聚多巴胺球支撐銀納米粒子制備無酶過氧化氫生物傳感器

徐署東 李衛東

(安徽省疾病預防控制中心 地方病與寄生蟲病防治科，合肥 230601)

聚多巴胺球支撐銀納米粒子制備無酶過氧化氫生物傳感器

徐署東 李衛東

(安徽省疾病預防控制中心 地方病與寄生蟲病防治科，合肥 230601)

近年來，以聚多巴胺球支撐的納米復合材料越來越受到人們的關注。聚多巴胺球有表面功能化基團如—OH、—NH2等，決定了聚多巴胺球可以充當多種納米復合材料的活性載體。利用聚多巴胺良好的還原性制備并負載銀納米粒子于聚多巴胺球表面，制備出的新型復合材料銀納米粒子-聚多巴胺球(以下簡寫為Ag@pdop)。Au修飾電極和銀納米粒子對過氧化氫的還原反應均具有很好的催化性能，利用兩者特點將其復合制備修飾電極實現對H2O2的無酶傳感，檢測靈敏度達到了14.7 μA/(mmol·L-1),檢出限可達11.8 μmol/L，線性范圍0.2～6.0 mmol/L，檢測結果及抗干擾能力均令人滿意。

聚多巴胺球；銀納米粒子；無酶傳感器；過氧化氫

前言

多巴胺是一種重要的神經傳導物質，存在于各種動物體內，在植物體內以多酚的前驅體形式存在。通過對生物表面膠黏性蛋白如貽貝類生物表面的結構研究，多巴胺是很好的包覆材料。自聚后的聚多巴胺幾乎能在任何物質表面附著，具有良好的生物相容性，同時具有產生條件簡單、成膜快等特性。在具氧氣和弱堿性的溶液中，多巴胺及其它的兒茶酚胺都可自發進行聚合反應，該反應現象為多巴胺溶液由無色被氧化成粉紅色，最終漸變為黑色的聚合物。

多巴胺表面有功能化的基團如—OH、—NH2等，可以吸附多種金屬粒子以及金屬化合物。利用檸檬酸鈉的還原性可以將銀離子還原為銀納米粒子負載到聚多巴胺球上。成功地應用于分析檢測過氧化氫(H2O2)。

生物機體內眾多氧化酶反應終產物或副產物是H2O2，因此實現其定量檢測，在生物、環境以及食品分析方面具有重要意義[1]。對于痕量H2O2的分析測定[2-6]，電化學法具有簡單、快速和高效等優點。而傳統的分析方法，如化學發光法[7]、分光光度法[8]以及光譜法[9]，因其樣品前處理費時費力、易引入外來干擾物等原因，對實際生物樣品的檢測應用受到很大的限制。電化學方法[10-12]具有快速、高效，前處理簡單易于操作等特點。在電化學檢測H2O2方法中，固定活性酶的電化學傳感器得到廣泛的應用，由于酶傳感器容易發生酶的分解脫落、失活和儲存條件要求高受環境影響大等現象，極大地限制了其分析應用。而無酶傳感器，能有效地避免了酶基傳感器的諸多缺點，但多數無酶傳感器在測定H2O2時應用電壓比較高，樣品中共存易氧化的物質可能會干擾分析測定。因此實現在較低電位下測定H2O2就顯得很重要。

納米材料由于其大的比表面積能有效增加傳感器的活性位點，使H2O2的氧化電位降低，電子傳遞得以促進，提高了分析的響應信號電流。銀納米粒子具有對H2O2還原良好的催化活性[13-14]。表現在還原H2O2時銀納米粒子修飾電極對其響應的催化電流顯著增強。Welch等人也得出將銀納米粒子修飾在玻碳電極表面有利于H2O2的催化還原[15]。本方法成功合成復合材料銀納米粒子-聚多巴胺球(Ag@pdop)，并被引入到H2O2的無酶傳感器的制備中，實現了對H2O2的分析測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

場發射掃描電鏡(Hitachi-S4800S，FE-SEM，日本日立公司)，酸度計(pHS-3CT，上海大普儀器公司)，電子天平(FA2004，上海越平科學儀器公司)，PZ-1A真空干燥箱，磁力攪拌器(85-1，上海志威電器有限公司)，電化學工作站(CHI660C，中國上海辰華儀器公司)。

多巴胺(New Jersy公司)，Tris(上海生物化學試劑公司)，硝酸銀(上海化學試劑有限公司)，異丙醇(北京百靈威科技有限公司)。檸檬酸三鈉(中國醫藥集團上海化學試劑公司)。H2O2(30%，北京化學試劑公司)，使用中現配現用稀過氧化氫溶液。

磷酸緩沖儲備溶液(PBS，0.1 mol/L)先用Na2HPO4和KH2PO4固體配制，其不同pH值系列溶液用NaOH(0.1 mol/L)和H3PO4調節得到。實驗前所有的操作液通氮氣除氧氣20 min并保持氮氣氣氛。

