金纳米粒子-石墨烯修饰玻碳电极的制备及对多巴胺、抗坏血酸和尿酸的同时检测

范建凤， 崔 燕， 王庆红， 杨 红

(忻州师范学院化学系，山西忻州 034000)

多巴胺(DA)是广泛分布在哺乳动物大脑中枢神经系统中的神经递质，在中枢神经系统、肾脏和心脑血管中发挥重要作用[1]。体内DA水平低下会导致神经紊乱，易患精神分裂症、帕金森症等。尿酸(UA)和其它羟基嘌呤一样是人体嘌呤代谢的产物，体液中UA含量过高是许多疾病的征兆，如痛风症、高血尿、心血管疾病等[2，3]。抗坏血酸(AA)又称维生素C，是人类和动物体内一种重要的水溶性维生素，它参与生物体内的新陈代谢等诸多生命活动，通常用来预防和治疗感冒、精神疾病、不孕、癌症和艾滋病等[4]，也常被用作抗氧化剂 。鉴于DA、UA和AA在人体健康中所起的重要作用，有必要研究灵敏度高、选择性好的方法来对三者进行同时测定，或在三者中其它两种物质存在时选择性地检测其中一种。由于DA、UA和AA三者都具有电活性，人们试图采用电化学方法进行检测，但是在裸电极上，它们的氧化不仅需要较高的过电位，而且氧化峰电位重叠，所以很难用裸电极将其三者分离。因此，制备高选择性、高灵敏度的修饰电极对DA、UA和AA的同时测定，以及在其他两种共存时选择性地检测其中的一种成为许多电分析工作者不断追求的目标[5 - 10]。

近年来，石墨烯-贵金属纳米粒子复合材料修饰电极被广泛应用[11]。石墨烯独特的纳米结构、超大的比表面积、优良的机械性能、良好的导电性等特性与贵金属的催化特性结合到一起，诸多研究者已经将它们应用于检测DA、UA、AA、H2O2[12]、葡萄糖[12]、三硝基苯胺(TNT)等。本实验结合石墨烯与金纳米粒子良好的电化学特性，制备了金纳米粒子-石墨烯复合物修饰电极,其具有灵敏度高、选择性好等优点。实验证明，该修饰电极对DA、AA和UA 的氧化具有良好的催化作用，三者同时存在时能够将其氧化峰有效地分离,实现三者在该修饰电极上的同时检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

电化学工作站 (武汉高仕睿联科技有限公司)；S4800型扫描电子显微镜(SEM)(日本，日立公司)；KQ3200DB型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；pHS-3B型精密pH计(上海精密科学仪器有限公司)。

氯金酸，柠檬酸三钠，氯化钾， 磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，磷酸，N,N-二甲基甲酰胺，无水乙醇，盐酸多巴胺，抗坏血酸，尿酸，以上试剂均为分析纯。实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1金胶的制备参照文献方法[13]制备。

1.2.2修饰电极的制备将玻碳电极(GCE)用Al2O3悬浊液抛光成镜面，依次用超纯水、无水乙醇、丙酮超声清洗备用。取10 μL已制得的金胶滴涂在玻碳电极镜面，自然晾干，即得纳米金修饰电极(Au/GCE)。 0.1 mg膨胀石墨分散在1 mL金胶和1.5 mL N,N-二甲基甲酰胺的混合液中，超声分散30 min，取其10 μL滴涂在玻碳电极镜面，自然晾干。以此电极为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝为对电极，电解液为4.54 mmol/L的氯金酸溶液，采用恒电位沉积法在电位0.5 V下电沉积4 min，即得金纳米粒子-石墨烯复合材料修饰电极(Au-Graphene/GCE)[14]。

1.2.3电化学性能测试分别以裸GCE、Au/GCE、Au-Graphene/GCE为工作电极，SCE为参比电极，铂丝为对电极，组成三电极体系。电解液为0.1 mol/L KCl、0.06 mol/L磷酸盐缓冲液(PBS)、一定浓度的DA、UA或AA的混合液，进行电化学性能测试。

