苝酐-纳米金修饰电极同时检测抗坏血酸、多巴胺和尿酸的研究

归国风，宋 鹏，孙小媛

(贵州工程应用技术学院化学工程学院，贵州毕节551700)

0 引言

生物活性小分子物质在哺乳动物及人类体内发挥着重要的作用。不同的活性小分子物质在细胞信号转导、基因表达调控和生物学效应上形成复杂的调节网络，承担着调节机体稳态的重要使命。目前，在电化学领域研究比较多的生物活性小分子物质主要有H2O2[1]，多巴胺（DA）[2]，抗坏血酸（AA）[3]，尿酸（UA）[4]等。其中DA 是一种重要的神经递质[5]，UA 是人体最基础的代谢产物[6]，AA 是维持人体健康必需的维生素[7]，三者作为生物活性小分子同时存在于体液当中，其含量对于人体的健康有着极大的影响。在实际样品的检测中，DA，AA 和UA 三种物质在裸电极上的出峰位置比较接近，很难分离，相互干扰严重[8]。因此，实现多组分DA，AA 和UA 的同时检测具有重要的意义。

纳米材料具有比表面积大、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强、表面活性高等特点，被广泛应用于生物传感器的研究。金纳米颗粒就是纳米材料中的一员，具有良好的催化特性，吸附特性，光学特性，热学特性等[9]。该文利用具有多孔结构的3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）为骨架，固载纳米金制备得到具有高催化活性的PTC-GNPs 纳米复合物，用于修饰玻碳电极。用循环伏安法（CV）和脉冲伏安法（DPV）研究了该修饰电极对多巴胺、尿酸、抗坏血酸的电化学行为。

1 实验部分

1.1 试验仪器与试剂

CHI 660C 电化学工作站 （上海辰华仪器公司）；AB204-S 电子天平 （瑞士Mettler&Toledo 公司）；BRANSONIC200超声清洗仪（德国BRANSON ULTRASCHALL 公司）；3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTCDA,98%)购于辽宁连港燃料化学工业品公司。氯金酸(HAuCl4) 购于Sigma 化学公司(St.Louis,MO,USA)；多巴胺、抗坏血酸及尿酸购于北京化工厂。磷酸盐缓冲溶液 （PBS）由K2HPO4-KH2PO4配制，支持电解质为0.1 mol/L KCl。其他试剂均为分析纯试剂，实验用水为二次蒸馏水。实验中采用三电极系统：修饰玻碳电极为工作电极( φ=4 mm)，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极；JBZ-14型磁力搅拌器（上海康仪仪器有限公司）。实验中所用水为蒸馏水。所有的化学药品为分析纯且使用时无需进一步纯化。

1.2 PTCGNPs 复合物的制备

1.0 g PTCDA 溶解在10 mL 0.5 mol/L NaOH中，然后逐滴加入1.0 mol/L 的HCl 至沉淀完全，随后离心分离,并用大量的蒸馏水洗涤除去过量的试剂，得到处理后的苝四甲酸(PTCA)；最后将所得PTCA 再次分散于蒸馏水中制得悬浊液备用。

取5 mL 上述PTCA 悬浊液超声分散5 min，然后加入0.5 mL HAuCl4(ω=1.0%)，在室温下强力搅拌10 min 使其充分混合。后在不断搅拌下于混合液中逐滴加入1.25 mL 0.1 mol/L 抗坏血酸溶液作为HAuCl4的还原剂来制备纳米金(GNPs)。继续搅拌2 h 之后,纳米金原位还原在PTCA 表面制得纳米金修饰的PTCA 复合材料 (PTCAGNPs)。将该复合材料离心洗涤后分散于蒸馏水中，储存于4℃下备用。

1.3 传感器的制备

首先，裸的玻碳电极 （GCE） 分别用0.3 和0.05 μm 的氧化铝粉末抛光后，再依次用蒸馏水、乙醇、蒸馏水中超声洗涤，清洗后的电极置于室温下晾干备用。取10 mL 制备好的PTC-GNPs溶液滴于电极表面，在室温下晾干后就制得目标传感器（PTC-GNPs/GCE）。

2 结果与讨论

2.1 不同的修饰电极的电化学行为

为了展示修饰的电极可以同时检测这三种物质。裸电极与PTC-GNPs/GCE 目标电极分别被用来在0.1 mol/L PBS(pH5.0) 含有AA(1.6 mol/L),DA(0.2 mol/L) 和UA(0.4 mol/L) 的溶液中进行循环伏安响应。由图1可以看出，工作电极为裸的玻碳电极时，只有两个弱且宽的氧化峰在300 mV 和420 mV 出现（曲线a），其中DA 和UA 的氧化峰重叠在一起，没能分开，这表明裸的玻碳电极不能对这三种物质进行同时检测。而在同样的条件下，用PTC-GNPs/GCE 目标电极作为工作电极进行循环伏安表征时，分别在100，250 和410 mV 处出现三个明显的氧化峰（曲线b），说明三种物质的氧化峰的出峰位置能够很好的分离开来。实验结果表明，目标电极能够实现AA、DA和UA 三种物质的同时检测。

图1 裸电极（a）和PTC-GNPs 修饰电极（b）Fig.1 Cyclic voltammetry of bare electrode(a)and PTCGNPs modified electrode(b)in 0.1 mol/L PBS buffer solution(pH=5.0)containing 1.6 mol/L AA,0.2 mol/L DA and 0.4 mol/L UA.Scan rate:100 mV/s

