基于絲肽功能化石墨烯增敏多巴胺電化學傳感構建綜合實驗體系

王炎英, 屈 穎, 李春涯

(中南民族大學 a.實驗教學與實驗室管理中心;b.化學與材料科學學院，武漢 430074)

0 引 言

化學綜合實驗體系的完善不僅需強化學科之間的交叉滲透，更側重科學前沿的引入，因此，新材料、新產品、新方法以及科研新進展都紛紛被改造為綜合實驗或創新性實驗，從而開闊學生的視野，拓展知識領域[1-6]。

石墨烯是形成碳同素異形體(如石墨、碳納米管、富勒烯等)的基本單元[7-8]，Geim等通過簡單的實驗獲取了單層石墨烯[9]，這一開創性的工作使得石墨烯在物理、化學、生物以及材料科學等領域獲得了廣泛關注[7,10]。石墨烯具有一些獨一無二的特性，如量子霍爾效應，室溫下具有高量子遷移效率(～10 000 cm2/(V·s),大比表面積(2 630 m2/g)，好的光透性(～97.7%)，高彈性模量(～1 TPa)，優良的熱傳導性(3～5 kW/(m·K)和導電性，低熱膨脹系數等。迄目前為止，基于無機納米粒子、有機晶體、聚合物、有機金屬框架化合物、生物材料、碳納米管等的石墨烯復合材料都已成功制備，并廣泛用于電池、 電容、 燃料電池、 光伏裝置、 光催化、傳感界面等領域[11]。本文以絲肽功能化石墨烯納米復合材料(SP-Gr)構建出電化學傳感界面，考察了其對多巴胺的傳感性能，并實現多巴胺的高效檢測，基于此衍生出新型綜合創新實驗體系，適用于材料化學、分析化學、應用化學等相關專業，囊括了材料制備及表征，電化學傳感器制備方法，電化學表征及測試方法，電化學分析基本模式及數據處理等。主要內容如下：在堿性溶液中，高分子絲肽上的氨基會和氧化石墨烯表面的環氧基發生化學反應，從而實現氧化石墨烯表面修飾[12]，再經硼氫化鈉溶液還原，可獲得(SP-Gr)。采用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X-射線光電子能譜、X-射線衍射、紫外光譜等對所制備的(SP-Gr)進行表征。將SP-Gr分散至水相中，并滴涂至潔凈的玻碳電極表面，蒸發溶劑后制備出SP-Gr膜修飾電極?？疾於喟桶吩谠揝P-Gr膜修飾電極上的電化學行為，發現在pH 7.0的磷酸緩沖溶液中，Gr-SP膜修飾電極對多巴胺表現出靈敏的響應性能，優化實驗條件后，可實現多巴胺的高選擇性、高靈敏度檢測，并可成功用于注射液樣品中多巴胺測定。

1 實驗試劑及儀器

主要試劑：氧化石墨烯(先豐納米)；高分子絲肽(MW=10 000～15 000)；多巴胺；硼氫化鈉；Na2HPO4；NaH2PO4；KOH,所用試劑均為分析純，溶液由超純水配制。

主要儀器：CHI 660D電化學工作站(上海辰華儀器有限公司，上海)；透射電子顯微鏡(FEI Tecnai G220S-TWIN)；場掃描電子顯微鏡(JSM-6700F)；X-射線光電子能譜儀(Thermo Electron Corp., USA)；X-射線衍射儀(Bruker D8)；紫外-可見光譜儀；電子分析天平。

2 實 驗

2.1 SP-Gr制備

SP-Gr制備方案如下：在20.0 mL超純水中加入4 mg氧化石墨烯、20.0 mg絲肽和16 mg KOH，劇烈攪拌混勻，80 °C恒溫 24 h。 向反應混合物中加入1.0 mol/L NaBH4溶液2.0 mL，維持80 °C恒溫2 h。經高速離心分離，以超純水洗去雜質及過量的高分子絲肽，減壓干燥得SP-Gr納米復合材料。

2.2 SP-Gr修飾電極制備及多巴胺測定

玻碳電極先用金相砂紙和氧化鋁粉懸濁液拋光，超純水洗凈，然后依次用硝酸、乙醇和水超聲清洗，在室溫下晾干，備用。SP-Gr納米材料用磷酸緩沖溶液超聲分散成1.0 g/L溶液。用微量移液器移取5.0 μL SP-Gr溶液，滴涂至潔凈的玻碳電極表面，室溫晾干，即得SP-Gr膜修飾電極。

