L—半胱氨酸自組裝電極檢測多巴胺和過氧化氫的實驗研究

曹挺+萬楊杰+沈淵明+鄭威+李超+郭淼+章娟

摘 要：化學修飾實現可實現對電極的自主化設計，提高電極作為分析敏感元件的選擇性和靈敏度。實驗采用循環伏安法，研究多巴胺和過氧化氫在L-半胱氨酸修飾電極上的電化學行為，并對修飾電極的性能進行了檢測。結果顯示，L-半胱氨酸修飾電極對多巴胺具有良好的線性響應，且微量過氧化氫加入會顯著增強多巴胺在電極表面的電化學響應，此電極具有選擇性好、靈敏度高、穩定性好、操作簡單等優點，在實際應用領域有很好的前景。

關鍵詞：化學修飾電極；循環伏安法；電化學行為；多巴胺；過氧化氫

引言

多巴胺（Dopamine，DA）作為一種神經遞質，它的功能是幫助細胞傳導神經興奮，它是由腦內分泌的[1]。多巴胺自身濃度的改變，會影響到垂體內的分泌機能，并且多巴胺參與多項神經活動，可影響一個人的神經系統，與人體健康息息相關。多巴胺的含量變化將引發很多疾病，尤其是神經系統方面的疾病[2-3]，比如：精神分裂癥、帕金森癥等疾病。

過氧化氫是一種重要的無機化工產品，在醫藥行業、食品衛生等多個工業領域中均有廣泛應用。一旦人體食用過氧化氫可能會刺激胃腸粘膜導致胃腸道損傷及胃腸道疾病，也可能導致人體遺傳物質DNA損傷及基因突變，與各種病變的發生關系密切，長期食用危險性巨大[4]。而且作為強氧化劑可能通過損耗體內抗氧化物質，使機體抗氧化能力低下，抵抗力下降，進一步導致各種疾病。因此對過氧化氫進行檢測是十分必要的。

本項目采用L-半胱氨酸修飾玻碳電極，并以鐵氰化鉀為電化學探針，通過循環伏安法對傳感器的電化學特征作表征，研究這種新型傳感器的電化學特征。以此來測定多巴胺和過氧化氫的含量[5]。比較此種傳感器對于兩種物質的檢測效果。得到更簡單、更快速、更靈敏的電化學檢測方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

（1）儀器：CHI440A電化學工作站（上海辰華儀器公司），采用三電極系統：玻碳電極（工作電極）、飽和甘汞電極（參比電極）、鉑絲電極（對電極）。超聲波清洗器，磁力加熱攪拌器，電子分析天平。

（2）試劑：鹽酸多巴胺、L-半胱氨酸、30%過氧化氫、無水乙醇、氫氧化鈉、冰醋酸、磷酸、蒸餾水、Na2HPO4和KH2PO4。試劑均為分析純。

1.2 實驗過程

（1）修飾電極的制備：實驗采用三電極系統：玻碳電極作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，鉑絲電極作為輔助電極。玻碳電極依次用0.1mol/L硫酸、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗，分別清洗20分鐘。Ag/AgCl電極和鉑電極分別用無水乙醇、超純水進行超聲波清洗20min，干燥備用。以經過預處理的玻碳電極為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，Ag/AgCl電極為參比電極，放入配制好的0.01mol/L的L-半胱氨酸溶液中，在-0.6～2.4V之間，以110mV/s的掃速循環掃描20圈，然后從溶液張總取出，用二次水反復沖洗，即制得L-半胱氨酸修飾玻碳電極。

（2）實驗方法：將多巴胺和過氧化氫分為多個濃度梯度，用修飾電極進行循環伏安法掃描，先對掃描速度、底液pH、緩沖溶液等條件中選出最優條件，再進行各個濃度梯度的掃描，表征出多巴胺和過氧化氫的線性范圍和檢出限，從而得出其各自的線性回歸方程，對其進行多次的重復測量，得出其相對標準差。最后測試干擾物質的影響。

2 結果和討論

2.1 掃描速度對L-半胱氨酸修飾電極上峰電流、峰電位的影響

L-半胱氨酸修飾電極作為工作電極，分別以50、80、100、120、150mV/s的掃速，在1×10-3mol/L多巴胺溶液（pH=6.8）中，掃描電位為0.6～0.2V間，記錄不同掃描速度下的循環伏安圖，結果如圖1所示。

由圖可知，掃速不斷增大的過程中，峰電流隨之增強，將各個掃速的峰電流進行線性擬合，得到線性回歸方程為Ip=0.0119X+0.9894，R2=0.9450。

圖2為修飾電極在30mmol/L H2O2溶液中分別以4、16、36、64、100mV/s的掃速，掃描電位為350～50mV間，記錄不同掃速下的循環伏安圖曲線的提取結果。可以看出掃速與氧化峰電流確實存在正相關，說明掃速對電極性能由明顯的影響。

