前景，在生物傳感器研究中也得到了應用。例如Feng Li等利用石墨烯的優(yōu)良導電性，制作了石墨烯-碳糊電極來檢測AA，并且獲得了良好的靈敏度[9]。聚二烯丙基二甲基氯化銨（Polydimethyldiallylammonium chloride,PDDA）是一種荷正電的聚合物電解質(zhì)，已知可以大大提高碳納米管的分散性[10]，也是分子層層組裝固定生物酶的很好的載體[11]。

為了進一步提高檢測靈敏度，擴展同時檢測的線性范圍，該研究擬采用簡便的循環(huán)伏安法先將玻碳電極上修飾的氧化石墨烯進行電化學還原，以增加石墨烯的導電性，并利用微分脈沖伏安法考察電化學還原的石墨烯修飾電極對AA、DA同時檢測的可行性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

多巴胺（DA，美國Sigma-Aldrich公司）；抗壞血酸（AA，上海青析化工科技有限公司）；氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO，南京先豐納米材料科技有限公司）；L-賴氨酸（L-Lysine，國藥集團化學試劑有限公司）；聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA，MW90000，美國Sigma-Aldrich公司）；0.05 mol/L的磷酸緩沖溶液 （Phosphate buffer solution，PBS）由分析純的Na2HPO4和KH2PO4按比例混合配制而成，支持電解質(zhì)KCl的濃度是0.1 mol/L；實驗研究溶液均用超純水（Heal Force超純水器，上海康雷分析儀器有限公司）配制。

循環(huán)伏安（Cyclic Voltammetry，CV）和微分脈沖伏安（Differential Pulse Voltammetry，DPV）測量使用安裝有配套軟件的CHI650電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）；采用常規(guī)三電極體系：工作電極為玻碳電極，輔助電極為鉑絲，參比電極為飽和甘汞電極 （Saturated calomel electrode，SCE，232型，上海精密科學儀器有限公司）。

1.2 修飾電極的制備

首先，依次用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末將玻碳電極打磨拋光至鏡面。應用循環(huán)伏安法將L-賴氨酸電聚合修飾到處理干凈的玻碳電極表面[12]，制得的修飾電極記作 PLL/GC電極；然后，將PLL/GC電極浸漬到2 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中4 h進行分子自組裝，取出后自然晾干，制得的修飾電極記作GO/PLL/GC；以GO/PLL/ GC電極作工作電極，應用循環(huán)伏安法將修飾電極上的GO還原[13]，制得的修飾電極記作ERGO/ PLL/GC。

在ERGO/PLL/GC電極上再滴加3 μL 1%的PDDA，室溫干燥，最終制得的修飾電極記作PDDA/ERGO/PLL/GC。

2 實驗結果與討論

2.1 AA在PDDA/ERGO/PLL/GO修飾電極上的電化學行為

PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極在AA溶液中測得的循環(huán)伏安曲線上可見，在60 mV左右處出現(xiàn)一個電流較大的氧化峰（圖1曲線d），與修飾電極在PBS緩沖溶液中的CV曲線（圖1曲線c）相對照，可以判斷是AA在修飾電極上發(fā)生了氧化反應。

圖1 （a）GC電極和（c）PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極在pH=7的PBS溶液、（b）GC電極和（d）PDDA/ERGO/PLL/ GC修飾電極在1 mmol/L的AA溶液中的循環(huán)伏安曲線（掃描速率：100 mV/s）Fig.1 Cyclic Voltammograms of GC electrode(a)and PDDA/ ERGO/PLL/GC electrode（c）in PBS solution,GC electrode(b) and PDDA/ERGO/PLL/GC electrode（d）in 1 mmol/L AA solution with a scan rate of 100 mV/s

從圖1還可發(fā)現(xiàn)，AA在未經(jīng)任何修飾的GC電極上的氧化峰電位在400 mV左右處（圖1曲線b），而AA在PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極上的氧化峰電位為60 mV，即較之裸GC電極負移了340 mV左右，且峰電流也有明顯的增強。這可歸因于石墨烯有效地降低了AA的氧化過電位，電催化效應又顯著增強了AA的電流響應。此外，由于AA的等電點是4.1，在pH=7的溶液里以陰離子的形式存在，易受到電極表面荷正電的PDDA吸引，導致電位負移。

