基于多壁碳納米管—氧化鎢納米復合材料的多巴胺電化學傳感器

黃海平 呂連連 陳重鎮 陳亞南 王麗萍 陳英

摘 要 通過電化學沉積法制備多壁碳納米管-氧化鎢（MWCNTs-WOx）納米復合材料，利用場發射掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜分析儀（XPS）對其形貌和組成進行表征。制備了復合材料修飾的玻碳電極，采用電化學阻抗（EIS）技術對修飾電極進行表征。采用循環伏安（CV）法研究了多巴胺（DA）在修飾電極上的電化學行為，以差分脈沖伏安（DPV）法建立DA檢測方法。結果表明，在pH=6.5磷酸鹽緩沖液（PBS）中，MWCNTs-WOx納米復合材料對多巴胺有明顯的電催化作用。在優化的條件下，氧化峰電流與DA濃度在0.05～1.00 mmol/L 范圍內呈良好的線性關系，檢出限為17 μmol/L（S/N=3）。 此電化學傳感器具有良好的重現性、選擇性及較強的抗干擾能力， 尿酸（UA）不影響DA的定量檢測。將此方法用于鹽酸多巴胺注射液的含量檢測，效果良好。

關鍵詞 多壁碳納米管； 氧化鎢； 多巴胺； 電化學傳感器

1 引 言

多巴胺（Dopamine，DA），又稱4-（2-乙胺基）苯-1，2-二酚，是一種腦內分泌神經遞質，是典型的兒茶酚胺類物質，與愉悅和興奮的情緒有關。若人體內DA含量低，則會失去控制肌肉的能力，嚴重時會引起帕金森癥[1]、阿爾茨海默氏癥[2]和精神分裂癥等疾病[3]，因此多巴胺與人類的健康密切相關[4]。目前，已報道的測定DA的方法有高效液相色譜法[5]、流動注射化學發光法[6]、分光光度法[7]、電化學分析法[8]等。其中，電化學分析法因具有操作簡單、靈敏度高等優點，廣泛應用于多個領域。在電化學測量過程中，尿酸（UA）和DA氧化峰電位比較接近，當兩者共存時常相互干擾[9]，因此在實際應用中，需降低或消除UA的干擾[10]。

碳納米管（CNTs）[11]自1991年被Iijima[12]發現以來，因其獨特的電學性能、生物相容性好、穩定性高、吸附能力強，引起研究者的極大關注[13，14]。碳納米管具有高度疏水性，其內在的范德華力及-共軛效應相互作用，使得CNTs可與一些化合物相結合，形成納米復合材料[15]。Sangamithirai等[16]將鄰氨基苯甲醚 （POA）吸附在CNTs上，制備POA/CNTs納米材料，構建DA電化學傳感器，檢測范圍為10.0～260.0 μmol/L ，檢出限為0.12 μmol/L 。Zhang等[17]制備CDP-GS-MWCNTs納米復合材料，檢測DA、UA和NO2， 一維碳納米管及二維石墨片構成了三維結構大大提高了該傳感器的靈敏度。

作為典型的過渡金屬氧化物，氧化鎢（WOx）因其具有高比表面積、高化學穩定性、良好的生物相容性和量子限制效應等特點，以及結構較靈活、獨特的光催化和電學性能，被廣泛應用在光降解、鋰離子電池、光電催化、氣體傳感器和生物傳感器等領域[18]。WOx具有良好的導電性、較低的氧化還原電勢，能夠增強氧化還原反應的電子轉移，可充當電子媒介。

本研究利用MWCNTs生物相容性好以及WOx的獨特性能，考察了納米材料 MWCNTs-WOx的電催化能力及其電化學傳感能力。通過電沉積法將過渡金屬氧化物WOx修飾在MWCNTs材料上，構建檢測多巴胺的電化學傳感器。利用場發射掃描電子顯微鏡（SEM）對MWCNTs-WOx進行結構表征，采用循環伏安法（CV）、差分脈沖伏安法（DPV）、電化學阻抗（EIS）技術對修飾電極的制備過程及電化學行為進行分析。結果表明，在UA與DA共存的情況下，分離效果較好，UA的存在不干擾DA的測定。所制備的MWCNTs-WOx納米復合材料修飾電極對多巴胺具有高靈敏度和高選擇性，可用于實際樣品的分析。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

CHI660D型電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）； MLA650F型掃描電子顯微鏡（美國 FEI公司）； Escalab 250Xi型X射線光電子能譜（Thermo Fisher Scientific）； Autolab PGSTAT12 電化學交流阻抗儀（Ecochemie，BV，荷蘭）。電化學測量采用三電極體系： 玻碳電極（GCE）作為工作電極（Φ=4 mm），鉑絲電極為對電極，甘汞（飽和KCl溶液）電極為參比電極。

