掺硼金刚石薄膜电极的氨基化改性及电化学行为

朱 虹，芶 立

（四川大学材料学院，四川 成都 610065）

研究开发

掺硼金刚石薄膜电极的氨基化改性及电化学行为

朱 虹，芶 立

（四川大学材料学院，四川 成都 610065）

采用重氮盐电化学还原的方法对掺硼金刚石薄膜电极进行氨基化改性，光电子能谱（XPS）证明表面N元素的存在，同时可以通过406 eV、400 eV峰强度的变化，证明硝基还原为氨基。以Fe(CN)6－3/－4氧化还原电对为探针，进一步证明了氨基层的存在。采用循环伏安法和差分脉冲伏安法研究了改性后电极的电化学行为。通过分别检测多巴胺和抗坏血酸以及它们的混合溶液，表明选用差分脉冲伏安法，氨基化改性掺硼金刚石薄膜电极能够有效分离检测两者的氧化峰，分离后两峰电势差约为 0.3 V。电极表面吸附血浆蛋白后，阻碍了Fe(CN)6

－3/－4氧化还原对的电子传递，但是并不妨碍多巴胺的检测。

掺硼金刚石薄膜电极；氨基化改性；多巴胺；抗坏血酸；蛋白吸附

掺硼金刚石电极具有电势窗口宽、背景电流低、表面性质稳定等特性，应用于生物测试中时，检测结果优于其它许多电极[1-3]。但是，未经过表面改性处理的电极，表面活性差，对一些氧化还原分子反应迟钝，在进行生物测试时选择性和灵敏度受到限制[4]。因此，研究者不断寻求掺硼金刚石电极表面改性的各种方法，如在电极表面导入卤素、氨基、羧基、硫醇基等[3]。

氨基化改性是通过光化学[5-6]、电化学[2，7]和等离子体改性[8-9]的方法，在电极表面导入氨基。在表面氨基层中，胺体系具有高度亲核性以及各种各样可以以胺为基础的化学耦合作用[10]，使得电极表面得以活化，能够更好地链接生物分子。目前，氨基化的金刚石电极主要用于连接 DNA分子[2]和某些蛋白质分子[8]，并制成相关电子元器件，例如表面固定了 DNA的含氨基终端的金刚石芯片放置 3年之后，仍然保存着核苷酸的相关合理信息[7]。最近，研究者将垂直排列的金刚石纳米线氨基化改性后，用于键合核酸分子，制成DNA生物传感器[11]。

作者根据参考文献[2]中所介绍的重氮盐还原的方法对掺硼金刚石薄膜电极改性，使用盐酸溶液和磷酸缓冲溶液作为电化学反应的支持电解质，它们与文献中的有机溶剂相比，价格低廉，且改性过程简单方便。

由于化学修饰电极具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等特点，因此被广泛用于电化学检测神经递质[12]。多巴胺是一种重要的神经递质，对于生理学和病理学都具有重要的意义。检测多巴胺时，电活性的抗坏血酸通常会作为一种干扰物质出现，这是因为多巴胺与抗坏血酸在多种电极上，发生氧化的电势位置相近，二者的氧化峰通常发生重叠，以致不能检测到多巴胺[13]。氨基化的电极在非碱性溶液中带正电，而多巴胺与抗坏血酸在溶液中带相反电荷，因此利用氨基化电极与多巴胺和抗坏血酸之间不同的静电作用，实现对多巴胺与抗坏血酸共存体系的分离检测，同时探讨血浆中蛋白等物质的吸附对多巴胺检测的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LK9805电分析仪（天津兰力科化学电子高技术有限公司）；快速循环伏安法和差分脉冲伏安法均采用三电极系统：掺硼金刚石薄膜电极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，Pt作为对电极；SB118型精密直流电压电流源（上海乾峰电子仪器有限公司）；X射线光电子能谱仪（PHI 550型，美国）。

