Nafion修饰碳纤维纳米电极在抗坏血酸共存下选择性测定多巴胺

程 寒，陈 敏，杨 沫，孙欣欣，韦光汉，兰嘉峰

(中南民族大学 药学院，武汉430074)

多巴胺是一种重要的儿茶酚胺类神经递质，人和动物的行为与多巴胺密切相关［1］，抗坏血酸是一种维持机体正常生理功能的维生素，在哺乳动物组织中抗坏血酸和多巴胺常共存，平均浓度高于多巴胺100～1000倍，且与多巴胺的氧化峰重叠，干扰多巴胺的测定［2］.故排除抗坏血酸等的干扰，选择性测定多巴胺在生理功能研究和临床检测中具有有实际意义.

多巴胺的活体检测电极必须尺寸足够小，灵敏度足够高和有效抗干扰等.Nafion聚合物具有导电性好，对热和化学物质稳定、阻抗小、水中溶解度小等特性，是一种良好的电极修饰材料［3］.Nafion膜本身含有磺酸基团，是一种优良的阳离子交换剂，用作电极修饰材料具有良好的离子选择性，它只与阳离子发生选择性交换，排斥中性分子和阴离子［4］，被广泛应用于化学修饰电极以增加修饰电极对阳离子的选择性［5］.本文制备了碳纤维纳米电极，利用电沉积法将Nafion修饰到碳纤维纳米电极表面，研究了多巴胺和抗坏血酸在该电极上的电化学行为.结果表明修饰电极对带负电的抗坏血酸有良好的屏蔽作用，可在高浓度抗坏血酸的共存下选择性测定多巴胺，采用该法制备的修饰电极尺寸小，灵敏度高，抗干扰能力强，有望用于检测活体中多巴胺浓度.

1 材料和方法

1.1 仪器

XD-RFL倒置显微镜(宁波舜宇仪器有限公司)，CHI660D化学工作站(上海辰华仪器公司)，FE20K型酸度计(瑞士梅特勒-托利多集团).电化学实验采用双电极系统:碳纤维纳米电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极.

1.2 试剂

碳纤维(直径6μm，吉林市神舟碳纤维有限责任公司)，单壁碳纳米管(深圳市纳米港有限公司)，5%Nafion(Sigma)，DA(Sigma，用 0.1 mol/L 的HClO4配置成1.0×10-2mol/L的母液，4℃保存，用时用Tris-HCl缓冲溶液稀释)，碳粉导电胶(自制)，无水乙醇(分析纯，天津医药公司)，K3Fe(CN)6、抗坏血酸(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，实验用水为二次去离子水.

1.3 碳纤维纳米电极的制作

在酒精灯焰上拉制玻璃毛细管(内径1 mm)，使其尖端内径约20 μm，碳纤维(直径6 μm，长约15 mm)和铜丝(直径0.2 mm，长约10 cm)用碳粉导电胶粘连，将碳纤维从玻璃毛细管一端穿入至露出玻璃毛细管尖端外约2 mm，用粘胶将玻璃毛细管末端封住，粘胶固化后固定铜丝.将玻璃毛细管尖端置于酒精灯外焰数秒钟，玻璃迅速熔封，露出的碳纤维在酒精灯外焰上小心烧蚀，在倒置显微镜下测量电极长度，至露出的碳纤维长度100～200 μm，在酒精灯外焰上小心灼烧刻蚀至碳纤维尖端直径约150 nm，即为碳纤维纳米电极(CFNE).

1.4 Nafion修饰的碳纤维纳米电极的制作

将清洁的碳纤维纳米电极浸入1%Nafion溶液(无水乙醇稀释)中，在1.5V的电压下电镀20 s，取出晾干待用.

