纳米Cu2O/氮掺杂石墨烯复合修饰电极对多巴胺的电化学分析研究

梁秀丽， 吴芳辉*， 江彬彬， 徐 帆， 刘飞跃， 黄晓洁

(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002)

多巴胺(DA)是一种神经递质，它对于中枢神经、内分泌系统、肾脏和心血管系统发挥正常功能具有重要作用，因此，DA的测定在生物化学、生命科学、疾病诊断和药物控制等方面具有重要的意义[1]。目前已报道了多种化学修饰电极用于测定DA，较为常见有导电聚合物[2]、金属化合物[3]、生物活性分子[4]以及碳纳米管[5]等。近年来，具有特殊性能的石墨烯成为研究的热点，而氮掺杂石墨烯相对于石墨烯具有更大的比表面积、更大的活性基团、更好的水溶性以及更佳的导电性和生物相容性[6,7]。纳米Cu2O现被广泛用于太阳能电池、光催化降解和传感器等领域[8-14]。但有关纳米Cu2O和氮掺杂石墨烯复合材料制作修饰电极，用于检测生物和药物分子的报道极少。

本文采用简单的化学还原法将Cu2O纳米颗粒均匀的负载在氮掺杂石墨烯(NG)表面，同时将能减少表面负电荷活性大分子干扰的Nafion[15]修饰至玻碳电极(GCE)上，并研究了DA在该修饰电极上的电化学行为。结果表明，该复合物修饰电极由于增大了氧化还原峰电流，降低了氧化还原峰之间的电位差而对DA表现出良好的催化活性。催化电流与DA浓度在一定范围内呈良好的线性关系，线性范围比文献分别报道的杯芳烃[16]和聚合物[17]修饰电极测定DA的宽，检测限低，并且等量的抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)和其它常见的共存物质不干扰测定。纳米Cu2O/NG复合材料由于发挥了协同作用而在生物和药物电化学分析领域具有潜在应用价值。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

CHI660C电化学工作站(上海辰华仪器公司)，采用三电极体系：GCE(Φ=3 mm)、Cu2O/NG/Nafion/GCE为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极；S-4800型扫描电子显微镜(SEM)(日本，日立公司)；XRD-6000 X-射线粉末衍射仪(日本，岛津公司)；X-射线光电子能谱分析(XPS)(Thermo ESCALAB 250XI,美国)。

多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)标准品，均购于百灵威科技有限公司。氮掺杂石墨烯(3%～5%，wt%)购于南京先丰纳米材料科技有限公司。其它试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

1.2 纳米Cu2O/NG复合材料的制备

称取 4 mg NG 于4 mL水中并超声使其分散均匀，吸取1.2 mL 0.05 mol/L CuCl2溶液缓慢加入上述NG分散液中，持续搅拌2 h，再加入1.8 mL 0.2 mol/L NaOH溶液并搅拌10 min。最后加入5 mL 0.023 L-抗坏血酸并搅拌2 h。反应所得到的沉淀物用离心机分离，并用水和无水乙醇洗至中性后，将沉积物于真空干燥箱中干燥12 h。

1.3 修饰电极的制备

称取 4 mg纳米Cu2O/NG复合材料，加入2 mL含0.05% Nafion 的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，超声震荡1 h，形成浓度为2 mg/mL的稳定、均一的Cu2O/NG/Nafion分散液。将GCE依次放在HNO3(1+1)、丙酮和无水乙醇中各超声洗涤3 min，然后用0.05 μm的Al2O3粉抛光成镜面。最后在GCE表面滴加6 μL 制备好的纳米Cu2O/NG复合材料悬浮液，于真空下自然晾干，即制得纳米Cu2O/NG/Nafion复合材料修饰电极。

2 结果与讨论

2.1 纳米Cu2O/NG复合材料的表征

利用X-射线粉末衍射(XRD)对制备的纳米Cu2O/NG复合材料进行表征，如图1A所示。根据Cu2O的标准图谱，其2θ角分别为29.65°、36.43°、42.49°、61.40°和73.53°的特征峰分别对应Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面的衍射。将该XRD衍射图与标准图库(JCPDS No.05-0667)中对比后发现样品中没有掺杂其它的杂质，表明合成的纳米Cu2O/NG复合材料的纯度较高。

