陳　丹，何婧琳，李　丹，肖忠良，馮澤猛，印遇龍，曹　忠*（.長沙理工大學化學與生物工程學院，電力與交通材料保護湖南省重點實驗室，微納生物傳感與食品安全檢測協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙404）（.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所，湖南長沙405）

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多巴胺電化學修飾電極的研究與應用

陳丹1，何婧琳1，李丹1，肖忠良1，馮澤猛2，印遇龍2，曹忠1*
（1.長沙理工大學化學與生物工程學院，電力與交通材料保護湖南省重點實驗室，微納生物傳感與食品安全檢測協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙410114）
（2.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所，湖南長沙410125）

摘要：多巴胺（DA）是一種重要的神經遞質，它廣泛地分布在哺乳動物的大腦組織以及體液中。體液中DA含量的異常與帕金森癥、精神分裂癥等疾病有關，因此建立一種簡單、快速、準確的多巴胺檢測方法是十分必要的。該文總結了近些年來檢測多巴胺方面的各類方法報道和技術研究進展，重點評述了電化學修飾電極在多巴胺檢測方面的研究與應用。

關鍵詞：多巴胺；分析方法；電化學修飾電極；復合膜；評述

0　引言

多巴胺（DA）屬于兒茶酚胺類物質，是哺乳動物和人類中樞神經系統(tǒng)中一種非常重要的信息傳遞物質［1］，它在腎臟、荷爾蒙的調節(jié)以及心血管系統(tǒng)、神經系統(tǒng)中起著十分重要的作用［2］。體液中DA含量的異常與多種疾病有關，如帕金森癥、精神分裂癥、癲癇病等。其中，Rooke等對多巴胺注射液治療動物的帕金森癥進行了研究，發(fā)現多巴胺對帕金森癥有一定的影響［3］；Caravaggioa等通過 ［11C］-（+）-PHNO正電子成像技術發(fā)現多巴胺在治療精神分裂癥方面有很明顯的作用［4］；Rocha等發(fā)現癲癇病人大腦皮層中多巴胺的含量出現明顯的異常［5］；Moraga-Amaro等發(fā)現多巴胺含量的高低會使人的情緒出現抑郁或焦躁［6］。因此，通過建立一種快速、準確的方法測定體液中DA的含量，在臨床診斷和藥物控制方面有其重要意義。

該文介紹了近些年來對人體體液中多巴胺檢測的常規(guī)分析方法，主要包括分光光度法、毛細管電泳法、液相色譜法、化學發(fā)光法等，綜述了基于碳材料復合膜、金屬納米材料復合膜、有機導電聚合膜的修飾電極在電化學傳感器檢測多巴胺方面的研究與應用。

1　常規(guī)分析方法

1.1分光光度法

分光光度法檢測多巴胺主要是利用其與顯色劑反應或者反應產物產生光的吸收變化來確定體系中多巴胺的含量。Sorouraddin等利用鉍酸鈉作為顯色試劑，將兒茶酚胺類物質氧化成其相應的衍生物，這些衍生物在486 nm處對光有較強的吸收，此方法已被成功用于實際樣品中兒茶酚胺類物質的檢測［7］。Abbaspour等將多巴胺注射到細胞里，調節(jié)細胞液的pH值為堿性，利用細胞液里的溶解氧將多巴胺氧化為鄰醌，通過辨別鄰醌對光的吸收強度來確定多巴胺的濃度，同時發(fā)現尿酸、抗壞血酸、葡萄糖、乳糖對多巴胺的檢測基本無影響［8］。Taghdiri等利用溴甲酚綠吸附在交聯(lián)葡萄糖上，形成的產物在625 nm處對光有較強吸收。當多巴胺溶液加入后，它能與溴甲酚綠形成離子對，減少了溴甲酚綠與交聯(lián)葡萄糖的作用，從而達到檢測多巴胺的目的［9］。Ahmed等直接采用微分分光光度法來同時檢測血清和尿液中的多巴胺和抗壞血酸，該方法避免了有毒物質的使用以及復雜的檢測過程［10］。