2.2 DA在PDDA/ERGO/PLL/GO修飾電極上的電化學行為

圖2是DA在修飾與否的玻碳電極上的循環(huán)伏安曲線，均可見一對氧化還原峰。然而，DA在未經(jīng)修飾的裸GC電極上的循環(huán)伏安曲線顯示，其氧化還原峰電位之差為350 mV左右 （圖2曲線b），說明DA在GC電極上的電化學反應的可逆性較差；而DA在PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極上的氧化還原峰電位之差為50 mV左右，可逆性大大改善，氧化峰電位較之GC電極負移了200 mV左右，峰電流也顯著增大，說明該修飾電極有利于DA的電子遷移反應。

圖2 （a）GC電極和（c）PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極在pH=7的PBS溶液、（b）GC電極和（d）PDDA/ERGO/ PLL/GC電極在1 mmol/L的DA溶液中的循環(huán)伏安曲線（掃描速率：100 mV/s）Fig.2 Cyclic Voltammograms of GC electrode(a)and PDDA/ERGO/PLL/GC electrode(c)in pH=7 PBS solution, GC electrode(b)and PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in 1mmol/L DA solution with scan rate of 100 mV/s

以上實驗結果表明，AA和DA在PDDA/ ERGO/PLL/GC修飾電極上的氧化峰電位分別為60 mV和200 mV處，說明在石墨烯和PDDA的共同作用下可以將AA與DA的氧化峰電位差增大為140 mV，這就為AA和DA的同時檢測提供了理論依據(jù)。

2.3 抗壞血酸與多巴胺共存時的直接檢測

DPV測試結果顯示，AA和DA的氧化峰電位分別為0 mV和165 mV，較之CV法測得的峰電位稍有負移，使兩者的氧化峰電位差進一步擴大至165 mV（圖3）。當固定AA的濃度不變，改變DA的濃度，結果顯示，DA的氧化峰電流隨其濃度的增大而增大的同時，AA的氧化峰電流則無明顯變化，說明PDDA/ERGP/PLL/GC修飾電極可以在AA存在下進行DA的直接檢測。以DA的濃度對峰電流作圖，可見兩段斜率不同的響應曲線 （圖3插圖），即DA濃度分別在1~50 μmol/L，50~230 μmol/L范圍內(nèi)均成良好的線性，相關系數(shù)r分別為0.989 5和0.994 7；對DA的檢測下限為1 μmol/L。實驗結果與Wei Gong等[5]的報道相比，檢測范圍更寬。

同樣，固定DA的濃度不變、改變AA濃度進行了DPV測量。由于DA和AA的氧化峰電位差達到165 mV之多，所以，在一定的濃度范圍內(nèi)，對測定結果幾乎無干擾（圖4）?？梢钥吹?，AA在0.2~2 mmol/L的濃度范圍內(nèi)呈很好的線性關系（插圖），相關系數(shù)r=0.995 8。檢出下限是0.083 mmol/L,靈敏度是9.467 mA/(mol/L)。與Hong Yao等的報道相比[3]，該方法制備的修飾電極對AA的檢測靈敏度更高。

圖5是同時改變AA與DA濃度的DPV測試結果。可以清楚地看到，無論是AA還是DA，均呈現(xiàn)良好的線性關系 （插圖B）。表明利用PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極可以實現(xiàn)對AA和DA的同時檢測。

圖6是同一支PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極在AA，DA的混合溶液中重復測試的結果。可以看到，峰電位和峰電流無明顯的改變，30 d以后測得的DPV曲線也幾乎重疊，表明修飾電極具有很好的穩(wěn)定性。不同批次制作的PDDA/ ERGO/PLL/GC電極測得的AA與DA的氧化峰電流也基本上相同（圖略），表明該修飾電極具有很好的重現(xiàn)性。

