石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾玻碳電極測(cè)定多巴胺

許 嬪，魏福祥，張尚正，何 禮，劉亞芹，閆 珂

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018）

石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾玻碳電極測(cè)定多巴胺

許 嬪1，2，魏福祥1，2，張尚正1，2，何 禮1，2，劉亞芹1，2，閆 珂1，2

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018）

采用原位聚合法制備石墨烯／聚苯胺復(fù)合物，利用X射線(xiàn)衍射技術(shù)和紅外光譜進(jìn)行表征，通過(guò)滴涂法制備修飾電極，對(duì)多巴胺進(jìn)行電化學(xué)測(cè)定。分別對(duì)支持電解質(zhì)、p H值和掃描速率等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，建立了測(cè)定多巴胺的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)石墨烯／聚苯胺修飾后的玻碳電極對(duì)多巴胺具有很好的催化氧化作用。在0.1 mol／L磷酸鹽緩沖溶液中（p H值為4.0），多巴胺的線(xiàn)性響應(yīng)范圍為8.0×10－7～5.0×10－3mol／L，相關(guān)系數(shù)為0.994，檢出限為9.8×10－8mol／L。該法用于實(shí)際樣品中多巴胺的測(cè)定，回收率為97.1%～103.4%。

修飾電極；石墨烯；聚苯胺；多巴胺；電催化

許 嬪，魏福祥 ，張尚正，等.石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾玻碳電極測(cè)定多巴胺［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（2）：139-143.

XU Pin，WEI Fuxiang，ZHANG Shangzheng，et al.Electrochemical detection of dopamine on the graphene／polyaniline composite film modified electrode［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（2）：139-143.

聚苯胺是常見(jiàn)的導(dǎo)電聚合物之一，具有電導(dǎo)率好、活性位點(diǎn)多等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是優(yōu)良的傳感材料［1－3］。石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，具有優(yōu)異導(dǎo)電性［4］、高機(jī)械強(qiáng)度及較大比表面積等特點(diǎn)，在能源儲(chǔ)存、傳感器及修飾電極等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［5－6］。研究表明，石墨烯與聚苯胺復(fù)合，可以綜合利用兩者優(yōu)點(diǎn)，使得復(fù)合物的熱學(xué)、力學(xué)、電子效應(yīng)顯著增強(qiáng)，并具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性［7］。

多巴胺（DA）是一種哺乳動(dòng)物中重要的神經(jīng)傳遞物質(zhì)，在機(jī)體內(nèi)含量的多少與多種病癥如癲癇、精神分裂癥和帕金森氏癥等息息相關(guān)［8－9］，對(duì)其測(cè)定方法的研究具有重要意義。由于DA分子內(nèi)含有2個(gè)易被氧化的酚羥基，是一種具有電化學(xué)活性的物質(zhì)，所以采用電化學(xué)方法檢測(cè)DA被廣泛關(guān)注［10］。然而，DA在裸電極時(shí)過(guò)電位高、靈敏度低、響應(yīng)慢。為解決這些問(wèn)題，化學(xué)修飾電極得到了廣泛應(yīng)用，尤其是關(guān)于納米材料及其二次復(fù)合材料修飾電極測(cè)定DA的研究較多［11－19］。

本文制備了石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾電極，研究了該修飾電極對(duì)DA的電化學(xué)響應(yīng)，優(yōu)化了測(cè)定DA的測(cè)定條件，建立了一種測(cè)定多巴胺的電化學(xué)新方法。該電極制備簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好，用于注射液中多巴胺的測(cè)定，結(jié)果令人滿(mǎn)意。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與主要試劑

Reference 600電化學(xué)工作站，美國(guó)Gamry公司提供；三電極系統(tǒng)，Ag-AgCl電極為參比電極，鉑絲為對(duì)電極，修飾電極為工作電極；D／MAX-2500型X射線(xiàn)衍射儀，日本Rigaku公司提供。

石墨粉，苯胺，天津博迪化工股份有限公司提供；石墨烯，自制；過(guò)硫酸銨，高錳酸鉀，硼氫化鈉，天津市永大化學(xué)試劑有限公司提供；多巴胺，Sigma公司提供；磷酸鹽緩沖液，由磷酸氫二鈉和檸檬酸按比例配制；所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