2 结果与讨论

2.1 金纳米粒子/石墨烯复合材料的扫描电镜图

图1(a)为膨胀石墨、金胶和 N,N-二甲基甲酰胺混合超声后，金纳米粒子插入石墨烯片的扫描电镜(SEM)图。由图可以看出，金纳米粒子插入石墨层中，分布在石墨烯片层上。图1(b)为电沉积后的SEM，可知在电沉积过程中，金纳米粒子体积增大，形成的花状纳米金粒子均匀地分散在石墨烯表面，将石墨烯片撑开，形成折皱，金纳米粒子与石墨烯层层组装，有利于电子的传递。

2.2 不同电极上DA、AA、UA的电化学行为

图1 电沉积前(a)和电沉积后(b)金纳米粒子-石墨烯复合材料的扫描电镜(SEM)图

图2 DA(a)、AA(b)和UA(c)在裸GCE(1)、Au/GCE(2)和Au-Graphene/GCE(3)上的循环伏安图

图2显示了DA、AA、和UA 在不同电极上的电化学行为。由图2(a)可见，DA在裸GCE上氧化还原峰不明显(曲线1)，在修饰电极上均有一对氧化还原峰(曲线2、3)。在Au-Graphene/GCE上的氧化还原峰电流最大,峰电位差最小，可逆性好。这是由于石墨烯传递电子能力强，有利于DA在该电极上的电子传递。由图2(b)可见， AA 在裸GCE上(曲线1)的氧化峰峰形较差，在Au/GCE(曲线2)和Au-Graphene/GCE(曲线3)氧化峰峰形好，并且Au-Graphene/GCE氧化峰电流大。而由图2(c)可见，UA在裸GCE上(曲线1)几乎没有氧化峰，在Au/GCE(曲线2)氧化峰电流小、峰形差，而Au-Graphene/GCE(曲线3)氧化峰峰形好、氧化峰电流大。同样能说明Au/GCE虽然有催化氧化的作用，但传递电子能力没有Au-Graphene/GCE强，显示出石墨烯超大的比表面积和良好的导电性能。

2.3 DA、AA和 UA 同时存在时不同电极上的电化学行为研究

图3 DA、AA、UA混合液在裸GCE(1)、Au/GCE(2)和Au-Graphene/GCE(3)上的循环伏安图

DA、 AA 和 UA 三者同时存在时，裸GCE和不同修饰电极对三者的氧化及分离情况如图3所示。从图中可以看出，在裸GCE和Au/GCE上只有一个重叠的宽峰，这是因为在这两种电极上三种物质的氧化电位很接近，无法将三者分离。在Au-Graphene/GCE上，DA、AA、UA的氧化峰电位分别为425 mV、273 mV、586 mV处，AA-DA、 DA-UA、 AA-UA的氧化峰电位差分别为152 mV、161 mV和313 mV，石墨烯有良好的电子传递特性也有利于 DA在氧化过程中电子的转移，从而得到一个较强的 DA氧化峰。因此该修饰电极既可以对它们进行同时测定，也可以在其它两种物质共存的情况下选择性地检测其中的一种或几种。

2.4 同时测定DA、AA、UA混合物的条件选择

2.4.1支持电解质对DA、AA、UA电化学行为的影响考察不同支持电解质对DA、AA和UA在修饰电极上的电化学行为的影响。分别试验了NaH2PO4-Na2HPO4、HAc-NaAc作为支持电解质，结果表明三种目标物在不同的电解质中均可以分离。但是选用NaH2PO4-Na2HPO4作为支持电解质时峰形最好，峰电流最大，所以本实验选用NaH2PO4-Na2HPO4作为支持电解质。

2.4.2扫描速率对DA、AA、UA电化学行为的影响扫描速率对三种目标物同时测定也有影响，扫描速率低时，灵敏度低，且AA的峰变宽，影响分离效果，随着扫速增加，DA、AA和UA 氧化峰电位均略有正移。实验结果表明，当扫描速率为200 mV/s时，不仅有较高的灵敏度，且分离效果好。本实验同时测定时选择扫描速率为200 mV/s。