采用SEM分别对纳米Cu2O负载NG材料前后的形貌进行了表征，如图1B所示。负载前纳米Cu2O呈颗粒状，粒径约为50 nm。从图1C中可以看出，纳米Cu2O已经均匀的负载在NG的表面。

图1 (A)纳米Cu2O和纳米Cu2O/NG复合材料的XRD图;(B)、(C)纳米Cu2O和纳米Cu2O/NG复合材料的SEM图Fig.1 (A)XRD image of nano Cu2O and nano Cu2O/NG composite material；(B) and (C)SEM image of nano Cu2O and nano Cu2O/NG composite material,respectively

2.2 多巴胺在不同修饰电极上的循环伏安响应

在0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，不同修饰电极在含0.5 mmol/L DA或不含DA溶液中的循环伏安图如图2所示。在空白底液中，因为修饰了纳米复合材料，Cu2O/NG/Nafion/GCE相对于Cu2O/Nafion/GCE、NG/Nafion/GCE和GCE具有更大的背景电流，而且修饰有纳米Cu2O的电极在-0.2 V左右有一对准可逆的氧化还原峰，对应着Cu2O氧化成CuO，继而CuO又还原成Cu2O，表明纳米Cu2O材料已经成功修饰到GCE表面[18]。在体系中加入0.5 mmol/L DA溶液后，修饰电极均对其响应并出现了一对氧化还原峰。经过比较可知，裸GCE(图2A)对DA响应电流最小，响应电位偏正，一对准可逆的氧化还原峰峰形较差，而且峰电位差最大。NG/Nafion/GCE(图2B)、Cu2O/Nafion/GCE(图2C)和Cu2O/NG/Nafion/GCE(图2D)相对于裸GCE具有更大的响应电流(氧化峰电流分别增大了2.9、1.7和6.3倍)，响应电位明显负移，峰电位差分别减小了105、38和115 mV。表明Cu2O/NG/Nafion/GCE因为发挥了纳米Cu2O和NG之间的协同作用，从而对DA表现出最高的催化活性。

图2 不同电极在含和不含0.5 mmol/L DA的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中的循环伏安图Fig.2 Cyclic voltammograms of different electrodes in the presence and absence of 0.5 mmol/L DA in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) GCE(A),NG/Nafion/GCE(B),Cu2O/Nafion/GCE(C)and Cu2O/NG/Nafion/GCE(D).

2.3 测定条件的优化

2.3.1介质pH值的影响研究了pH在5.0至8.5之间缓冲介质的pH值对复合修饰电极测定DA的影响(图略)，结果发现在pH为7.0的0.1 mol/L PBS中氧化还原峰峰形最好，峰电流最大。在上述pH范围内，氧化还原峰电位均随pH值的增大呈线性降低，氧化峰电位与pH之间的线性方程为：Ep=-0.066pH+0.657，r=0.9912。表明DA是等电子等质子参与电极反应，这与文献报道[19]一致。实验选择pH为7.0的接近人体生理环境的PBS(0.1 mol/L)作为缓冲介质。

2.3.2修饰剂用量的影响研究了修饰剂用量在2～10 μL范围内对复合修饰电极测定DA的影响，结果表明修饰剂用量在小于6 μL时，催化电流随着修饰剂用量的增大而增大，但是超过6 μL后，由于电阻增大，催化电流反而降低，所以选择6 μL作为修饰剂的最佳用量。

2.3.3扫描速度的影响在0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，扫速在50～400 mV/s范围，0.5 mmol/L DA在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的循环伏安图如图3A所示。结果表明，修饰电极对DA的催化电流随着扫速的增加而增加，且DA的氧化峰电流(Ipa)和还原峰电流(ipc)与扫速(v)在50～400 mV/s之间存在良好的线性关系，线性方程为：ipa(μA)=-4.2557-0.0428v(mV/s)，R=0.9984;ipc(μA)=0.6335+0.0570v(mV/s)，R=0.9984(图3B)。表明DA在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的反应受吸附过程控制。后续实验选择扫速为50 mV/s。

图3 (A)扫速对0.5 mmol/L DA氧化还原电流的影响;(B)DA的氧化还原峰电流与扫速之间的关系图Fig.3 (A) The effect of scan rate on the peak current of 0.5 mmol/L DA;(B) Calibration curve between catalytic current and scan rate(a)-(i):50,75,100,150,200,250,300,350,400 mV/s.