多巴胺（DA，美国Sigma-Aldrich公司）；抗坏血酸（AA，重庆巴山精细化工厂）；PBS溶液（0.1 mol/L KCl磷酸缓冲液，pH=6.8）、含 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的PBS溶液； NaNO2和对硝基苯胺（均为分析纯）；兔血稀释溶液（兔血∶稀释剂=4∶5，体积比），兔血取自新西兰兔，加入抗凝剂后用生理盐水稀释。实验用水为18 MΩ去离子水。掺硼金刚石薄膜电极来自于本实验室，采用微波等离子气相沉积法在钨丝表面制备掺硼金刚石膜，硼掺杂量为6000 mg/kg，钨丝直径为0.5 mm。

1.2 实验方法

1.2.1 金刚石薄膜电极的改性

使用直流电压电流源，金刚石薄膜电极作为工作电极，铂电极作为对电极，插入对硝基苯胺和NaNO2的混合溶液（盐酸溶液配制），对工作电极施加－0.4 V的电压，10 min后取出，再浸没到去离子水中超声清洗10 min。

然后，将工作电极插入PBS溶液中，使用快速循环伏安法，电压范围为－1.5～1.5 V，扫描速度为0.2 V/s，记录扫描多个周期后的循环伏安曲线，目的是在特定的电压范围内，电极表面导入的NO2基团进一步还原为NH2基团，实现表面氨基化。

1.2.2 改性电极的表面表征

将改性后的电极插入含 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的PBS溶液中，使用快速循环伏安法，在－0.2～0.7 V电压范围，以0.2 V/s速度扫描，记录其循环伏安曲线。

1.2.3 改性电极的电化学性能测试

使用快速循环伏安法，将改性后的电极插入到200 μmol/L的多巴胺溶液中，电压范围为－1.0～1.0 V，扫描速度为0.2 V/s，记录其循环伏安曲线；将电极用去离子水冲洗后插入到 200 μmol/L的抗坏血酸溶液中，电压范围为－1.5～1.5 V，扫描速度为0.2 V/s，记录其循环伏安曲线。根据电极的直径为0.5 mm，电极长度为10 mm，求得电极面积约为16 mm2。

使用差分脉冲伏安法，将改性后的电极用于分别检测 200 μmol/L的多巴胺和抗坏血酸溶液，其中，电位增量0.005 V，脉冲幅度0.05 V，脉冲宽度0.06 s，脉冲间隔0.2 s，观察氧化峰出现情况。使用快速循环伏安法和差分脉冲伏安法，将电极用于检测多巴胺与抗坏血酸的浓度均为 200 μmol/L的混合溶液，记录各自的伏安曲线图。

1.2.4 改性电极吸附血浆蛋白

将改性后的电极插入兔血稀释溶液中，将实验装置放入冰箱，条件保持在4 ℃。4 h时后，取出电极，用去离子水清洗后，插入 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的PBS溶液中，使用快速循环伏安法，记录其循环伏安曲线。

接着，将电极用去离子水清洗后插入到 100 μmol/L的多巴胺溶液，使用快速循环伏安法，观察多巴胺的氧化还原峰对电势的情况。

2 结果与讨论

2.1 电极氨基化

以金刚石薄膜电极为工作电极，在对硝基苯胺与亚硝酸钠混合溶液中，通过电化学方法，在电极表面导入了硝基。接着，将工作电极插入PBS溶液中，使用快速循环伏安法通过多次循环，电极表面的硝基被催化还原为氨基。如图1所示，从下至上，循环次数依次增加。在－1.0 V处出现硝基还原为氨基的还原峰，在0.25 V处出现的氧化峰是少量氨基再次被氧化的结果，但随着循环次数的增加，该峰逐渐消失。此时，电极表面氧化还原完全，在PBS溶液中重新测试不再出现明显峰值，并显示了金刚石薄膜电极宽电势窗口的特征。

2.2 改性电极的表面表征

2.2.1 XPS表征结果

采用X射线光电子能谱（XPS）对电极表面进行分析，XPS的全谱检测一共探测到3种元素，分别是 C、O、N，它们的原子分数分别是 85.2%、10.3%、4.5%，由此说明电极表面存在含N基团。如图2所示，进一步对N1s进行探测，406 eV、400 eV的峰分别是N—O、N—H的特征峰[14]，图2(a)中406 eV的峰的强度远大于400 eV的峰，表明电极表面导入的基团大部分为硝基，有少量氨基。如图2(b)所示，经过在PBS支持电解质中进一步的电化学还原后，N—O的XPS峰强度减弱，而N—H的 XPS峰强度增强，表明电极表面的硝基已经大部分被还原为氨基，金刚石薄膜电极表面被氨基覆盖。

