86 传感器与微系统(TraJ1sduce}and Microsystem Technologies) 2013年第32卷第ll期 基于碳纳米管修饰金电极的多巴胺电化学传感器 郑冬云 ,刘晓军 ,朱珊莹 ,曹汇敏 ,陈亚光 ,胡胜水 ((1.中南民族大学生物医学工程学院。湖北武汉430074; 2.中南民族大学脑认知国家民委重点实验室,湖北武汉430074: 3.武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072) 摘要:利用偶氮胭脂红B(ACB)对多壁碳纳米管(MWNTs)进行非共价修饰,使其具有水分散性,将 MWNTs-ACB水分散液滴涂于金电极表面并置于红外灯下烤干,即制得多巴胺(DA)电化学传感器。伏安 研究表明:MWNTs—ACB膜对生物小分子DA的电化学氧化具有良好的催化作用。最优的检测条件下,DA 的检测线性范围为:1.0 xl0一一1.0 xl0一mol/L,检出限低至5.0 xl0 mol/L(S/N--3)。对传感器的性 能进行了考察,结果表明:该DA传感器具有良好的稳定性和重现性,灵敏度高,选择性好。将传感器应用 于注射液中DA含量的测定,结果令人满意。 关键词:碳纳米管;偶氮胭脂红B;电极;多巴胺;电化学传感器 中图分类号:O657.1 文献标识码:A 文章编号:1000--9787(2013)11-0086-03 ElectrochemicalElectrocllemical sensor J sensor ot DA based 0 gold electrode_,A 0 n electrode modified with CNTs _l。S ZHENG Dong—yun ,。,LIU Xiao-jun , ,ZHU Shan.ying ,。,CAO Hui.min’,。,CHEN Ya—guang ,。,HU Sheng—shui。 (1.College of Biomedical Engineering,South—Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China; 2.Key Laboratory of Brain and Cognitive State Ethnic Affairs Commission,Wuhan 430074,China; 3.CoHege of Chemistry and Molecule Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China) Abstract:Multi—walled carbon nanotubes(MWNTs)are noncovalently functionalized with azocarminc B(ACB), which make it has water dispersing ability.Dopamine electrochemical sensor is fabricated through dipping MWNTs—ACB water dispersion on gold electrode surface and dried under an infrared lamp.Vohammetirc investigations indicate that the MWNTs—ACB film has good catalytic ability to the electrochemical oxidation of a small bio—molecule dopamine(DA).Under optimal detecting conditions,a wide linear response over the DA concentration of1.0×10一 一1.0 xlO一。mol/L is obtained with a low detection limit of5.0×10一 mol/L(S/N= 3).Properties of sensor are checked and results show that the DA sensor has good stability and reproducibility, high sensitivity and selectivity.The sensor is applied to detemfination of DA in injection samples and results are satisfied. Key words:carbon nanotubes(CNTs);azocarmine B;electrode;dopamine(DA);electrochemical sensor 0引 言 要样品前处理,且成本低。 碳纳米管(CNTs)具有纳米材料的大比表面积,并且表 面带有较多活性基团,因而可以产生特有的电分离和电催 化效应。但是,CNTs在大多数溶剂中不溶,这大大了 其应用范围。经过科研工作者的不懈努力,很多分散CNTs 多巴胺(DA)是神经中枢系统内重要的神经递质,心脏 病、帕金森氏症、神经肌肉失调和各种神经疾病都与体内 DA的失调有关。