鉑納米粒子自組裝膜電極差分脈沖伏安法測定多巴胺

張 雷，孫邦錦，董書頂，劉玉婷，魏 敏，李芬培，張 宏

(阜陽師范學院 化學與材料工程學院, 安徽 阜陽 236037)

鉑納米粒子自組裝膜電極差分脈沖伏安法測定多巴胺

張 雷，孫邦錦，董書頂，劉玉婷，魏 敏，李芬培，張 宏*

(阜陽師范學院 化學與材料工程學院, 安徽 阜陽 236037)

本文選用1,2-乙二硫醇為連接劑，通過共價鍵將PVP保護的鉑納米粒子(PtNPs)固定在金電極表面，制成鉑納米粒子/乙二硫醇修飾的金電極。在PH=7.0的環境下，利用差分脈沖伏安法(DPV)測定多巴胺(DA)。結果表明，在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范圍內，峰電流與多巴胺濃度成線性關系，檢測限為5.0×10-6mol/L。實驗同時考察了抗壞血酸(AA)對測定結果的影響，結果顯示在DA和AA混合液的DPV曲線上出現兩個峰，故修飾電極能夠在AA共存下選擇性測定DA。

多巴胺；鉑納米粒子；1,2-乙二硫醇；差分脈沖伏安法

多巴胺(Dopamine)在人體中參與許多生化反應，是人體生命過程中重要且不可或缺的神經遞質[1]。隨著現代科技的不斷發展，人們逐漸開始研究多巴胺的作用機理、體內含量等方面在醫學藥理等領域的應用。因此，建立靈敏、可靠、快速的分析檢測方法對于研究多巴胺而言有著十分重要意義。目前，測定多巴胺的主要方法有：氣相色譜法[2]、分光光度法[3]、液相色譜法[4]、電化學法[5-7]、熒光光度法[8]、流動注射化學發光法[9]等。

在諸多檢測方法中，電化學分析法操作簡便并且成本較低，因而成為多巴胺理想的測定方法，但由于抗壞血酸的電化學性質與多巴胺十分相似，故對其的測定造成一定程度的干擾?；瘜W修飾電極反應速度快、選擇性強、靈敏度高，為解決多巴胺電化學測量中的干擾問題提供了一條新思路。近年來，人們已經利用靜電吸附、共價鍵合、電沉積等有效手段將各種功能性材料修飾在基底電極表面，成功的實現了各類修飾電極對多巴胺的選擇性檢測。

貴金屬納米粒子常被用于制備修飾電極應用于多巴胺的電化學測定[10-20]。貴金屬納米粒子由于比表面積大、表面活性高且活性中心多以及電子遂道效應等特性致使其存在較強的吸附能力、電子傳遞能力和較高的催化效率，并且相比于一般的無機材料，金銀鉑等貴金屬納米粒子更具良好的生物相容性，所以在電化學中被廣泛作為修飾材料。其中，鉑納米粒子(PtNPs)修飾電極不僅能夠顯著的增加電極的表面積，加速電子傳遞，進而縮短反應時間、提高檢測靈敏度，同時也增強修飾電極的選擇性。如劉偉祿等[15]制備了石墨烯-聚苯乙烯磺酸鹽-鉑納米粒子復合物修飾電極并用于多巴胺的電化學測定；李靖等[14]研究了電化學活化玻碳電極制備鉑納米粒子對多巴胺的電化學催化；李娟[16]制備了Nafion/DNA/納米鉑復合膜修飾電極，并應用于多巴胺的檢測；郭憲厚[17]利用石墨烯/鉑納米粒子雜化膜測定了腎上腺素；李正等[18]制備了Au核Pt殼的復合納米結構，考察了兩種納米粒子在多巴胺化學催化中的協同作用。

本文采取共價鍵自組裝的方式制備鉑納米顆粒修飾金電極并應用于多巴胺的選擇性測定。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

CHI600D電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；JK-100DB型數控超聲波清洗器(合肥金尼克機械制造有限公司)；HDM-2500數顯攪拌電熱套(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)；JEM-200CX透射電子顯微鏡(日本)。

多巴胺(DA，A Johnson Matthey Company)，抗壞血酸(AA，天津博迪化工股份有限公司)，磷酸緩沖溶液使用前用氮氣除氧。1,2-乙二硫醇(國藥集團化學試劑有限公司)，氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O，國藥集團化學試劑有限公司)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP,國藥集團化學試劑有限公司)，其他試劑均為分析純，DA和AA均用磷酸緩沖溶液配制，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 鉑納米粒子的制備與表征

