程 寒，陳 敏，楊 沫，孫欣欣，韋光漢，蘭嘉峰

(中南民族大學 藥學院，武漢430074)

多巴胺是一種重要的兒茶酚胺類神經遞質，人和動物的行為與多巴胺密切相關［1］，抗壞血酸是一種維持機體正常生理功能的維生素，在哺乳動物組織中抗壞血酸和多巴胺常共存，平均濃度高于多巴胺100～1000倍，且與多巴胺的氧化峰重疊，干擾多巴胺的測定［2］.故排除抗壞血酸等的干擾，選擇性測定多巴胺在生理功能研究和臨床檢測中具有有實際意義.

多巴胺的活體檢測電極必須尺寸足夠小，靈敏度足夠高和有效抗干擾等.Nafion聚合物具有導電性好，對熱和化學物質穩(wěn)定、阻抗小、水中溶解度小等特性，是一種良好的電極修飾材料［3］.Nafion膜本身含有磺酸基團，是一種優(yōu)良的陽離子交換劑，用作電極修飾材料具有良好的離子選擇性，它只與陽離子發(fā)生選擇性交換，排斥中性分子和陰離子［4］，被廣泛應用于化學修飾電極以增加修飾電極對陽離子的選擇性［5］.本文制備了碳纖維納米電極，利用電沉積法將Nafion修飾到碳纖維納米電極表面，研究了多巴胺和抗壞血酸在該電極上的電化學行為.結果表明修飾電極對帶負電的抗壞血酸有良好的屏蔽作用，可在高濃度抗壞血酸的共存下選擇性測定多巴胺，采用該法制備的修飾電極尺寸小，靈敏度高，抗干擾能力強，有望用于檢測活體中多巴胺濃度.

1 材料和方法

1.1 儀器

XD-RFL倒置顯微鏡(寧波舜宇儀器有限公司)，CHI660D化學工作站(上海辰華儀器公司)，FE20K型酸度計(瑞士梅特勒-托利多集團).電化學實驗采用雙電極系統:碳纖維納米電極為工作電極，Ag/AgCl為參比電極.

1.2 試劑

碳纖維(直徑6μm，吉林市神舟碳纖維有限責任公司)，單壁碳納米管(深圳市納米港有限公司)，5%Nafion(Sigma)，DA(Sigma，用 0.1 mol/L 的HClO4配置成1.0×10-2mol/L的母液，4℃保存，用時用Tris-HCl緩沖溶液稀釋)，碳粉導電膠(自制)，無水乙醇(分析純，天津醫(yī)藥公司)，K3Fe(CN)6、抗壞血酸(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)，實驗用水為二次去離子水.

1.3 碳纖維納米電極的制作

在酒精燈焰上拉制玻璃毛細管(內徑1 mm)，使其尖端內徑約20 μm，碳纖維(直徑6 μm，長約15 mm)和銅絲(直徑0.2 mm，長約10 cm)用碳粉導電膠粘連，將碳纖維從玻璃毛細管一端穿入至露出玻璃毛細管尖端外約2 mm，用粘膠將玻璃毛細管末端封住，粘膠固化后固定銅絲.將玻璃毛細管尖端置于酒精燈外焰數秒鐘，玻璃迅速熔封，露出的碳纖維在酒精燈外焰上小心燒蝕，在倒置顯微鏡下測量電極長度，至露出的碳纖維長度100～200 μm，在酒精燈外焰上小心灼燒刻蝕至碳纖維尖端直徑約150 nm，即為碳纖維納米電極(CFNE).

1.4 Nafion修飾的碳纖維納米電極的制作

將清潔的碳纖維納米電極浸入1%Nafion溶液(無水乙醇稀釋)中，在1.5V的電壓下電鍍20 s，取出晾干待用.