在临床上DA可用于失血症、心原性及感 染性休克的急救药。因此,对DA的测定方法的研究一直 备受关注。目前测定DA的方法主要有分光光度法 、化 的方法被提出,其中一种就是非共价修饰法,该方法因具有 操作简单方便、成本低廉、对CNTs损伤小等特点而被广泛 应用于各种CNTs的纯化分散处理中,并已成功用于制备 学发光法 、荧光光度法 、高效液相色谱法 以及电化 学传感器法 等。其中,电化学传感器法操作简单,不需 收稿日期:2013-08-22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(31070885,61178087);湖北省自然科学基金资助项目(BZY09010);中南民族大学高校基本科 研业务费专项资金资助项目(CTZ12001,CZQ12O13,CZQ10003);中南民族大学科研团队项目(XTZ09002) 第1l期 郑冬云,等:基于碳纳米管修饰金电极的多巴胺电化学传感器 87 基于CNTs修饰电极的电化学传感器 。 本文利用一种有机染料一偶氮胭脂红B(ACB),通过非 共价方法,实现了多壁碳纳米管(MWNTs)在水中的良好分 散,并通过简单的滴涂一干燥成膜的方法将MWNTs—ACB修 饰到金Au电极表面,制备了MWNTs—ACB膜修饰Au电极, 即DA电化学传感器。对各个检测条件进行了优化,并对 所制备的DA电化学传感器进行了相关表征,研究了DA在 传感器上的响应机理,并对传感器的各项性能进行了考察。 1实验部分 1.1试剂和仪器 MWNTs(纳米时代公司,纯度优于90%)通过在 2.6 mol/L的HNO 中于105 oC下回流16 h进行纯化处理。 尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)、DA是Fluka化学试剂公司的 产品。ACB、葡萄糖则购自上海化学试剂公司。所有的化 学试剂均为分析纯,未经任何纯化而直接使用。实验用水 薹l蹴鞲 均为石英二次重蒸水。 所有的电化学实验均是在CHI攀 堙 830电化学工作站(上海 辰华仪器公司)上完成的。采用传统的三电极系统,修饰的 Au电极或裸Au电极为工作电极,Pt丝为对电极,饱和甘汞 电极(SCE)为参比电极。v L鳓然麟鐾—,t山● L上 . 1.2水溶性MWNTs的制备 称取50mg ACB和10mg MWNTs于玛瑙研钵中,手动 研磨2h,研磨过程中间歇地加入微量二次蒸馏水以避免干 结。将研磨所得固体超声溶解于10 mL二次蒸馏水中得到 一种暗红色的溶液,即MWNTs+ACB溶液,该溶液均匀、稳 定,放置2个月没有沉降现象。将MWNTs+ACB溶液在直 径为0.22 m的聚四氟乙烯膜上进行抽滤,用DMF和二次 蒸馏水洗涤,直至滤液为无色。所得材料即为MWNTs- ACB。最后将MWNTs—ACB超声溶解于二次蒸馏水中制得 0.5 ms/mL的MWNTs—ACB溶液备用。 t.3 DA电化学传感器的制备 DA电化学传感器的制备过程如下:首先将直径为 2.0mm的Au电极在0.05 m的A1 O。浆液中抛光,然后依 次用1:1、无水乙醇及二次蒸馏水对其进行超声清洗, 各2 min,待电极自然晾干后,将l5“JL 0.5 mr,/mL的 MWNTs—ACB分散液滴涂到清洗过的Au电极表面,红外灯 烤干,即得MWNTs—ACB/Au电极,即DA电化学传感器,见 图1。 2结果与讨论 2.1 DA在不同电极上的电化学响应 不同电极在不同条件下的循环伏安图如图2所示,底 液为0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液;扫速为100 mV/s。 —— “一 - ・ 竺皇堡 鼙臻 臻 ;一 ・+ }—- ●・ ^II电扳的裘面謦馋 图1 MWNTs-ACB/Au电极的制备 Fig 1 Fabrication of MWNTs-ACB/Au electrode 蠢 一 10 15图2不同电极的循环伏安圈 Fig 2 Cydic voitammograms of diferent electrodes 由图2可以看出:对于裸Au电极,在底液中没有DA 存在时,观察不到任何电化学响应信号(曲线a);在底液中 含有5×10 mol/L DA时,可以观察到一对峰型较钝、可逆 性差的氧化还原峰(曲线b)。而对于MWNTs-ACB/Au电 极,在底液中没有DA存在时,同样观察不到任何电化学响 应信号(曲线c);在底液中含有5×10 mol/L DA时,可以 观察到一对峰型尖锐,可逆性好的氧化还原峰(曲线d)。 显然,与裸Au电极相比,MWNTs—ACB/Au电极使DA的氧 化峰电位有明显降低(降低了180 mV),使还原峰电位有明 显增加(增大了130 mV),同时还大大增大了氧化峰电流 (增大了9.84 )和还原峰电流(增大了6.72 ),这些都 说明MWNTs—ACB膜对DA的电化学反应有明显的电催化 作用。这是由于MWNTs的特殊纳米结构,它可以大大增加 电极的有效表面积,从而增大DA的富集量,对DA的电化 学反应起到良好的电催化作用。 2.2 DA在MWNTs~ACB/Au电极上的线性范围 传感器对DA的检测线性范围如图3所示。