基于Fe3O4@MoS2-Au纳米复合材料修饰电极的多巴胺电化学传感研究

原祎璠，周影，雷鹏，双少敏

（山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006）

0 引言

多巴胺（DA）是人体中一种十分重要的神经递质，在大脑中含量最丰富，能够影响和支配人的活动、感情和思绪等，在中枢神经、肾脏和激素系统等人体代谢中起着重要作用［1-2］。多巴胺分泌过量时会使得大脑过度兴奋，长时间超负荷工作，进而引发神经类疾病，极端情况下可能导致精神分裂症［3］。而多巴胺含量低则会导致肢体掌控力减弱，导致患者四肢不受控制的震动，极端情况下会发展成帕金森综合征［4］。因此，监测人体血清或尿液中的多巴胺含量对预防这些疾病的发生十分重要。

电化学法因其灵敏度高，体型轻便且易于运输等优点在多巴胺的测定中受到广泛关注［5］。纳米材料在电子传输、化学和机械性能等方面所具有的独特表现，为多巴胺的电化学检测提供了新的方向。多种类型的复合材料修饰的电极已经成功用于多巴胺的检测，如纳米颗粒［6］、聚合物［7］、自组装单分子膜［8］和石墨烯［9］等，与单组分材料不同，复合材料往往能够在多个组分中取长补短，因此更具应用优势。二硫化钼（MoS2）具有类似石墨烯的层状结构［10］，自 2011 年 Kun Chang 等［11］研制出层状MoS2/石墨烯复合材料并表征了其优良电化学行为以来，关于二维（2D）MoS2电化学性能的研究十分活跃，二硫化钼与碳纳米管或石墨烯复合具有更优良的电化学活性、巨大的电容电流以及优异的电催化效果［12］，许多纳米复合体系如 rGO/MoS2［13］、 MoS2修饰的石墨烯纳米薄片修饰的多壁碳纳米管［14］、MoS2/Au［15］等已经成功用于多巴胺的测定。为了进一步增强电极的功能化，我们尝试制备了用超细Fe3O4复合的MoS2纳米片，将AuNPs通过电镀的方式修饰在Fe3O4@MoS2材料表面以提高材料的电导率和电子转移速率。

在本文中，我们通过在Fe3O4@MoS2修饰的玻碳电极（GCE）表面电沉积AuNPs开发了一种可用于检测血清中多巴胺浓度的新型电化学传感器，修饰路径和检测机理见图1。这种传感器具有出色的电催化活性和良好的模拟过氧化物酶特性，其中MoS2纳米片与AuNPs产生的协同作用［16］大幅度提高了材料的电导率和催化性能，有效提高了电极的灵敏度，促进了氧化还原过程，对多巴胺检测具有潜在的应用前景。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：三氯化铁（FeCl3·6H2O）、氯化亚铁（FeCl2·4H2O）、氨 水（NH4·OH）、二 硫 化 钼（MoS2）、氯金酸（HAuCl4）等均为分析纯，实验用水均为二次蒸馏水。

仪器：Nano ZS90型粒度仪、JEM-2100 型透射电子显微镜、AXIS ULTRA DLD型X-射线光电子能谱仪（射线源为Al ka射线）、CHI660E电化学工作站、 U-2910 紫外可见分光光度计、H2-16K-II离心机、电子天平（FA2004B）、FE20酸度计、真空干燥箱等。

1.2 Fe3O4 NPs的合成方法

以 NH3·H2O、FeCl2·4H2O 和 FeCl3·6H2O 为前体材料，水热法合成Fe3O4纳米粒子［17］。将2.2 g FeCl3·6H2O和1.54 g FeCl2·3H2O加入圆底三口瓶中与200 mL二次水混匀配制成溶液，提高温度至90 ℃，待所有药品完全溶解并混合均匀后，缓慢滴加氨水至pH为9.0，继续反应30 min，静置冷却至室温，合成的Fe3O4NPs先二次水洗涤，8000 r/min下离心5 min后用乙醇洗涤，同样方法再次离心，产物在80 ℃下干燥24 h。

反应用化学方程式可表示为：

1.3 Fe3O4@MoS2的合成方法

采用一锅法制备了质量比为MoS2∶Fe3O4= 2∶1的Fe3O4@MoS2复合纳米粒子。制备方法： 在60 mL蒸馏水中加入0.2 g MoS2微球和0.1 g Fe3O4NPs，超声分散0.5 h后将溶液转移至密闭的反应釜中，在180 ℃下反应12 h。用环形磁铁收集沉降Fe3O4，用二次水和乙醇清洗几次，在60 ℃的烘箱中干燥24 h后保存备用。使用透射电子显微镜（TEM）、 扫描电子显微镜（SEM）和X-射线光电子能谱仪（XPS）等仪器对纳米复合材料进行表征。