1.2 石墨烯／聚苯胺復(fù)合物的制備

1.2.1 石墨烯的制備

采用改進(jìn)的Hummers法［15］制備氧化石墨。將制備的氧化石墨超聲分散于水中，然后加入1 g NaBH4，超聲30 min，用Na2CO3調(diào)節(jié)p H值至10，于80℃加熱1.5 h，得到黑色的絮狀沉淀。抽濾，用二次水和乙醇反復(fù)洗滌，于50℃真空干燥24 h，研磨得到石墨烯粉末。

1.2.2 石墨烯／聚苯胺復(fù)合物的制備

采用原位聚合的方法［4，16］制備石墨烯／聚苯胺復(fù)合物。在0℃下，加入50 m L濃度為2 mo L／L的鹽酸、4.6 m L苯胺和一定量的石墨烯置于三口瓶中，超聲震蕩30 min，然后滴加50 m L濃度為1 mo L／L的過(guò)硫酸銨溶液，控制反應(yīng)溫度低于5℃，滴完后攪拌1 h。抽濾，再分別用二次水、丙酮洗滌至濾液無(wú)色，于60℃真空干燥24 h，得到石墨烯／聚苯胺復(fù)合物。

1.3 修飾電極的制備

取6 mg制備的石墨烯／聚苯胺復(fù)合物超聲分散于6 m L水中，得到均一的懸浮液。將玻碳電極依次在濕潤(rùn)的Al2O3（0.5μm和0.03μm）粉末上拋光成鏡面。然后依次用硝酸、無(wú)水乙醇、二次水超聲波清洗3 min，于室溫下自然晾干。用微量進(jìn)樣器取8μL懸浮液，滴涂于玻碳電極表面，于紅外燈下烘干即制得石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾電極。

1.4 電化學(xué)測(cè)試

在含適量DA的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中，以修飾電極為工作電極，Ag-AgCl電極為參比電極，鉑絲為對(duì)電極，在－0.3～0.8 V電位范圍內(nèi)，以50 m V／s的掃描速率掃描，記錄循環(huán)伏安圖，測(cè)定DA的峰電流和峰電位。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯／聚苯胺復(fù)合物的表征

2.1.1 石墨烯／聚苯胺復(fù)合物的XRD表征（見(jiàn)圖1）

由圖1可知，石墨烯／聚苯胺復(fù)合物在2θ＝22°附近出現(xiàn)了較寬的衍射峰，該峰為無(wú)定形聚苯胺的特征峰。在2θ＝26°附近出現(xiàn)的峰與石墨烯相比，沒(méi)有那么尖銳，強(qiáng)度減弱，且該峰向較高波數(shù)發(fā)生了移動(dòng)。這是由于聚苯胺被吸附在石墨烯薄片上，石墨烯與聚苯胺之間存在相互作用力，而聚苯胺的結(jié)晶峰在25°附近［17］，因此該峰為聚苯胺結(jié)晶峰與石墨烯特征峰疊加的結(jié)果。

2.1.2 石墨烯／聚苯胺復(fù)合物的紅外光譜（見(jiàn)圖2）

圖1 XRD譜圖Fig.1 XRD patterns

圖2 紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra

圖2中曲線(xiàn)a為石墨烯的紅外光譜圖，在3 418 cm－1處的吸收峰為水分子中—OH的伸縮振動(dòng)峰；位于1 575，1 384，1 116 cm－1處的吸收峰分別歸屬于—C＝C—伸縮振動(dòng)、C—OH的變形振動(dòng)和C—O—C的伸縮振動(dòng)。石墨烯／聚苯胺復(fù)合物的紅外光譜見(jiàn)圖2中的曲線(xiàn)b，1 384 cm－1處的吸收峰消失，出現(xiàn)了3個(gè)吸收峰，1 557 cm－1的吸收峰為醌式結(jié)構(gòu)C—N吸收振動(dòng)；1 244 cm－1和1 139 cm－1的吸收峰分別為醌式結(jié)構(gòu)N原子伸縮振動(dòng)和苯環(huán)上C—C伸縮振動(dòng)。