鉑納米溶膠的制備參照文獻[21]方法：取25 mL 1.5×10-4mol/L的氯鉑酸溶液和50 mL 3.0×10-5mol/L保護劑聚乙烯吡咯烷酮溶液加到250 mL 三頸燒瓶中并混合均勻，隨后將反應液攪拌升溫至80 ℃，恒溫攪拌下緩慢滴加30 mL 0.02 mol/L還原劑抗壞血酸，繼續加熱攪拌3小時后停止反應，冷卻至室溫后放入4 ℃冰箱備用。用透射電子顯微鏡(TEM)測量鉑納米粒子溶膠的形貌及粒徑分布情況；用紫外-可見分光光度計分析鉑納米粒子溶膠的光學性質，光譜儀掃描的波長范圍為200～400 nm。

1.3 修飾電極的制備

金電極的預處理，具體為：將金電極依次在濕潤的金相砂紙(4000#)、加有Al2O3(0.05 μm)粉末的麂皮上打磨至表面光滑成鏡，清洗后在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中進行循環伏安掃描至峰形穩定，隨后依次在無水乙醇、二次水、丙酮中各超聲5 min，然后用二次水洗凈。將處理過的金電極避光、低溫下浸泡于1,2-乙二硫醇溶液中10 h，沖洗后再于鉑納米粒子溶膠中避光、低溫浸泡10 h，即可得到鉑納米粒子/乙二硫醇修飾的金電極，記作PtNPs/EDT/Au。

1.4 檢測方法

2 結果與討論

2.1 鉑納米粒子的表征

2.1.1 透射電子顯微鏡(TEM)

鉑納米粒子的粒徑和形貌用TEM進行表征，從圖1中可以看出這些納米粒子的尺寸主要分別在1-5 nm之間，由于鉑納米粒子具有較高的表面能，因此很容易團聚，在加入了PVP作為保護劑以后，能有效地阻止鉑納米粒子團聚，從TEM圖中可以看出，PVP保護的鉑納米顆粒主要以球形面貌均勻的分散在水相中，由于PVP是一種有機物，故無法在TEM圖上顯示出來。

圖1 鉑納米粒子溶膠TEM圖

2.1.2 紫外可見光譜(UV-vis)

通過紫外可見光譜可以考察鉑納米粒子溶膠形成前后的光學性質的變化。如圖2曲線a所示H2PtCl6水溶液的紫外光譜在268 nm處顯示一吸收峰，此峰與[PtCl6]2-離子的配位金屬電荷位移躍遷相對應[22]。當加入抗壞血酸后反應體系仍為無色，隨著反應時間的增加，分散系的顏色從無色變為淡棕色，[PtCl6]2-逐漸還原為Pt，268 nm處吸收峰基本消失，如圖2曲線b所示。

圖2 鉑納米粒子溶膠形成前后紫外可見光譜圖

由此說明[PtCl6]2-離子已經基本被抗壞血酸還原，形成了穩定的鉑納米粒子溶膠。在1995年時Daniel曾對紫外中的這種趨勢做了類似的報道，證明鉑納米粒子溶膠已經生成[22]。

將紫外可見光譜掃描范圍擴大到可見光區域，即200-800 nm，并沒有出現鉑納米粒子溶膠的可見吸收峰，這主要是因為合成的鉑納米粒子溶膠的棕色很淡，在做光譜實驗時又進行了稀釋，因此在可見光區沒有看到鉑納米粒子的吸收峰。

2.2 PtNPs/EDT/Au電極的性能測試

用電化學阻抗法測試了PtNPs/EDT/Au電極的導電性能，結果如圖3所示。圖3中曲線a、b、c分別是Au電極、EDT/Au電極和PtNPs/EDT/Au電極在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的電化學阻抗圖，從圖中可以看出，當電極表面結合了EDT以后，[Fe(CN)6]3-/4-探針到達電極表面進行電子交換的阻力明顯加大，Nyquist曲線半圓直徑達到3 000 ohm(曲線b)，當進一步在EDT表面結合了鉑納米粒子以后，Nyquist曲線半圓直徑回落到900 ohm(曲線c)，說明鉑納米粒子具有極好的電子轉移促進能力，PtNPs/EDT/Au電極具有良好的性能。

圖3 裸Au電極

(a)EDT/Au電極；(b)PtNPs/EDT/Au電極；(c)在5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的電化學阻抗曲線

2.3 掃速對DA的循環伏安行為的影響

圖4 不同掃速下PtNPs/EDT/Au電極在濃度為2×10-5mol/L DA中的循環伏安曲線a～j掃速依次為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 V/s

不同掃描速度下，PtNPs/EDT/Au電極在2×10-5mol/L DA溶液中循環伏安曲線如圖4所示，隨著掃速逐漸增大，DA的氧化還原峰的電流也逐漸增大，而且在掃速相同的條件下修飾電極的氧化峰與還原峰峰形大致對稱、峰值幾乎相等。在0.5～5 V/s范圍內，DA的氧化峰、還原峰值與v0.5成良好的線性關系(圖5)。

ipa(μA) = -0.035 3-0.732·v0.5(V/s) (R2=0.996)

ipc(μA) = 0.446 5+0.235 1·v0.5(V/s) (R2=0.985)