MWCNTs（深圳納米港有限公司）； WCl6（上海麥克林生化科技有限公司）； 多巴胺（DA）、尿酸（UA）均購自Sigma公司。N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、濃HNO3等為分析純。0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液（PBS）由NaH2PO4、Na2HPO4和KCl配制，實驗所用支持電解液預先通入高純氮氣除氧； 2 mmol/L [Fe（CN）6]3/4溶液（由0.2112 g K4[Fe（CN）6]、0.1646 g K3[Fe（CN）6]、1.8638 g KCl溶于250 mL H2O配制而成）； 實驗用水為Millipore純水機制備的超純水。

2.2 修飾電極的制備

2.2.1 電極的處理 將玻碳電極分別用0.3、0.05和1.0 μm的α-Al2O3粉末在拋光絨布上打磨，依次用乙醇和超純水洗滌，然后于含有0.1 mol/L KCl的2 mmol/L [Fe（CN）6]3/4溶液中在0.1～0.5 V的電位范圍內進行CV掃描，用超純水潤洗，待用。

2.2.2 MWCNTs修飾電極的制備 MWCNTs在濃HNO3溶液中油浴5 h（在攪拌狀態下），進行功能化，得到羧基功能化MWCNTs[19]。稱取3.0 mg功能化MWCNTs溶于1.0 mL DMF中，將打磨好的玻碳電極表面用高純氮氣吹干， 移取5 mL MWCNTs-DMF溶液滴加到電極表面，在室溫下過夜干燥，得到MWCNTs修飾電極。

2.2.3 MWCNTs-WOx納米復合材料修飾電極的制備 在含有1 mmol/L WCl6的磷酸鹽緩沖溶液（pH=6.5）中，以MWCNTs修飾電極為工作電極，在1.1～0.5 V電勢范圍內，以100 mV/s的掃速循環掃描35圈，超純水洗滌，于25℃環境下干燥，得到納米復合材料修飾電極。

3 結果與討論

3.1 樣品的表征

如圖1A所示，MWCNTs呈管狀，分布均勻，表面較光滑，彼此之間結構緊湊； 圖1B是MWCNTs-WOx納米復合材料的SEM圖，納米材料管狀脈絡清晰，管壁凸起，結構疏松，表明此納米復合材料制備成功。利用XPS技術對材料的元素組成進行表征（圖1C），從MWCNTs-WOx的XPS總圖可見，電極表面復合物的組成主要有3種元素C、O和W，C1s的結合能284.60 eV， O1s的結合能在532.69 eV，W元素則在4個位置（W4f7/2、W4f5/2、W4p5/2、W4p3/2）出峰[20]。同時XPS光譜可以提供復合物的價態信息。為進一步確認復合材料中W的價態，對W的XPS譜圖（圖1D）進一步分析可知，36.51 eV處的譜峰對應于六價鎢W4f5/2的結合能，33.25 eV對應于五價鎢W4f7/2的結合能，31.28 eV對應于四價鎢的結合能，表明負載在MWCNTs上的是多價態氧化物WOx[21]。

3.2 MWCNTs-WOx的電化學表征

電化學阻抗譜圖中，高頻區的半圓直徑大小對應于電極的電子傳遞阻抗值（Ret）。由圖2A可見，[Fe（CN）6]3/4在裸GCE上的阻抗曲線呈現明顯半圓，說明電子在GCE膜上的轉移阻抗相對較大； [Fe（CN）6]3/4在MWCNTs/GCE和MWCNTs-WOx/GCE的阻抗譜 （由線b和c）在高頻部分未出現半圓部分，表明反應主要是受擴散控制的過程，[Fe（CN）6]3/4容易在電極表面發生反應，說明MWCNTs及MWCNTs-WOx材料加速了電子轉移，使電極的導電性能增強， WOx的引入提高了電子在修飾電極膜上的轉移速率。圖2B是MWCNTs/GCE在1 mmol/L WCl6溶液中電沉積過程的CV圖，在1.1～0.5 V的電位下掃描35圈，CV曲線在第35圈時電流達到最大值，電流峰值的增大表明WOx在電極表面吸附和沉積。

3.3 MWCNTs-WOx修飾電極的電化學性能

考察了不同修飾電極在[Fe（CN）6]3/4溶液和DA溶液中的電化學行為。由圖3A可見， [Fe（CN）6]3/4在MWCNTs-WOx修飾電極表面發生可逆的氧化還原反應，出現一對明顯的氧化還原峰，且電流差值最大。MWCNTs 修飾電極的氧化還原峰相對較弱，電流差也相對較小，相比之下裸電極的電流差最小，說明MWCNTs-WOx可以大大增強[Fe（CN）6]3/4在電極表面的電子轉移能力。將不同修飾電極分別放入含1 mmol/L DA的PBS溶液中（pH 6.5）進行測定（圖3B）， MWCNTs-WOx修飾電極出現強氧化峰和較弱的還原峰，而MWCNTs修飾電極的氧化峰和還原峰相對較弱，裸電極只有較小的氧化峰出現，表明MWCNTs-WOx納米復合材料對DA具有良好的電催化性能。