2.2 DA在不同修飾電極上的循環(huán)伏安曲線(xiàn)

圖3為不同的修飾電極在0.1 mmol／L DA溶液中的循環(huán)伏安行為（0.1 mol／L PBS，p H 值為4.0，掃描速率為50 m V／s）。

由圖3可知，DA在裸電極（曲線(xiàn)a）上響應(yīng)很弱，而DA在其他3種修飾電極上的峰電流較裸電極明顯增加，并且氧化電位負(fù)移。在石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾電極上，DA的氧化還原峰電流變化最大，說(shuō)明聚苯胺和石墨烯復(fù)合顯著地提高了對(duì)DA檢測(cè)的靈敏度。這主要是由于聚苯胺和石墨烯基底的協(xié)同作用，形成了更大的共軛體系，促進(jìn)了電子在電極和DA之間的快速傳遞，強(qiáng)烈地催化DA在電極界面上的氧化反應(yīng)。因此實(shí)驗(yàn)探討采用石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾電極對(duì)DA進(jìn)行電化學(xué)測(cè)定。

2.3 測(cè)定DA條件選擇

2.3.1 支持電解質(zhì)濃度影響

分別試驗(yàn)了多巴胺在濃度為0.05～0.3 mol／L的磷酸鹽緩沖溶液中電化學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，在0.1 mol／L的磷酸鹽緩沖溶液中，不僅響應(yīng)電流最大，而且獲得較好的氧化峰形。因此，選擇0.1 mol／L的磷酸鹽緩沖溶液為以后試驗(yàn)的支持電解質(zhì)。

2.3.2 底液p H值的影響

在p H值為2.0～8.0的PBS溶液中，DA的氧化峰電位（Epa）隨著p H值（Y）的增加明顯負(fù)移，線(xiàn)性方程為Epa＝589.6－47.84Y，r＝0.996。說(shuō)明DA氧化過(guò)程有質(zhì)子參與。由于DA在p H值為4.0的PBS溶液中氧化電流最大，因此選擇測(cè)定底液的p H值為4.0。

2.3.3 掃描速率的影響

圖3 0.1 mmol／L DA在不同修飾電極上的循環(huán)伏安圖Fig.3 CVs of 0.1 mmol／L DA at different electrodes

圖4考察了在20～220 mV／s范圍內(nèi)掃描速率對(duì)多巴胺氧化電流的影響（底液含有0.1 mmol／L DA的磷酸鹽緩沖液（p H 值為4.0）；曲線(xiàn)a—曲線(xiàn)j表示掃描速率分別為20，30，50，80，100，120，150，180，200，220 mV／s）。結(jié)果表明：氧化峰的電位隨著掃描速率的增加而正移，氧化電流（Ipa）隨著掃描速率（v）的增大而增大，Ipa～v1／2呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.993。說(shuō)明DA在該修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程受擴(kuò)散速度控制。掃描速率過(guò)大時(shí)靈敏度會(huì)降低，掃描速率為50 mV／s時(shí)，峰形穩(wěn)定，信噪比好，因此選擇50 mV／s為最佳掃描速率。

2.4 電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

利用石墨烯／聚苯胺修飾電極對(duì)0.1 mmol／L的DA平行測(cè)定10次，其峰電流值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.2%，表明該電極具有較好的重現(xiàn)性。將上述電極室溫下放置10 d后，再對(duì)相同濃度的DA進(jìn)行測(cè)定，峰電流值下降7.1%，表明該電極具有良好的穩(wěn)定性。

2.5 抗壞血酸存在下的多巴胺的電化學(xué)響應(yīng)

考察了生物樣品中共存的抗壞血酸（AA）對(duì)多巴胺測(cè)定的影響。在－0.3～1.2 V電位范圍內(nèi)，50 m V／s掃描速率下，對(duì)AA和DA的混合液進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于AA和DA的混合液，在裸玻碳電極上只出現(xiàn)一個(gè)大且寬的氧化峰，AA和DA的電信號(hào)是無(wú)法區(qū)分的；而在復(fù)合膜修飾電極上，AA和DA的電信號(hào)得到明顯的分離，兩者的峰電位依次為Epa（AA）＝0.39 V，Epa（DA）＝0.67 V。固定 AA 的濃度為2.0×10－3mol／L，改變DA濃度，結(jié)果見(jiàn)圖5。圖5中曲線(xiàn)a—曲線(xiàn)f表示DA 濃度分別為0.3，0.5，0.8，0.9，1.0，3.0 mmol／L。

