聚3，4-乙撑二氧噻吩/金复合电极的制备及其在多巴胺检测中的应用

王保光，邱吟，胡海峰，张雪华，何声太，贺涛

(1.国家纳米科学中心，北京 100190;2.天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387)

多巴胺(DA)是哺乳动物中枢神经系统中非常重要的信息传递物质，缺乏DA 可导致一些重要疾病，如精神分裂症和帕金森氏症［1］，所以对DA 含量的测定在生理功能和临床应用等方面具有重要意义。目前，测定DA 的方法主要有电化学法［2-6］、化学发光法［7］、高效液相色谱法［8-10］、表面等离子体共振法［11-13］、表面增强拉曼法［14-15］以及荧光法［16-17］等。电化学方法具有易于操作、价格低廉、灵敏度高和选择性好等优点，尤其是微型电化学探针能够进行活体在线分析，但易受AA 的干扰。因此，如何在高浓度AA 共存时选择性测定DA 便成为电化学分析研究的重要课题之一［18］。

聚3，4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)具有电导率高、在生理环境下能稳定存在、易制备等优点，在电化学传感器领域得到了广泛应用。Vasantha 等［19］以PEDOT 修饰的玻碳电极分析DA，有效避免了AA 影响。金纳米颗粒(Au NPs)具有高导电性、良好的稳定性和生物相容性，对化学反应具有良好的催化性能，在电化学传感器中引入Au NPs，可以有效促进电子传递和反应的可逆性，提高检测分析的灵敏度［20］。Zheng 等［21］采用花状的Au 纳米结构修饰电极，实现了对DA 和AA 的同时检测，DA 和AA 分别在1 ～1.5 ×10－4mol/L 和6 ～50 ×10－5mol/L 具有良好的线性范围，检测限分别为2 ×10－7mol/L 和1×10－5mol/L。

本文在对甲苯磺酸钠水溶液中，采用电化学方法，在氧化铟锡导电玻璃上制备了PEDOT/Au 复合修饰电极，用于DA 的电化学检测。研究了Au NPs沉积量对PEDOT/Au 复合修饰电极对DA 电化学检测的影响，并研究了PEDOT/Au 复合修饰电极在AA 和尿酸(UA)共存下对DA 电化学检测的灵敏性和选择性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

3，4-乙撑二氧噻吩(EDOT，二次减压蒸馏后放入冰箱中备用)、对甲苯磺酸钠、四氯金酸(HAuCl4)、硝酸钾、抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)、多巴胺盐酸盐、丙酮、异丙醇、磷酸盐缓冲溶液(PBS)等均为分析纯;ITO 导电玻璃;Milli-Q 超纯水(18.2 MΩ·cm)。

Hitachi S-4800 冷场发射扫描电子显微镜;Tecnai G2 F20 U-TWIN 场发射透射电子显微镜;CS300型电化学工作站(对电极为Pt 片，参比电极为饱和甘汞电极，实验前均将溶液通氮气除氧20 min)。

1.2 PEDOT/Au 复合修饰电极的制备

ITO 导电玻璃依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、二次水和三次水进行超声处理各15 min，然后氮气吹干。电化学恒电位极化(1.0 V)进行聚合，制备PEDOT 修饰电极，EDOT 单体浓度为0.01 mol/L，0.1 mol/L的对甲苯磺酸钠为支持电解质，ITO 导电玻璃为工作电极，聚合时间为50 s。然后将PEDOT电极置于含6 mmol/L HAuCl4和0.1 mol/L KNO3的电解液中，在－0.6 ～1.0 V 电位范围内，采用循环伏安(CV)法沉积Au NPs。扫描速率为50 mV/s，沉积扫描1 圈、3 圈、5 圈和7 圈，所制备的PEDOT/Au 复合修饰电极分别标记为PEDOT/Au-1c，PEDOT/Au-3c，PEDOT/Au-5c 和PEDOT/Au-7c。沉积结束后，依次采用三次水和无水乙醇清洗电极表面，高纯氮气吹干后，保存在干燥箱中备用。

1.3 检测方法

将PEDOT/Au 复合修饰电极置入含有一定浓度DA 的0.1 mol/L 的PBS 溶液(pH=7.2)中，静止30 s，进行CV 或差分脉冲伏安(DPV)测试。DPV测试时参数设置为:扫描范围－0.3 ～0.7 V (vs.SCE)，振幅50 mV，脉冲宽50 ms，脉冲周期0.2 s，电位增量4 mV。所有电化学试验中工作电极的几何面积保持一致，且均在室温(25 ℃)下进行。