2 結果與分析

2.1 Nafion修飾方式對修飾電極穩(wěn)定性的影響

碳纖維納米電極浸入1%Nafion溶液中，使用蘸涂法修飾電極，每次蘸涂后晾干，重復3次后，電極對AA幾乎無響應，對多巴胺響應良好.利用高選擇性和靈敏度的示差脈沖伏安法，將修飾后的電極在1.0×10－4mol/L DA中掃描，每次掃完后清洗晾干再測，重復10次，實驗結果見圖1a.如圖1a所示，峰電流隨著清洗次數的增加明顯減小，說明此法不能將Nafion穩(wěn)定地修飾到電極上，修飾重現性較差.

將碳纖維納米電極浸入1%Nafion溶液中，在1.5V的電壓下進行電沉積，將Nafion修飾到電極表面.當電沉積時間達20 s時，修飾電極能阻斷對AA的電化學響應，并且對DA的響應良好，將修飾后的電極在1.0×10－4mol/L DA中進行DPV掃描，每次掃完后清洗晾干再測，重復10次，實驗結果見圖1b.如圖1b所示，隨著清洗次數的增多峰電流未見明顯變化，修飾電極重現性較好，說明Nafion已穩(wěn)定地修飾到電極表面，故可采用電沉積法將Nafion修飾在碳纖維電極上，用于后續(xù)實驗.

圖1 修飾電極在1.0×10－4mol/L mol/L DA中的示差脈沖伏安圖Fig.1 DPV of 1.0 ×10 －4mol/L DA at modified electrodes

將電極在室溫下放置1個月后，對1.0×10－4mol/L DA溶液連續(xù)測定(DPV，n=10)，比較放置前后各次DPV峰電流結果如表1所示，2次測定的相對標準偏差(RSD)分別為3.35%，3.20%，響應電流變化不大，表明Nafion已牢固的修飾到電極表面，修飾電極重現性好，穩(wěn)定時間長.

表1 放置一個月前后修飾電極重復性比較Tab.1 Repeatability comparison of modified electrode placed before and after one month

2.2 碳纖維納米電極修飾前后掃描電鏡表征

將碳纖維納米電極和Nafion修飾的碳纖維納米分別用電鏡掃描后如圖2所示.圖2a中電極呈錐狀且表面光滑，尖端直徑約為150 nm;圖2b中修飾電極的表面形成了一層均勻的Nafion薄膜，電極尖端直徑約為300 nm.

圖2 電極的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of carbon fiber nanoelectrodes

2.3 DA、AA、DA與AA的混合溶液在修飾前后電極上的電化學行為

未修飾的碳纖維納米電極在1.0×10－4mol/L DA、1.0 ×10－3mol/L AA 以及兩者的混合溶液上的電化學行為如圖3所示.DA(圖3a)和AA(圖3b)在未修飾電極上均產生氧化峰，且氧化峰電位接近，峰電位分別為0.04 V，0.24 V，混合溶液中 DA 和AA氧化峰嚴重重疊(圖3c)，峰電位為0.13 V.因此在DA與AA的混合溶液中無法選擇性測定DA.

碳纖維電極經過電沉積修飾Nafion后，分別在1.0 ×10－4mol/L DA，1.0 ×10－3mol/L AA 以及兩者的混合溶液中的DPV曲線見圖4.圖4a顯示修飾電極對DA響應良好，圖4 b顯示修飾電極對AA沒有響應，表明電極能有效阻斷AA的干擾，圖4 c中混合溶液的響應峰電流和DA的響應峰電流高度幾乎相同，說明電沉積20 s后電極能在不影響DA檢測情況下，有效抗AA干擾.這是由于在pH 7.4時，抗壞血酸(pKa=3.70)以陰離子的形式存在，而多巴胺(pKa=8.87)以陽離子的形式存在.由于Nafion分子中含有負電荷的－SO－3基團，是一種優(yōu)良的陽離子交換劑，它吸引帶正電荷的多巴胺，排斥帶負電荷的抗壞血酸.因此，在帶負電荷的AA存在時，修飾電極對DA有選擇性的響應.

