基于納米多孔鎳鉑與石墨烯復合材料構建的電化學傳感器對多巴胺的檢測

周 行， 肖 雷， 楊小芳， 張書飛， 王慶飛*， 崔榮靜*

(1.河北師范大學化學與材料科學學院，河北石家莊 050024；2.常熟理工學院江蘇省新型功能材料重點實驗室，化學與材料工程學院，江蘇常熟 215500)

多巴胺(DA)是一種由腦內分泌的神經傳導物質，其水平異?？赡軐е露喾N疾病，如精神分裂癥、亨廷頓舞蹈癥、帕金森病和癡呆等[1]。因此，多巴胺的測定已成為生物醫學化學、神經化學以及診斷病理學研究等領域的重要課題[2]。目前用于多巴胺的測定包括高效液相色譜法[3]、質譜法[4]、分光光度法[5]及電化學法[6]等檢測方法。與上述傳統的分析方法相比，多巴胺的電化學測定因其靈敏度高、成本低和電流響應較快而備受科研工作者的關注[7]。在電化學分析中，修飾電極對多巴胺[8]的敏感和選擇性檢測起著重要作用。

納米多孔金屬材料因其制備方法相對簡單、所制得的材料性能良好而備受關注，如：因納米多孔金屬材料的孔洞結構而具有較大的比表面積，可以為電化學中的氧化還原反應提供更多的催化活性位點；因納米多孔金屬材料的雙聯通結構而具有較廣闊的電子運輸通道，可以為反應中氧化還原反應中電子的得與失而提供有效的傳遞渠道。在納米多孔金屬材料體系中，Ni、Pt等金屬元素因其具有獨特的性能而被廣泛應用。石墨烯(GR)是一種單原子層的二維碳材料，具有高的比表面積和電子轉移速率[9]，因其本身具有催化活性而被用作催化劑載體做電極修飾材料。本文主要是通過電弧熔煉、熔體快淬和脫合金技術制得納米多孔鎳(NP-Ni)，然后將其置于0.8 mmol/L的H2PtCl6溶液中攪拌，致使Pt通過置換反應，從而制得納米多孔鎳鉑(NP-NiPt)。最后將所制備的NP-NiPt與GR復合制得NP-NiPt/GR復合材料，用于修飾玻碳電極(GCE)，從而成功構建NP-NiPt/GR/GCE電化學傳感器用于多巴胺檢測。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

CHI660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；GDJ500C電弧熔煉及單旋系統(沈陽科友真空技術有限公司)；EVO18掃描電鏡(德國，ZEISS公司)；Tecnai G220S -TWIN透射電鏡(美國，FEI公司)；SA-HF3 X射線粉末衍射儀(日本，Rigaku公司)。

Ni、Mn(99.99%，吉林東北有色金屬有限公司)；聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA，20.0%)、Nafion(0.5%)(Sigma-Aldrich公司)；石墨烯(GR，南京先豐納米材料科技有限公司)；多巴胺(DA)、尿酸(UA)和抗壞血酸(AA)(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；(NH4)2SO4(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；H2PtCl6(分析純，上海強順化學試劑有限公司)；Na2HPO4、NaH2PO4(分析純，上海凌峰化學試劑有限公司)；N2(99.99%，常熟市琴湖工業氣體廠)。實驗用水為超純水。

血清樣品為常熟市第一人民醫院提供。

1.2 NP-NiPt材料的制備

納米多孔金屬材料前驅體合金為Ni30Mn70。稱取適量用電弧熔煉與熔體快淬方法制備Ni30Mn70合金條帶，在管式爐中800 ℃下退火24 h，再將其置于1 mol/L (NH4)2SO4溶液中在50 ℃水浴鍋下腐蝕48 h，用超純水和乙醇洗滌4～5次，最后將材料置于真空干燥箱(45 ℃)中干燥24 h后研磨成粉，即可制得納米多孔鎳NP-Ni催化劑。