图1 电极表面硝基还原为氨基的循环伏安曲线图

图2 电极表面导入硝基和电极表面硝基还原为氨基后的XPS图

2.2.2 铁氰化钾体系的电化学行为

图3 裸电极和改性电极在1×10－3 mol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的循环伏安曲线图

电极表面没有接上任何基团时，插入含 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的 PBS溶液中测试氧化还原对，出现了一对完全对称的氧化还原峰，氧化还原对电势差约为0.1 V，如图3中曲线a所示，比较接近氧化还原对电势差的理论值。电极表面导入氨基基团后，得到的图3中曲线b也有一对氧化还原峰，峰电流明显减小，ipa/ipc为 1∶1，仍为可逆反应；氧化还原峰电势差ΔEp=0.25 V，大于裸电极。这是因为，氨基基团通过化学键合作用结合到金刚石薄膜电极表面，形成了含氨基终端的表面，增大了电子传递到电极表面的阻力，从而使氧化还原峰电势差增大，响应电流减小。并且，实验证明，电极表面导入的氨基数量越多，铁氰化钾氧化还原对的可逆性和对称性更容易减弱。

2.3 改性电极检测多巴胺与抗坏血酸

2.3.1 循环伏安法

在PBS溶液中，改性电极与裸电极的测试结果相比，并无大的差异，只显示改性电极结果如图4(a)所示，在－1.0～1.0 V内无明显峰值出现，背景电流小于10 μA，电势窗口约2 V。改性后的电极仍能保持裸电极所具有的低背景电流，宽电势窗口等特性。当PBS溶液中加入多巴胺后，如图4(b)所示，多巴胺在改性电极表面发生了准可逆的氧化还原反应，Epa= 0.75 V，Epc=0.1 V附近，氧化峰电流值大于还原峰电流值。这是由于多巴胺在电极表面先发生了氧化，氧化产物在电极表面略有堆积，阻碍再次还原的结果。与裸电极测试DA的结果相比，DA在改性电极上氧化还原生成的峰电流值有所减小。在图 4(c)中，PBS溶液中加入了抗坏血酸，抗坏血酸在改性电极表面发生了不可逆的氧化反应Epa=0.6 V，这种不可逆性与抗坏血酸的性质有关，抗坏血酸的氧化产物经历后行化学反应生成非电活性物质。与裸电极测试AA的结果相比，AA在改性电极上氧化生成的峰电流值略有增加。

由于在非碱性环境中，含氨基终端的金刚石薄膜电极表面，氨基吸附氢离子而带上正电荷，而多巴胺在溶液中带正电，抗坏血酸在溶液中带负电，由于静电吸附的作用，氨基化的电极阻碍了多巴胺的氧化还原，而增强了抗坏血酸的氧化效应。由此推断，当多巴胺与抗坏血酸混合后，两者在电极表面的电荷转移必然存在相互影响、相互竞争的情况。如图5所示，多巴胺与抗坏血酸的氧化峰在0.65 V位置重叠，多巴胺的还原峰出现在0.05 V位置附近，由此可知，尽管两物质在氨基化的电极表面存在不同的静电吸附作用，但是使用循环伏安法，难以实现多巴胺与抗坏血酸氧化峰的分离检测。

图4 PBS溶液、多巴胺溶液、抗坏血酸溶液中的循环伏安曲线图

图5 多巴胺与抗坏血酸共存体系的循环伏安曲线图

2.3.2 差分脉冲伏安法

差分脉冲伏安（DPV）法由于具有灵敏度高、分辨率高和可重现性好等特点，常被用于对有机物质的检测中。由图6可知，将氨基化的电极用于DPV法单独测试200 μmol/L的多巴胺与抗坏血酸时，多巴胺的氧化峰：Epa=0.7 V，ipa=6.6 μA；抗坏血酸的氧化峰：Epa=0.5 V，ipa=0.8 μA。

