基于温度敏感聚合物PMEO2MA和GO复合纳米材料修饰传感膜测定肾上腺素

2021-04-24王晨曦赵鹏程彭天英

湖南城市学院学报(自然科学版) 2021年2期

陈超，陈思，王晨曦，赵鹏程，彭天英

(1. 湖南城市学院材料与化学工程学院，湖南益阳 413000；2. 湘潭医卫职业技术学院，湖南湘潭 411100；3. 湘潭大学化学学院，湖南湘潭 411100)

肾上腺素(AD)是一种由肾腺释放的儿茶酚胺和肾上腺皮质激素.它被认为是儿茶酚胺家族的重要神经递质和成员，不仅增强脂解功能，还促进糖原分解，提高血糖，引起心跳加快以及减轻软骨的损伤[1-3].肾上腺素主要被用作某些潜在疾病的治疗药物，如心脏骤停、支气管哮喘和过敏性休克 .因此，探寻灵敏度和选择性较好的测定肾上腺素的方法很有必要.目前，存在一些传统的方法来分析测定AD，例如：毛细管电泳[9]、液相色谱[10]、电化学发光[11]、流动注射分析[12]等.尽管这些技术提供了极低的检测限，但是它们大多数都较为复杂，甚至需要衍生化或提取.因此，建立一种准确、快速的肾上腺素检测方法非常重要.电化学传感器可以用来开发响应速度快、灵敏度高、操作简单、便宜和便于携带的检测系统[13-19].

PMEO2MA 因其良好的生物相容性以及在28 ℃附近有显著的相变温度等特性，吸引了许多对传感器研究有兴趣的科研人员.通过改变PMEO2MA 溶液在水中的温度，其溶解度可以从亲水性变为疏水性，反之亦然.因此，它可以通过改变外部条件来触发[20]，这一特性使该聚合物被广泛应用于传感器领域.由于PMEO2MA 有较好的水溶性且导电性较差[21]，无法直接修饰在玻碳电极表面来检测AD，因此需要与碳纳米材料复合，以增强其导电性.氧化石墨烯(GO)是一种二维的新型碳纳米材料，其结构边缘和平面上含有大量含氧官能团，如-OH，-COOH 和环氧基.GO具有较大比表面积，可为PMEO2MA 提供理想的电化学基质[22-23].此外，通过调节GO 表面含氧官能团的数量可以改变电化学环境.

上述性质可为附着的温敏性聚合物提供友好的微环境.当温度低于LCST 时，PMEO2MA 链处在拉伸状态，GO 层与层之间距离变大，传感器导电性变差，故不能检测到肾上腺素的电化学信号；当温度高于LCST 时，PMEO2MA 链处在紧缩状态，GO 层与层之间相互靠近，修饰膜电子传递速率变快，肾上腺素的电化学行为开启.

本研究将温敏性聚合物PMEO2MA 与GO 复合修饰在玻碳电极表面，构筑一种新型温度响应型传感器，对肾上腺素实现电化学行为的温度调控，并探讨其响应特性、检测限及回收率.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、肾上腺素购自Sigama 公司；石墨粉、偶氮二异丁腈购自上海阿拉丁公司；正己烷、浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾、中性氧化铝、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钠购于国药集团化学试剂有限公司；玻碳电极、氯化银电极、铂丝电极、0.5 μm Al2O3抛光粉购于天津高仕睿联公司.所有试剂均为分析纯，实验用水为超纯水，电阻率为18 MΩ·cm.

实验使用上海辰华CHI 660 电化学工作站；温度调控和磁力搅拌器使用RCT 基本安全控制设备(德国IKA 公司).

1.2 实验方法

1)MEO2MA 纯度为99.5%，先通过中性氧化铝柱子进行提纯，合成步骤参考文献[24]，通过可逆加成-断裂链转移聚合成 PMEO2MA，其LCST 约为28 ℃.

2)氧化石墨烯(GO)是根据Hummers 方法[25]合成的.首先，将石墨(1.0 g)和KMnO4(1.0 g)的混合物加入30 mL H2SO4(98%)，并在室温下搅拌10 min；其次，将整个反应物在50 ℃下再搅拌3.5 h；最后，用超纯水洗净至中性，减压抽滤，真空干燥而得.

3)玻碳电极(GCE)在抛光布上用0.5 μm Al2O3仔细抛光，而后用乙醇和超纯水在超声浴中依次冲洗3 min，在室温下自然干燥，备用.

4)称取8 μL 4 mg·mL-1PMEO2MA 与4 μL 4 mg·mL-1GO 的溶液混合，超声10 min 使其混合均匀；取6 μL 上述混合溶液滴在干净的GCE 表面，在室温下自然干燥.

1.3 电化学测试

在CHI 660 电化学工作站上使用常规的三电极体系进行电化学实验.用修饰电极作为工作电极，铂丝电极为辅助电极，Ag/AgCl 电极作为参比电极.在电化学测量中，电解质溶液为35 mL 0.1 M PBS 缓冲溶液(pH=7.0)，并用高纯氮通气20 min，然后保持在氮气氛围下.在磷酸盐缓冲溶液(0.1 M，pH=7.0)中，使用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)进行测试.其中，CV 在50 mV/s 的-0.2～0.9 V 电势范围内进行循环，直至曲线变得稳定；DPV 的脉冲幅度设为0.05 V，脉冲宽度设为0.2 s.

