基于溫度敏感聚合物PMEO2MA和GO復(fù)合納米材料修飾傳感膜測(cè)定腎上腺素

陳 超，陳 思，王晨曦，趙鵬程，彭天英

(1. 湖南城市學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411100；3. 湘潭大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411100)

腎上腺素(AD)是一種由腎腺釋放的兒茶酚胺和腎上腺皮質(zhì)激素.它被認(rèn)為是兒茶酚胺家族的重要神經(jīng)遞質(zhì)和成員，不僅增強(qiáng)脂解功能，還促進(jìn)糖原分解，提高血糖，引起心跳加快以及減輕軟骨的損傷[1-3].腎上腺素主要被用作某些潛在疾病的治療藥物，如心臟驟停、支氣管哮喘和過敏性休克 .因此，探尋靈敏度和選擇性較好的測(cè)定腎上腺素的方法很有必要.目前，存在一些傳統(tǒng)的方法來分析測(cè)定AD，例如：毛細(xì)管電泳[9]、液相色譜[10]、電化學(xué)發(fā)光[11]、流動(dòng)注射分析[12]等.盡管這些技術(shù)提供了極低的檢測(cè)限，但是它們大多數(shù)都較為復(fù)雜，甚至需要衍生化或提取.因此，建立一種準(zhǔn)確、快速的腎上腺素檢測(cè)方法非常重要.電化學(xué)傳感器可以用來開發(fā)響應(yīng)速度快、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、便宜和便于攜帶的檢測(cè)系統(tǒng)[13-19].

PMEO2MA 因其良好的生物相容性以及在28 ℃附近有顯著的相變溫度等特性，吸引了許多對(duì)傳感器研究有興趣的科研人員.通過改變PMEO2MA 溶液在水中的溫度，其溶解度可以從親水性變?yōu)槭杷裕粗嗳?因此，它可以通過改變外部條件來觸發(fā)[20]，這一特性使該聚合物被廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域.由于PMEO2MA 有較好的水溶性且導(dǎo)電性較差[21]，無法直接修飾在玻碳電極表面來檢測(cè)AD，因此需要與碳納米材料復(fù)合，以增強(qiáng)其導(dǎo)電性.氧化石墨烯(GO)是一種二維的新型碳納米材料，其結(jié)構(gòu)邊緣和平面上含有大量含氧官能團(tuán)，如-OH，-COOH 和環(huán)氧基.GO具有較大比表面積，可為PMEO2MA 提供理想的電化學(xué)基質(zhì)[22-23].此外，通過調(diào)節(jié)GO 表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量可以改變電化學(xué)環(huán)境.

上述性質(zhì)可為附著的溫敏性聚合物提供友好的微環(huán)境.當(dāng)溫度低于LCST 時(shí)，PMEO2MA 鏈處在拉伸狀態(tài)，GO 層與層之間距離變大，傳感器導(dǎo)電性變差，故不能檢測(cè)到腎上腺素的電化學(xué)信號(hào)；當(dāng)溫度高于LCST 時(shí)，PMEO2MA 鏈處在緊縮狀態(tài)，GO 層與層之間相互靠近，修飾膜電子傳遞速率變快，腎上腺素的電化學(xué)行為開啟.

本研究將溫敏性聚合物PMEO2MA 與GO 復(fù)合修飾在玻碳電極表面，構(gòu)筑一種新型溫度響應(yīng)型傳感器，對(duì)腎上腺素實(shí)現(xiàn)電化學(xué)行為的溫度調(diào)控，并探討其響應(yīng)特性、檢測(cè)限及回收率.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、腎上腺素購自Sigama 公司；石墨粉、偶氮二異丁腈購自上海阿拉丁公司；正己烷、濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀、中性氧化鋁、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、氯化鈉購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；玻碳電極、氯化銀電極、鉑絲電極、0.5 μm Al2O3拋光粉購于天津高仕睿聯(lián)公司.所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水，電阻率為18 MΩ·cm.

實(shí)驗(yàn)使用上海辰華CHI 660 電化學(xué)工作站；溫度調(diào)控和磁力攪拌器使用RCT 基本安全控制設(shè)備(德國IKA 公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)MEO2MA 純度為99.5%，先通過中性氧化鋁柱子進(jìn)行提純，合成步驟參考文獻(xiàn)[24]，通過可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合成 PMEO2MA，其LCST 約為28 ℃.

