多巴胺在石墨烯/多壁碳納米管電極上的電化學行為

劉學杰，邢　鑫，翁前鋒

(遼寧師范大學化學化工學院，遼寧　大連　116029)

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多巴胺在石墨烯/多壁碳納米管電極上的電化學行為

劉學杰，邢鑫，翁前鋒

(遼寧師范大學化學化工學院，遼寧大連116029)

采用滴涂法在玻碳電極上修飾氧化石墨烯及多壁碳納米管, 通過電化學還原方法制備石墨烯/多壁碳納米管復合材料及相應修飾電極(ERGO/MWCNTs/GCE)。運用循環伏安法研究多巴胺(DA)在修飾電極上的電化學行為。研究表明：與裸玻碳電極相比，多巴胺在修飾電極上氧化峰與還原峰電位差為70 mV，峰電流顯著提高，表明該電極對多巴胺具有較好的催化氧化作用。高濃度抗壞血酸的存在不影響多巴胺的測定。在優化實驗條件下，多巴胺在4.8×10-7～1.1×10-5mol/L和1.1×10-5～2.93×10-4mol/L范圍內呈良好的線性關系，檢出限為8.7×10-8mol/L，RSD為4.3%。

石墨烯/多壁碳納米管修飾電極；多巴胺；抗壞血酸；電催化

多巴胺(DA)在生物體中以神經遞質的身份存在，可用來傳送一些重要的信息。當人遇到一些人、事或物的時候，大腦就會自動產生大量的多巴胺，這些多巴胺用來傳遞高興、情欲、興奮等信息。當DA的含量異常時，人精神會發生紊亂，易得患帕金森癥等疾病[1]。多巴胺在臨床應用、神經生理學、藥物質量監控或是疾病診斷方面都有著重要的意義。目前，測定多巴胺的方法主要有色譜法[2]，熒光光度法[3]，毛細管電泳法[4]，分光光度法[5]，化學發光法[6]以及電化學分析法。

DA分子內含有兩個酚羥基，易被氧化，可用電化學方法檢測。但DA往往與抗壞血酸(AA)等易氧化物質共存于生物體中，因此多巴胺的測定易受到干擾。在裸電極上，DA、AA的氧化電位相近，氧化峰位置幾乎重疊，電極的選擇性和重現性都較低[7]。發展不同修飾電極是解決這一問題的有效途徑，此方法操作簡單，價格低廉。例如：碳納米管修飾電極[8]、聚合物修飾電極[9]、碳糊電極[10]等已用于DA選擇性檢測。

石墨烯是由碳原子經過sp2雜化連接單原子，從而形成一種由苯六元環為基本結構單元的非常穩定的新型二維原子晶體。石墨烯具有良好的導電性，良好的生物相容性以及大的比表面積，優良的機械性能等性質。這些特性使其在傳感器、電化學儲能、聚合物增強、藥物載體等方面有很好的應用前景。

碳納米管(CNT)具有獨特的電子，化學和機械性能，如高比表面積，穩定的化學性質及高電導率等。碳納米管作電極材料可以加速電子交換，可被制備成高靈敏的電化學傳感器，用于抗生素，環境污染物等的研究。

本實驗采用氧化石墨烯，并將其與多壁碳納米管混合制得氧化石墨烯/多壁碳納米管復合材料，然后通過電化學還原制備石墨烯/多壁碳納米管修飾電極，利用循環伏安法及電流時間曲線法研究多巴胺在修飾電極上的電化學行為。

1　實　驗

1.1儀器及試劑

LK2005型電化學工作站，天津市蘭力科化學電子高技術有限公司；三電極體系：玻碳電極為基體工作電極(φ=2 mm), 飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑絲為對電極；PHS-3C精密 pH 計，上海雷磁儀器廠；78-1磁力加熱攪拌器，常州國華電器有限公司。

氧化石墨烯(自制)；多壁碳納米管(MWCNTs)；多巴胺；抗壞血酸。實驗在常溫下進行，所有試劑均為分析純，所用到水均為二次蒸餾水，在實驗中涉及到電位均相對于飽和甘汞電極的電極電位。

1.2修飾電極的制備

取5 mg氧化石墨烯和2.5 mg多壁碳納米管加入10 mL的蒸餾水進行超聲分散2 h，將所得懸濁液在10000 r/min的轉速下離心洗滌，取出沉淀進行烘干，即可得到氧化石墨烯/多壁碳納米管復合材料。取復合材料4 mg加入到4 mL的DMF中進行超聲1 h，得到氧化石墨烯/多壁碳納米管復合材料修飾劑。