2.2 pH 的影响

由于质子参与AA、DA 和UA 的电极反应过程，测试溶液的pH 会影响修饰电极对目标物的信号响应。为了能够使AA、DA 和UA 这三种物质在进行检测时的信号响应能更好的分离开，该文研究了pH 对PTC-GNPs/GCE 影响。根据图2可知，在没有目标物的空白PBS 缓冲溶液中测试，没有出现任何氧化还原峰（曲线a）。加入目标物AA、DA 和UA，在pH为3、4、5时，均出现了3个信号峰，其中在pH=5时，电流信号较大，且3个峰的出峰电位能够明显的分开；但pH 增大到6 和7时，只有1个氧化峰比较大，其他的2个都很弱。故在后面的实验中选择用pH = 5.0 PBS(0.1 mol/L) 的缓冲溶液作为测试液。

图2 pH 对PTC-GNPs 修饰电极的影响Fig.2 Effect of pH on PTC-GNPs modified electrode.Test solution:(a)pH=5,0.1 mol/L PBS;(b～f)the pH values were 3,4,5,6 and 7,0.1 mol/L PBS containing 1.6 mol/L AA,0.2 mol/L DA and 0.4 mol/L UA.Scan rate:100 mV/s

2.3 循环伏安法同时测定AA、DA 和UA

循环伏安法（CV）一种常用的电化学研究方法。可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。为了研究修饰电极对不同浓度AA、DA 和UA 的电流响应情况，该文课题组用循环伏安法测试了在含不同浓度AA、DA 和UA的测试液中修饰电极的响应特性。如图3所示，修饰的电极可以将AA、DA 和UA 明显分开，且随着各组分浓度的增加，其相对应的峰电流也呈现一种增加的趋势。实验结果说明PTC-GNPs/GCE 对AA、DA 和UA 能够起到很好的分离检测效果。

图3 PTC-GNPs 修饰电极在不同浓度的AA、DA 和UA 的循环伏安检测Fig.3 CV of PTC-GNPs modified electrode.(a)：0.04 mol/L AA、0.002 mol/L DA and 0.002 mol/L UA，(b)：0.09 mol/L AA、0.012 mol/L DA and 0.012 mol/L UA，(c)：0.14 mol/L AA、0.032 mol/L DA and 0.062 mol/L UA，(d)：0.24 mol/L AA、0.052 mol/L DA and 0.162 mol/L UA，(e)：0.34 mol/L AA、0.102 mol/L DA and 0.262 mol/L UA，(f)：0.44 mol/L AA、0.202 mol/L DA and 0.362 mol/L UA，(g)：0.54 mol/L AA、0.402 mol/L DA and 0.462 mol /L UA，(h)：0.74 mol/L AA、0.602 mol/L DA and 0.662 mol/L UA，(i)：0.94 mol/L AA、0.802 mol/L DA and 0.862 mol/L UA。Text solution:0.1 mol/L PBS(pH=5).Scan rate:100 mV/s

2.4 微分脉冲伏安法（DPV） 同时测定AA、DA和UA

微分脉冲伏安法（DPV） 是一个更敏感的技术，已被广泛用于电化学检测。如图4所示，DPV是记录阳极峰电极电流来验证同时测定AA，DA和UA 可行性的传感器。如图4A所示，在不同浓度的AA 在DA 和UA 下测试了修饰电极的DPV信号，随着不同浓度的AA、DA 和UA 分别加入，三个阳极峰电流随着加入的AA、DA 和UA 的浓度的增加而增加，且峰值电流与AA、DA 和UA的浓度成线性关系。图4B显示的峰电流对AA的浓度成线性，回归方程表示为IAA= 14.09 +23.98 cAA(mol/L)，相关系数r = 0.996。同样，DA(图4C) 和UA（图4D）的线性回归方程分别为：IDA=18.20+23.82 cDA(mol/L)、IDA=32.52+74.14 cDA(mol/L) 和IUA= 19.18 + 91.06 cUA(mol/L)、IUA=27.36+40.24 cUA(mol/L)，相关系数分别为0.996、0.998 和0.999、0.998。

图4 修饰电极在不同浓度的AA、DA 和UA 的PBS溶液中DPV 响应曲线Fig.4 The differential pulse voltammetric response of modified electrode towards different concentration of AA、DA and UA and the correlation coefficient of AA(B),DA(C)and UA(D).(a)：0.04 mol/L AA、0.002 mol/L DA and 0.002 mol/L UA，(b)：0.09 mol/L AA、0.012 mol/L DA and 0.012 mol/L UA，(c)：0.14 mol/L AA、0.032 mol/L DA and 0.062 mol/L UA，(d)：0.24 mol/L AA、0.052 mol/L DA and 0.112 mol/L UA，(e)：0.34 mol/L AA、0.077 mol/L DA and 0.162 mol/L UA，(f)：0.54 mol/L AA、0.102 mol/L DA and 0.212 mol/L UA，(g)：0.74 mol/L AA、0.152 mol/L DA and 0.262 mol/L UA，(h)：0.94 mol/L AA、0.202 mol/L DA and 0.312 mol/L UA，(i)：1.14 mol/L AA、0.252 mol/L DA and 0.362 mol/L UA,(j)：1.54 mol/L AA、0.352 mol/L DA and 0.462 mol/L UA。Text solution:0.1 mol/L PBS(pH=5).Scan rate:100 mV/s

3 结论

该实验利用苝四甲酸二酐独特的多孔结构作为纳米金的载体，再结合纳米金优良的催化性能，制备了固载有大量纳米金的修饰电极，用于AA、DA 和UA 的三组分的电化学检测。苝酐-纳米金复合物电极可以提高电荷转移速率并可以在PTCA 表面产生附加的催化活性位点，能够很好的分离并识别AA、DA 和UA 的三组分。并且该方法制备简单，具有较高的灵敏度和特异性，在临床医学检测上具有一定的意义。

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