2 结果与讨论

2.1 PEDOT/Au 复合修饰电极的形貌与结构表征

PEDOT 修饰电极的表面形貌SEM 见图1。

图1 PEDOT(a)，PEDOT/Au-1c(b)和PEDOT/Au-5c(c)的扫描电镜图Fig.1 SEM images of PEDOT(a)，PEDOT/Au-1c(b)and PEDOT/Au-5c (c)

由图1 可知，PEDOT 呈多孔花瓣状，紧贴ITO表面生长。由图1b 和图1c 可知，PEDOT/Au-1c 和PEDOT/Au-5c 复合修饰电极的Au NPs 依附于PEDOT 的表面沉积，随着沉积量(即扫描圈数)的增加，Au NPs 的分布越来越致密，形成Au NPs 的颗粒团簇(岛状结构)。

图2 为PEDOT/Au-5c 修饰电极的EDS 能谱图。

图2 PEDOT/Au-5c 的EDS 能谱图Fig.2 EDS images of PEDOT/Au-5c

由图2a 可知，Au NPs 均匀分布在PEDOT 表面。图2b 竖线代表Au NPs 的分布情况，线越密越高，代表Au NPs 的含量越高，可看出白色颗粒区域(Au NPs 的颗粒团簇)Au NPs 的含量较高。

图3 为PEDOT/Au-5c 修饰电极的TEM 图。

图3 PEDOT/Au-5c 的透射电镜图Fig.3 TEM images of PEDOT/Au-5c

由图3 可知，Au NPs 的单个颗粒大小约为20 nm。

表1 为根据PEDOT/Au 修饰电极的EDS 能谱得出的Au NPs 的含量。

表1 PEDOT/Au 复合修饰电极中Au NPs 的含量Table 1 Content of Au NPs in different PEDOT/Au composite electrodes

由表1 可知，随着沉积圈数的增加，Au NPs 的含量增加。

2.2 PEDOT/Au复合修饰电极对DA 的电催化响应

图4 为在pH=7.2 的PBS 缓冲溶液中，扫描速率为100 mV/s 时，DA 在不同修饰电极上的CV 谱图。

图4 DA 在ITO、PEDOT 和PEDOT/Au 复合电极上的CV 曲线Fig.4 CV curves of DA on ITO，PEDOT and PEDOT/Au-5c electrodes

由图4 可知，相对于ITO 导电基底，DA 在PEDOT 修饰电极上的氧化还原峰电流明显增强。在PEDOT 电极上进一步沉积Au NPs，制备PEDOT/Au复合修饰电极后，由于Au NPs 对DA 氧化还原反应的催化以及Au NPs 良好的导电性，使DA 的氧化还原峰电流进一步增强。DA 在PEDOT/Au-5c 复合修饰电极上具有最强的电化学响应。但是，当Au NPs CV 沉积扫描圈数由5 圈增加为7 圈(Au 沉积量的增加)时，DA 的氧化还原峰电流开始降低。原因可能为制备PEDOT/Au 复合修饰电极是采用分步沉积法，即先制备PEDOT 电极，然后在PEDOT 电极表面进一步沉积Au NPs，SEM 表征表明，大部分Au NPs 团簇沉积在PEDOT 的表面，这将减少PEDOT 与DA 相互作用的电化学活性位点。当Au NPs沉积量达到一定程度时，覆盖活性位点带来的负面作用将大于其带来的正面促进作用，表现为DA 的氧化还原峰电流不再增加，而且开始降低。

2.3 pH 和扫描速率对DA 检测的影响

图5 为在不同pH 值(pH = 6.35 ～8)的PBS缓冲液中，扫描速率为100 mV/s，DA(0.5 mmol/L)在PEDOT/Au 复合修饰电极上的CV 谱图。

图5 不同pH 值条件下DA 在PEDOT/Au-5c 复合电极上的CV 谱图Fig.5 CV curves of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode with different pH value

由图5 可知，DA 的氧化还原峰电位随着缓冲溶液pH 值的增加而逐渐负移，并与PBS 缓冲溶液pH 值的变化呈线性关系(图6)，表明质子在DA 的氧化反应过程中起着决定作用，pH 值与氧化峰电位的线性关系为EPO=－0.056pH + 0.613，直线斜率为56.04 mV/pH。说明DA 的氧化中涉及的是2 电子和2 质子(2e－/2H+)的反应，与文献报道一致［22-24］。

图6 DA 的氧化电位与pH 的线性关系图Fig.6 The relationship between the anodic peak potential of DA and the pH value

图7 为不同扫描速率下DA (0.5 mmol/L，pH=7.2 的PBS 缓冲溶液)在PEDOT/Au 复合修饰电极上的CV 曲线。

图7 不同扫描速率下DA 在PEDOT/Au-5c 复合电极上的CV 谱图Fig.7 CV curves of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode at different scan rates