圖3 PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極在含有1 mmol/L AA的不同濃度DA（a~w：1,2,3,4,5,10,20,30,40, 50,60,70,80,90,110,130,150,170,190,210,230,250 μmol/L）的pH=7緩沖溶液中的微分脈沖伏安曲線（掃速：100 mV/s）(插圖為DA濃度對峰電流的關系圖)Fig.3 Differential pulse voltammogram of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in different concentration DA(a~w:1,2, 3,4,5,10,20,30,40,50,60,70,80,90,110,130,150,170,190,210,230,250 μmol/L)containing 1 mmol/L AA (scan rate is 100 mV/s).(Insert:The plot of cDAvs Ip)

圖4 PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極在含有60 μmol/L DA的不同濃度AA（a-h：0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2, 1.6,2.0 mmol/L）的pH7緩沖溶液中的微分脈沖伏安曲線（掃速：100 mV/s）(插圖為AA濃度對氧化峰電流的線性關系圖)Fig.4 Differential pulse voltammogram of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in different concentration AA(0.2,0.4, 0.6,0.8,1.0,1.2,1.6,2.0 mmol/L)containing 60 μmol/L DA(scan rate is 100 mV/s).(Insert:The plot of cAAvs Ip)

圖5 PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極在同時變化AA（a~e：0.2,0.6,0.8,1.0,1.2 mmol/L）和DA濃度(a~e：10, 20,30,40,50 μmol/L)的pH7緩沖溶液中的微分脈沖伏安曲線（掃速：100 mV/s）（插圖A是AA濃度對氧化峰電流的關系圖，插圖B是DA濃度對氧化峰電流的線性關系圖）Fig.5 Differential pulse voltammogram of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in different concentration of AA(a~e：0.2,0.6,0.8,1.0,1.2 mmol/L)and different concentration of DA（a~e：10,20,30,40,50 μmol/L）(scan rate is 100 mV/s).(Insert A:The plot of cAAvs Ip，Insert B:The plot of cDAvs Ip)

圖6 PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極的穩(wěn)定性（a~c：在含0.6 mmol/L AA和60 μmol/L DA的pH7緩沖溶液中的第一次測試、7 d和30 d后的微分脈沖伏安曲線，掃速：100 mV/s）Fig.6 The stability of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode(a~ c are the differential pulse voltammograms of first detection, after 7 days and 30 days in 0.6 mmol/L AA and 60 μmol/L DA）.(scan rate is 100 mV/s)

3 結論

利用PDDA/ERGO/PLL/GC修飾電極與AA和DA的相互作用不同引起的氧化過電位的改變，使原本在GC電極上重疊的氧化峰電位得以分開，從而為兩種組分的同時檢測提供了基礎。

DPV測試結果表明，高濃度的AA存在時不干擾DA的測定，同樣，DA存在時也不干擾AA的測定。初步實驗結果表明，利用該實驗制備的修飾電極可以實現(xiàn)對AA和DA的同時檢測，且線性范圍、檢測靈敏度較之文獻報道的更好。

該修飾電極制備方法簡單，有望開發(fā)成為抗壞血酸和多巴胺同時檢測的生物傳感器。

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Simultaneous detection of ascorbic acid and dopamine using graphene modified electrode

Shi Xiao-xia,Li Lin,Wang Ke,Wu Xia-qin*,Wang Rong
(Life and Environment Science College,Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China)

Polydimethyl-diallylammonium chloride(PDDA)was dropped on electrochemically reduced graphene oxide (ERGO)which was adsorbed on the poly-L-lysine (PLL)modified glassy carbon electrode by immersed in grapheme oxide(GO)solution for 4h.The electrochemical behavior of the PDDA/ERGO/PLL/GC modified electrodes in ascorbic acid and dopamine solution have been investigated.The results showed that oxidation peek potential of ascorbic acid(AA)and dopamine(DA)have shifted negatively,the oxidation peek potential difference of AA and DA reached about 140 mV due to the action of PDDA and graphene.The simultaneous determination of AA and DA have done with differential pulse voltammetry,with a linear range of 0.2~2 mmol/L for AA,1~230 μmol/L for DA. This PDDA/ERGO/PLL/GC modified electrode has a good stability and repeatability.

graphene;ascorbic acid;dopamine;uric acid;differential pulse voltammetry

國家自然科學基金（批準號：20973114）資助

*通訊聯(lián)系人,E-mail:xqwu@shnu.edu.cn，電話：021-64321648