2 结果与分析

2.1 Nafion修饰方式对修饰电极稳定性的影响

碳纤维纳米电极浸入1%Nafion溶液中，使用蘸涂法修饰电极，每次蘸涂后晾干，重复3次后，电极对AA几乎无响应，对多巴胺响应良好.利用高选择性和灵敏度的示差脉冲伏安法，将修饰后的电极在1.0×10－4mol/L DA中扫描，每次扫完后清洗晾干再测，重复10次，实验结果见图1a.如图1a所示，峰电流随着清洗次数的增加明显减小，说明此法不能将Nafion稳定地修饰到电极上，修饰重现性较差.

将碳纤维纳米电极浸入1%Nafion溶液中，在1.5V的电压下进行电沉积，将Nafion修饰到电极表面.当电沉积时间达20 s时，修饰电极能阻断对AA的电化学响应，并且对DA的响应良好，将修饰后的电极在1.0×10－4mol/L DA中进行DPV扫描，每次扫完后清洗晾干再测，重复10次，实验结果见图1b.如图1b所示，随着清洗次数的增多峰电流未见明显变化，修饰电极重现性较好，说明Nafion已稳定地修饰到电极表面，故可采用电沉积法将Nafion修饰在碳纤维电极上，用于后续实验.

图1 修饰电极在1.0×10－4mol/L mol/L DA中的示差脉冲伏安图Fig.1 DPV of 1.0 ×10 －4mol/L DA at modified electrodes

将电极在室温下放置1个月后，对1.0×10－4mol/L DA溶液连续测定(DPV，n=10)，比较放置前后各次DPV峰电流结果如表1所示，2次测定的相对标准偏差(RSD)分别为3.35%，3.20%，响应电流变化不大，表明Nafion已牢固的修饰到电极表面，修饰电极重现性好，稳定时间长.

表1 放置一个月前后修饰电极重复性比较Tab.1 Repeatability comparison of modified electrode placed before and after one month

2.2 碳纤维纳米电极修饰前后扫描电镜表征

将碳纤维纳米电极和Nafion修饰的碳纤维纳米分别用电镜扫描后如图2所示.图2a中电极呈锥状且表面光滑，尖端直径约为150 nm;图2b中修饰电极的表面形成了一层均匀的Nafion薄膜，电极尖端直径约为300 nm.

图2 电极的扫描电镜图Fig.2 SEM images of carbon fiber nanoelectrodes

2.3 DA、AA、DA与AA的混合溶液在修饰前后电极上的电化学行为

未修饰的碳纤维纳米电极在1.0×10－4mol/L DA、1.0 ×10－3mol/L AA 以及两者的混合溶液上的电化学行为如图3所示.DA(图3a)和AA(图3b)在未修饰电极上均产生氧化峰，且氧化峰电位接近，峰电位分别为0.04 V，0.24 V，混合溶液中 DA 和AA氧化峰严重重叠(图3c)，峰电位为0.13 V.因此在DA与AA的混合溶液中无法选择性测定DA.

碳纤维电极经过电沉积修饰Nafion后，分别在1.0 ×10－4mol/L DA，1.0 ×10－3mol/L AA 以及两者的混合溶液中的DPV曲线见图4.图4a显示修饰电极对DA响应良好，图4 b显示修饰电极对AA没有响应，表明电极能有效阻断AA的干扰，图4 c中混合溶液的响应峰电流和DA的响应峰电流高度几乎相同，说明电沉积20 s后电极能在不影响DA检测情况下，有效抗AA干扰.这是由于在pH 7.4时，抗坏血酸(pKa=3.70)以阴离子的形式存在，而多巴胺(pKa=8.87)以阳离子的形式存在.由于Nafion分子中含有负电荷的－SO－3基团，是一种优良的阳离子交换剂，它吸引带正电荷的多巴胺，排斥带负电荷的抗坏血酸.因此，在带负电荷的AA存在时，修饰电极对DA有选择性的响应.

