基于有序介孔碳-聚亚甲基蓝/离子液体的多巴胺电化学传感器

李金萍，谢丽峰，郭春瑞，缪 谦

(温州大学化学与材料工程学院，浙江温州 325035)

基于有序介孔碳-聚亚甲基蓝/离子液体的多巴胺电化学传感器

李金萍，谢丽峰，郭春瑞，缪 谦†

(温州大学化学与材料工程学院，浙江温州 325035)

采用超声技术和循环伏安法，构建了一种新颖的基于有序介孔碳-聚亚甲基蓝/离子液体复合物（OMC-PMB / IL）的多巴胺电化学传感器．在较高浓度的尿酸和抗坏血酸的存在下，该传感器仍能实现对多巴胺的检测．在7 × 10-7– 2.5 × 10-4mol･L-1范围内，差分脉冲伏安电流与浓度成线性关系，检测限为4.6 × 10-8mol･L-1．该传感器具有线性范围宽、检测限低、抗干扰能力强、重现性和稳定性好的优点．

有序介孔碳；聚亚甲基蓝；离子液体；多巴胺；电化学传感器

有序介孔碳（OMC）是一种新型的碳纳米材料[1]，具有高度有序的孔道结构、良好的电学性质和稳定性，近年来，在传感器应用方面的研究已经取得显著进展，其中最引人关注的是对生物分子的传感[2]．目前已报道的由有序介孔碳可检测的生物分子有多巴胺、尿酸、抗坏血酸、NADH、葡萄糖、DNA、肾上腺素、血红蛋白、氨基酸[3-9]等．

导电聚合物由于其独特的空间网络结构，有利于催化，且其导电性良好，被用于对多巴胺（DA）的检测[10]，已报道的聚合物有聚镉黑T、聚偶氮蓝、聚(3,4-乙烯二氧噻吩-连-(2-磺酸萘))、聚苯乙烯磺酸等[11-14]．

多巴胺是主要存在于人体下丘脑和脑垂体中的重要儿茶酚类神经递质，在控制人体协调运动方面起着重要的作用．体内DA的缺失会引起重大疾病，例如精神分裂症、帕金森综合症[15-16]．近年来，关于 DA的电化学检测技术受到越来越多的关注。在生物体内样品中，尿酸（UA）和抗坏血酸（AA）对于检测DA来说，是最主要的干扰物质[3]，因此，如何解决DA、UA、AA三种物质的氧化峰电位重叠干扰以及降低检测限是DA电化学传感器研究的热点．

本文利用有序介孔碳和染料分子亚甲基蓝离域π键作用，借用超声技术和循环伏安法，构建了新颖的基于有序介孔碳-聚亚甲基蓝/离子液体（OMC-PMB / IL）的DA电化学传感器，探讨了传感器对DA的电催化行为以及传感器的传感性能．

1 实验部分

1.1 实验主要仪器

电化学工作站（CHI 660D，北京华科普天科技有限公司）；冷场发射扫描电子显微镜（SM-6700F，日本电子公司）；电子天平（AL 104，梅特勒-托利多仪器有限公司）；玻碳电极、铂丝电极（上海辰华仪器有限公司）；饱和甘汞电极（SCE，江苏江分电分析仪器有限公司）．

1.2 实验主要试剂

1-丁基四甲基咪唑六氟磷酸盐（上海成捷化学有限公司）；有序介孔碳（CMK-3，南京吉仓纳米科技有限公司）；亚甲基蓝（MB，≥ 90%，Aladdin公司）；多巴胺、尿酸、抗坏血酸（AR，Sigma公司）．

1.3 OMC-MB复合物的制备

取50 mg OMC、16 mg MB和50 mL 无水乙醇，混合超声5 h，过滤，用高纯水和无水乙醇反复洗涤沉淀，以除去表面未吸附的MB，最后于65℃干燥箱中干燥6 h，得OMC-MB复合物．

1.4 玻碳电极的预处理

将玻碳电极（GCE）分别用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3抛光粉打磨，并依此用超纯水、无水乙醇超声2-3 min，用氮气吹干．

1.5 OMC-PMB / IL修饰电极的制备

取75 μL离子液体和25 mg的OMC-MB复合物于玛瑙研钵中，研磨均匀得黑色凝胶OMCMB / IL，并采用研磨法将黑色凝胶修饰在玻碳电极表面，将此电极置于pH = 5.0的磷酸氢二钾/柠檬酸缓冲溶液（K2HPO4/ HA）中，在-0.5 V – 1.0 V电位范围以50 mV / s的扫速循环伏安扫描20圈．