將玻碳電極依次用0.5 μm和50 nm的Al2O3粉打磨成鏡面，然后依次用1:1的乙醇溶液和二次水在超聲下分別清洗2 min，在紅外干燥箱中烘干。用微量移液槍取5 μL的氧化石墨烯/多壁碳納米管滴涂在玻碳電極表面，烘干。再將電極放入pH=7的PBS中，在-1.7～0.0 V的電位范圍下，設置100 mV/s的掃描速度用循環伏安法掃描7圈進行還原，取出電極用蒸餾水沖洗后晾干，即得石墨烯/多壁碳納米管修飾電極修飾電極(REGO/MWCNTs /GCE)。

1.3實驗方法

以pH=2 濃度為0.2 mol/L的H3PO4-NaH2PO4緩沖溶液為底液配置一定濃度的多巴胺待測液，將三電極體系置于待測液中，在-0.4 V下進行富集200 s后以100 mV/s的掃描速率在-0.2～1.0 V電位范圍內用循環伏安法進行掃描并記錄峰電流。

2　結果與討論

2.1多巴胺在不同修飾電極上的電化學行為

圖1　1×10-3 mol/L DA在GCE(1)、MWCNTs/GCE(2)、ERGO/GCE(3)、ERGO/MWCNTs/GCE(4)的循環伏安圖

圖1是1×10-3mol/L DA在裸玻碳電極和不同修飾電極上的循環伏安圖。在裸電極上進行掃描過程氧化峰與還原峰的電位差為324 mV；在ERGO/MWCNTs/GCE電極上掃描氧化峰與還原峰的電位差為70 mV，從圖1中以及數據分析可看出DA的電化學可逆性在ERGO/MWCNTs/GCE電極上得到了很大的改善，并且該修飾電極對多巴胺產生了較強的電催化效應，這使得DA的峰電流都到了較大的提高。主要是由于石墨烯為二維納米材料，碳納米管是由單層石墨烯進行卷筒式卷曲形成的，屬于一維材料。二者結合形成三維立體的復合物，不僅保持了各自的性質，而且增大了電子的傳遞能力和對電活性物質的結合位點。所以，石墨烯與多壁碳納米管的協同作用，提高了電子的轉移速率，圖中也可以看出ERGO/MWCNTs/GCE電極具有較大的背景電流，也進一步證明了這一點。

2.2石墨烯與多壁碳納米管不同比例的影響

石墨烯與多壁碳納米管以不同比例混合也對峰電流有一定的影響，分別考察了4種(1:1、1.5:1、2:1、1:1.5)不同比例混合的修飾劑，實驗發現，當混合比例為2:1時，DA峰電流達到最大，因此，石墨烯與多壁碳納米管混合比例為2:1，用作后續實驗。

2.3還原圈數的影響

氧化石墨烯表面存在大量含氧官能團，破壞了其本身大π鍵共軛結構，失去了一些特殊性質。本實驗采用了在線電化學還原氧化石墨烯的方法，考察了還原圈數對DA峰電流的影響，不同的還原時間，氧化石墨烯的含氧基團會被不同程度的還原，石墨烯的共軛結構得到恢復，電極的導電性增強。從圖2可以看出，當還原圈數為9時，峰電流達到最大。

圖2　石墨烯的還原圈數對DA峰電流的影響

2.4pH值的影響

為考察DA在不同pH值的H3PO4-NaH2PO4緩沖液中所受的影響，取底液的pH為1.0～5.0的H3PO4-NaH2PO4進行實驗。由實驗可知，隨著pH的增大峰電流有逐漸升高的趨勢，但當pH=2.0時DA峰電流達到最大值，之后隨著pH值的增大電流開始降低。

隨著緩沖液pH值的增大，多巴胺氧化峰電位隨著pH增大發生了負移，說明有質子參與電極反應。實驗數據表明氧化峰電位與緩沖液的pH值呈線性關系，線性方程為：Epa=0.55-0.054pH，相關系數為0.9993，回歸方程的斜率為-0.054 mV/pH，與理論值-0.059 mV/pH接近，說明了多巴胺是等電子等質子參與該電極的氧化還原過程。