1.2毛細管電泳及其聯(lián)用法

毛細管電泳（CE）是近年發(fā)展起來的一種高效的分離分析技術，是經典電泳技術和現代微柱分離技術相結合的產物，已成功地和多種檢測技術聯(lián)用并應用于各分析領域［11］。Zhang等將多巴胺和去甲腎上腺素與異硫氰酸熒光素在黑暗中超聲混合使其衍生化，再將其形成的衍生物經過毛細管電泳使其分離，通過激光誘導其衍生物發(fā)熒光以實現其檢測，檢測下限分別為 0.34×10-9mol/L和1.02×10-9mol/L［12］。Zhao等將CdTe量子點加入到毛細管電泳的流動相中，它能較好地催化魯米諾與雙氧水之間的化學發(fā)光反應，當多巴胺通過毛細管電泳之后，發(fā)現化學發(fā)光反應的降低強度與多巴胺的濃度在8.0×10-8～5.0×10-6mol/L范圍內呈很好的線性關系［13］。Wang等通過電沉積的方法將Pd納米顆粒修飾到碳纖維微型電極的表面，再結合毛細管電泳測定老鼠嗜鉻瘤細胞中的多巴胺。與傳統(tǒng)的碳纖維微型電極相比，Pd的加入提高了電極的比表面積，改善了其對多巴胺的催化活性。Pd納米修飾電極與毛細管電泳的結合排除了其它共存物質的干擾，很好地實現了細胞液中多巴胺的檢測，檢測下限達到0.1×10-6mol/L［14］。Fang等利用毛細管電泳放大富集技術將老鼠大腦組織切片中的多種物質富集起來，再通過快速循環(huán)伏安法檢測組織中的多巴胺、血清素以及腺苷酸，首次實現了在實際組織樣品中同時檢測生物氨和腺苷酸［15］。

1.3液相色譜及其聯(lián)用法

高效液相色譜法（HPLC）也是常用的實際樣品中檢測多巴胺的方法。高效液相色譜法一般與質譜法、電化學檢測等檢測方法相結合，經高效液相色譜分離后，再利用這些方法對多巴胺等物質進行檢測［16］。Syslova等通過冷凍干燥法將老鼠大腦透析液中的多巴胺以及代謝產物進行富集，然后采用液相色譜-電噴射離子質譜法對這些物質進行分離分析檢測，該方法具有很好的選擇性、靈敏性以及準確性，其檢測的準確度基本都達到85%以上［17］。Kim等將老鼠大腦液與乙氰混合使得樣品中的蛋白質沉淀，除去大腦液中的蛋白質等雜質。采用含有10 mmol/L甲酸胺的乙氰/水作為流動相，極性咪唑為固定相，流速為300 μL/min，對其上清液進行分離，再利用電噴霧串聯(lián)質譜對分離出的多巴胺進行檢測，其檢測范圍為10～5000 ng/g［18］。Ferry等采用2 μm固體顆粒填充的毛細管柱作為分離柱，以含有6 mmol/L辛基磺酸、0.1 mmol/L乙二胺四乙酸的140 mmol/L磷酸緩沖液為流動相對多巴胺等單胺類神經遞質進行分離，采用電化學方法對其進行檢測，整個分離檢測時間不超過20 min，較好地實現了單胺類神經遞質的分離檢測，排除了它們之間的相互干擾［19］。

1.4化學發(fā)光及其聯(lián)用法

化學發(fā)光（CL）是一種由化學反應引起的光輻射現象，它是基于分子發(fā)光強度和被測物含量之間的關系而建立的分析方法。因其具有靈敏度高、儀器簡單、快速等特點而越來越受到人們的重視，在分析工作中得到廣泛的應用［20］。Guo等合成了能電致化學發(fā)光的碳納米管/Nafion-Ru （bpy）2+3復合膜，基于多巴胺能夠很好地抑制該復合膜系統(tǒng)化學發(fā)光反應的原理，結合循環(huán)伏安法實現對多巴胺的檢測。同時由于碳納米管優(yōu)越的性質以及Nafion具有較好的陽離子選擇性，排除了尿酸、抗壞血酸等物質的干擾［21］。Wabaidur等基于酸性條件下高錳酸鉀 （KMnO4）氧化甲醛（HCHO）且不產生化學發(fā)光的反應，而多巴胺在這一反應中能較好的實現化學發(fā)光的增強效應，利用流動注射-化學發(fā)光法對多巴胺進行檢測。該化學反應的發(fā)光強度隨著多巴胺濃度在3.1×10-8～1.7×10-5mol/L范圍內的增加而增強，并且葡萄糖、抗壞血酸、果糖、草酸、甲醇等物質在一定濃度范圍內不干擾多巴胺的檢測［22］。Huang等首次仿生合成了一種能電致發(fā)光的肽納囊泡，該囊泡在K2S2O8作為共反應劑的條件下，能產生穩(wěn)定有效的化學光，而多巴胺能顯著增強該囊泡的化學發(fā)光強度。利用該原理將囊泡修飾到玻碳電極表面，可用于實際樣品中多巴胺的檢測，其檢測下限為3.15 pmol/L［23］。Zhu等利用金屬-有機物網狀物（HKUST-1）在堿性環(huán)境中能很好地催化魯米諾與雙氧水之間的化學發(fā)光反應，而基于多巴胺能抑制該體系化學發(fā)光強度的原理，實現人體血清和尿液中多巴胺的檢測；并且發(fā)現與傳統(tǒng)的魯米諾-雙氧水反應相比，金屬-有機物網狀物（HKUST-1）使得發(fā)光強度增加了90倍［24］。

