不同金属取代Finke型多金属氧酸盐显色检测多巴胺的催化性能

段喜鑫，陈秀强，柏智先，李翔宇

(北华大学材料科学与工程学院，吉林 吉林 132013)

多巴胺(DA)是大脑中含量最丰富的儿茶酚胺类神经递质，为酪氨酸在代谢过程中经二羟苯丙氨酸产生的中间产物[1]，在体内起着多种调节作用，影响着人的情绪，其代谢异常会引起帕金森综合征、阿尔茨海默病、癫痫等疾病，同时，DA作为药物还可以治疗缺血性、心源性及感染性休克，以及高血压和心脏病等[2-3].目前，DA检测方法(如电化学分析[4-8]、高效液相色谱法(HPLC)[9]和化学发光法[10]等)均涉及复杂的样品处理程序，且重现性较差.近年来，显色免疫分析逐渐受到关注.该方法无需昂贵的仪器，以及复杂的样品处理程序，成本低、实用性强，分析过程简便快捷，是一种通过肉眼即可观察到颜色变化的快速检测方法[11-15].

在显色免疫检测过程中，生物酶很容易受到外界环境的影响而变性，且制备、储存耗时长，价格昂贵，过程复杂.与天然酶相比，纳米材料具有更好的稳定性，其中，金纳米粒子在显色检测DA领域应用较为广泛[16-19]，银纳米粒子[20]、氧化石墨烯[21]和金属氧化物[22]等纳米材料作为催化剂的研究也越来越受到关注.目前，已合成了多种具有过氧化物酶、氧化酶活性的纳米材料，如Fe3O4、CeO2、Co3O4等[23-25].但所开发的方法选择性较低，限制了在实际中的应用.多金属氧酸盐(Polyoxometalates，POMs)是一类具有氧化还原性能的金属氧簇化合物.通过调控多酸结构、取代金属种类和数目可获得不同氧化性的POMs.WANG等[26]首次报道了H3PW12O40的过氧化物酶活性，采用POMs/H2O2/TMB体系用于显色检测H2O2或者葡萄糖[27-28]，之后该团队又制备了SiW10Fe2与叶酸复合的新型多酸催化剂，用于癌细胞和H2O2的显色检测[29].本研究采用不同金属调控多酸的氧化性，制备系列Finke型POMs催化剂——PW9M4(M为Co、Cu、Mn和Zn)和P2W15M4(M为Co、Cu和Zn)，开发在水相中简单、快速、高选择性显色检测DA的催化体系，研究不同反应条件、干扰物质对显色检测的影响.

1 实验材料及方法

1.1 实验试剂及仪器

主要试剂有Na2WO4·2H2O、H3PO4、NH4Cl、KCl、Co(NO3)2、CuCl2、MnSO4、ZnCl2和盐酸多巴胺等，所有试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.

FT-IR采用Shimadzu IR Affinity-1S，样品与KBr混合压片，测试范围为400～4 000 cm-1；通过X射线衍射(XRD)测定催化剂晶体结构，采用Rigaku公司的D/max-2500X型X射线衍射仪，辐射源为Cu-Kα，辐射波长为0.154 2 nm，管电压40.0 kV，管电流40 mA，测试角度10°～80°，步进角度为0.02°，扫描速度为5°/min；UV-Vis为Shimadzu UV-2700紫外-可见分光光度计.

1.2 催化剂制备

P2W15M4(M为Co、Cu和Zn)和PW9M4(M为Co、Cu、Mn和Zn)系列催化剂分别根据先前报道方法[30-31]合成.

1.3 实验过程

显色检测DA过程：将一定体积的PW9M4(1.25 mmol/L)或P2W15M4(2.5 mmol/L)分别与适量H2O2(100 mmol/L)溶于1 mL水中，将一定体积DA(8 mmol/L)加入上述的混合溶液中.混合溶液静置一段时间，用UV-Vis光谱在波长475 nm处测量溶液吸光度.

2 结果与讨论

2.1 PW9M4结构表征

PW9M4红外光谱见图1.由三缺位Dawson型多阴离子构筑的Finke型多酸阴离子IR谱图应在1 100～800 cm-1范围内有明显的特征吸收峰[31]，所制备的多酸催化剂在1 080、985、887、807 cm-1处出现4个特征峰，分别归属磷氧振动(P-Oa)、钨氧振动(W-Od)和桥氧对称伸缩振动(W-Ob1-W、W-Ob2-W)，证明PW9M4具有Finke型结构.催化剂的XRD见图2.由图2可见：2θ在8°、18°、28°和30°都出现了较为突出的X射线衍射峰，这与Finke型多酸化合物的衍射峰位置基本一致[31]，再次证明合成的催化剂具有Finke型结构.