2.4.3pH值对DA、AA、UA电化学行为的影响测量底液的pH对DA、AA和UA的分离效果有很大的影响。DA、AA、和UA 的氧化峰电位随溶液pH增加负移，表明三者的电化学氧化均有质子参与。考虑到测定灵敏度和分离效果，pH对DA、AA和UA 电化学行为的影响以及生理pH环境，本文采用pH为3.41的磷酸盐缓冲溶液(PBS)为同时测定的测量底液。

2.5 DA、AA、UA的工作曲线、检出限

固定AA、UA浓度分别为10-2mol/L、10-3mol/L，在0.425 V，于搅拌条件下连续依次注入10 μL 10-3mol/L，5 μL 10-2mol/L及10、20、30、40、50、60、80 μL(10-1mol/L)DA，做计时电流曲线，DA浓度在1.996×10-6～5.478×10-3mol/L范围内，响应峰电流(Ipa) 与DA浓度(c) 成线性关系。线性方程为：Ipa(μA)=17.405c(mmol/L)+130.17，相关系数R=0.9972，检出限为1.030×10-7mol/L。

固定DA、UA浓度分别为10-3mol/L，在0.273 V，于搅拌条件下连续依次注入10 μL-2mol/L及5、10、20、30、40、50、60、80 μL(10-1mol/L)的AA，做计时电流曲线，AA浓度在1.996×10-5～5.580×10-3mol/L范围内，响应峰电流(Ipa)与AA浓度(c)成线性关系。线性方程为：Ipa(μA)=25.166c(mmol/L)+28.310，相关系数R=0.9967，检出限为1.200×10-5mol/L。

固定DA、AA浓度分别为10-3mol/L、10-2mol/L，在0.586 V，于搅拌条件下连续依次注入10 μL 10-3mol/L，5 μL 10-2mol/L及10、20、30、40、50、60、80 μL(10-1mol/L)UA，做计时电流曲线，UA浓度在1.000×10-6～1.000×10-3mol/L范围内，响应峰电流(Ipa)与UA浓度(c)成线性关系。线性方程为：Ipa(μA)=-28.495c(mmol/L)-55.999，相关系数R=0.9970，检出限为4.100×10-7mol/L。

2.6 电极稳定性、共存物质的干扰及样品分析

2.6.1电极稳定性实验DA、AA、UA在同一支Au-Graphene/GCE上平行测定5次，其相对标准偏差(RSD)分别为1.51%、1.83%和0.88%。每次测定后在空白PBS中循环伏安扫描即可恢复电极活性。

2.6.3样品分析用标准加入法分别对模拟样品和实际尿样进行循环伏安扫描测定，结果列于表1。表中原含量值的测定：体系为1 mL 1 mol/L KCl溶液，6 mL 0.1 mol/L PBS，固定两种样品浓度不变，加入要测定物质的未知浓度样品或尿样，均为1 mL，在上述最佳实验条件下扫描，记录峰电流值，代入线性方程计算出原含量值浓度。测得值的测定：体系为1 mL 1 mol/L KCl溶液，5 mL 0.1 mol/L PBS，固定两种样品浓度不变，分别加入要测定物质原含量或尿样及加标量，均为1 mL，在最佳实验条件下扫描，记录峰电流值，代入线性方程计算出测得值浓度。得出模拟样品的回收率在99.8%～105.0%之间，实际尿样的回收率在96.0%～98.4%之间。

表1 样品测定结果

3 结论

本文结合石墨烯的导电性、金纳米粒子的电化学催化特性,制备了Au-Graphene/GCE。该修饰电极对DA、AA、和UA的氧化具有良好的催化作用，用于DA、AA、和UA的检测,线性范围宽、检出限低。在三者共存体系中,该修饰电极能实现三者氧化峰的完全分离，可用于三者的同时检测。此外，该修饰电极抗干扰能力强、稳定性好，有望用于实际样品的测定。