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        基于MnO2納米線-還原石墨烯復合修飾電極的多巴胺電化學檢測

        2018-03-14 00:57:38賀全國李廣利鄧培紅劉曉鵬
        分析化學 2018年3期
        關鍵詞:納米線伏安多巴胺

        賀全國 梁 靜 李廣利* 鄧培紅 劉 軍 劉曉鵬

        1(湖南工業(yè)大學生命科學與化學學院, 株洲 412007) 2(衡陽師范學院化學與材料科學學院, 衡陽 421008)

        1 引 言

        多巴胺(DA)是一種重要的兒茶酚類神經(jīng)遞質(zhì),在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、腎、激素和心血管功能調(diào)節(jié)中起著重要作用[1]。目前,檢測DA的方法包括色譜法[2,3]、熒光法[4,5]、電化學發(fā)光法[1,6]和電化學法[7,8]等,其中電化學法具有操作方便、靈敏度高、成本低、可原位檢測等優(yōu)勢,已成為DA檢測的常用方法。但DA、抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)常共存于血液等生物樣品中,且在裸電極上三者的氧化峰電位接近,容易對DA的檢測造成干擾[9,10]。納米復合材料修飾電極(金屬納米粒子修飾電極[6,11,12]、碳納米管及其復合物修飾電極[13,14]、石墨烯及其復合物修飾電極[15~17]等)能提高電極的抗干擾性能和選擇性,是解決這一問題的常用方法。

        二氧化錳(MnO2)是一種用途廣泛的過渡金屬氧化物,具有低成本、低毒性、高純度和優(yōu)異的電化學性能等特點,廣泛應用于可充電鋰電池[18,19]、電催化氧還原[20,21]、電化學電容器[22,23]和化學或生物傳感器[24~26]。由于具有高反應活性表面和高的比表面積,納米MnO2材料在分析檢測應用中具有突出優(yōu)勢[27]。一維納米MnO2材料(納米線)具有各向異性和高比表面積,是最有應用前景的電極修飾材料之一[28]。石墨烯自2004年發(fā)現(xiàn)以來,因其具有優(yōu)異的導電性、高比表面積和良好的生物相容性等優(yōu)勢,廣泛應用于電分析化學檢測領域。MnO2/石墨烯復合材料由于兼具MnO2和石墨烯的優(yōu)點,近年來成功用于電分析領域。Wang等[29]構(gòu)建了MnO2納米棒/石墨烯修飾電極,成功用于尿酸(UA)檢測,且避免了抗壞血酸(AA)的干擾。Rani等[30]利用MnO2納米片/多壁碳納米管修飾電極成功檢測H2O2。Zhang等[31]制備了不同形貌MnO2納米粒子修飾碳糊電極,用于測定對乙酰氨基酚,響應峰電流較裸電極增加了約3倍。Wang等[32]利用超聲法制備了MnO2/多壁碳納米管復合納米材料用于測定肼,線性范圍為1.0×103~5.0×107mol, 響應時間小于2 s,檢測限為0.2 mol。 但是,利用MnO2納米線/石墨烯復合電極測定DA尚未見報道。

        電化學還原方法是一種綠色方法,無需使用強還原劑,反應溫和可控。本研究組曾利用電化學還原法構(gòu)建了石墨烯及其復合物修飾的乙炔黑碳糊電極,成功用于色氨酸等生物活性物質(zhì)和多酚A等添加劑的電化學檢測[33~36]。本研究采用電化學還原方法制備MnO2納米線-還原石墨烯復合修飾玻碳電極(MnO2-RGO/GCE)。系統(tǒng)優(yōu)化了電化學還原條件和DA測定條件,研究DA在復合修飾電極的電化學行為?;贛nO2良好的電催化活性和還原石墨烯的高比面積、較強的表面吸附能力等優(yōu)勢,以及MnO2納米線與還原石墨烯的協(xié)同作用,修飾電極對DA表現(xiàn)出了良好的檢測性能。