2)氧化石墨烯(GO)是根據(jù)Hummers 方法[25]合成的.首先，將石墨(1.0 g)和KMnO4(1.0 g)的混合物加入30 mL H2SO4(98%)，并在室溫下攪拌10 min；其次，將整個(gè)反應(yīng)物在50 ℃下再攪拌3.5 h；最后，用超純水洗凈至中性，減壓抽濾，真空干燥而得.

3)玻碳電極(GCE)在拋光布上用0.5 μm Al2O3仔細(xì)拋光，而后用乙醇和超純水在超聲浴中依次沖洗3 min，在室溫下自然干燥，備用.

4)稱取8 μL 4 mg·mL-1PMEO2MA 與4 μL 4 mg·mL-1GO 的溶液混合，超聲10 min 使其混合均勻；取6 μL 上述混合溶液滴在干凈的GCE 表面，在室溫下自然干燥.

1.3 電化學(xué)測(cè)試

在CHI 660 電化學(xué)工作站上使用常規(guī)的三電極體系進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn).用修飾電極作為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，Ag/AgCl 電極作為參比電極.在電化學(xué)測(cè)量中，電解質(zhì)溶液為35 mL 0.1 M PBS 緩沖溶液(pH=7.0)，并用高純氮通氣20 min，然后保持在氮?dú)夥諊?在磷酸鹽緩沖溶液(0.1 M，pH=7.0)中，使用循環(huán)伏安法(CV)和差分脈沖伏安法(DPV)進(jìn)行測(cè)試.其中，CV 在50 mV/s 的-0.2～0.9 V 電勢(shì)范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，直至曲線變得穩(wěn)定；DPV 的脈沖幅度設(shè)為0.05 V，脈沖寬度設(shè)為0.2 s.

2 結(jié)果與討論

2.1 AD 在不同修飾電極和不同溫度下的電化學(xué)行為

圖1 顯示了10 μM 腎上腺素在35 ℃下的PMEO2MA/GO 修飾電極(曲線a)，PMEO2MA 修飾電極(曲線c)以及在25 ℃下的PMEO2MA/GO修飾電極(曲線b)的循環(huán)伏安測(cè)試曲線.

圖1 不同溫度和修飾電極的循環(huán)伏安圖

由圖1 可知，對(duì)25 ℃下的PMEO2MA/GO電極，AD 只表現(xiàn)出1 對(duì)較小的氧化還原峰，氧化峰電位0.25 V，還原峰電位-0.21 V；在35 ℃環(huán)境下，純溫敏性聚合物PMEO2MA 電極上，AD表現(xiàn)出1 對(duì)很小的不可逆的氧化還原峰，氧化峰電位0.41 V，還原峰電位-0.3 V.

而在35 ℃下的PMEO2MA/GO 電極上，AD則表現(xiàn)出1 對(duì)明顯的氧化還原峰，氧化峰電位0.11 V，還原峰電位-0.22 V.與PMEO2MA 電極相比，過電位顯著下降了(約50 mV)，峰電流顯著增大，這是由于氧化石墨烯具有較大的比表面積且表面含有大量含氧官能團(tuán)，以及其優(yōu)良的催化活性，從而為生物小分子異向電子傳遞提供了更多的活性位點(diǎn).與25 ℃下的PMEO2MA/GO電極相比，過電位顯著下降了(約25 mV)，峰電流顯著增大，這是因?yàn)镻MEO2MA 的LCST 為28 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于28 ℃時(shí)，PMEO2MA 鏈處在拉伸狀態(tài)，GO 層與層之間距離變大，傳感器導(dǎo)電性變差，腎上腺素的電化學(xué)信號(hào)較弱；當(dāng)環(huán)境溫度高于28 ℃時(shí)，PMEO2MA 鏈處在緊縮狀態(tài)，GO 層與層之間相互靠近，修飾膜電子傳遞速率變快，腎上腺素的電化學(xué)行為開啟.

2.2 掃描速率對(duì)AD 在PMEO2MA/GO 電極上的電化學(xué)行為的影響

在35 ℃下用循環(huán)伏安法研究掃描速率對(duì)腎上腺素電化學(xué)行為的影響，結(jié)果如圖2 所示.

由圖2 可知，當(dāng)掃描速率從40 mV·s-1依次增加到150 mV·s-1，氧化峰電流和還原峰電流都與掃描速率的平方根成正比，其線性關(guān)系分別為

這說明腎上腺素在PMEO2MA/GO 復(fù)合修飾電極上的電化學(xué)行為受擴(kuò)散控制.