稱取8 mg NP-Ni材料，再加入120 mL 0.8 mmol/L的H2PtCl6溶液，置于溫度5 ℃和N2保護下持續攪拌1 h，使兩個材料充分接觸，以使Pt通過置換反應負載到NP-Ni材料的表面，制得NP-NiPt材料。最后用超純水清洗材料數次并真空干燥24 h，備用。

1.3 修飾電極的制備

稱取2 mg NP-NiPt與400 μL石墨烯(GR)溶液(用0.2%的PDDA分散處理)混合，然后超聲1 h使溶液完全混合均勻，得到電極修飾材料NP-NiPt/GR的濃度為5 mg/mL。

將玻碳電極(GCE)在麂皮上用Al2O3粉末打磨拋光，用超純水沖洗后，依次在乙醇和超純水中超聲清洗10 min。用超純水充分沖洗，干燥后備用。首先取4 μL的NP-NiPt/GR涂滴于晾干的GCE上。待材料晾干后，取2 μL 0.5%Nafion溶液滴于材料之上，晾干即可得到NP-NiPt/GR/GCE。

1.4 電化學測試

電化學測試前往溶液里通入高純N210 min除氧，所有測試過程均保持在25 ℃、N2氣氛下進行測試。并在不同pH值的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)的電化學電解池中進行循環伏安實驗。

2 結果與討論

2.1 NP-NiPt的掃描電鏡和透射電鏡表征

從圖1(A)的掃描電鏡(SEM)圖中可以看出，NP-Ni表面有星星點點的白色材料附著在上面，那就是通過簡單的置換所負載上的Pt。圖1(B)為高倍率下清楚的看到NP-NiPt材料表面的小孔洞，密密麻麻分布其中，為電化學反應提供更多的電子運輸通道、比表面積和電催化活性位點。

圖1 NP-NiPt低倍(A)和高倍(B)內部微觀結構的掃描電鏡(SEM)圖像Fig.1 SEM images of low(A)and high(B)internal microstructure of the NP-NiPt

通過透射電鏡(TEM)進一步觀察NP-NiPt材料的內部晶格條紋結構。圖2(A)中明暗相間的形貌說明所制備的NP-NiPt材料為多孔結構，與前面SEM圖中所表達的形貌一致。而從2(B)圖中可以清楚地看到均勻分布的晶格條紋，晶格間距分別為0.212 nm和0.219 nm，其分別對應于X射線衍射(XRD)圖譜中的(111)晶面。說明所制備的NP-NiPt材料擁有較均勻的多孔形貌結構，為接下來的多巴胺檢測提供了催化劑材料。

圖2 NP-NiPt的透射電鏡(TEM)(A)和高分辨透射電鏡(HRTEM)(B)圖像Fig.2 TEM image(A) and HRTEM image (B) of the NP-NiPt

2.2 NP-NiPt的X射線衍射和能譜分析

圖3 NP-NiPt粉末的X射線衍射(XRD)(A)和能譜(EDS)(B)譜圖(：Ni；*：Pt)Fig.3 XRD patterns (A)and EDS(B) of NP-NiPt powders(:Ni;*:Pt)

2.3 不同修飾電極的電化學行為

圖4 裸GCE(a)、NP-Ni/GCE(b)、GR/GCE(c)、NP-NiPt/GCE(d)和NP-NiPt/GR/GCE(e)在含有0.1 mmol/L DA的PBS(pH=7.0)中的循環伏安(CV)圖Fig.4 CVs of bare GCE(a),NP-Ni/GCE(b),GR/GCE(c),NP-NiPt/GCE(d),and NP-NiPt/GR/GCE(e)in phosphate buffer solution(pH=7.0)containing 0.1 mmol/L DA