        2 實驗部分

        2.1 儀器與試劑

        Hitachi S-3000N掃描電子顯微鏡(日本日立公司);JP-303E極譜分析儀(成都儀器廠);CHI 660E電化學工作站(上海辰華儀器廠)。

        石墨粉、K3[Fe(CN)6]、(NH4)2S2O8、KMnO4、MnSO4·H2O等均為國產(chǎn)分析純試劑。多巴胺(DA,F(xiàn)luka 公司)。所有溶液均用超純水(電阻率18.2 MΩ cm)配制。

        2.2 實驗方法

        2.2.1氧化石墨烯的制備氧化石墨烯(GO)用改進的文獻[37]方法制備,具體如下:將23 mL濃H2SO4冷卻至0℃,加入0.5 g石墨粉和0.5 g NaNO3,機械攪拌均勻。冰水浴控制溫度低于5℃,于攪拌下緩慢加入3 g KMnO4。升溫至35℃,攪拌2 h,形成糊狀體。溫度控制在50℃以下,緩慢加入40 mL去離子水,升溫至95℃反應0.5 h。加入100 mL去離子水,將以上混合溶液分幾次攪拌下加入到20 mL 30% H2O2中,得到金黃色溶液。趁熱抽濾,先用150 mL稀HCl(10%,V/V)清洗,再用150 mL去離子水清洗,將濾紙及其上面的固體在50℃下真空干燥,得到氧化石墨。 將上述100 mg 干燥的氧化石墨分散在100 mL 蒸餾水中,超聲剝離2 h,離心兩次,除去沉淀物,取上層清液,得濃度為0.95 mg/mL金黃色GO溶液。

        2.2.2MnO2納米線的制備稱取0.008 mol MnSO4·H2O和0.015 mol (NH4)2S2O8,溶解于35 mL水中,120℃水熱反應10 h。8000 r/min離心30 min,用水、乙醇清洗后,60℃下真空干燥,即得到MnO2納米線。最后將其配成濃度為1 mg/mL的MnO2納米線溶液備用。

        2.2.3MnO2納米線/石墨烯復合修飾電極的制備依次用1.0和0.3 μm的拋光粉打磨拋光玻碳電極(GCE)表面至鏡面。將電極置于超純水、無水乙醇、超純水中各超聲1 min,用高純氮氣吹干。然后將 1 mL MnO2納米線溶液(1.0 mg/mL)分散于上述制備的20 mL GO溶液中,攪拌2 h,得MnO2-GO分散液。將5 μL MnO2-GO分散液滴涂到GCE表面,于紅外燈下干燥,即得MnO2-GO/GCE修飾電極。最后在一定的還原電位和還原時間下,采用電化學還原GO,即制得修飾電極MnO2-RGO/GCE。

        2.2.4電化學測定實驗在磷酸鹽緩沖液(PBS)中加入不同量的多巴胺,配制10 mL不同濃度DA溶液,測量前先通N2除氧。采用循環(huán)伏安法(CV)或二階導數(shù)線性掃描伏安法進行電極表征或DA測定。電化學實驗采用標準三電極體系:裸電極、RGO或MnO2-RGO修飾電極為工作電極,鉑電極為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極。循環(huán)伏安法測定在CHI 660E 電化學工作站上進行,二階導數(shù)線性掃描伏安法測定在JP-303E型極譜分析儀上進行。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 還原條件優(yōu)化

        電化學還原GO的電位一般為-1.5~-1.0 V。 DA(1×10-5mol/L)在不同還原電位制備的MnO2-RGO/GCE上的氧化峰電流如圖1所示,當還原電位為-1.5 V時,氧化峰電流ipa最大。如圖1B所示,還原時間60 ~300 s時,峰電流ipa隨還原時間延長而增大,120 s達到最大值,隨后還原時間延長,峰電流反而下降。選擇制備修飾電極MnO2-RGO/GCE的最佳還原條件為還原電位-1.5 V,還原時間120 s。

        圖1 電化學還原氧化石墨烯的還原電位(A)和還原時間(B)優(yōu)化Fig.1 Optimization of reduction potential (A) and reduction time (B) for electrochemical reduction of graphene oxide (GO)

        圖2 RGO(A)、MnO2(B)及RGO-MnO2(C)SEM圖譜Fig.2 Scanning electron microscopy (SEM) image of (A) reduced graphene oxide (RGO), (B) MnO2 nanowires, and (C) RGO-MnO2 nanocomposites