图1 PW9M4红外光谱Fig.1 FTIR spectra of PW9M4

图2 PW9M4的XRD谱 Fig.2 XRD patterns of PW9M4

2.2 P2W15M4结构表征

P2W15M4系列多酸催化剂的红外光谱见图3.由图3可见：在1 170、970、950、615 cm-1处均出现4个特征峰，分别归属磷氧振动(P-Oa)、钨氧振动(W-Od)和桥氧对称伸缩振动(W-Ob1-W、W-Ob2-W)，与文献[30]报道一致，证明P2W15M4保持了Finke型结构.图4为P2W15M4的XRD谱图.由图4可见：合成的样品在2θ为7°、16°、18°和28°的4个特征峰与Finke型多酸化合物的衍射峰位置基本一致[30]，与IR表征结果一致.

图3 P2W15M4红外光谱Fig.3 FTIR spectra of P2W15M4

图4 P2W15M4的XRD谱Fig.4 XRD patterns of P2W15M4

反应条件：200 μL PW9M4，80 μL DA，40 μL H2O2，15 min.图5 PW9M4显色检测DA结果 Fig.5 PW9M4 for the detection of DA

2.3 PW9M4显色检测DA性能

由于金属氧化性不同，PW9M4系列催化剂中取代金属种类对DA显色检测结果具有较大影响.PW9M4显色检测DA结果见图5.由图5可见：PW9M4活性顺序为PW9Cu4>PW9Co4>PW9Mn4>PW9Zn4，其中PW9Cu4显色检测DA的催化活性最好.图6为PW9Cu4显色检测DA颜色变化.由图6可见：没有加入PW9Cu4时，反应15 min溶液颜色为无色透明(图6 a)；加入PW9Cu4显色15 min后，可看到溶液颜色为明显的橙红色(图6 b)，这是由于H2O2可将DA氧化成橙红色的多巴胺醌类物质，其最大吸收波长位于475 nm，因此，可通过测定溶液在475 nm处的吸光度来检测DA的含量；当反应时间超15 min后，随着反应时间的延长，溶液颜色逐渐变为褐色(图6 c、6 d)，这是因为橙色的胺基色素可以重新组合为5，6-二羟基吲哚(5，6-Dihydroxyindole，DHI)，后者进一步被氧化为吲哚5，6-醌(Indole-5，6-quinone，IQ)，最终产生深棕色神经黑色素.

反应条件：a.DA+H2O2，15 min；b.DA+PW9Cu4+H2O2，15 min；c.DA+PW9Cu4+H2O2，20 min；d.DA+PW9Cu4+H2O2，30 min.图6 PW9Cu4显色检测DA颜色 Fig.6 Detection of DA by PW9Cu4

图7 a为PW9Cu4用量对DA显色反应的影响.结果可见：PW9Cu4用量由120 μL增加至240 μL时，吸光度逐渐增大；PW9Cu4用量为200 μL时，吸光度达到最大值；继续增加PW9Cu4用量，吸光度反而减小，这是由于PW9Cu4的用量虽然增加了，但整个反应体系的H2O2用量保持不变，且随着PW9Cu4浓度增大，H2O2浓度降低，溶液吸光度下降.因此，选择200 μL作为催化剂的最佳用量.

图7 b为H2O2用量对显色反应的影响.结果可见：吸光度随H2O2用量增加而逐渐增大；当H2O2用量为40 μL时，吸光度达到最大值；继续增加H2O2用量，吸光度反而减小.虽然H2O2用量增大，但整个反应体系的PW9Cu4用量保持不变，且随着H2O2用量增大，单位体积内PW9Cu4活性中心减少，溶液吸光度下降.因此，选择40 μL作为H2O2的最佳用量.

图7 c为反应时间对显色反应的影响.结果可见：当反应时间为15 min时，吸收曲线峰形明显，吸光度达到最大值；继续增加反应时间，峰形发生变化，且吸光度增加很小，这主要是由于反应时间延长，橙色的胺基色素重新组合为DHI，后者进一步被氧化为褐色IQ，所以选择15 min为最佳反应时间.

在最佳反应条件下检测DA的线性范围和检出限，结果见图7 d.结果可见：当DA用量由5 μL增加至80 μL时，吸光度逐渐增加；DA用量为80 μL时，吸光度达到最大.DA的线性范围3.17×10-5～4.85×10-4mol/L，检出限为3.17×10-5mol/L.