電化學測試在CHI 660D電化學工作站上進行，實驗采用傳統的三電極系統：玻碳電極(?=3.0 mm)或SP-Gr修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑柱電極為輔助電極。

SP-Gr修飾電極置于磷酸緩沖溶液中，在-0.2～0.6 V電位范圍內循環伏安掃描至基線穩定。多巴胺鹽酸鹽以磷酸緩沖溶液配制成所需濃度，并移至10 mL電解池中，將SP-Gr修飾電極置于多巴胺溶液中，0 V電位下富集90 s,在-0.2～0.6 V電位區間內微分脈沖伏安法掃描，其氧化峰峰電流用于定量分析多巴胺。

3 結果與討論

3.1 透射電子顯微鏡表征

由圖1可知，3種納米材料都呈現出分散的石墨烯片層結構，其直徑在幾百nm，表明石墨烯表面經絲肽修飾，不改變石墨烯的幾何結構，可維持其大比表面積、高電子傳導等特性，有利于構建性能優良的電化學傳感器。

(a) 還原石墨烯

(b) SP-Gr納米材料

(c) 材料的透射電鏡圖

3.2 X-射線光電子能譜表征

由圖2可知，兩種納米材料中均含有C1s能級(284.6 eV)和O1s能級(531.8 eV)。在SP-Gr納米復合材料的XPS曲線中存在N1s能級(399.6 eV)，而石墨烯的XPS譜圖中未出現N1s能級，表明N元素主要來源于高分子絲肽，進而證實高分子絲肽成功修飾至石墨烯表面。

(a) 石墨烯

(b) SP-Gr納米材料

圖2 材料的XPS能譜曲線

3.3 X-射線衍射光譜表征

如圖3所示，當2θ在5°～80°范圍內變化時，氧化石墨烯分別在9.7°出現一個尖峰和23.2°出現一個扁平峰。而在石墨烯和SP-Gr中僅在23.2°觀察到一個扁平峰。結果表明，高分子絲肽和氧化石墨烯鍵合后，可經NaBH4還原為SP-Gr納米復合材料。

圖3 材料的XRD譜圖

3.4 UV/Vis光譜表征

如圖4所示，以水為分散劑時，氧化石墨烯在225 nm處出現吸收峰，高分子絲肽在213 nm出現吸收峰。當絲肽修飾至石墨烯表面后，225 nm處的吸收峰紅移至263 nm，表明結合高分子絲肽并經NaHB4還原后，石墨烯電子共軛體系得以修復。213 nm處的吸收峰藍移至202 nm，源于石墨烯和絲肽的相互作用。氧化石墨烯和NaHB4反應后被還原為石墨烯，也可以由顏色變化獲得證實。還原前，其水分散體系為棕色，而還原后轉變為黑色。其濃度為1 g/L的分散液可維持數月不沉降，表明其在水相中具有很好的分散性，特別適合構建生物傳感體系。

圖4 材料的紫外可見光譜圖

3.5 掃描電子顯微鏡表征修飾電極形貌

由圖5可見，SP-Gr均勻覆蓋至玻碳電極表面，呈現出褶皺狀，石墨烯的納米片層結構清晰可見。表明該納米復合材料可穩定修飾至玻碳電極表面，并具有石墨烯的結構特性。

3.6 交流阻抗譜表征

由圖6可知，Nyquist曲線相似，高頻區為一圓弧，對應著擴散控制過程;而低頻區為一條直線，對應著表面控制過程。 圓弧的半徑可反映電極界面電荷傳遞電阻的大小，半徑越大，電荷傳遞電阻越高。與曲線a相比，曲線b的圓弧半徑大大增加，說明SP-Gr納米復合材料阻礙了Fe(CN)63-/4-在電極上的電荷傳遞，作為絲肽載體的石墨烯是高導電材料，故其對探針電子傳遞的阻礙作用主要來源于絲肽分子，因為在該pH值條件下，絲肽分子帶負電荷，與電活性探針之間存在靜電排斥作用。

圖5 SP-Gr納米復合材料修飾玻碳電極的掃描電鏡圖

圖6 5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]在SP-Gr修飾電極(a)和裸玻碳電極上的(b)Nyquist曲線(支持電解質為0.1 mmol/L KCl溶液)