圖5 氧化還原峰電流與掃速之間的關系

上述結果表明DA在修飾電極上的電化學過程是受擴散控制的。此外，DA在PtNPs/EDT/Au電極上氧化原峰電流之比約為1，峰電位差值△E=75 mV且隨掃速的增長逐漸增大，說明DA在此電極表面發生的是準可逆的電化學過程。

2.4 PtNPs/EDT/Au電極在DA和AA混合液中的DPV行為

將裸金電極和PtNPs/EDT/Au電極分別置于1.5×10-3mol/L的DA和AA混合液中進行DPV掃描，結果如圖6所示。

圖6 裸電極與修飾電極在DA和AA混合液中差分脈沖對比圖

(a)裸金電極在DA(1.5×10-3mol/L)和AA(1.5×10-3mol/L)混合液中的DPV曲線;(b)PtNPs/EDT/Au電極在相同混合液中的DPV曲線

從圖中可以明顯看出相比于裸電極(a)而言，DA在PtNPs/EDT/Au電極上(b)的響應電流明顯增大，裸電極在DA和AA混合溶液中的DPV曲線僅在0.15 V處有一個峰，而PtNPs/EDT/Au電極在利用差分脈沖伏安法檢測多巴胺和抗壞血酸時除了在0.15 V左右有一個多巴胺的峰之外在0.13 V處還有一個弱峰，說明PtNPs/EDT/Au電極測量多巴胺和抗壞血酸的時候可以將兩種物質區分開從而消除抗壞血酸對多巴胺的干擾，增加了測定的選擇性。

2.5 PtNPs/EDT/Au電極對DA的檢測性能

實驗利用差分脈沖伏安法考查了PtNPs/EDT/Au電極對不同濃度多巴胺的響應情況。

如圖7所示，隨著多巴胺濃度的增加，PtNPs/EDT/Au電極峰電流值逐漸增加，并且，響應電流與DA濃度在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范圍內成線性關系(圖8)，其校正曲線方程可擬合為：

y=0.81+11.07x

x為多巴胺濃度(mmol/L)，y為峰電流響應值(μA)，R2=0.996。檢出限為5.0×10-6。

圖7 PtNPs/EDT/Au電極在不同濃度DA溶液中的差分脈沖曲線

(a～h表示DA濃度分別為c=5.0×10-6, 1.0×10-5, 2.0×10-5, 5.0×10-5, 1.0×10-4, 2.0×10-4, 5.0×10-4, 1.0×10-3mol/L)

圖8 峰電流與DA濃度線性關系圖

3 結論

本文利用差分脈沖伏安法研究了多巴胺在PtNPs/EDT/Au電極上的電化學行為，研究表明鉑納米粒子能夠加速多巴胺在電極表面的電子傳遞作用，從而增強多巴胺的電化學響應。同時，PtNPs/EDT/Au電極可以在抗壞血酸存在下選擇測定多巴胺。多巴胺在PtNPs/EDT/Au電極上的響應電流與其濃度具有良好的線性關系，可用于多巴胺的檢測。

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Platinum nanoparticles /ethanedithiol modified gold electrode differential pulse voltammetry for the determination of dopamine

ZHANG Lei, SUN Bang-jin,DONG Shu-ding, LIU Yu-ting,WEI Min, LI Fen-pei, ZHANG Hong*

(CollegeofChemistry&MaterialEngineering,FuyangNormalUniversity,FuyangAnhui236037,China)

In this topic 1,2-ethanedithiol was employed as a linker to fix platinum nanoparticles protected by PVP on the surface of gold electrode through covalent bond to construct the platinum nanoparticles /ethanedithiol modified gold electrode (PtNPs/EDT/Au). This modified electrode was used to detect dopamine (DA) by differential pulse voltammetry (DPV). The peak currents are linear with concentration of DA in the range of 1.0×10-5～1.0×10-3mol/L with the detection limit as 5.0×10-6mol/L. Meanwhile, the effect of ascorbic acid (AA) on the detection of DA was studied, and the result showed that two separated peak of DA and AA can be observed in DPV curve, which indicated the PtNPs/EDT/Au can be used to detect dopamine in the presence of AA.

dopamine; platinum nanoparticles; 1,2-ethanedithiol; differential pulse voltammetry

2015-04-22

安徽省高校自然科學基金項目(KJ2011A210)；大學生創新創業訓練計劃項目(AH201410371001)；安徽省本科教學工程項目(2014sjjd018, 2014JXTD03,2013zytz042, 2012ZYSD01, 20100633, 2011JPKC03)資助。

張 宏(1967-) ，男，博士，教授，研究方向：生物電分析化學，Email: zhanghong@fync.edu.cn。

O657.1

A

1004-4329(2015)03-039-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2015)03-039-05