1.2 聚多巴胺球的合成

聚多巴胺球(pdop)是在水醇混合溶劑中合成的。稱取三(羥甲基)胺基甲烷0.062 1 g,并加入20 mL異丙醇,50 mL蒸餾水。稱取多巴胺0.075 g,加入上述的混合溶液中，混合溶液磁力攪拌3 d。反應完成后，產物的溶液離心并且用去離子水洗3次，真空干燥24 h，溫度設置為60 ℃。

1.3 聚多巴胺球上負載銀納米粒子復合材料的制備

將600 mg檸檬酸三鈉加入聚多巴胺球的懸浮液中。在磁力攪拌的條件下，分次加入AgNO3(20 mL，88 mg)溶液于聚多巴胺的懸浮液中，攪拌6 h。反應完成后，產物溶液離心水洗3次。真空干燥24 h,溫度設置為60 ℃。

1.4 制備修飾電極

預處理裸金電極，處理方法是依次在附有粒徑為0.3、0.1和0.05 μm的三氧化二鋁粉末的麂皮上對電極表面進行拋光，然后分別在盛有丙酮和純水的超聲浴中清洗。將一定量的pdop和Ag@pdop溶液均勻滴涂在預處理并晾干后的金電極表面，室溫條件下自然晾干。

1.5 實驗方法

應用三電極體系開展電化學實驗，參比電極為飽和甘汞電極，對電極為鉑絲電極，工作電極為裸金電極和相應的修飾。以磷酸鹽緩沖底液(PBS，0.1 mol/L，pH=7.0)研究傳感器的電化學性能，且均在室溫下進行。

2 結果與討論

2.1 合成材料的電鏡表征

對合成的pdop和復合材料Ag@pdop進行了SEM表征。如圖1所示，圖1(A)表明聚多巴胺球已經合成，微球直徑約500 nm，且球的大小均一。圖1(B)為聚多巴胺球上負載銀納米粒子，可以看出銀納米粒子已經很好地負載到聚多巴胺球表面。表明檸檬酸鈉可以成功地將Ag離子還原成Ag納米粒子。

圖1 pdop(A)和Ag@pdop(B)的SEM圖Figure 1 SEM images of pdop (A) and Ag@pdop (B).

2.2 材料的XRD表征

圖2是聚多巴胺球和Ag@pdop的XRD表征圖。可以看到聚多巴胺球沒有明顯的XRD衍射峰。而Ag@pdop粉末制樣的四個XRD衍射峰(2θ角為：38.1°、44.3°、64.5°和77.4°)分別對應于銀納米粒子的111、200、220和311四個晶面，這表明銀納米粒子被成功還原出來了。

圖2 Pdop(a)和Ag@pdop(b)的XRD圖Figure 2 XRD plots of pdop (a) and Ag@pdop (b).

2.3 修飾電極的電化學表征

用循環伏安法對三種材料制備的修飾電極進行電化學表征，如圖3所示，在濃度為0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，裸金電極與負載聚多巴胺的修飾電極均沒有出現明顯的氧化還原峰，這表明作為基體材料裸金電極和聚多巴胺本身是沒有電化學活性的。而Ag@pdop的修飾電極，可以看到有一對明顯的氧化還原峰出現，峰電位分別位于0和0.2 V處，這是銀納米粒子的氧化還原特征峰。表明Ag納米粒子已經成功地負載到聚多巴胺球上。當加入定量的H2O2于PBS底液中時，隨著H2O2的加入，相應還原電流增加，-0.6 V處出現有明顯的峰電流，該實驗表明復合材料Ag@pdop在H2O2的還原過程中具有很好的催化能力。

圖3 PBS(0.1 mmol/L，pH=7.0)中四種不同的修飾電極的循環伏安圖Figure 3 Cyclic voltammograms of the four modified electrodes.

2.4 修飾電極對H2O2的電化學響應

如圖4，隨著加入不同濃度的H2O2，Ag@pdop的修飾電極對H2O2的催化電流也逐漸增加。說明H2O2對Ag納米粒子有很好的響應。

圖4 Ag@pdop的修飾Au電極在PBS(pH=7)中，加入不同濃度的H2O2(0、1、2、3、4、5、6 mmol/L)的循環伏安圖Figure 4 Cyclic voltammograms of the Ag@pdop modified Au electrode in the 0.1mmol/L PBS (pH=7.0).