反应条件：a.80 μL DA，40 μL H2O2，15 min；b.200 μL PW9Cu4，80 μL DA，15 min；c.200 μL PW9Cu4，80 μL DA，40 μL H2O2；d.200 μL PW9Cu4，40 μL H2O2，15 min.图7 PW9Cu4显色检测DA的最佳检测条件Fig.7 Optimum reaction condition for colorimetric detection of DA by PW9Cu4

2.4 P2W15M4显色检测DA性能

在P2W15M4系列催化剂对DA显色检测性能测试中，仅有P2W15Cu4对DA具有显色检测效果.显色15 min，溶液颜色由无色变为明显的橙色(图8 b)，随着显色时间的增加，溶液吸光度逐渐增加；反应时间增加至40 min，溶液颜色仍为稳定的橙色(图8 c)，且溶液吸收光谱峰形没有发生变化(图9 c).文献[32]报道的SiW9Co3和本研究中使用的PW9Cu4催化剂最佳显色时间分别为10 min和15 min，P2W15Cu4显色检测DA的时间没有明显增长(15 min)，且延长反应时间后，SiW9Co3和PW9Cu4显色的溶液颜色均呈现深褐色，不但吸收光谱峰形变差，而且吸光度变化不明显.P2W15Cu4在显色检测40 min时溶液颜色和峰形均没有发生明显变化，证明P2W15Cu4温和的氧化性对DA显色检测具有良好的显色稳定性.

反应条件：a.DA+H2O2，15 min；b.DA+P2W15Cu4+H2O2，15 min；c.DA+P2W15Cu4+H2O2，40 min；d.DA+P2W15Cu4+H2O2，60 min.图8 P2W15Cu4显色检测DA的颜色Fig.8 Photographs of detection of DA by P2W15Cu4

在P2W15Cu4显色检测DA性能测试中，研究了催化剂用量(图9 a)、H2O2用量(图9 b)、反应时间(图9 c)对DA显色反应的影响.结果表明：当DA用量为50 μL时，H2O2的最佳用量为140 μL，P2W15Cu4的最佳用量为200 μL，15 min为最佳反应时间.在最佳反应条件下，显色检测DA的线性范围和检出限见图9 d.结果显示：线性范围为3.68×10-5～2.96×10-4mol/L，检出限为3.68×10-5mol/L.上述结果表明：P2W15Cu4催化剂在中性介质中对显色检测DA具有较高的灵敏度.

反应条件：a.200 μL P2W15Cu4，50 μL DA，15 min；b.50 μL DA，140 μL H2O2，15 min；c.200 μL P2W15Cu4，50 μL DA，140 μL H2O2；d.200 μL P2W15Cu4，140 μL H2O2，15 min.图9 P2W15Cu4显色检测DA的最佳检测条件Fig.9 Optimum detection condition for colorimetric detection of DA by P2W15Cu4

PW9Cu4显色检测DA反应条件：80 μL干扰 (8 mmol/L)，200 μL PW9Cu4，80 μL DA，40 μL H2O2，显色时间15 min；P2W15Cu4显色检测DA反应条件：50 μL干扰 (8 mmol/L)，200 μL P2W15Cu4，50 μL DA，140 μL H2O2，15 min.图10 干扰物质对显色检测的影响Fig.10 Effect of interferences on colorimetric detection of DA

2.5 干扰物质对多巴胺显色检测的影响

由于DA结构中存在氨基，而氨基是与催化剂发生显色的主要基团，为消除其结构对显色反应的影响，选择尿素、葡萄糖、丙氨酸、甘氨酸、Vc为干扰物质测试催化剂对DA显色检测的特异性，结果见图10.结果表明：干扰物质的加入没有导致溶液吸光度增高，干扰物质与多酸没有发生显色反应，说明两种催化剂对DA检测均具有特异性.

3 结 论

本次研究制备了不同金属取代的Finke型钨系多酸催化剂PW9M4(M为Co、Cu、Mn和Zn)和P2W15M4(M为Co、Cu和Zn)，采用FT-IR和XRD表征催化剂结构，用UV-Vis定量检测DA.结果表明：PW9Cu4和P2W15Cu4显色检测DA的催化活性最好.干扰物质(如尿素、葡萄糖、丙氨酸、甘氨酸、Vc等)的加入没有使待测溶液吸光度增大，表明PW9Cu4和P2W15Cu4对DA显色检测具有特异性；PW9Cu4显色检测DA线性范围为3.17×10-5～4.85×10-4mol/L，检出限为3.17×10-5mol/L；P2W15Cu4显色检测DA线性范围为3.68×10-5～2.96×10-4mol/L，检出限为3.68×10-5mol/L，该催化剂具有更高的显色稳定性.综上所述，PW9Cu4和P2W15Cu4对显色检测DA具有较高灵敏度和选择性，显色反应可在中性介质中进行，分析过程简便快捷，具有潜在、广泛的应用价值.