2 结果与讨论

2.1 OMC-PMB / IL的电镜（SEM）表征

图1（a）和（b）分别是OMC和OMC-PMB / IL的扫描电镜图．从图1可看出OMC-PMB / IL是以较短的棒状形态存在的，几乎均匀分布在玻碳电极表面，其形态和OMC非常相似．从扫描电镜图上，不易直观察觉二者的粒径差别，这可能是由于组装到 OMC表面的聚亚基蓝是超薄的．这种超薄的结构对生物分子的检测是十分有利的，因为OMC和PMB有可能都可以作为电化学传感单元和生物分子充分接触，从而有利于提高传感器对生物分子的传感性能．

图1 OMC和OMC-PMB / IL的电镜图

2.2 OMC-MB / IL的电聚合

图2是形成OMC-PMB / IL的电聚合CV图，即亚甲基蓝在OMC-MB / IL表面形成聚合物的循环伏安图．IL做修饰剂的同时可以促进电子的转移[17]，MB主要通过离域键与 OMC相互作用．由图2可见，在OMC-MB / IL表面，亚甲基蓝单体在约 -0.26 V处的还原峰电流和在约-0.42 V处的氧化峰电流随扫描圈数的增加而减小，在约-0.16 V的氧化峰电流和在约-0.22V处的还原峰电流随扫描圈数的增加而增加，表明聚亚甲基蓝生成．

2.3 OMC-PMB / IL修饰电极对DA的电催化行为

图3是裸电极、OMC-IL和OMC-PMB / IL修饰电极在1 × 10-4mol･L-1DA的PBS溶液中的循环伏安图．DA在OMC-IL修饰电极上响应的氧化峰电位约在0.24 V附近，其对应的氧化峰电流大小为1.27 × 10-5mol･L-1，DA在OMC-PMB / IL修饰电极上响应的氧化峰电位约在0.22 V附近，其对应的氧化峰电流大小约为2.31 × 10-5mol･L-1．从在三种电极上同等浓度DA的氧化电流来看，聚合物材料的引入有利于增加响应电流，提高电化学响应信号，这是由于MB形成的聚合物分子具有三维空间网络结构，增加了电极材料表面活性面积，形成的大分子具有离域π键，有利于电子的传递．

图2 形成OMC-PMB / IL的电聚合CV图

图3 裸电极、OMC-IL和OMC-PMB / IL修饰电极在1 × 10-4mol･L-1DA的PBS溶液中的循环伏安图

2.4 OMC-PMB / IL修饰电极对DA的DPV响应

2.4.1 同一体系中UA、AA、DA的DPV曲线

AA、UA、DA三者氧化峰电位相近，在同一体系中氧化峰易重叠，因此构建能将DA、UA、AA三者峰电位区分开的电化学传感器是有重要意义的．图4是基于OMC-PMB / IL构建的传感器在PBS溶液（pH 6.0）中以及依次加入1 × 10-4mol･L-1UA、2 × 10-4mol･L-1AA、5 × 10-5mol･L-1DA后的差分脉冲伏安（DPV）曲线．比较图4的a曲线和b曲线可见，加入1 × 10-4mol･L-1UA后，UA在约0.32 V附近出现了明显的氧化峰；该体系中继续加入2 × 10-4mol･L-1AA，见曲线c，没有出现的新的氧化峰，且UA的峰电位和峰电流几乎没有变化，说明OMC-PMB / IL对AA没有电化学响应；继续加入5 × 10-5mol･L-1DA后，从曲线d可看出，约在0.20 V出现DA的氧化峰，UA与AA的氧化峰电位和峰电流仅有微弱的变化，说明在同一体系中，较高含量的主要干扰物UA、AA对DA的干扰是微小的，基于OMC-PMB/IL构建的传感器可有效地将DA、UA、AA分开．其中，DA与UA的峰电位差值为120 mV，AA没有电化学响应．

2.4.2 OMC-PMB / IL 修饰电极对DA的定量检测

图5是传感器在不同浓度DA溶液中的DPV叠加图，内插图为DA氧化峰电流ipa与DA浓度c的工作曲线．从内插图可以看出，在7 × 10-7mol･L-1– 2.5 × 10-4mol･L-1范围内，峰电流与浓度呈良好的线性关系，回归方程为ipa(μA) = 0.881 2 + 0.506 9c(μmol･L-1)，相关系数 R = 0.997 5，检测限为4.6 × 10-8mol･L-1．与已报道的几种DA电化学传感器[14]比较，基于OMC-PMB / IL修饰电极构建的电化学传感器对DA的检测具有更宽的线性氛围和更低的检测限．