图3(a)是 不同浓度的DA在MWNTs—ACB/Au电极上的线性扫描伏 安图,从内至外,DA的浓度依次从1 ̄mol/L逐渐增加至 1 000 ̄mol/L,显然,随着DA浓度的增加,DA的氧化峰电流 逐渐增大,而且DA的氧化峰电流与其浓度呈良好的线性 关系(图3(b)),lp.=1.88+O.17c,R—O.999 I,检测限达 0.5I ̄mol/L(S/N=3)。 2.3 MWNTs—ACB/Au电极的性能与实际应用能力 抗干扰能力考察结果显示,1 000倍的葡萄糖,lO倍的 抗坏血酸、尿酸、肾上腺素,4倍的雌激素酮对50 ̄mol/L DA的测定均不产生干扰(电化学信号改变小于5%)。此 外,对于同一支MWNTs—ACB/Au电极,空气中放置2周后, 其对50 ̄mol/L DA的电化学响应信号仍能保持为初始信 88 传感器与微系统 第32卷 l6O 100.3%,令人满意。 120 3结论 爝 80 删 40 借助于不损伤CNTs本体结构的非共价修饰法,利用有 0 机染料ACB对MWNTs进行了功能化,使得MWNTs具有了 0 0.1 0.2 0.3 0 4 0.5 0.6 电压/v 良好的水分散性。所制备的MWNTs—ACB水分散液稳定性 (a)不同浓度的DA在MWNTs-ACB/Au电极上的线性扫描伏安图 (a)linear sweep voltammograms ofdifferent concentrations of 好。通过简单的滴涂一干燥成膜法,将MWNTs—ACB修饰到 DA 0n MWNTs—C Au electrode Au电极表面,从而制备出一种新型的DA传感器。 { ; 垂 ’MWNTs—ACB膜对DA的电化学响应具有明显的催化作用。 簟:L ;60 该传感器具有良好的稳定性和重复性,灵敏度高,选择性 30 蛔}c 0 好,可用于注射液中DA含量的准确测定,预示着其潜在的 0 200 400 600 8o0 1000 生物医学应用前景。 浓度/p.mol・L-。 Co)DA的氧化峰电流与其浓度之间的关系 参考文献: 『b1 relationship between oxidation peak currents and its concentrations [1] Meshadam M R,Dadfarnia S,Shabani A M H.Chemometric—assis 0fDA ted kinetic—spectrophotometirc method for simultaneous determina- 图3 DA的检测线性范围 tion of ascorbic acid,uric acid,and dopamine[J].Anal Biochem, Fig 3 Linear range of DA detection 号的94%,这显示了MwNTs-ACB/Au电极具有良好的稳 2011,410(2):289--295. [2]Zhao D,Song H J,Hao L Y.Luminescent ZnO quantum dots ofr 定性。用8支不同的MWNTs—ACB/Au电极平行检测 sensitive and selective detection of dopamine[J].Talanta,2013, 50 la,mol/LDA,其相对标准偏差为8.2%,用同一支MWNTs— 107:133--139. ACB/Au电极对50 p ̄mol/L DA平行测定8次,其相对标准 [3]Wang H Y,Feng x G,Zhang M,et a1.Determination ofdopamine 偏差为5.3%,这说明MWNTs—ACB/Au电极具有良好的重 in injections and urine by an enzyme-catalyzed fluorescence 复性。 quenching method[J].Anal Sci,2007,23(11):1297—1300. 将MWNTs—ACB/Au电极应用于注射液中DA含量的 [4]Duan Y H,Wei Y M.Solid phase extraction by boric acid—func- 检测,通过回收率实验,考察测定结果的准确性,测定结果 tionalized silica for determination of dopamine with hiSh perfor— 如表1所示。结果表明:平行测定7次,平均回收率为 manee liquid chormatography[J].Chinese J Anal Chem,2013, 表1样品分析结果 41(3):406-411. Tab 1 Results of sample analysis [5]ZengY B,ZhouY,Kong L.A novel composite of SiO2-coated gra— phene oxide and molecularly imprinted polymers for electrochemi- cal sensing dopamine[J].Biosens Bioelectron,2013,45:25~33. 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