2.5富集時間的影響

富集時間對實驗也有一定影響。當富集時間為200 s時，DA的氧化峰和還原峰電流均可達到最大值。產生這種現象的原因可能是因為多巴胺在電極表面發生一個富集的過程，當富集時間少于200 s時，隨著富集時間的增大多巴胺的積累量也逐漸增大；當富集時間多于200 s時，多巴胺富集的量將近達到飽和。所以本次實驗選用的富集時間為200 s。

2.6多巴胺的選擇性測定

AA與DA共存于生物體腦和體液中，兩者的氧化峰電位十分接近，所以AA對DA 的檢測產生嚴重干擾。本實驗研究了1×10-4mol/L DA和1×10-3mol/L AA混合溶液在裸玻碳電極和ERGO/MWCNTs/GCE電極上的電化學行為。在修飾電極上，DA峰電流顯著提高，而AA的峰電位負移，峰電流卻有所降低。這是因為石墨烯和功能化后的多壁碳納米管在水溶液中帶負電荷，排斥帶負電的AA，靜電吸附帶正電的DA，實現了在高濃度AA存在時對DA的檢測。在優化實驗條件下，固定AA濃度為1×10-3mol/L，采用循環伏安法對不同濃度的DA進行測定，如圖3所示，DA峰電流隨著濃度增加不斷增大，而AA峰電流卻降低。

圖3　AA和不同濃度DA混合溶液在ERGO/MWCNTs/GCE的循環伏安圖

2.7線性范圍、檢出限及重現性

圖4　ERGO/MWCNTs修飾電極對DA的電流時間響應曲線

在0.2 mol/L H3PO4-Na2HPO4作為底液的條件下，采用電流時間曲線法考察了ERGO/MWCNTs/GCE電極對DA的檢測性能。在0.50 V的檢測電位下，向不斷攪拌的溶液中連續加入不同濃度的DA，其穩態電流與時間的關系曲線如圖4所示。電極對DA的響應迅速，在4.8×10-7～1.1×10-5mol/L和1.1×10-5～2.9×10-4mol/L濃度范圍內，DA的響應電流與濃度呈良好的線性關系，線性方程分別為Ipa=0.2263+0.3101CDA和Ipa=3.4169+0.6138CDA，線性相關系數為0.9964和0.9955。檢出限為8.7×10-8mol/L(三倍噪音法)。當用同一根修飾電極對濃度為1×10-3mol/L的DA進行重復測定7次，RSD為4.9%，用同樣的方法修飾電極7次測同一溶液，RSD為4.3%，說明修飾電極的重現性較好。

2.8干擾實驗

3　結　論

本文用氧化石墨烯與多壁碳納米管混合制備出GO/MWCNTs復合材料，采用電化學還原法制備ERGO/MWCNTs/GCE電極，研究了多巴胺在該修飾電極上的電化學行為，該電極有良好的穩定性和重現性，靈敏度高。對多巴胺有良好的催化作用。而且該修飾電極對多巴胺可產生較強的吸附效果，能夠使多巴胺的氧化反應和還原反應更容易進行，并且可在高濃度AA存在下實現對DA的選擇性測定，檢出限較為理想。可用于實際樣品的檢測。

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Electrochemical Behavior of Dopamine at Graphene/Multiwall Carbon Nanotube Modified Electrode

LIUXue-jie,XINGXin,WENGQian-feng

(Liaoning Normal University, Liaoning Dalian 116029, China)

Graphite oxide (GO) and multiwall carbon nanotube(MWCNT) were fabricated onto the glassy carbon electrode(GCE) to form the REGO/MWCNTs/GCE for the electrochemical determination of dopamine. The GO and MWCNT composites film on GCE was obtained by coating-method, then the GO was electrochemically reduced to REGO. The resultant ERGO/MWCNTs/GCE was characterized by cyclic voltammetry, and showed excellent electrochemical response to dopamine in H3PO4-Na2HPO4buffer solution (pH=2.0). Compared with GCE, the peak potential of DA shifted negatively and the peak current increased at the modified electrodes significantly. Under the optimum experimental conditions, DA measurements showed excellent linear response, ranging from 4.8×10-7～1.1×10-5mol/L and 1.1×10-5～2.9×10-4mol/L. The detection limit was found to be 8.7×10-8mol/L. The relative standard deviation was 4.3%. This method is simple and convenient, can be used for the determination of actual samples.

graphene/multiwall carbon nanotube modified electrode; dopamine; ascorbic acid; electrocatalysis

劉學杰，女，碩士研究生，主要從事電化學分析研究。

翁前鋒。

O657.1

A

1001-9677(2016)012-0090-03