图7中，保持浓度与图6中两物质的浓度相同，将多巴胺与抗坏血酸混合时，多巴胺的氧化峰为Epa=0.7 V，ipa=2.7 μA，抗坏血酸的氧化峰为Epa=0.4 V，ipa=2.0 μA。与图6相比，可以看出，多巴胺的氧化峰位置未变，但峰电流值大大减小；而抗坏血酸的氧化峰位置发生左移，峰电流值增大。这是因为多巴胺与抗坏血酸在溶液中带电性不同，因而在电极表面发生竞争氧化，抗坏血酸的氧化峰电位更负，并且带负电的抗坏血酸与带正电的表面静电吸附，因此优先氧化，氧化峰电流增大，相应地多巴胺氧化峰减小。

图6 多巴胺（a）、抗坏血酸溶液（b）中的差分脉冲伏安曲线图

图7 多巴胺与抗坏血酸共存体系的差分脉冲伏安曲线图

这种情况可以与含羧基终端的金刚石电极的检测结果相比。Kondo等[15]曾做过该实验，含羧基终端的金刚石电极表面带负电，用该电极作为工作电极，参比电极同样为Ag/AgCl电极时，选择差分脉冲伏安法检测多巴胺与抗坏血酸混合溶液，多巴胺与抗坏血酸的氧化峰分别出现在0.4 V、0.6 V位置，由于抗坏血酸氧化峰电位更正，需要更高的电势才能氧化，因此当两者混合后，多巴胺氧化峰电流增加，而抗坏血酸氧化峰电流相应减小。可见，电极表面带电性会对多巴胺与抗坏血酸混合溶液的检测产生重要影响。

2.4 吸附蛋白的影响

2.4.1 铁氰化钾体系的电化学行为

如图8所示，吸附蛋白后，Fe(CN)6－3/－4氧化还原峰对的可逆性和对称性减弱，峰电流值有所减小。这是因为电极插入兔血稀释液一定时间后，表面吸附了各种蛋白等物质，用去离子水冲洗后仍然存在，所以铁氰化钾体系电子传递在表面受阻。

2.4.2 多巴胺的电化学行为

改性电极的表面虽然吸附了血浆蛋白等物质，阻碍了铁氰化钾体系的电子传递，但是，多巴胺在电极表面的电荷转移并未受到变化。如图 9所示，可以从图中清晰辨别出多巴胺的氧化还原峰对，与图 4(b)相比，并无太大差异。这是由于Fe(CN)6－3/－4氧化还原对的电子传递很复杂，它对电极表面的物理化学性质和电解质组成等的改变都很敏感[16]。然而，多巴胺的氧化还原属于内壳层反应，只与质子和电子的传递有明显的关系[17]。因此，在本实验中，对于多巴胺，它的检测结果并未因蛋白吸附而改变。

图8 改性电极吸附蛋白前和吸附蛋白后在1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的循环伏安曲线图

图9 吸附蛋白后的电极在多巴胺溶液中的循环伏安曲线图

3 结 论

重氮盐电化学还原的方法能够有效地在掺硼金刚石薄膜电极表面导入氨基，使用 XPS和Fe(CN)6

－3/－4探针进行表征，证明了改性电极表面状态的变化。改性后电极使用差分脉冲伏安法，能够分离检测多巴胺与抗坏血酸的氧化峰，并且两峰的电势差为0.3 V，分离效果较好。同时改性电极在吸附血液中蛋白等物质后，并不影响对神经递质多巴胺的检测。

[1]只金芳，田如海. 金刚石薄膜电化学[J]. 化学进展，2005，17（1）：55-63.

[2]Christoph E N，Dongchan S，Bohuslav R，et al. Diamond and biology[J].The Royal Society，2007，4：439-461.

[3]只金芳，关波. 金刚石表面的功能化修饰[J]. 科学通报，2006，51（5）：497-505.

[4]Jinwoo P，Veronika Q M，Bhavik A P，et al. Diamond microelectrodes for in vitro electroanalytical measurements：Current status and remaining challenges[J].The Royal Society of Chemistry，2008，133：17-24.