1.5其它分析方法

檢測多巴胺的方法除了以上介紹的以外，還有氣相色譜及其聯(lián)用法、熒光法、分子印跡法等。Naccarato等采用丙烷基氯甲酸酯作為衍生劑，將多巴胺、血清素、去甲腎上腺素衍生化，再通過固液微萃取-氣相色譜-質譜分析法實現人體尿液中這些物質的同時檢測，發(fā)現該方法具有較好的選擇性和靈敏性［25］。Zhao等利用石墨烯量子點本身有較強的熒光，當與多巴胺混合后，石墨烯量子點將部分電子轉移給多巴胺，從而使得石墨烯本身的熒光發(fā)生淬滅，且熒光強度淬滅程度與多巴胺濃度在一定范圍內成正比，其檢測下限為9.0×10-8mol/L，該方法已用于實際樣品中多巴胺的檢測，獲得了比較好的效果［26］。Li等通過脫合金金屬腐蝕法，得到介孔的金-銀雙金屬微米棒，這種微米棒不需要其它電極做載體，可直接在其表面電聚合上一層分子印跡膜，并成功用于血清樣品中多巴胺的測定，有效防止了抗壞血酸和尿酸的干擾，其線性范圍為2×10-13～2×10-8mol/L［27］。

2　電化學分析方法

由于多巴胺分子內含有2個酚羥基，容易被氧化成多巴胺鄰醌，因此可采用電化學方法對其進行定量檢測。然而，直接采用電化學修飾電極檢測多巴胺存在一些問題：（1）多巴胺在裸電極上的過電位高，電極反應緩慢；（2）其本身或反應產物易在電極表面形成一層薄膜，從而污染電極，降低電極的使用壽命；（3）尿酸、抗壞血酸等與多巴胺共存于大腦和體液中，它們的氧化峰電位與多巴胺非常接近，會嚴重干擾多巴胺的測定［28-29］。目前，電化學分析法測定多巴胺主要是選擇合適的敏感膜，發(fā)展不同的化學修飾電極，而其敏感膜的組成可以分為三大類，即碳材料復合膜、金屬納米復合膜、有機導電復合膜。

2.1碳材料復合膜

由于碳材料具有成本低、催化性能好、良好的生物兼容性以及較快的電子傳遞速率等優(yōu)點，已被廣泛用于修飾電極對多巴胺的檢測。用于修飾電極的碳材料主要包括兩大類：石墨烯和納米管，它們既可以直接做修飾劑，也可與納米顆粒、導電有機物等形成復合物。

2.1.1石墨烯復合膜

自從2004年英國曼徹斯特大學的Geim研究小組首次制備出穩(wěn)定的石墨烯，引發(fā)了人們對石墨烯的研究［30］，發(fā)現理想的石墨烯可以看作由sp2雜化碳原子形成的二維晶體材料，且石墨烯具有優(yōu)異的電學性能、導熱性能、超常的比表面積等［31］。目前已經合成出不同類型的石墨烯：氧化石墨烯、還原型氧化石墨烯、納米孔石墨烯等，這些類型的石墨烯被廣泛用于電化學修飾電極［32-33］。Ghoreishi等采用氧化石墨納米片烯直接修飾碳糊電極表面，并在酪氨酸存在的條件下檢測多巴胺，發(fā)現該修飾電極檢測多巴胺時電極的擴散系數為9.2×10-8cm2/s，電子的傳遞系數為0.6；與裸電極相比，對多巴胺表現出較好的電催化氧化性能以及較快的電子傳遞速率，同時也有更高的選擇性、靈敏性、穩(wěn)定性［34］。Pruneanu等利用石墨烯包裹Au-Ag雙金屬納米顆粒以及Au納米，形成兩種電催化活性良好的復合膜，兩種復合膜都對多巴胺有很好的電催化性能，但石墨烯包裹的雙金屬復合膜比包裹的單金屬復合膜對多巴胺的檢測有更寬的線性范圍以及更低的檢測下限，且前者能較好的排除抗壞血酸、尿酸等物質的干擾［35］。Yang等將巰基功能化的二茂鐵通過金硫鍵吸附到含有碳量子點的金納米表面，再將其分散到石墨烯溶液中，得到Fc-S/Au-C/石墨烯復合物，由于巰基功能化二茂鐵的存在使得附著有碳量子點的金納米表現出很好的穩(wěn)定性，然后將其滴涂到玻碳電極表面，用于抗壞血酸、尿酸條件下的多巴胺檢測，該修飾電極表現出二茂鐵、金納米以及石墨烯的協(xié)同催化作用，具有良好的選擇性和靈敏性，其結構示意圖如圖1［36］。