2.5 干扰实验

为了评价OMC-PMB / IL修饰电极构建的传感器的选择性，本文采用DPV方法检测一些常见干扰物对1 × 10-4mol･L-1DA测定时响应电流的影响，并用相对误差公式RE = (i干扰物+DA-iDA) / iDA计算，i干扰物+DA和iDA分别表示有干扰物存在和无干扰物存在时DA的响应电流值，结果如表 1所示．从表1可知，浓度达到10倍DA的阴离子对测定几乎无干扰，阳离子如Ca2+、Mn2+、Fe3+会对测定产生较小的干扰，这可能是由于金属阳离子的水解会对DA的测定产生影响．对于生物体内常见的生物分子葡萄糖和麦芽糖，高浓度存在的条件下，葡萄糖几乎不干扰，麦芽糖对DA的检测产生的干扰也较小．由此可见，基于OMC-PMB / IL构建的电化学传感器对DA的检测有较好的选择性．

2.6 实际样品的测定

DA在人血清中的含量极低，采用电化学传感器直接测定血清中的DA比较困难，但血清中含有的多种成分有可能对实际测定产生影响，在血清样品中测定DA的回收率具有一定意义，可为日后开发研究DA传感器提供相关的参考依据．本文运用DPV技术，取100 μL血清至10.0 mL pH = 6.0的 PBS溶液中，加入一定浓度的DA，测定的加标回收率在95.3 – 98.8%之间，平均值为97.6%，重复测3次的RSD平均值为2.77%，说明血清中的共存物质对DA的检测影响是较小的．

图4 OMC-PMB/IL修饰电极在PBS (pH 6.0)底液中以及依次加入UA, AA, DA后的差分脉冲伏安曲线

图5 不同浓度DA溶液在OMC-PMB/IL修饰电极上的差分脉冲伏安图(a-k的浓度分别为0.7, 7, 20, 30, 50, 70, 100, 120, 150, 200, 250 μmol･L-1)

表1 共存物质(Coe)对检测1 × 10-4mol･L-1DA的影响

2.7 传感器的重现性和稳定性

使用同一根OMC-PMB / IL修饰电极对1.0 × 10-4的DA溶液连续进行4次平行测定，响应电流的RSD为2.61%，4根不同的OMC-PMB / IL修饰电极测定的RSD为4.98%．结果表明，基于OMC-PMB / IL构建的电化学传感器具有较好的重现性．该传感器不使用时，保存在pH=6.0的K2HPO4/ HA溶液中，避免强光直射．28天后的DPV响应信号为最初电流信号的93.3%，说明该传感器可以长时间保存，具有较好的稳定性．

3 结 论

本文构建了一种新颖的基于OMC-PMB / IL复合物的DA电化学传感器，由于OMC和PMB的协同催化作用，在较高浓度的重要干扰UA和AA的存在下，DA、UA、AA三者的氧化峰可明显区分开．在7 × 10-7– 2.5×10-4mol･L-1范围内，差分脉冲伏安电流与DA浓度成线性关系，检测限为4.6 × 10-8mol･L-1。该传感器具有线性范围宽、检测限低，抗干扰能力强，重现性和稳定性好的优点．

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A Dopamine Electrochemical Sensor Based on Ordered Mesoporous Carbon-poly(methylene blue) / Ionic Liquid

LI Jinping, XIE Lifeng, GUO Chunrui, MIAO Qian
(College of Chemistry and Materials Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035 )

This paper introduces a novel dopamine (DA) Electrochemical sensor based on ordered mesoporous carbon-poly(methylene blue) / ionic liquid composites (OMC-PMB / IL) built by ultrasonic technique and cyclic voltammetry. Despite in presence of higher concentration of uric acid and ascorbic acid, the sensor tends to realize the electrochemical detection of DA. By differential-pulse voltammetry, the current of DA is linear with its concentration in the range of 7×10-7– 2.5×10-4mol･L–1. Further more, the sensor owns such advantages as wide linear range, low detection limit, strong anti-interference ability, good reproducibility and stability.

Ordered Mesoporous Carbon; Polymethylene Blue; Ionic Liquid; Dopamine; Electrochemical Sensor

O657.1

A

1674-3563(2015)04-0033-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.04.006 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2015-03-23

浙江省公益性技术应用研究项目(2012C37010)；温州市公益性科技计划项目(S20140017)

李金萍(1989- )，女，山东威海人，硕士研究生，研究方向：电化学传感器．† 通讯作者，miaoqian@ wzu.edu.cn