由图7 可知，在20 ～500 mV/s 扫描速率范围内(20，50，80，100，120，150，200，300，400，500 mV/s)，随着扫描速率的增加，DA 的阳极氧化峰电位逐渐正移，相应的阴极还原峰电位逐渐负移。由图8 可知，DA 在PEDOT/Au 复合修饰电极上的氧化峰电流与扫描速率呈很好的线性关系，线性方程为iPO=2.65×10－4+4.43 ×10－6V，(R2=0.99)。因此，DA 在PEDOT/Au 复合修饰电极上的氧化还原反应主要为表面控制过程［24］。

图8 扫描速率与DA 的氧化峰电流密度间的线性关系图Fig.8 The relationship between the scan rate and the anodic peak current of DA

2.4 PEDOT/Au 复合修饰电极选择性检测DA

图9a 为pH 值为7.2 的PBS 缓冲溶液中，不同浓度的DA(1，2，3，5，10，20，50，80，100，150，250，300，500，800，1 000 ×10－6mol/L)在PEDOT/Au 复合修饰电极上的DPV 检测曲线，图9b 为氧化峰电流与DA 浓度间的线性关系曲线，其线性范围为5 ×10－6～1 ×10－4mol/L，相关系数为0.988 1，检出限为1 × 10－8mol/L(S/N =3)，灵敏度为1.483 4 ×10－6A/10－6mol/L。因此，DA 在该修饰电极上具有良好的线性范围和较低的检测限。由于DA 在生理条件下的浓度范围为10－8～10－6mol/L，所以该电极可在生理环境下用于DA 的检测。

图9 不同浓度的DA 在PEDOT/Au-5c 复合电极上的DPV图(a)，氧化峰电流与其浓度的线性关系图(b)Fig.9 DPV curves of different concentration of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode(a)，the relationship between the anodic peak current and its concentration(b)

图10 为在pH 值为7.2 的PBS 缓冲溶液中，0.5 mmol/L AA 共存下，不同浓度的DA(2，4，8，20，40，50，80，100，200，400，500，1 000 ×10－6mol/L)在PEDOT/Au 复合修饰电极上的DPV 检测曲线。

图10 AA 和不同浓度的DA 在PEDOT/Au-5c 复合电极上的DPV 曲线(a)，DA 的氧化峰电流与其浓度的线性关系图(b)Fig.10 DPV curves of AA and different concentrations of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode(a)，the relationship between the anodic peak current of DA and its concentration(b)

由图10 可知，AA 的氧化峰电位比DA 的负，两者氧化峰峰位相差约220 mV，可同时检测。随着DA 浓度的增加，DA 的氧化峰电流逐渐增强，峰电流值与DA 的浓度呈线性相关，线性回归方程为ipa(mA)=0.356 +7.856 ×10－4CDA(10－6mol/L)，相关系数为0.975 8，表明该修饰电极在AA 共存下对DA 有良好的响应。同时发现，随着DA 浓度的增加，AA 的氧化峰电流发生轻微变化，且呈无规律，但不影响修饰电极对DA 的检测。

图11 为pH 值7.2 的PBS 缓冲溶液中，在0.5 mmol/L AA 和0.1 mmol/L UA 共存下，PEDOT/Au 复合修饰电极对不同浓度DA(20，40，100，200，300，500，1 000 ×10－6mol/L)的DPV 检测曲线。

由图11 可知，UA 的氧化峰位置比DA 的氧化峰位置较正，两者相差约141 mV，UA 对高浓度DA的检测没有影响，可以同时进行检测。

图11 AA、UA 和不同浓度的DA 在PEDOT/Au-5c 复合电极上的DPV 曲线(a)，DA 的氧化峰电流与其浓度的线性关系图(b)Fig.11 DPV curves of AA，UA and different concentrations of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode(a)，the relationship between the anodic peak current of DA and its concentration(b)

3 结论

(1)采用电化学方法将PEDOT 和Au NPs 复合，制备了PEDOT/Au 复合修饰电极，并用于多巴胺的电化学检测。Au NPs 负载在花瓣状的PEDOT上，可改善其导电性，不仅可为DA 的电化学反应提供活性位点，而且还促进了PEDOT 与溶液中DA 间的电子传递。随着沉积Au NPs 圈数的增加，在PEDOT 表面上形成了大小不一(凸凹不平)的Au NPs的岛状结构。在中性pH 值溶液中，PEDOT/Au 复合修饰电极对DA 的检测效果受Au NPs 沉积量的影响较大。

(2)采用DPV 方法对DA 进行电化学检测时，优化后的PEDOT/Au 复合修饰电极对DA 的检测限为1 ×10－8mol/L，可有效排除AA 和UA 的干扰，实现DA、AA 和UA 的同时检测，表现出了较高的选择性和灵敏度，有望制成微电极用于DA 活体的在线分析。

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