為研究修飾電極表面發生電化學反應的機理，開展了在磷酸鹽(0.1 mol/L，pH=7.0)緩沖中Ag@pdop的修飾電極對H2O2的催化電流與掃速關系的電化學實驗。圖5(Ag@pdop Au電極在PBS(pH=7)和H2O2(5 mmol/L)中，插圖為掃描速率與峰電流的線性關系)是考察同種電極在20～200 mV/s范圍(從里到外依次為：20、40、60、80、100、120、140、160、180和200 mV/s)變換掃速得到的循環伏安曲線，結果表明隨著掃描速度的增加，相應的電流也增大了，其中插入小圖給出了氧化峰電流與掃描速率之間存在的一次線性關系，其回歸方程為：ipa(μA)=18.4+0.008 19v，相關系數r=0.986 1，表明電極過程是受表面吸附控制的。

圖5 Ag@pdop Au電極不同掃描速率的循環伏安曲線Figure 5 Cyclic voltammograms of Ag@pdop Au electrode in 0.1 mol/L pH 7.0 PBS with 5 mmol/L H2O2 at different scan rates.

用計時電流方法探究了H2O2在Ag@pdop修飾電極表面產生的響應電流與H2O2濃度的關系。連續地向5 mL PBS底液(pH=7.0，0.1 mol/L)中加入H2O2，記錄安培電流值，如圖6所示(應用電壓-0.4 V。插入小圖為Ag@pdop Au電極對濃度范圍為0.2～6.0 mmol/L的H2O2線性關系圖)。實驗表明每加入一定量的H2O2，都會使還原電流相應增加。計算得出該修飾電極對H2O2檢測靈敏度為14.7 μA/(mmol·L-1)，相關系數0.998，響應時間小于5 s，3倍信噪比時，檢出限可達11.8 μmol/L，線性范圍0.2～6.0 mmol/L。數據處理顯示，催化電流大小與H2O2濃度有較好的線性關系。

圖6 Ag@pdop Au電極對不同濃度H2O2響應的計時電流譜圖Figure 6 Spectrograms of Ag@pdop Au electrode at different concentrations of H2O2.

2.5 抗干擾實驗

圖7 Ag@pdop Au電極對存在1.0 mmol/L AA,UA干擾實驗條件下對H2O2檢測響應的計時電流譜圖Figure 7 A spectrogram of the Ag-Pdop Au electrode VS H2O2 in 1.0 mmol/L AA, UA) medium.

檢測實際樣品過程中，共存一些常見的電活性物質諸如抗壞血酸(AsA)，尿酸(UA)等會對傳感信號產生干擾。如圖7所示，以0.1 mol/L pH7.0的PBS為底液，底液中加入1 mmol/L的H2O2產生的響應計時電流后，依次加入干擾物質AsA，UA各1 mmol/L，在該應用電壓下，這些電活性物質幾乎沒有產生干擾電流，稍后再次加入H2O2就又產生電流信號，實驗表明該修飾電極制備的傳感器具備很好的抗干擾能力。

3 結語

利用銀納米粒子催化H2O2還原的還原能力，以及聚多巴胺球比表面大的特性，制備出基于Ag@pdop新型H2O2無酶傳感器，具有很寬的檢測線性范圍，較高的靈敏度，并且可以很好地避免多種物質的干擾。該修飾電極的應用條件較簡單，實現了對過氧化氫良好的快速選擇性檢測。這方面的工作可以為開發多種新型無酶傳感器的研究提供很好的方法和思路。

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Preparation of Non-enzymatic H2O2Biosensor Based on Polydopamine Spheres Supported Ag Nanoparticles

XU Shudong, LI Weidong

(Dept.ofControlandPreventionofEndemic&ParasiticDiseases,AnhuiProvincialCenterforDiseasesControlandPrevention，Hefei,Anhui230601,China)

Poly dopamine spheres supported nano-composite materials have gained more and more attentions in recent years. The functional groups of the poly dopamine spheres, such as —OH, —NH2, etc., ensure that they can be the active carriers of a variety of nano-composite materials. Taking advantage of the good reduction preparation of poly (dopamine) as well as easy loading of silver nanoparticles on the surface of poly dopamine balls, a novel Ag nanoparticles-poly dopamine spheres (abbreviated Ag@pdop) composite was synthesized.The modified Au electrode and Ag nanoparticles both have good catalytic properties to hydrogen peroxide (H2O2) reduction reaction. Based on above characteristic of the Au electrode and Ag nanoparticles, a composite electrode were prepared which can be used as a non-enzymatic biosensor of H2O2.The detection sensitivity was 14.7 μA/(mmol·L-1).The detection limit was 11.8 μmol/L, and the linear ranges were 0.2-6.0 mmol/L. The test results and anti-interference abilities are satisfactory.

poly dopamine spheres; Ag nanoparticles; non-enzymatic biosensor; hydrogen peroxide

10.3969/j.issn.2095-1035.2016.04.020

2016-04-22

2016-05-23

徐署東，男，主管檢驗師，主要從事理化檢驗研究。E-mail：xushud@126.com

O657.1；TH832

A

2095-1035(2016)04-0079-05