多壁碳纳米管沉积膜电极的制备与多巴胺检测

朱元海，张志凌

（1.东北石油大学 化学化工学院，黑龙江 大庆 163318；2.武汉大学 化学与分子科学学院，湖北 武汉 430072）

多壁碳纳米管沉积膜电极的制备与多巴胺检测

朱元海1*，张志凌2

（1.东北石油大学 化学化工学院，黑龙江 大庆 163318；2.武汉大学 化学与分子科学学院，湖北 武汉 430072）

采通过剪裁和羧基化成功制备了水溶性多壁碳纳米管并采用恒电位沉积法将其修饰到电极表面。用扫描电镜，拉曼光谱，电化学方法对修饰电极进行了表征。这种方法制备的电极具有很好的机械强度，性能稳定，对多巴胺反应非常灵敏。在5×10-8～2×10-6mol·L-1的范围内氧化电流与多巴胺的浓度成正比，2min富集后的检测限可达3×10-9mol·L-1。

碳纳米管；电化学沉积；拉曼光谱；多巴胺检测

多巴胺（DA）是人体内一种重要的神经传递物质，它参与许多生命过程[1]。脑内多巴胺功能失调被认为是精神分裂症和帕金森病的重要原因[2]。因此，体内多巴胺的浓度的快速、灵敏检测十分重要。

自碳纳米管（CNTs）被发现以来，其独特的结构、良好的机械强度、大的比表面积、优异的导电性能和化学稳定性等引起了广泛的关注[3]。用碳纳米管构建电化学生物传感器在响应电流、响应时间和检测线性范围等均得到明显的改善[4]。

碳纳米管修饰电极检测多巴胺国内已有不少报道[5-9]。目前，修饰电极多采用滴涂法制备，机械强度往往不太好。本文研究用电沉积法制备碳纳米管修饰电极及其对多巴胺的检测。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

CHI660A电化学工作站（美国CHI公司）；三极系统：工作电极为玻碳电极（r=3mm）、参比电极为饱和甘汞电极（SCE）、铂丝为对电极。透射电镜（TEM）图像是把样品支撑在铜载网）（φ=150μm）上用80kV加速电压在 JEM-100 CXⅡ（日本）电子显微镜拍摄。扫描电镜图像（SEM）在Hitachi X-650显微镜上完成。多壁碳纳米管修饰膜的拉曼光谱在拉曼光谱仪）Renishaw,RM-1000,514.5nm,UK）上直接记录，输出功率限制在2.25mW以防止损伤碳纳米管。

多壁碳纳米管（MWCNTs）是中国科学院成都有机化学研究所提供，由化学气相沉积法合成，直径5～15nm，长度小于50μm，纯度优于95%；多巴胺购自Sigma公司，直接应用无需进一步纯化；所有水溶液都用去离子水制备，其它所用化学试剂都是分析纯。

1.2 MCNTs的剪裁和羧基化

将 500mg获赠的 MCNTs放入 100mL，2.0M HNO3回流12h，用二次蒸馏水反复洗涤纯化，干燥备用。

200mg上述纯化的MCNTs放入50mL比例为1:3浓硝酸和浓硫酸的混合液中，室温下超声3h。这样处理的目的在于使MCNTs被剪切成小段，MCNTs表面部分碳原子被氧化成羧基。将MCNTs和酸的混合物稀释，用二次蒸馏水反复洗涤，然后0.1M NaOH中和，再用去离子水反复抽滤，彻底纯化。最后将得到的羧基化MCNTs收集保持80℃干燥过夜。

1.3 MCNTs稀溶液的制备

将1.5mg上述处理过的MCNTs加入3mL去离子水，超声0.5h的相对稳定的黑色悬浮液。该悬浮液静置数日无沉淀生成，证明水溶性MCNTs制备成功。

任何多余电解质的混入都会压缩羧基化MCNTs的扩散层降低其稳定性，特别是过量酸中的H+离子能有效降低表面电离度引起MCNTs团聚和沉降。羧基化MCNTs的纯净是电沉积实验成败的关键，因此要对MCNTs试样进行反复洗涤以确保清洁干净。

由于CNTs间强大的范德华力无法将其直接制成溶液特别是水溶液使其应用受到了极大的限制。迄今这方面已获得了很多进展，人们已经可以通过表面活性剂[10]，聚合物[11]或对纳米管表面进行化学修饰[12]将碳纳米管分散到溶液中。Smalley课题组最早通过剪裁和羧基化成功制备了具有水溶性单壁碳纳米管（SCNTs）[13]。