圖2 掃描速率對(duì)AD 電化學(xué)行為的影響

2.3 pH 值對(duì)AD 在PMEO2MA/GO 電極上的電化學(xué)行為的影響

實(shí)驗(yàn)通過循環(huán)伏安法研究了溶液pH 值對(duì)PMEO2MA/GO 復(fù)合薄膜催化10 μM AD 的影響，結(jié)果如圖3 所示.

由圖3 可知，隨著pH 值的增加，Epa和Epc逐漸負(fù)移，這說明AD 在PMEO2MA/GO 修飾電極上的氧化還原反應(yīng)傾向于不可逆.Epa，Epc和式量電位(Eθ)與pH 值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如式(3)～式(5)所示.其中，Eθ斜率為-0.054 V/pH，非常接近于理論值(-59 mV/pH).這說明AD 在PMEO2MA/GO 修飾電極上的氧化還原過程中的轉(zhuǎn)移電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù).

圖3 pH 值對(duì)AD 電化學(xué)行為的影響

腎上腺素在PMEO2MA/GO 修飾電極上的氧化還原過程如圖4 所示.

圖4 AD 在PMEO2MA/GO 電極上的氧化還原過程

2.4 AD 在PMEO2MA/GO 電極上的線性范圍和檢測(cè)限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，使用微分脈沖伏安法來研究AD 在PMEO2MA/GO 修飾電極上的氧化峰電流和濃度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖5 所示.

圖5 AD 在修飾電極上的線性范圍和檢測(cè)限

圖5 中的結(jié)果表明，在5～45 μM 的濃度范圍內(nèi)，氧化峰電流隨著濃度的增大而增大，并且呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，即

其中，檢出限(S/N=3)為1.35 μM.

2.5 穩(wěn)定性、重復(fù)性和選擇性測(cè)試

為了測(cè)試PMEO2MA/GO 修飾電極的選擇性，實(shí)驗(yàn)選擇了幾種常見干擾物對(duì)AD 進(jìn)行測(cè)定，其結(jié)果如圖6 所示.

圖6 AD 的干擾性研究

由圖6 可知，L-組氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸、β-苯乙胺、20 倍抗壞血酸、100 倍葡萄糖以及200 倍Mg2+和SO42-，都對(duì)AD 的測(cè)定沒有顯著的干擾.這說明該修飾電極對(duì)AD 具有優(yōu)異的選擇性.

在含有10 μM AD 的PBS 緩沖溶液中，進(jìn)一步探討PMEO2MA/GO 修飾電極的重復(fù)性和穩(wěn)定性.10 次平行測(cè)量的結(jié)果表明，該修飾電極具有良好重復(fù)性，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.82%；另一方面，將PMEO2MA/GO 修飾電極在冰箱儲(chǔ)存10 d 后，檢測(cè)電流降低了5.65%，這說明該電極具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性.

2.6 AD 注射液中AD 含量的檢測(cè)及回收率

下面進(jìn)一步證實(shí)該修飾電極對(duì)實(shí)際樣品的適用性和準(zhǔn)確性.將一支AD 注射液(1.00 mg·mL-1)用去離子水稀釋至25 mL，取不同體積稀釋后的溶液轉(zhuǎn)移到10 mL 的容量瓶中，加入pH=7.0 的PBS 溶液進(jìn)行定容，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下使用DPV和標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1 所示.

表1 AD 注射液中AD 的測(cè)量結(jié)果(n=3)

由表1 可發(fā)現(xiàn)，在PMEO2MA/GO 復(fù)合電極中，AD 注射液的 AD 檢測(cè)滿意回收率為99.0%～103.9%，RSD低于5% (n=3).這證實(shí)了該方法的準(zhǔn)確性和靈敏性，它可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出AD 注射液中的AD 含量.

3 結(jié)論

1)當(dāng)環(huán)境溫度升高到PMEO2MA 的LCST 以上時(shí)，可觀察到1 對(duì)明顯氧化還原峰的出現(xiàn)，而這對(duì)氧化還原峰在較低的溫度下會(huì)消失.這說明該傳感器在高溫下對(duì)腎上腺素表現(xiàn)出比在低溫時(shí)更好的電催化活性.

2)該電化學(xué)傳感器能檢測(cè)AD 注射液樣品中的AD 含量，且回收率在99.0%～103.9%，RSD小于5%(n=3).這說明其具有較好的靈敏度、重復(fù)性、選擇性和穩(wěn)定性.