圖3 多巴胺和抗壞血酸在未修飾碳纖維納米電極上的電化學行為Fig.3 Electrochemical behavior of DA and AA at bare carbon fiber nanoelectrode

圖4 多巴胺和抗壞血酸在Nafion修飾的碳纖維納米電極上的電化學行為Fig.4 Electrochemical behavior of DA and AA at carbon fiber nanoelectrode modified with Nafion

2.4 DA氧化峰電流與掃速的關系

Nafion修飾電極在濃度為1.0×10－4mol/L DA的氧化峰電流與掃描速率之間的關系見圖5.如圖5所示，掃速在50～1000 mV/s內，氧化峰電流隨著掃速的增大而增大.DA的氧化峰電流與掃速的平方根成正比，兩者的線性關系圖見圖6.如圖6所示，線性回歸方程為I(nA)=0.2874v1/2(mV/s)1/2+3.6817，相關系數 r=0.9935，表明 DA 在修飾電極上的氧化過程受其擴散控制.

圖5 Nafion修飾電極在1.0×10－4mol/L DA中的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammetry at Nafion modified carbon fiber nanoelectrode in 1.0 ×10 －4mol/L DA

圖6 峰電流與掃速的關系曲線Fig.6 Relation curve of peak currents and sweep rate

2.5 工作曲線

利用高選擇性和靈敏度的DPV測定DA結果見圖7.如圖7所示，在1.0mmol/L抗壞血酸共存，20 mmol/L Tris-HCl(pH7.4)緩沖溶液中，DA 的濃度為1.0 ×10－7～1.0 ×10－4mol/L，多巴胺氧化峰電流隨著濃度增大而增大.多巴胺濃度與差分脈圖氧化峰電流呈現線性關系圖見圖8.如圖8所示，兩者線性關系良好，回歸方程為 I(nA)=18.431c(mmol/L)+0.5185，相關系數 r=0.9941，檢出限為1.0×10－8mol/L.即使在AA濃度高于DA 4個數量級的情況下，Nafion修飾電極仍然能夠用于選擇性檢測DA.

圖7 Nafion修飾電極在DA與AA混合溶液中的DPV圖Fig.7 DPV at Nafion modified carbon fiber nanoelectrode in the mixture solution of DA and AA

圖8 氧化峰電流與多巴胺濃度的關系曲線Fig.8 Relation curve of oxidation peak currents and concentration of dopamine

4 結語

Nafion是一種優(yōu)良的陽離子交換劑，用作電極修飾材料具有良好的離子選擇性，它只與陽離子發(fā)生選擇性交換，排斥中性分子和陰離子.本實驗采用電沉積的方法將Nafion修飾到碳纖維納米電極電極表面，形成Nafion修飾的碳纖維納米電極，研究了多巴胺和抗壞血酸在電極上的電化學行為.實驗結果表明Nafion修飾電極可以在高濃度抗壞血酸的共存下選擇性測定多巴胺，多巴胺氧化峰電流在1.0×10－7～1.0×10－4mol/L 濃度內呈現良好的線性關系，這種修飾方法具有良好的靈敏度和選擇性，有望用于活體中多巴胺濃度的檢測.

［1］Venton B J，Wightman R M.Psychoanalytical electrochemistry:dopamine and behavior［J］.Anal Chem，2003，75(19):414A-421A.

［2］Bi H Q，Li Y H，Liu S F，et al.Carbon-nanotubemodified glassy carbon electrode for simultaneous determination of dopamine，ascorbic acid and uric acid:the effect of functional groups［J］.Sens Actuators B，2012，171-172:1132-1140.

［3］金利通，崔勝云，史占玲，等.Nafion修飾電極在伏安分析中的應用［J］.冶金分析，1990，10(5):38-42.

［4］孫延一，吳康兵，胡勝水.多壁碳納米管-Nafion化學修飾電極在高濃度抗壞血酸和尿酸體系中選擇性測定多巴胺［J］.高等學?；瘜W學報，2002，23(11):2067-2069.

［5］Quan D P，Tuyen D P，Lam T D，et al.Electrochemically selective determination of dopamine in the presence of ascorbic and uric acids on the surface of the modified Nafion/single wall carbon nanotube/ poly (3-methylthiophene)glassy carbon electrodes［J］.Colloids Surf B，2011，88(2):764-770.