通過循環伏安(CV)法探究了在0.1 mol/L的PBS(pH=7.0) 中檢測多巴胺在不同修飾電極上的電流響應。圖4分別顯示了含有0.1 mmol/L多巴胺的裸GCE(a)、NP-Ni/GCE(b)、GR/GCE(c)、NP-NiPt/GCE(d)和NP-NiPt/GR/GCE(e)的電流響應，可以看出各修飾電極對多巴胺的催化作用不同。從圖上可以看出多巴胺在NP-NiPt/GCE(d)上的電流響應與NP-Ni/GCE(b)相比有顯著增強。第一是由于NP-NiPt材料表面的小孔洞，為反應提供更大的比表面積、更多的電子運輸通道和電催化活性位點。第二是由于納米Pt具有較高的電催化活性。與其他電極相比，多巴胺在NP-NiPt/GR/GCE(e)上的伏安響應值最大，顯示了清晰的氧化還原過程，這主要歸功于石墨烯和NP-NiPt材料具有較大的比表面積和導電性能，以及NP-NiPt和石墨烯的協同作用，提高了修飾電極的催化能力。因而，NP-NiPt/GR/GCE電化學生物傳感器對多巴胺的檢測具有良好的催化活性。

2.4 底液酸度的影響

利用CV法在NP-NiPt/GR/GCE修飾電極上，在不同pH(4.0～9.0)的PBS中對多巴胺進行CV分析。由圖5(A)知，NP-NiPt/GR/GCE上多巴胺的氧化還原電流響應隨pH的改變而改變，其氧化還原峰峰電位隨著pH值增大均向負電位方向移動，說明質子參與了該化學反應。圖5(B)則描述了該反應過程中pH值和氧化峰、還原峰值電流之間的關系，可以明顯的看到多巴胺的氧化峰、還原峰電流值隨著pH從4.0增加到7.0，在pH=7.0處氧化峰、還原峰電流強度都到達其最大值，然后顯著降低。所以，選擇pH=7.0的0.1 mol/L PBS作為以下實驗過程中的最佳電解質溶液。圖5(C)是溶液pH值與多巴胺的氧化峰電位(Epa)、還原峰電位(Epc)具有良好的線性關系，其線性回歸方程分別為：Epa(V)=-0.031pH+0.406(R2=0.992)，Epc(V)=-0.024pH+0.165(R2=0.994)。

圖5 NP-NiPt/GR/GCE在不同pH的PBS(4.0～9.0)中對DA的CV圖(A)。pH對氧化還原(Ipa、Ipc)電流(B)和氧化還原(Epa、Epc)電位(C)的影響Fig.5 CVs of NP-NiPt/GR/GCE in different pH PBS (4.0～9.0) of DA(A).Effect of pH on Ipa and Ipc current(B)and Epa and Epc potential(C)

2.5 掃描速率的影響

圖6(A)是不同掃速下的CV圖。由圖可以看出多巴胺的氧化還原峰峰電流強度隨著掃速的逐漸增加而增加，且其氧化還原電位(Epa和Epc)亦略有變化。圖6(B)、6(C)為掃速與氧化還原峰值電流、電位的線性關系擬合圖。由圖可知，在50～500 mV/s的線性掃描范圍內，NP-NiPt/GR/GCE上多巴胺的氧化峰電流(Ipa)、還原峰電流(Ipc)與掃速(v)成線性關系，其線性回歸方程分別為：Ipa(μA)=0.081v(mV/s)+19.372(R2=0.991)，Ipc(μA)=-0.142v(mV/s)-20.789(R2=0.990)；NP-NiPt/GR/GCE上多巴胺的氧化(Epa)、還原(Ipc)峰值電位與掃速(v)成線性關系，其線性方程可分別表示為：Epa(μA)=1.7757×10-4v(mV/s)+0.086(R2=0.993)，Epc(μA)=-2.0009×10-4v(mV/s)+0.165(R2=0.992)。由此可知，NP-NiPt/GR/GCE修飾電極催化多巴胺的氧化還原反應為吸附控制過程。

圖6 NP-NiPt/GR/GCE在PBS(pH=7.0)中對DA檢測中不同掃速(a～k：50～500 mV/s)的CV圖(A)。掃速對氧化還原(Ipa、Ipc)電流(B)和氧化還原(Epa、Epc)電位(C)的影響Fig.6 CVs of DA in phosphate buffer solution(pH=7.0) at NP-NiPt/GR/GCE with different scan rates (a - k:50 - 500 mV/s)(A).Effect of sacn rate on Ipa and Ipc current(B)and Epa and Epc potential(C)