1.4 电沉积法制备MCNTs修饰膜

电沉积法制备MCNTs修饰膜之前要对玻碳电极用粒径分别为1.0μm,0.3μm and 0.05μm Al2O2浆状体进行抛光，冲洗，然后在去离子水中超声3min。将5mL的小烧杯装入3mL浓度为0.5mg·mL-1的功能化MCNTs悬浮液，插入三级系统，将工作电极初始电位设定在+1.7V开始恒电位沉积。实验过程中使用磁力搅拌器不断搅拌悬浮液。大约1.5h以后电极表面生成一层MCNTs薄膜，因时间长短和膜的厚度不同呈现光亮的黑色或深棕色。

2 结果与讨论

2.1 MCNTs溶液的透射电镜图像

剪裁和羧基化的MCNTs的纯度和形貌用透射电镜）TEM）考查（图 1）。

图1 MCNTs的透射电镜图像Fig.1 TEM image of as-treated MCNTs

从图1可以看出看出处理后的MCNTs已非常纯净，在水溶液中分散良好，不再纠缠在一块；剪裁后的纳米管已经变短，平均直径约为8～15nm。

带负电MCNTs粒子间的库伦排斥作用是悬浮体稳定的主要原因。中和后的羧基化MCNTs基团由-COOH转变为 -COO-Na+，后者在水中完全电离，显著的提升了羧基化MCNTs的稳定性和溶解性。

2.2 MCNTs沉积膜的扫描电镜图像

沉积膜的质量，厚度和均匀性用扫描电镜（SEM）表征（图 2）。

图2 MCNTs沉积膜的扫描电镜图像Fig.2 SEM images of deposition film on GCE surface

从图2看出，多数沉积的MCNTs不是平躺在电极表面，它们倾向于弓起，扎堆生长，卷曲的外形显示MCNTs存在结构缺陷[14]。表面张力，纳米管间的范德华引力和纳米管与电极表面间的吸附作用都能够扭曲MCNTs。MCNTs在电极表面簇状外形说明它们优先聚集在已经吸附纳米管的点位，这归因于MCNTs大的比表面积和碳纳米管上羧基和其它氧化基团间的氢键作用。从微观上看沉积膜是不均匀的，但宏观上看仍然均匀。

用作修饰电极的MCNTs主要应用其电催化功能，MCNTs表面缺陷和断裂处都可能成为催化活性中心，所以适当的剪裁和羧基化是有利的。

2.3 MCNTs沉积膜的拉曼光谱

拉曼光谱普遍用于表征碳材料，图2是电极表面拉曼光谱图像。1585cm-1（G峰）是石墨的典型振动带，可以指认为MCNTs层状结构的面内伸缩振动[15]。1350 cm-1是（D峰）石墨内位错结构缺陷引起，也是结构缺陷程度的反映[16]。图3b说明MCNTs已经沉积到电极表面，而且氧化后的MCNTs具有很高程度的结构缺陷。

图3 a剪裁和羧基化后的MCNTs拉曼光谱;b沉积膜的拉曼光谱Fig.3 （a）Raman spectra ofMCNTs after oxidized treatment（b）Raman spectra ofMCNTs film on GCE surface

2.4 MCNTs沉积膜的伏安行为

将处于高电势下的沉积膜电极放入pH值为6.0的磷酸缓冲溶液（PBS）中在-0.5V的电势下静置10m in使处于氧化态的MCNTs彻底还原，接着反复扫描直到电极逐步稳定下来。选择扫描速率0.1Vs-1，扫描电势-0.3V、-0.9V，在pH值为6.0的PBS中扫描7圈，电极第二圈即开始稳定（图4）。在0.089V和-0.071V处出现的一对氧化还原峰是碳纳米管的一对征氧化还原峰峰。当电势高于0.8V低于-0.2V时MWNTs沉积膜的背景电流迅速增大，这可能是极端电势引起了双电层结构改变增大了充电电流的缘故。实验完毕后将修饰电极取出用二次蒸馏水冲洗在空气中放置过夜，峰电流和峰电势基本不变，说明MWNTs沉积膜电极稳定性良好。

图4 沉积膜修饰电极的循环伏安图Fig.4 Cyclic voltammograms ofMWNT film on GCE

2.5 MCNTs沉积膜电极检测多巴胺

碳纳米管修饰电极对很多生物分子都有催化活性。本文以人体内重要的神经递质多巴胺（DA）为例说明MCNTs沉积膜电极可作为一个很好的生物传感器。

在0.1molL-1PBS（pH=7）中，浓度为3×10-6mol·L-1DA在未修饰的裸电极上几乎没有相应；而在MCNTs沉积膜电极上出现一对明显的氧化还原峰（图5）。显然MCNTs沉积膜电极对DA的电极反应有明显的催化效应。DA电极反应的氧化还原峰电势差约28mV，可以判断是一个准可逆双电子转移过程[17]。