2.1.2碳納米管復合膜

圖1　Fc-S/Au-C/graphene/GCE修飾電極的結構示意圖［36］Fig.1　Illustration of the preparation of Fc-S/Au-C/graphene/GCE［36］

碳納米管是由單層或多層石墨片圍繞同一中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的管狀物，管子兩端一般也是由含五邊形或六邊形的網格封住。碳納米管主要分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT），具有良好的物理化學性質，在電化學傳感器、半導體、電池等領域有廣泛的應用［37-38］。而功能化碳納米管比普通納米管具有更加優(yōu)越的性能，如：Filik等采用氯化N，N-二甲基硫代二苯胺-3，7-二胺 （AzA）將碳納米管（MWCNT）表面功能化，使其帶有部分正電荷，再通過靜電將金納米顆粒（AuNPs）均勻的吸附到納米管上，將其分散到 Nafion中，得到 Nafion/ AuNPs/AzA/MWCNTs復合膜（如圖2所示），該復合膜具有很好的穩(wěn)定性和選擇性，且能實現對多巴胺、尿酸、抗壞血酸以及色氨酸四種物質的同時檢測，它們相互之間的氧化峰電位得到了較好的分離，彼此不會相互干擾［39］。Vinoth等將N-［3-（三甲氧基硅基）丙基］乙二胺（EDAS）功能化碳納米管，通過非共價作用在碳納米管表面吸附上金納米顆粒，形成MWCNT–EDAS–AuNPs納米復合膜，用于多巴胺的檢測［40］。Oh等采用檸檬酸和聚乙烯亞胺分別功能化碳納米管，得到帶負電荷和正電荷的碳納米管，并將這兩種不同的碳納米管修飾電極用于檢測多巴胺，并對二者進行比較，發(fā)現帶負電荷的碳納米管檢測多巴胺的效果更好，其檢測下限為4.2×10-9mol/L，是正電荷碳納米管的16.5倍，主要是因為帶負電荷的碳納米管能較好的吸附正電荷的多巴胺［41］。這些研究表明功能化的碳納米管修飾電極能更好地實現對多巴胺的檢測，且具有高選擇性、高靈敏性等優(yōu)點。

2.2金屬納米復合膜

納米金屬材料（如Au、Ag、Pt、Cu）及金屬氧化物（如CuO、SnO2、Fe3O4）具有較小的體積、較大的比表面積、良好的生物兼容性、較快的電子傳輸速率等特點，將其自組裝到電極表面可以提高修飾電極檢測多巴胺的性能。Hou等采用脫金屬腐蝕方法以及熱處理過程對金銀合金進行處理，形成分層的多孔Au-Ag雙金屬納米材料，這種雙金屬納米材料對多巴胺、尿酸表現出優(yōu)越的電催化性能，同時使二者的氧化峰電位差分離開來，很好地實現了二者的同時檢測［42］。Liu等將氧化石墨烯（GO）滴涂到電極表面，通過電化學方法將其部分還原，得到還原型氧化石墨烯（ERGO），再在其表面電沉積上金-鉑 （Au-Pt）納米顆粒，形成ERGO/Au-Pt復合膜。實驗表明該修飾電極對多巴胺有較好的響應性能，且在一定范圍內能排除其它共存物如尿酸、抗壞血酸等的干擾，其檢測的線性范圍為6.82×10-8～4.98×10-2mol/L［43］。Liu等通過金硫鍵將功能化的二茂鐵修飾到Fe3O4@Au納米顆粒表面，再將其分散到石墨烯/殼聚糖分散液中，由于功能化的二茂鐵使得磁性納米顆粒在分散液中不會發(fā)生聚沉，從而得到一種穩(wěn)定性較好的Fe3O4@Au–S–Fc/GS-殼聚糖復合膜，并對多巴胺表現出協(xié)同催化和信號放大作用，能實現實際樣品中多巴胺的檢測，電極結構示意圖如圖3［44］。