2.6 線性范圍與檢出限

構建的NP-NiPt/GR/GCE電化學傳感器運用差分脈沖伏安(DPV)技術對多巴胺進行定量檢測，圖7(A)為多巴胺的DPV響應曲線。由圖可見，隨著多巴胺濃度的不斷增加，多巴胺的峰值電流隨之增加；其插圖為濃度從0.5～25 μmol/L的DPV響應曲線，可以很清晰的看到當多巴胺濃度僅為0.5 μmol/L時，就已出現氧化峰，說明該傳感器的檢出限較低。圖7(B)顯示其回歸曲線在低濃度范圍內表現出較寬的線性濃度范圍：0.5～300 μmol/L，其線性回歸方程表示為：Ipa(μA)=0.106c(μmol/L)+0.541(R2=0.993)，檢出限(S/N=3)為0.41 μmol/L。NP-NiPt/GR/GCE電化學傳感器與其他檢測多巴胺的方法的比較如表1所示。通過對比，可以表明實驗中的NP-NiPt/GR/GCE電化學生物傳感器相對于其他方法具有較寬的線性濃度檢測范圍和較低的檢出限。

圖7 (A)NP-NiPt/GR/GCE在PBS(pH=7.0)中對不同濃度(a～q：0.5～300 μmol/L)DA的DPV響應(插圖：濃度從0.5～25 μmol/L的DPV響應)；(B)DA的校正曲線Fig.7 (A)DPVs response for the different concentration(a - q:0.5 - 300 μmol/L)of DA at NP-NiPt/GR/GCE in PBS(pH=7.0)(Inset:DPVs response concentration ranging from 0.5 - 25 μmol/L)；(B) Calibration curve for DA

表1 各種修飾電極對多巴胺檢測的比較

2.7 重現性、穩定性及選擇性研究

為了研究構建的NP-NiPt/GR/GCE傳感器的重現性，在最優的實驗條件下，用同一支修飾電極連續測定0.1 mmol/L多巴胺9次，其相對標準偏差(RSD)≤2.75%。用不同批次的9根修飾電極測定0.1 mmol/L多巴胺，其RSD≤3.05%。當NP-NiPt/GR/GCE修飾電極在4 ℃冰箱中保存超過15 d，多巴胺的電流響應信號相對于初始信號的下降幅度小于3.30%。結果表明NP-NiPt/GR/GCE對多巴胺的檢測具有良好的重現性和穩定性。

實驗中同時對100倍的KCl、NaCl、葡萄糖、抗壞血酸和尿酸等共存物質的干擾進行了檢測，多巴胺的峰值電流略有變化(小于2.0%)?？箟难?、尿酸的電化學氧化對DA的電流響應影響也不大(小于7.0%)。這些表明所構建的NP-NiPt/GR/GCE電化學生物傳感器具有良好的選擇性和穩定性。我們推測，一是因為傳感器使用了較高催化性能的電極材料，二是因為在修飾電極過程中，Nafion膜的使用可以對電極上的修飾材料起到保護作用，使得電極不受污染，同時防止材料脫落；另外Nafion膜使電極與溶液分開，某些離子可以透過膜到達電極表面進行反應，而有些離子就被隔在膜外，從而使測定的選擇性得到提高。

2.8 實際樣品分析

用DPV法對人體血清樣品中的多巴胺進行了直接分析，探討了NP-NiPt/GR/GCE電化學傳感器在實際樣品分析中的應用。血清樣本在測量前用PBS(pH=7.0)稀釋100倍，未進行其他預處理。經計算，該方法的回收率范圍為99%～102%，RSD小于4.0%。說明在實驗條件下，構建的電化學生物傳感器可用于實際樣品中多巴胺的測定。

3 結論

本文構建了具有高催化性能的NP-NiPt/GR/GCE電化學生物傳感器，用于檢測生物小分子多巴胺。該電化學生物傳感器對多巴胺具有優異的電催化活性，對多巴胺檢測的線性濃度檢測范圍為0.5～300 μmol/L(R2=0.993)，檢出限為0.41 μmol/L。