图5 3×10-6mol L-1DA在裸电极和修饰电极循环伏安图比较（虚线为背景电流，扫描速率0.1Vs-1）Fig.5 Cyclic voltammogramms at a bare（inner）and modified GCE（outer） in the absence of DA（dashed lines） and in3×10-6mol L-1DA（solid line）.Scan rate:0.1Vs-1

在0.1mol L-1PBS中用循环伏安法测量了pH值从5.5到9.5的氧化峰电势。结果显示随着pH值的增加氧化还原峰电势直线下降，斜率55.1mV/pH。这一数值与理论值59mV/pH）22℃）非常接近，说明DA电极反应的电子转移数与参与反应的质子数一样多。多巴胺的电极反应过程可表示为：

在0.1～0.7Vs-1范围内测量阳极电流和阴极电流与扫描速率的关系，发现它们皆与扫描速率的平方根成正比。这个结果表明DA的氧化过程和还原过程皆是扩散控制。

将电位设定在1.8V，DA的浓度增量1×10-7mol·L-1，在pH=7.0的PBS中进行计时电流实验（图6）。可以看出修饰电极对连续浓度变化非常敏感，响应快速。

图6 MWNTs沉积膜电极对DA的电流响应Fig.6 Amperometric responses of the deposited MCNT film modified GCE to successive additions of DA

用伏安法研究DA氧化峰电流与酸度关系，结果表明在pH值为7附近达到最大，是测量DA的最佳酸度。这个结果可以做如下解释：参照乙酸中羧基的p Ka=4.75，估计碳纳米管上的羧基在pH值大于4.75时主要以阴离子形式存在，在pH值为7左右完全以阴离子形式存在[18]。多巴胺的两个酚羟基很容易通过氢键电离的羧基阴离子结合，形成有利于氧化的方位。而pH过高是不利的，它不仅不能继续提升电极表面的负电性，反而使DA中酸性较强的酚羟基电离带上负电，不利于表面吸附和氧化。

图7 氧化电流与DA浓度的关系（pH=7 PBS中）Fig.7 Dependence of the anodic peak currents on the DA concentration in a range of 5×10-8～2×10-6mol·L-1

开路富集 60s，在 5×10-8mol L-1～2×10-6mol L-1浓度范围内阳极峰电流与DA的浓度成线性关系（图 7），灵敏度约 3μA/μmol·L-1。增加膜的厚度可以提高修饰电极的灵敏度，但对低浓度检测不利的背景电流同样增加。为了保持较高的灵敏度和较低的检测限，实验表明背景电流最好不要超过10μA。

在去离子水中超声15m in阳极峰电流下降约30%，MWNTs沉积膜电极显示很好的机械强度和稳定性。在PBS中对浓度为3×10-6mol L-1DA连续测定7次的标准偏差仅为2.1%，富集2min后的检测限可达 3×10-9mol·L-1。

DA浓度为10-6mol·L-1时，加入100的葡萄糖和尿素不干扰测定，常见的无机离子Na+，K+，NH4+，等对测定均无影响。

3 结论

MWNTs沉积膜修饰电极由于制备方法无需借助于表面活性剂或聚合物，提供了更多的活性点位，显著的增加了测量灵敏度。这种方法制备的电极同样显示了突出的稳定性，重现性，相应快，检测限低等优点。

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Preparation ofmulti-wall carbon nanotubemodified electrode and its sensitive detection of dopam ine

ZHU Yuan-hai1，ZHANG Zhi-ling2
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering,North East Petroleum University,Daqing,163318，China；2.College of Chemistry and Molecular Science,Wuhan University,Wuhan 430072 China）

With concentrated nitric and sulphuricmixture carboxylated and water-soluble MCNTswas prepared successfully.A multi-wall carbon nanotube-modified glassy carbon wasmade by direct electrochemical deposition of the carbon nanotubes on it from aqueous solution.The MWNTs thin film was characterized by scanning electron microscopy,Raman spectroscopy and electrochemical techniques.The as-prepared MWNTmodified electrode is robust,stable and exhibits remarkable sensitive to dopamine.In the range of 5×10-8～2×10-6mol·L-1,the anodic peak current increases linearly with the concentration of dopamine,and the detection limit can reach 3×10-9mol·L-1after 180s of accumulation.

scarbon nanotubes;electrochemical deposition;Raman spectroscopy;detection of dopamine

O657.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170480

2017-01-17

朱元海（1963-），男，硕士，教授，1990年毕业于武汉大学，从事物理化学与分析化学方面的教学与研究工作。