5-羟色胺在碳纳米管修饰电极上的电化学行为及检测

刘华俊，刘慧宏，2

(1.襄樊学院化学工程与食品科学学院，湖北 襄樊441053；2.武汉纺织大学化学与化工学院，湖北 武汉430073)

5-羟色胺(5-HT)是人体内一种非常重要的生物活性物质，在心脑血管的调节方面起着很重要的作用，是中枢神经系统的神经递质。测定血液、脑脊液中的5-HT可为多种疾病的诊断、治疗、致病机制研究提供重要的依据。研究较多的是利用微电极和快速扫描技术的电化学检测方法进行活体在线检测神经递质[1]。由于5-HT氧化过程中产生的自由基在电极表面聚合会毒化电极，以及共存物质如5-羟基吲哚乙酸、尿酸、抗坏血酸等产生干扰，影响了5-HT的电化学检测，而使用化学修饰电极能够消除这类影响[2，3]。纳米粒子由于具备大的比表面积和较高的催化活性，其修饰电极也广泛地用于5-HT的电化学检测[4，5]。

作者在此用双十六烷基磷酸将碳纳米管固定在玻碳电极表面，研究了5-HT的电化学行为及其检测方法。

1 实验

1.1 试剂

5-羟色胺，Sigma公司；双十六烷基磷酸(DHP)，Fluka公司。缓冲溶液为0.1 mol·L-1酒石酸盐(pH=3.0～6.0)、0.1 mol·L-1磷酸盐(PBS，pH=7.0～8.0、11.0)、0.1 mol·L-1硼砂(pH=9.0～10.0)。所用试剂均为分析纯，实验用水为超纯水(18.25 MΩ·cm，艾科浦超纯水机，重庆颐洋)。

1.2 修饰电极的制备

玻碳电极(CHI，φ=3 mm，电化学面积A=1.61×10-2cm2) 用6#砂纸细磨后，再用粒度0.05 μm的α-Al2O3悬浊液在抛光布上抛光，洗去表面污物，在水中超声清洗3次，每次约3 min。取混酸处理的单壁碳纳米管(SWCNT，化学气相沉积法制备，外径<2 nm，纯度≥95%，深圳纳米港)与0.1%DHP超声形成的均匀溶液3 μL滴涂于电极表面，室温干燥，即得实验用修饰电极，表示为SWCNT-DHP/GCE。

1.3 方法

使用电化学工作站(CHI660A，上海辰华)进行循环伏安实验。

电化学池由参比电极腔和电化学反应腔两部分构成，其间由鲁金(Luggin)毛细管连接。参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂丝网，工作电极为制备的修饰电极。

2 结果与讨论

2.1 5-羟色胺的电化学行为(图1)

a.GCE,PBS b.SWCNT-DHP/GCE,PBS C.GCE,PBS+5-HT d.SWCNT-DHP/GCE,PBS+5-HT

由图1可看出，裸玻碳电极GCE(图1a) 和修饰电极SWCNT-DHP/GCE(图1b) 在 pH=8.0的磷酸盐缓冲溶液中没有观察到明显的电化学响应；当加入了1.25 μmol·L-15-HT后，裸玻碳电极出现了一个氧化峰(图1c)，其峰电位为0.27 V、峰电流为 0.54 μA，而在修饰电极SWCNT-DHP/GCE(图1d)上，5-HT在0.23 V 处产生一氧化峰，其峰电流为2.8 μA，电位负移约40 mV，电流增大约5倍。这是因为，单壁碳纳米管具有一定的催化作用，加快了电极表面电子的传递速率。而且修饰电极的比表面积增大，从而增大了电流，提高了灵敏度。改变扫描速度，可以发现，随着扫描速度的加快，氧化峰的峰电位稍微正移、峰电流相应增大，峰电流与扫描速度呈正比例关系。这些说明5-HT吸附在电极表面，电化学反应由表面控制。

2.2 5-羟色胺氧化反应的电子数

根据Laviron[6]的理论，当峰电流与扫描速度呈线性关系时，物质在电极上的吸附符合Langmuir 吸附等温式，即有：

式中：n为电子数；F为法拉第常数；υ为扫描速度；A为电极的电化学面积；ΓT为吸附量；Q=nFAΓT，为循环伏安图中5-HT的氧化峰面积(以电量计)。而RT/F=0.059(25 ℃)，可得：

n=0.236×Ip/(vQ)