2 结果与讨论

2.1 AD 在不同修饰电极和不同温度下的电化学行为

图1 显示了10 μM 肾上腺素在35 ℃下的PMEO2MA/GO 修饰电极(曲线a)，PMEO2MA 修饰电极(曲线c)以及在25 ℃下的PMEO2MA/GO修饰电极(曲线b)的循环伏安测试曲线.

图1 不同温度和修饰电极的循环伏安图

由图1 可知，对25 ℃下的PMEO2MA/GO电极，AD 只表现出1 对较小的氧化还原峰，氧化峰电位0.25 V，还原峰电位-0.21 V；在35 ℃环境下，纯温敏性聚合物PMEO2MA 电极上，AD表现出1 对很小的不可逆的氧化还原峰，氧化峰电位0.41 V，还原峰电位-0.3 V.

而在35 ℃下的PMEO2MA/GO 电极上，AD则表现出1 对明显的氧化还原峰，氧化峰电位0.11 V，还原峰电位-0.22 V.与PMEO2MA 电极相比，过电位显著下降了(约50 mV)，峰电流显著增大，这是由于氧化石墨烯具有较大的比表面积且表面含有大量含氧官能团，以及其优良的催化活性，从而为生物小分子异向电子传递提供了更多的活性位点.与25 ℃下的PMEO2MA/GO电极相比，过电位显著下降了(约25 mV)，峰电流显著增大，这是因为PMEO2MA 的LCST 为28 ℃，当环境温度低于28 ℃时，PMEO2MA 链处在拉伸状态，GO 层与层之间距离变大，传感器导电性变差，肾上腺素的电化学信号较弱；当环境温度高于28 ℃时，PMEO2MA 链处在紧缩状态，GO 层与层之间相互靠近，修饰膜电子传递速率变快，肾上腺素的电化学行为开启.

2.2 扫描速率对AD 在PMEO2MA/GO 电极上的电化学行为的影响

在35 ℃下用循环伏安法研究扫描速率对肾上腺素电化学行为的影响，结果如图2 所示.

由图2 可知，当扫描速率从40 mV·s-1依次增加到150 mV·s-1，氧化峰电流和还原峰电流都与扫描速率的平方根成正比，其线性关系分别为

这说明肾上腺素在PMEO2MA/GO 复合修饰电极上的电化学行为受扩散控制.

图2 扫描速率对AD 电化学行为的影响

2.3 pH 值对AD 在PMEO2MA/GO 电极上的电化学行为的影响

实验通过循环伏安法研究了溶液pH 值对PMEO2MA/GO 复合薄膜催化10 μM AD 的影响，结果如图3 所示.

由图3 可知，随着pH 值的增加，Epa和Epc逐渐负移，这说明AD 在PMEO2MA/GO 修饰电极上的氧化还原反应倾向于不可逆.Epa，Epc和式量电位(Eθ)与pH 值呈现良好的线性关系，如式(3)～式(5)所示.其中，Eθ斜率为-0.054 V/pH，非常接近于理论值(-59 mV/pH).这说明AD 在PMEO2MA/GO 修饰电极上的氧化还原过程中的转移电子数等于质子数.

图3 pH 值对AD 电化学行为的影响

肾上腺素在PMEO2MA/GO 修饰电极上的氧化还原过程如图4 所示.

图4 AD 在PMEO2MA/GO 电极上的氧化还原过程

2.4 AD 在PMEO2MA/GO 电极上的线性范围和检测限

在最佳实验条件下，使用微分脉冲伏安法来研究AD 在PMEO2MA/GO 修饰电极上的氧化峰电流和浓度之间的关系，结果如图5 所示.

图5 AD 在修饰电极上的线性范围和检测限

图5 中的结果表明，在5～45 μM 的浓度范围内，氧化峰电流随着浓度的增大而增大，并且呈现出良好的线性关系，即

其中，检出限(S/N=3)为1.35 μM.

2.5 稳定性、重复性和选择性测试

为了测试PMEO2MA/GO 修饰电极的选择性，实验选择了几种常见干扰物对AD 进行测定，其结果如图6 所示.

图6 AD 的干扰性研究

由图6 可知，L-组氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸、β-苯乙胺、20 倍抗坏血酸、100 倍葡萄糖以及200 倍Mg2+和SO42-，都对AD 的测定没有显著的干扰.这说明该修饰电极对AD 具有优异的选择性.

在含有10 μM AD 的PBS 缓冲溶液中，进一步探讨PMEO2MA/GO 修饰电极的重复性和稳定性.10 次平行测量的结果表明，该修饰电极具有良好重复性，其相对标准偏差(RSD)为1.82%；另一方面，将PMEO2MA/GO 修饰电极在冰箱储存10 d 后，检测电流降低了5.65%，这说明该电极具有良好的储存稳定性.