[5]John B M. Amines and thiol on diamond surfaces[J].Surface Science，1999（439）：21-33.

[6]Tian R H，Rao T N，Zhi J F，et al. Construction of two-dimensional arrays gold nanoparticles monolayer onto boron-doped diamond electrode surfaces[J].Chem. Mater.，2006，18：939-945.

[7]Kojiro T，Michifumi T，Osamu T，et al. DNA preservation using diamond chips[J].Diamond and Related Materials，2003，12：572-576.

[8]Yannick C，Sabine S，Charafeddine J，et al. Peptide immoblizaton on amine-terminated boron-doped diamond surfaces[J].Journal of American Chemical Society，2007，23：4494-4497.

[9]Sabine S，Charafeddine J，Yannick C，et al. Direct amination of hydrogen-terminated boro doped diamond surfaces[J].Electrochemistry Communication，2006，8：1185-1190.

[10]Yang N J，Uetsuka H，Watanabe H，et al. Photochemical amine layer formation on H-terminated single-crystalline CVD diamond[J].Journal of American Chemical Society，2007，19：2852-2859.

[11]Yang Nianjun，Uetsuka Hiroshi，Nebel Christoph E. Biofunctionalization of vertically aligned diamond nanowires[J].Advanced Functional Materials，2009，19：1-7.

[12]董绍俊，车广礼，谢远武. 化学修饰电极[M]. 北京：科学出版社，2003：422-426.

[13]Seon Y Y，Hye Y C，Hyung Hwa C，et al. Resolution of dopamine and ascorbic acid using nickel（Ⅱ）complex polymer-modified electrodes[J].Journal of Electroanalytical Chemistry，2007，602：217-225.

[14]Bath B D，Martin H B，Wightman R M. Dopamine Adsorption at surface modified carbon-fiber electrodes[J].Journal of American Chemical Society，2001，17：7032-7039.

[15]Kondo T，Niwano Y，Tamura A，et al. Enhanced electrochemical response in oxidative differential pulse voltammetry of dopamine in the presence of asorbic acid at carboxyl-terminated boron-doped diamond electrodes[J].Electrochinica Acta，2009，54：2312-2319.

[16]Wilke N，Baruzzi A M. Comparative analysis of the charge transfer processes of the Ru(NH3)63+/ Ru(NH3)62+and Fe(CN)63－/Fe(CN)64－redox couples on glassy carbon electrodes modified by different lipid layers[J].Journal of Electroanalytical Chemistry，2002，537：67-76.

[17]Alehashem S，Chambers F，Strojek J W，et al. Cyclic voltammmetric studies of charge transfer reactions at highly boron-doped polycrystalline diamond thin-film electrodes[J].Analytical Chemistry，1995，67：2812-2821.

Boron-doped diamond thin-film electrode modified by aminophenyl and its electrochemical behavior

ZHU Hong，GOU Li
（School of Materials Science Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan，China）

Boron-doped diamond thin-film electrode was modified by the electrochemical reduction of aryl diazonium salt to attach aminophenyl group. X ray photoelectron spectroscopy（XPS）indicates the presence of N1s at the surface of electrode. By analyzing the peaks centered at 406 eV and 400 eV，XPS also suggests that nitrophenyl groups are electrochemically reduced to aminophenyl groups. The aminophenyl layer attached onto diamond thin-film electrode was demonstrated by comparing the voltammetric profiles of the Fe(CN)6－3/－4redox couple at the electrode. The electrochemical behaviors of modified electrode were detected by differential pulse voltammetry（DPV）and cyclic voltammetry.The DPV for simultaneous determination of dopamine and ascorbic acid shows well-separated oxidation peaks with the potential difference about 0.3 V. The plasma protein adsorption at the surface modified electrode blocks electron transfer of Fe(CN)6－3/－4redox couple. However，it does not affect the detection of dopamine.

boron-doped diamond thin-film electrode；aminophenyl attachment；dopamine；ascorbic acid；protein absorption

TG 146.4

A

1000–6613（2011）12–2688–06

2011-02-28；修改稿日期2011-08-24。

朱虹（1989—），女，硕士研究生。联系人：芶立，教授。E-mail gouli@scu.edu.cn。