因此，在一定扫描速度下，由循环伏安图中的峰面积可求得电化学反应的电子数n。通过计算，确定5-HT在碳纳米管修饰电极上氧化反应为4 个电子转移的反应。

2.3 5-羟色胺氧化反应的质子数

溶液的pH值影响5-HT的氧化反应，5-HT氧化峰峰电位和峰电流随溶液pH值的变化关系见图2。

图2 5-羟色胺氧化峰峰电位(a)和峰电流(b)随溶液pH值变化关系

由图2中曲线a可以看出，随着pH值的增加，峰电位负移，峰电位与溶液pH值呈线性关系，其线性回归方程为：Ep(V)=0.66-0.054pH，R=0.997(n=8)。

对于有质子参与的电化学反应：Rox+ne+mH+→Rred，其能斯特方程为(25 ℃)：

峰电位随溶液pH值的变化呈线性关系，当参与反应的电子数和质子数相等时(m=n)，其斜率为59 mV/pH。

实验所得的直线斜率值为54 mV/pH，与理论值接近，说明参与电化学反应的电子数和质子数相等[7]，即5-HT在碳纳米管修饰电极上的氧化反应伴随失去4 个质子。

由图2中曲线b可以看出，峰电流随溶液pH值的增加而逐渐增大，当溶液pH值为8.0时，峰电流达到最大。这是因为，经酸处理的碳纳米管表面带有-COOH等基团，且表面活性剂DHP也荷负电，在此pH值条件下，5-HT带正电荷，增加了5-HT在电极表面的吸附量，使氧化电流增大。

在电化学氧化5-HT过程中，5-HT共失去了4 个电子和4个质子。推测其机理为：5-HT先失去2个电子，被氧化成醌亚胺；再失去2个电子，被完全氧化为4，5-二酮色胺(主要产物)。表示如下[8]：

2.4 富集电位和富集时间的确定

富集电位对5-HT氧化峰峰电流的影响见图3。

图3 富集电位对氧化峰峰电流的影响

由图3可以看出，在0～-0.5 V范围内时，随富集电位的增大，峰电流逐渐降低；当富集电位低于-0.3 V时，峰电流增加不大，而且电位过低，易发生副反应。因此，选择富集电位为-0.3 V。

富集时间对5-HT氧化峰峰电流的影响见图4。

图4 富集时间对氧化峰峰电流的影响

由图4可以看出，随着富集时间的延长，5-HT的氧化峰峰电流Ip在短时间内(30 s)快速增大；在富集时间达到30 s后，峰电流增幅趋缓，这说明电极的表面吸附已接近饱和。因此，选择富集时间为30 s，此时富集率达96%左右。

2.5 线性关系与检出限

以SWCNT-DHP/GCE为工作电极，在pH值为8.0的磷酸盐缓冲溶液中，-0.3 V电位下富集30 s，5-HT在1.36～16.64 μmol·L-1浓度范围内与氧化峰峰电流呈良好的线性关系，如图5所示。

图5 5-羟色胺的氧化峰峰电流随浓度的变化关系

其线性回归方程为：Ip(μA)=0.48+0.14c(μmol·L-1)，相关系数R=0.998。根据线性回归分析中的LINEST函数，检测限=3.3sd/s，式中：sd为线性回归方程截距的标准偏差，s为线性回归方程的斜率，求得检测限为0.23 μmol·L-1。

2.6 共存物质的影响

由于SWCNT-DHP表面荷负电，5-羟基吲哚乙酸、尿酸、抗坏血酸、葡萄糖、氨基酸等常见共存物对测定没有明显的影响，但多巴胺对测定存在干扰。

3 结论

SWCNT 稳定地分散在表面活性剂DHP水溶液中，使SWCNT-DHP/GCE修饰电极具有很大的比表面积和强的吸附特性，一方面对5-HT表现出很强的富集效率，另一方面，表面荷负电的SWCNT-DHP/GCE修饰电极增强了对5-HT的静电吸附而减小了5-羟基吲哚乙酸等共存物质的干扰。5-HT在碳纳米管修饰电极上的电化学反应是一个受表面控制的不可逆过程，其氧化最终产物为4，5-二酮色胺。SWCNT-DHP/GCE修饰电极可以定量检测5-HT，在其浓度为1.36～16.64 μmol·L-1范围内，与氧化峰峰电流呈良好的线性关系，检测限为0.23 μmol·L-1。

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