        3.2 微觀形貌表征

        圖2分別為RGO、MnO2納米線和MnO2納米線-RGO復合材料的SEM圖譜。RGO為薄層彎曲綿延起伏狀態(tài)(圖2A)。圖2B中MnO2納米線呈分散均勻、尺寸一致的線狀結(jié)構(gòu)。圖3為MnO2X射線粉末衍射圖譜(XRD),在2θ=12.1°、18.0°、29.3°、37.5°、42.1°、50.1°、56.5°、60.5°和69.8°處出現(xiàn)明顯的衍射峰,分別對應(110)、(200)、(310)、(211)、(301)、(411)、(600)、(521)和(541)位面(JSPDS44-0141,α-MnO2)。SEM和XRD的結(jié)果表明MnO2納米線制備成功。從圖2C可見,RGO的絮狀薄層覆蓋包裹MnO2納米線,表明RGO與MnO2納米線結(jié)合較好。這種RGO包覆MnO2納米線結(jié)構(gòu),增大了復合材料的比表面積,有利于增加電化學活性面積和DA吸附。

        3.3 DA在修飾電極上的電化學行為

        不同電極在含1×10-5mol/L DA的0.1 mol/L PBS緩沖溶液中的電化學行為如圖4所示。曲線a顯示,DA在裸GCE上有寬的氧化還原峰寬,響應電峰流最小(ipa=2.434 μA,ipc=0.979 μA)。DA在RGO/GCE上的氧化還原峰電流有了較大提高(圖4曲線b,ipa=22.10 μA,ipc=16.53 μA),可能是RGO大比表面積增加了電化學活性面積;RGO與待測物DA通過π-π鍵相互作用,增強了DA在電極表面的吸附能力。DA在MnO2-RGO/GCE的氧化還原峰峰形明顯且尖銳(圖4曲線c),氧化還原電流最大(ipa=34.55 μA,ipc=20.63 μA)。這主要是由于RGO與MnO2納米線間的協(xié)同作用,MnO2具有電催化活性,可作為電子媒介體,促進電子在電極和DA之間快速傳遞;此外,RGO具有良好的導電性和高的比表面積,有效增強了電化學活性面積和DA吸附。

        3.4 多巴胺測定條件優(yōu)化

        3.4.1底液pH值的影響圖5為DA在MnO2-RGO/GCE上,在pH 2.0~5.5的PBS溶液中的循環(huán)伏安曲線圖。隨著pH值增加,氧化峰電位正移,還原峰電位負移。氧化峰電流與pH值的關系如圖5B所示,在pH 2.0~3.0范圍內(nèi),DA的氧化峰電流ipa隨pH值增加而增大;當pH=3.0時,氧化峰電流ipa最大,隨后pH值繼續(xù)增加,峰電流ipa反而降低。故測定DA的pH選擇3.0。

        3.4.2掃速的影響圖6A為不同掃速(30~300 mV/s)下,1×10-5mol/L DA(介質(zhì)為pH=3.0 0.1 mol/L PBS)溶液在修飾電極MnO2-RGO/GCE上的循環(huán)伏安圖。隨著掃速增加,DA的氧化還原峰電流顯著增大,但背景電流也隨之增加(圖6A)。由圖6B可知,DA的氧化峰電流(ipa)與還原峰電流與掃速(v)在30~300 mV/s范圍內(nèi)呈良好的線性關系,線性方程分別為ipa=0.037v+0.0556(ipc)(R2=0.993),ipc=-0.036v+ 0.4393(R2=0.983)。這表明DA在修飾電極MnO2-RGO/GCE上的反應主要受吸附過程控制[4],因此后續(xù)實驗采用富集方法增大電流響應信號。為了提高信噪比,減小背景電流,DA測定掃速選擇100 mV/s。此外,隨著掃速的增加,氧化峰電位正移,還原峰電位負移,說明反應為準可逆反應。峰電位與掃速的對數(shù)(lnv)呈良好的線性關系,線性方程分別為Epa=0.0328 lnv+0.484(R2=0.953),Epc=-0.0232 lnv+ 0.271(R2=0.952)。根據(jù)Lavrion方程[38]:

        圖3 MnO2納米線XRD圖譜Fig.3 X-ray diffraction (XRD) pattern of MnO2 nanowires

        圖4 1×10-5 mol/L DA在GCE(a),RGO/GCE(b),MnO2-RGO/GCE(c)上的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclicvoltammograms of 1×10-5 mol/L dopamine (DA) on different elctrodes in PBS buffer solution (0.1 mol/L pH 3.5). Scan rate: 100 mV/s. a, bare glassy carbon electrode (GCE); b, RGO/GCE; c, MnO2-RGO/GCE

        圖5 (A)不同pH 值PBS溶液中 1×10-5 mol/L DA在MnO2-RGO/GCE上的循環(huán)伏安圖;(B)氧化峰電流與pH 關系圖Fig.5 (A) Cyclic voltammograms of 1×10-5 mol/L DA in PBS buffer solutions (0.1 mol/L) with different pH value; (B) Relationship between oxidation peak current and pH value

        式中,Epa和Epc分別表示氧化峰電位和還原峰電位(V),v為掃描速率(V/s);α為電荷轉(zhuǎn)移系數(shù),ks為異相電子轉(zhuǎn)移速率,D為擴散系數(shù),n為電子轉(zhuǎn)移數(shù),T為開爾文溫度,F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96480 C/mol),R為摩爾氣體常數(shù)(8.314 J/(mol·K))。結(jié)合公式(1)、(2)與上述Epa/Epc-lnv線性方程的斜率,即可得電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)α=0.6,電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=0.94≈1。DA氧化過程為等電子等質(zhì)子過程,修飾電極MnO2-RGO/GCE測定DA屬于單電子單質(zhì)子快速傳遞過程,推測其機理為:首先,DA釋放一電子成為半醌自由基;然后,半醌自由基歧化DA氧化物和DA。這與文獻[38]報道的DA在GCE上的反應機理一致。推測的反應機理如下所示:

        圖6 (A)不同掃速下1×10-5 mol/L DA的循環(huán)伏安曲線;(B)DA氧化還原峰電流與掃速關系圖;(C)DA氧化還原峰電位與掃速的對數(shù)關系圖Fig.6 (A)Cyclic voltammograms of 1×10-5 mol/L DA with different scan rates; (B) Calibration curve between peak currents and scan rate; (C) Calibration curve between peak potentials and Napierian Logarithm of scan rate (lnv)

        3.4.3富集條件優(yōu)化不同富集電位(-0.4~0.2 V)下的溶出曲線(圖7A)表明,峰電流大小與富集電位密切有關。在-0.4~-0.1 V范圍內(nèi),隨富集電位變正,峰電流增大;富集電位超過-0.1 V后,隨電位升高,峰電流逐漸降低(圖7A)。因此選擇-0.1 V為測定DA的富集電位。圖7B為峰電流與富集時間的關系圖,隨富集時間從30~150 s延長,峰電流增大;富集時間大于150 s后,峰電流基本保持不變,這說明DA吸附達到平衡。因此選擇測定DA時的富集時間為150 s。

        圖7 富集電位(A)和富集時間(B)對1×10-5 mol/L DA氧化峰電流的影響Fig.7 Effect of accumulation potential (A) and accumulation time (B) on oxidation peak current of 1×10-5 mol/L DA

        3.5 干擾實驗

        DA、抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)共存于中樞系統(tǒng)細胞外液和血清中,在裸電極上三者的氧化峰電位接近,從而干擾DA的測定。線性溶出伏安法測定DA(2×10-5mol/L)與AA(1×10-5mol/L)、UA (1×10-5mol/L)共存時的結(jié)果如圖8所示,DA、AA、UA三者的氧化峰電位分別為196、464和592 mV。氧化峰得到了明顯分離,AA-DA氧化峰電位差ΔEp=268 mV,DA-UA之間的ΔEp=128 mV, 且與單獨測定DA時的氧化峰電流未見明顯減少。上述結(jié)果表明,石墨烯和MnO2納米棒兩者的協(xié)同效應提高了修飾電極的選擇性和抗干擾能力。