2.4 修饰电极对多巴胺的安培响应

在最佳实验条件下，采用计时电流法在0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，于工作电位为+0.19 V连续测定不同浓度的DA，如图4A所示。可以看出，修饰电极在加入0.1 mmol/L DA时其催化电流于2 s内达到稳定值，表明对DA响应速度较快。该修饰电极对DA催化响应电流及其浓度之间的校正曲线如图4B所示，其催化电流与浓度在0.5～700 μmol/L范围内呈良好的线性关系，线性方程为：ip(μA)=1.7309+0.1998c(μmol/L)，r=0.9943，检测限为0.17 μmol/L。

图4 (A)Cu2O/NG/Nafion/GCE对不同浓度DA溶液的安培响应图(插图为Cu2O/NG/Nafion/GCE对低浓度多巴胺溶液的安培响应图)；(B)Cu2O/NG/Nafion/GCE对DA响应的线性曲线图Fig.4 (A)Chronoamperometry of different concentrations of DA at Cu2O/NG/Nafion modified electrode (inset is Chronoamperometry of low-concentration DA at Cu2O/NG/Nafion modified electrode);(B)Calibration curve between current and DA concentration

图5 0.5 mmol/L DA(a)、AA(b)和UA(c)在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的循环伏安图Fig.5 Cyclic voltammograms of 0.5 mmol/L DA(a),AA (b)and UA (c) at Cu2O/NG/Nafion/GCE

2.5 干扰实验、重现性及稳定性

分别研究了抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)在Cu2O/NG/Nafion/GCE上的循环伏安行为，如图5 A所示。结果表明，0.5 mmol的AA在复合修饰电极上没有响应(曲线b)，而加入0.5 mmol/L的UA时，修饰电极于+0.303 V出现了UA的氧化峰(曲线c)，并且与DA的氧化峰电位差为130 mV，等量的 AA和UA对DA的测定几乎没有影响。同时研究了体系中其它可能的共存物质对Cu2O/NG/Nafion复合修饰电极的干扰。在0.5 mmol/L的DA溶液中加入100倍的NaCl、KCl、CuSO4；10倍的AlCl3、柠檬酸、L-组氨酸、MnSO4、CoSO4；5倍的葡萄糖对测定几乎无影响，表明该修饰电极有很好的选择性。运用该修饰电极对0.5 mmol/的DA平行测定10次，相对标准偏差(RSD)为4.20%，表明该修饰电极具有良好的重现性。该修饰电极在4 ℃下保存一个星期并运用计时电流法测定0.5 mmol/L的DA，其氧化电流仍能达到原始电流的93.0%，表明该修饰电极具有良好的稳定性。

2.6 样品分析

准确移取盐酸多巴胺注射液1.0 mL并定容至100 mL容量瓶中，然后移取l.0 mL稀释液，置于另一10 mL容量瓶中，用pH=7.0的0.1 mol/L PBS稀释至刻度，按以上实验方法测定。向上述样品中各加入10 μL 5 g/L的DA标准溶液，测得的结果见表1。

表1 多巴胺注射液的测定结果(n=6)

3 结论

本文采用简单的化学还原法制备了纳米Cu2O/NG复合纳米材料，并用X射线粉末衍射、扫描电子显微镜对其进行了表征。将这两种材料添加Nafion制作成复合修饰电极，并研究了DA在该修饰电极上的电化学响应。实验结果表明，与各自单一纳米材料修饰电极相比，该复合材料修饰电极由于发挥了纳米Cu2O和氮掺杂石墨烯之间的协同作用，从而对DA表现出显著的电催化活性，等量的AA和UA对DA的测定几乎没有影响，并且测定的稳定性和重复性较好，表明纳米Cu2O/氮掺杂石墨烯复合材料可用于实际药物中活性成分的电化学检测。