2.3有機導電復合膜

圖2　Nafion/AuNPs/AzA/MWCNTs修飾電極的結構示意圖［39］Fig.2　Schematic diagram of Azure A-mediated adsorption of colloidal gold nanoparticles on MWCNTs［39］

圖3　Fe3O4@Au–S–Fc/GS-殼聚糖修飾電極的結構示意圖［44］Fig.3　Preparation of the Fe3O4@Au–S–Fc/GS-chitosan/GCE［44］

大部分有機導電復合物膜具有三維空間結構，可提供許多活性位點，且在目標物和電極表面之間起到傳遞電子的作用，同時也能很好的放大電化學響應信號，因此在多巴胺測定中聚合物修飾電極的應用極為廣泛。Lan等采用電聚合的方法直接在玻碳電極表面聚合多層6-硫代鳥嘌啉（6-TG），利用6-硫代鳥嘌啉與多巴胺、尿酸、黃嘌呤、次黃嘌呤之間強烈的靜電吸附以及共價作用，很好地將這四種物質之間的峰電位分離開來，同時對這些物質表現出很好的電催化效應，其對多巴胺的檢測下限為0.05×10-6mol/L，該修飾電極的結構示意圖如圖4［45］。Xu等將碳納米管作為摻雜劑，將其按一定比例摻雜到導電的3，4-乙烯二氧噻吩（EDOT）中，再通過電聚合的方法在碳糊電極表面形成PDDOT/CNT復合膜，用于多巴胺的超靈敏檢測，表現出較高的電催化活性［46］。Palanisamy等成功地將石墨烯摻雜到環(huán)糊精內，形成一種分散性和穩(wěn)定性較好的復合物（GR/CD），利用該復合膜與多巴胺之間的共價作用，將多巴胺吸附到電極表面，同時排除了其它物質的干擾，能很好地用于實際樣品中多巴胺的檢測［47］。

圖4　P6-TG/GCE修飾電極的結構示意圖［45］Fig.4　Schematic representation of electro-catalytic oxidation of DA，UA，XA and HXA at P6-TG/GCE［45］

3　結論與展望

作為一種非常重要的兒茶酚胺類神經遞質，多巴胺的定性、定量檢測在藥物控制方面以及臨床診斷方面具有重要的研究意義。而近年來電化學傳感器尤其是化學修飾電極在檢測多巴胺方面取得了很大的發(fā)展，相信未來該類檢測方法將得到很好的實際應用?；瘜W修飾電極未來檢測多巴胺可能主要集中于以下幾個方面：提高修飾電極檢測多巴胺的選擇性；使修飾電極檢測多巴胺更自動化、微型化和集成化；修飾電極檢測多巴胺與納米材料和技術結合得更加緊密，以提高檢測多巴胺的精度和靈敏度。

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*通信聯(lián)系人，E-mail:zhongcao2004@163.com（Z.Cao）

基金項目：國家自然科學基金（21545010，31527803）、中國科學院環(huán)境監(jiān)測STS項目（KFJ-SW-STS-173）、湖南省科技計劃項目（2015GK1046）資助

The research and application of electrochemical modified electrodes for dopamine

Chen Dan1，He Jing-lin1，Li Dan1，Xiao Zhong-liang1，Feng Ze-meng2，Yin Yu-long2，Cao Zhong1*
（1.Collaborative Innovation Center of Micro/nano Bio-sensing and Food Safety Inspection，Hunan Provincial Key Laboratory of Materials Protection for Electric Power and Transportation，School of Chemistry and Biological Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China）
（2.Institute of Subtropical Agriculture，Chinese Academy of Sciences，Changsha 410125，China）

Abstract:Dopamine（DA）is an important neurotransmitter，which is widely distributed in mammalian central nervous system in the brain tissue and body fluids.Abnormal DA concentrations in extracellular fluid are associated with a variety of diseases，such as Parkinson's disease，schizophrenia，and etc.Therefore，it is of great significance on establishment of simple，rapid and accurate detection method for determination of dopamine.This paper summarizes the reports and progress on various analytical methods and techniques for dopamine in recent years，especially for electrochemical modified electrodes for the detection of dopamine.

Key words:dopamine；analytical method；electrochemical modified electrode；composite film；review