3.7 多巴胺的循環伏安行為

采用循環伏安法考察50 μmol/L多巴胺在不同電極表面的電化學行為，結果如圖7所示。由曲線b可知，在磷酸緩沖溶液中，當電位掃描區間控制在-0.2～0.6 V范圍時，SP-Gr修飾電極無氧化峰、還原峰出現，表明其在該電位區間內為電化學惰性。在多巴胺溶液中，該修飾電極呈現出一對準可逆的氧化-還原峰，如曲線a所示，其氧化峰電位在0.22 V, 還原峰電位在0.16 V。在裸玻碳電極上，多巴胺也呈現出一對氧化-還原峰(曲線c)，氧化峰電位為0.20 V，還原峰電位為0.16 V，但氧化-還原峰峰電流明顯小于其在SP-Gr修飾電極上的峰電流，表明絲肽功能化石墨烯納米復合材料能增強多巴胺在電極表面的富集量，進而增強其檢測靈敏度。

圖7 50 μmol/L多巴胺在SP-Gr修飾電極(a)和裸玻碳電極(c)上的循環伏安曲線；曲線b是SP-Gr修飾電極在磷酸緩沖溶液中的伏安曲線

3.8 實驗條件優化

3.8.1 pH值的影響

以SP-Gr修飾電極為工作電極，采用微分脈沖伏安法在pH 4.0～9.0范圍內考察了緩沖溶液pH值對5.0 μmol/L多巴胺的電化學響應的影響。如圖8所示，當磷酸鹽緩沖溶液的pH值從4.0增加到7.0時，氧化峰峰電流逐漸增加；當pH值由7.0增至9.0時，氧化峰峰電流迅速減小，故選擇pH 7.0的磷酸鹽緩沖為支持電解質。

圖8 電解質溶液pH值對5 μmol/L多巴胺在SP-Gr修飾電極上的氧化峰峰電流的影響

3.8.2 富集時間和富集電位的影響

如圖9(a)所示, 當富集時間由0 s增加到90 s時, 多巴胺氧化峰峰電流隨著富集時間的延長迅速增大。當富集時間超過90 s后，多巴胺氧化峰電流基本趨于平穩，表明絲肽功能化石墨烯對多巴胺的富集已基本趨于飽和，故選擇在90 s條件做為最佳富集時間。同時在-0.20～0.40 V之間考察了富集電位對多巴胺氧化峰峰電流的影響，如圖9(b)所示，在-0.20～0 V范圍內，氧化峰峰電流隨富集電位變化不大，當富集電位從0 V增加到0.40 V時，氧化峰峰電流隨富集電位的增加而下降，主要是因富集電位接近其氧化電位所致，因此，選擇在0 V作為最佳富集電位。

(a) 富集時間

(b) 富集電位

圖9 5.0 μmol/L多巴胺在SP-Gr修飾電極上的氧化峰峰電流的影響

3.9 分析應用

在最佳條件下，以SP-Gr修飾電極為工作電極，采用微分脈沖溶出伏安法研究多巴胺氧化峰峰電流(Ipa)與其濃度(c)之間的關系，如圖10所示。其氧化峰峰電流隨多巴胺濃度增加而增大，在0.2～10 μmol/L呈線性關系，線性方程為

Ipa=0.317 2c+0.097 3(R=0.999)

檢出限為56 nmol/L(S/N=3)。

采用加入回收實驗法驗證SP-Gr修飾電極測定多巴胺的準確性。測定10 μmol/L多巴胺的回收率在96.8%～101.6%，表明其具有較好的準確性。將該SP-Gr修飾電極用于多巴胺注射液樣品分析，以考察其分析實際樣品的能力。多巴胺注射液用磷酸緩沖溶液(pH7.0)稀釋，采用標準加入法測得其多巴胺含量為(9.93±0.05) g/L(n=3,RSD=0.5%)，與注射液標示值10 g/L相吻合，表明該傳感器具有實際應用價值。

圖10 SP-Gr修飾電極用于多巴胺測定的校準曲線

4 結 語

該綜合實驗以高分子絲肽實現氧化石墨烯的功能化，經硼氫化鈉還原為石墨烯，制備出絲肽功能化石墨烯，并修飾至玻碳電極表面構建電化學傳感界面?；谑┑拇蟊缺砻娣e、高導電性，絲肽分子的生物親和性，實現多巴胺在修飾電極表面的高效富集，從而獲得高靈敏電化學傳感系統，成功用于多巴胺電化學分析。實驗體系涉及納米復合材料的合成、表征，電化學傳感界面的制備、表征，電化學分析實驗條件優化及選擇，電化學分析實驗數據獲取及處理，電化學傳感器實際應用等方面，形成了序列性的科研創新模式，有助于培養學生綜合實驗技能、科研思維、創新意識及實際應用能力，也有利于激發學生的科研興趣，為培養科研后備隊伍奠定堅實基礎。