图3 多巴胺和抗坏血酸在未修饰碳纤维纳米电极上的电化学行为Fig.3 Electrochemical behavior of DA and AA at bare carbon fiber nanoelectrode

图4 多巴胺和抗坏血酸在Nafion修饰的碳纤维纳米电极上的电化学行为Fig.4 Electrochemical behavior of DA and AA at carbon fiber nanoelectrode modified with Nafion

2.4 DA氧化峰电流与扫速的关系

Nafion修饰电极在浓度为1.0×10－4mol/L DA的氧化峰电流与扫描速率之间的关系见图5.如图5所示，扫速在50～1000 mV/s内，氧化峰电流随着扫速的增大而增大.DA的氧化峰电流与扫速的平方根成正比，两者的线性关系图见图6.如图6所示，线性回归方程为I(nA)=0.2874v1/2(mV/s)1/2+3.6817，相关系数 r=0.9935，表明 DA 在修饰电极上的氧化过程受其扩散控制.

图5 Nafion修饰电极在1.0×10－4mol/L DA中的循环伏安图Fig.5 Cyclic voltammetry at Nafion modified carbon fiber nanoelectrode in 1.0 ×10 －4mol/L DA

图6 峰电流与扫速的关系曲线Fig.6 Relation curve of peak currents and sweep rate

2.5 工作曲线

利用高选择性和灵敏度的DPV测定DA结果见图7.如图7所示，在1.0mmol/L抗坏血酸共存，20 mmol/L Tris-HCl(pH7.4)缓冲溶液中，DA 的浓度为1.0 ×10－7～1.0 ×10－4mol/L，多巴胺氧化峰电流随着浓度增大而增大.多巴胺浓度与差分脉图氧化峰电流呈现线性关系图见图8.如图8所示，两者线性关系良好，回归方程为 I(nA)=18.431c(mmol/L)+0.5185，相关系数 r=0.9941，检出限为1.0×10－8mol/L.即使在AA浓度高于DA 4个数量级的情况下，Nafion修饰电极仍然能够用于选择性检测DA.

图7 Nafion修饰电极在DA与AA混合溶液中的DPV图Fig.7 DPV at Nafion modified carbon fiber nanoelectrode in the mixture solution of DA and AA

图8 氧化峰电流与多巴胺浓度的关系曲线Fig.8 Relation curve of oxidation peak currents and concentration of dopamine

4 结语

Nafion是一种优良的阳离子交换剂，用作电极修饰材料具有良好的离子选择性，它只与阳离子发生选择性交换，排斥中性分子和阴离子.本实验采用电沉积的方法将Nafion修饰到碳纤维纳米电极电极表面，形成Nafion修饰的碳纤维纳米电极，研究了多巴胺和抗坏血酸在电极上的电化学行为.实验结果表明Nafion修饰电极可以在高浓度抗坏血酸的共存下选择性测定多巴胺，多巴胺氧化峰电流在1.0×10－7～1.0×10－4mol/L 浓度内呈现良好的线性关系，这种修饰方法具有良好的灵敏度和选择性，有望用于活体中多巴胺浓度的检测.

［1］Venton B J，Wightman R M.Psychoanalytical electrochemistry:dopamine and behavior［J］.Anal Chem，2003，75(19):414A-421A.

［2］Bi H Q，Li Y H，Liu S F，et al.Carbon-nanotubemodified glassy carbon electrode for simultaneous determination of dopamine，ascorbic acid and uric acid:the effect of functional groups［J］.Sens Actuators B，2012，171-172:1132-1140.

［3］金利通，崔胜云，史占玲，等.Nafion修饰电极在伏安分析中的应用［J］.冶金分析，1990，10(5):38-42.

［4］孙延一，吴康兵，胡胜水.多壁碳纳米管-Nafion化学修饰电极在高浓度抗坏血酸和尿酸体系中选择性测定多巴胺［J］.高等学校化学学报，2002，23(11):2067-2069.

［5］Quan D P，Tuyen D P，Lam T D，et al.Electrochemically selective determination of dopamine in the presence of ascorbic and uric acids on the surface of the modified Nafion/single wall carbon nanotube/ poly (3-methylthiophene)glassy carbon electrodes［J］.Colloids Surf B，2011，88(2):764-770.