        圖8 DA(2×10-5 mol/L)、AA (1×10-5 mol/L)與 UA (1×10-5 mol/L) 混合樣品在MnO2-RGO/GCE上的二階導數(shù)線性掃描伏安圖Fig.8 Second order derivative linear sweep voltammograms of mixture of DA (2×10-5 mol/L), AA (1×10-5 mol/L) and UA (1×10-5 mol/L) on MnO2-RGO/GCE

        3.6 線性范圍和檢出限

        由于二階導數(shù)線性掃描伏安法相對循環(huán)伏安分辨率更好,測量精度更高,本方法采用二階導數(shù)線性掃描伏安法測定多巴胺含量。在最佳測定條件下,采用線性伏安法對DA進行定量分析結(jié)果如圖9A所示,當DA濃度為0.06~1.0 μmol/L時,氧化峰電流ipa均隨濃度增大而增大,并呈良好的線性關系,線性方程為ipa=6.035c+ 8.581(R2=0.959);當DA濃度為1.0~80 μmol/L,濃度與峰電流同樣呈線性關系,線性方程為 ipa= 0.421c+ 16.741(R2= 0.959)。檢出限(S/N=3)為1.0 nmol/L。

        重復5次測量2.0 μmol/L多巴胺的相對標準偏差(RSD)為3.4%,按相同方式制備4個MnO2-RGO/GCE,測定2.0 μmol/L DA響應峰電流的相對標準偏差為4.2%,表明電極制備和檢測的重現(xiàn)性好。

        圖9 DA濃度范圍為0.06~1.0 μmol/L(A)和1.0~80.0 μmol/L(B),DA氧化峰電流ipa與濃度的關系曲線Fig.9 Relationship between oxide peak ipa and concentration of DA in the range of (A) 0.06-1.0 μmol/L and (B) 1.0-80.0 μmol/L

        表1 本方法與文獻報道檢測DA方法的分析性能的比較 (n=4)

        Table 1 Comparison of analytical performance between of method and other literature methods for detection of DA

        電極Electrodes檢測方法Method線性范圍Linearrange(μmol/L)檢出限D(zhuǎn)etectionlimit(μmol/L)參考文獻Ref.MnO2納米線/殼聚糖復合修飾金電極MnO2nanowires/chitosan?modifedgoldelectrode計時電流法Chronoamperometry0.10~12.00.04[40]ZnO修飾碳漿電極ZnO?modifiedcarbonpasteelectrode微分脈沖伏安法Differentialpulsevoltammetry0.1~20.00.03[41]Cu2O/石墨烯復合修飾玻碳電極Cu2O/graphene?modifiedglassycarbonelectrode循環(huán)伏安法Cyclicvoltammetry0.3~1.4;2~200.055[42]CuO修飾碳漿電極CuO?modifiedcarbonpasteelectrode微分脈沖伏安法Differentialpulsevoltammetry0.1~100.01[43]Mn3O4修飾石墨電極Mn3O4?modifiedgraphiteelectrode微分脈沖伏安法Differentialpulsevoltammetry10~700.1[44]多壁碳納米管/Fe2O3復合修飾石墨電極SWCNT/Fe2O3?modifiedgraphiteelectrode方波伏安法Squarewavevoltammetry3.2~31.80.36[45]MnO2納米線?還原石墨烯修飾玻碳電極MnO2?RGO/GCE二階導數(shù)線性掃描伏安法Second?orderderivativelinearsweepvoltammetry0.06~1.0;1.0~80.00.001本方法Thismethod

        3.7 實際樣品分析

        將MnO2-RGO/GCE用于檢測人血清中的DA。3份血清樣品均未檢出DA。采用標準加入法,測定50倍PBS稀釋的人血清樣品中的加標回收實驗結(jié)果見表2,DA加標回收率為98.8%~102.0%,說明MnO2-RGO/GCE可用于血清中多巴胺的測定。

        表2 人血清中多巴胺含量測定(n=4)

        Table 2 Determination of DA in human blood serum samples (n=4)

        血清樣品Serumsample濃度Original(μmol/L)加入量Added(μmol/L)測定總量Totalfound(μmol/L)回收率Recovery(%)相對標準偏差RSD(%,n=4)1ND1.011.0098.82.22ND1.531.58103.01.33ND2.022.06102.02.4ND:未檢出Notdetectable.

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