3.4 影響MWCNTs-WOx電化學行為的因素

3.4.1 pH值對MWCNTs-WOx的電化學行為的影響 考察了溶液pH值為6.0、6.5、7.0和7.5時，多巴胺在MWCNTs-WOx/GCE上的氧化峰電位（Epa）和峰電流（Ipa）。由圖4A可見，Epa隨著溶液pH值的增加而負移，且Epa與pH值呈良好的線性關系（圖4B），線性方程為Epa （V） = 0.5769- 0.0611pH （R2=0.9993），表明在整個電化學反應過程中有質子的參與。當pH=6.5時氧化峰電流最大，因此選擇電化學測定多巴胺的最佳pH值為6.5。

3.4.2 掃速對 MWCNTs-WOx/GCE 電化學行為的影響 在不同掃速（v）下，研究了掃描速度對多巴胺峰電流的影響。圖5A為MWCNTs-WOx/GCE在1 mmol/L DA中的循環伏安曲線，結果表明，在10～500 mV/s范圍內， 氧化峰電流（Ipa）和還原峰電流（Ipc）分別與掃速（v）呈線性關系（圖5A）。氧化峰電流與掃速的線性方程：Ipa（μA）= 0.2624v （mV/s）+29.6820，相關系數為0.9972。還原峰電流與掃速的線性方程：Ipc（μA）=-0.2374v （mV/s）-1.4316，相關系數為0.9987。因此，推測DA在修飾電極上的電化學反應是表面吸附控制過程。

3.4.3 濃度對MWCNTs-WOx的電化學行為的影響 采用MWCNTs-WOx/GCE修飾電極對不同濃度的DA溶液進行循環伏安檢測。由圖6A所示，隨著DA濃度在0.05～1.00 mmol/L范圍內不斷增加，DA的氧化峰電流不斷增大，還原峰電流不斷減小，并且峰電流與DA濃度呈線性相關。氧化峰電流與濃度的線性方程：Ipa（μA）=108.573CDA（mmol/L）+14.2575，相關系數為0.9972，檢出限為17 μmol/L （S/N=3）。還原峰電流與濃度的線性方程：Ipc（μA）=45.8617CDA （mmol/L）-14.6329，相關系數為0.9898（圖6B）。說明MWCNTs-WOx對DA具有良好的電催化性能，可大大提高電極表面的電子轉移能力。與其它檢測DA的方法相比（見表1），本方法的線性范圍較寬，檢出限較低。

3.5 干擾實驗

因為UA對DA的電化學響應具有較強的干擾性考察了UA存在下對DA進行DPV測定的情況（圖7）。隨著DA濃度在0.05～1.00 mmol/L范圍內逐漸增長，DA的氧化峰電流也逐漸增大，UA氧化峰變化不大，對DA濃度影響較小，表明MWCNTs-WOx材料具有很好的抗干擾性，一定濃度UA不會影響DA的電化學測定。

3.6 穩定性和重現性實驗

將制備的3支MWCNTs-WOx/GCE修飾電極在PBS （pH 6.5）溶液中檢測，電化學響應電流的相對標準偏差（RSD）為2.7%。同樣條件下制備3支修飾電極， 檢測1 mmol/L DA溶液（PBS，pH 6.5），電化學響應電流的RSD為2.9%，表明修飾電極的制備過程具有良好的重現性。此外，用同一支修飾電極在含有1 mmol/L DA的PBS溶液中連續掃描10次， 其電化學響應電流值的RSD為4.5%； 將修飾電極置于4℃儲存5天，在含1 mmol/L DA的PBS溶液（pH 6.5）中的響應電流仍為初始信號的97%，表明修飾電極具有較好的穩定性。

3.7 實際樣品分析

為了探究MWCNTs-WOx于實際樣品的檢測的可行性，選擇含DA的多巴胺注射液進行檢測分析。在多巴胺注射液中加入一定量的多巴胺標準溶液，分別為樣品1，2，3。采用本方法，分別對3個濃度添加水平（20、40和60 μmol/L）的樣品進行檢測，結果如表2所示，DA的回收率為100.4%～102.7%。表明此電化學傳感器可用于多巴胺注射液的測定。

4 結 論

利用電沉積法將MWCNTs-WOx納米材料掃描35圈后沉積到玻碳電極上，研究其對DA溶液的電催化能力。結果表明，制備的電化學傳感器具有線性范圍寬、重現性和穩定性好等優點，并且在DA與UA共存的條件下可以很好地檢測DA，不受UA的影響， 靈敏度高， 選擇性良好。

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