2.2 pH對氧化峰電流影響

選取pH值為5、6、7、8四個梯度的PBS溶液為變量，分別用于多巴胺和過氧化氫的測量，多巴胺的循環伏安結果如圖3。

可知當pH為6時，峰電流最大，由此得出測量多巴胺溶液的PBS最適的pH為6。同樣的方法得出過氧化氫測量最適的pH為7。

2.3 不同緩沖液對實驗的影響

分別在兩種溶液中，測定了修飾電極分別在PBS緩沖體系和HAc-NaAc緩沖體系中的伏安曲線，多巴胺的測量結果如圖4。

結果表明，兩種物質分別在兩種緩沖體系中均有電化學響應，但是在PBS緩沖溶中，峰形明顯較好，峰電流更大，因為選擇PBS緩沖溶液作為緩沖體系。

2.4 物質濃度與峰電流的關系

將多巴胺濃度分為多個濃度梯度，分別進行循環伏安測定，測試結果如圖5。

圖5 不同多巴胺濃度的循環伏安圖，a-d依次為濃度1×10-3mol/L、1×10-4mol/L、1×10-5mol/L、1×10-6mol/L的循環伏安曲線

可以得知，峰電流隨著濃度的增加而增大。將各個濃度的峰電流進行線性擬合，得出其線性回歸方程為Ip=0.0044X+0.2979，R2=0.9998，線性區間為1×10-5～1×10-3mol/L，檢出下限為2.247×10-4mol/L。

再對過氧化氫進行多濃度梯度的測量，將其分為5、10、15、20、25、30mmol/L六個濃度梯度進行測量，將得到的循環伏安曲線進行統計分析，得出其濃度與峰電流的線性回歸方程為Ip=0.1506X+1.4473，R2=0.8796，線性范圍為20～30mmol/L，檢出下限為5.54mmol/L。

從其兩種物質最后的線性方程可以得知，L-半胱氨酸修飾電極對于多巴胺的氧化還原反應具有良好的催化性，它的峰電流隨著濃度的變化幾乎完美得呈現線性關系，而L-半胱氨酸修飾電極對于過氧化氫的氧化還原反應的催化性并不明顯。

2.5 電極穩定性的測試

實驗中，將用于多巴胺和過氧化氫的修飾電極，在同樣條件下重復測定10次，得出其峰電流的標準偏差，計算得知測量多巴胺的標準偏差RSD為2.87%，測量過氧化氫的標準偏差為3.26%，由此數據可知，測量多次的峰電流變化很小，此電極具有良好的穩定性。

2.6 測定混合物的循環伏安曲線

將兩種物質進行混合，分別取其在線性范圍內的濃度，在PBS中加入1×10-3mol/L的多巴胺以及20mmol/L的過氧化氫，循環伏安結果如圖6。

由圖可知，該比例的過氧化氫對多巴胺的檢測結果有較大影響，峰電流的數量級變高了，混合物的響應比單純的多巴胺增強了，展望后續工作嘗試尋找二者的相關性來進行定量測試研究。

3 結果分析

本研究采用自組裝方法制備了L-半胱氨酸修飾玻碳電極，并分別對多巴胺和過氧化氫的電化學行為進行了研究。實驗結果表明，L-半胱氨酸修飾電極對多巴胺的氧化還原具有良好的催化性，對過氧化氫的氧化還原反應具有一定的催化性，當將一定配比的過氧化氫加入到多巴胺中能夠增強響應。實驗通過研究不同因素對實驗的影響，對修飾電極的性能進行了分析。

實驗結果顯示，多巴胺在pH=6的PBS緩沖體系中，過氧化氫在pH=7的PBS緩沖體系中，兩者在L-半胱氨酸修飾電極上發生較為完全的氧化還原反應，這種反應是吸附控制的可逆過程，其中掃描速率、pH、底液均會影響實驗結果。多巴胺濃度在1×10-5-1×10-3mol/L范圍內呈良好的線性關系，計算得到其線性回歸方程為Ip=0.0044x+0.2979，R2=0.9998，檢測下限為2.247×10-4mol/L。過氧化氫濃度與峰電流的線性回歸方程為Ip=0.1506X+1.4473，R2=0.8796，線性范圍為20～30mmol/L，檢出下限為5.54mmol/L。最后研究得到在多巴胺中加入過氧化氫對其響應有較大影響，后續工作嘗試尋找二者的相關性來進行定量測試研究。

參考文獻

[1]馬曾燕，李將淵，向偉.多巴胺在聚L-半胱氨酸/多壁碳納米管修飾電極上的電化學行為及其伏安測定[J].應用化學，2009（2）：224-228.

[2]劉蓉，鐘桐生，雷存喜.多巴胺電化學傳感器的研究進展[J].化學傳感器，2011（3）：10-16.

[3]張慶云，李佳林，鄭培，等.大腦神經遞質多巴胺檢測方法研究[J].醫學研究與教育，2014（1）：87-90.

[4]王琦，鄭行望，章竹君，等.電還原魯米諾電化學發光法測定過氧化氫[J].陜西師范大學學報（自然科學版），2002，30（3）：83-86.

[5]張軍，鄧培紅，匡云飛，等.多巴胺在維生素B1修飾碳黑微電極上的電化學行為研究[J].分析化學，2004（11）：1566.

作者簡介：曹挺，男，本科，研究方向：生物醫學。