圖4 不同掃描速率下DA在GP／PANI修飾電極上的循環(huán)伏安圖Fig.4 CVs of DA on GP／PANI modified electrode at different scan rate

由圖5可知，隨著DA濃度的增加，AA氧化電流仍保持不變，DA的氧化電流明顯增加。混合液中DA的峰電位與單成分DA的氧化電位相比，發(fā)生了明顯正移，說(shuō)明此修飾電極可以用于抗壞血酸共存下測(cè)定多巴胺。

2.6 工作曲線(xiàn)和檢出限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，采用循環(huán)伏安法對(duì)多巴胺進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，該電極在較寬的DA濃度范圍內(nèi)具有好的電催化效果，DA在GP／PANI修飾電極上的氧化峰電流（Ipa）與濃度（c）在8.0×10－7～5.0×10－3mol／L范圍內(nèi)呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，Ipa＝20.12＋2.63×105c，r＝0.994，檢出限為9.8×10－8mol／L。

2.7 樣品分析

將一支鹽酸多巴胺注射液（標(biāo)示質(zhì)量濃度為10 g／L，2 m L／支）定容至100 m L棕色容量瓶中，再移取1 m L定容至100 m L棕色容量瓶中，用p H值為4.0的磷酸鹽溶液稀釋至刻度。取適量置于電解池中，再按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，樣品分析結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣品的回收率為97.1%～103.4%，證明此修飾電極可用于實(shí)際樣品中多巴胺的測(cè)定。

表1 實(shí)際樣品的分析結(jié)果（n＝5）Tab.1 Analysis results of real samples（n＝5）

圖5 不同濃度的DA在0.5 mmol／L抗壞血酸共存下的循環(huán)伏安圖Fig.5 CVs for different concentractions of DA in the presence of 0.5 mmol／L AA

3 結(jié) 語(yǔ)

制備了石墨烯／聚苯胺復(fù)合膜修飾電極，能有效提高多巴胺在電極表面的電子傳遞速率，對(duì)多巴胺具有很好的電催化氧化作用，多巴胺和抗壞血酸在該修飾電極上的氧化信號(hào)能得到明顯地區(qū)分。在0.1 mol／L的磷酸鹽緩沖溶液中（p H值為4.0），多巴胺的氧化峰電流與濃度在8.0×10－7～5.0×10－3mol／L范圍內(nèi)呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，建立了測(cè)定多巴胺的新方法。制備的修飾電極具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，可用于實(shí)際樣品鹽酸多巴胺注射液的測(cè)定。

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Electrochemical detection of dopamine on the graphene／polyaniline composite film modified electrode

XU Pin1，2，WEI Fuxiang1，2，ZHANG Shangzheng1，2，HE Li1，2，LIU Yaqin1，2，YAN Ke1，2
（1.School of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

The graphene／polyaniline composite is synthesized by using an in situ polymerization procedure，and is characterized by XRD and FTIR.The composite is used to modify bare glass carbon electrode by drop-coating method，then dopamine（DA）is determined utilizing the composite film modified electrode via cyclic voltammetry.The experimental conditions，including the amount of supported electrolyte，p H value and scan rate，are optimized，and a new determination method of DA is established.The results show that the composite film modified electrode performs excellent electrocatalysis in redox behaviors of DA.In 0.1 mol／L phosphate buffer solution（p H 4.0），the anodic peak current of DA is linear with its concentration in the range of 8.0×10－7～5.0×10－3mol／L with the correlation coefficient of 0.994，and the limit of detection is 9.8×10－8mol／L.The proposed method is applied to determine DA in hydrochloride injection solution with recoveries of 97.1%～103.4%.

modified electrode；graphene；polyaniline；dopamine；electrocatalysis

O657.1

A

1008-1542（2014）02-0139-05

10.7535／hbkd.2014yx02005

2013-11-11；

2013-12-10；責(zé)任編輯：張士瑩

國(guó)家自然科學(xué)基金（21106033）

許 嬪（1987-），女，河北藁城人，碩士研究生，主要從事電分析化學(xué)方面的研究。

魏福祥教授。E-mail：wfxsss＠126.com