1.4 构建Fe3O4@MoS2-Au/GCE电化学传感器

裸电极（GCE）修饰前先用Al2O3粉末抛光，然后用超声法在纯水和乙醇中依次漂洗。取1 mg Fe3O4@MoS2粉末分散在1 mL 二次水中，超声分散 0.5 h （1.0 mg/mL）；然后准确移取8.0 μL的分散液滴涂在电极表面，红外光下干燥，得到 Fe3O4@MoS2/GCE。最后在Fe3O4@MoS2/GCE表面以10 mmol/L的HAuCl4溶液为电解质溶液，通过电镀法将AuNPs修饰在Fe3O4@MoS2/GCE表面，即得到Fe3O4@MoS2-Au/GCE。所有实验均在25 ℃下进行。

2 结果与讨论

2.1 Fe3O4@MoS2-Au的形貌结构表征

为了探究改性纳米复合材料的形貌和结构特征，获取了图2中（a）—（d）多个修饰电极的扫描电镜图像。图2（a）显示，Fe3O4NPs呈现直径约为5 nm～15 nm的不规则的超细微粒结构，图2（b）显示，所制备的MoS2是由许多纳米片堆叠挤压组成，层与层之间相互重叠，呈现出薄纱状的卷曲折叠的纳米薄片状，薄片平均直径约为300 nm。为了更好地了解Fe3O4@MoS2的微观结构，进一步进行了TEM表征。图2（c）显示的是Fe3O4@MoS2的TEM图像，能清晰地看到超细Fe3O4NPs 均匀分散在MoS2纳米片的片层中，使得Fe3O4@MoS2的比表面积增高，电子转移更加容易。图2（d）通过扫描电镜对电沉积AuNPs 后的Fe3O4@MoS2修饰电极进行了进一步的表征，可以清楚地看到修饰在Fe3O4@MoS2表面的AuNPs，表明成功制备出Fe3O4@MoS2-Au/GCE。图 2（e）为对Fe3O4@MoS2材料元素分析的结果，分析结果显示材料中有Mo、S、Fe、O和Au等元素存在，且各元素分布均匀，证实了Fe3O4@MoS2-Au镀层的形成。

此外，利用X-射线光电子能谱测定了Fe3O4@MoS2纳米复合材料的元素组成和化学状态。图3的全谱扫描中发现了MoS2（100 eV～ 400 eV）和Fe3O4（700 eV ～ 900 eV）纳米粒子的特征峰，证实了纳米复合材料中MoS2和Fe3O4的存在。为了进一步确定Fe3O4@MoS2中各元素的化合价态，我们对Fe，Mo，S三种元素进行了高分辨XPS分析，结果如图3（b）−（d）。图3（b）显示Fe3O4包括Fe2+和Fe3+两种氧化态。Fe2+的最低结合能峰值为711.3 eV，对应峰的结合能为725.0 eV，Fe3+峰的结合能为714.4 eV，对应峰的结合能为727.7 eV；图3（c）显示S元素的2p1/2和2p3/2轨道，S 2p可以被分解成163.88 eV和162.70 eV处的两个峰（图2（c））；图3（d）显示在233.04 eV和229.87 eV处为Mo元素的3d峰，分别对应3d5/2和3d3/2双重态，以上各元素峰位置均与文献报道一致［18］，证实了在MoS2纳米片中Mo和S的电荷状态为Mo4+和S2−。在高结合能区和低结合能区没有额外的金属Mo峰，这证实了剥脱的MoS2纳米片的结构类似于金刚石结构的石墨烯。

2.2 Fe3O4@MoS2-Au/GCE的电化学特性

2.2.1 电化学性能

电化学分析如图4所示，用CV和EIS对Fe3O4@MoS2-Au/GCE在0.5 mmol/L ［Fe（CN）6］3-/4-（1∶1，摩尔比）和0.1 mol/L KCl存在下的电化学特征进行了表征，与其他电极相比，Fe3O4@MoS2-Au/GCE的CV曲线具有更高的峰电流响应。从图4（a）中可以看出，Fe3O4@MoS2-Au/GCE的氧化还原峰与Fe3O4@MoS2/GCE和裸电极相比均有明显的改善，这归因于Fe3O4@MoS2材料具有更大的表面积以及更高的电子转移速率，导致电流响应较大。考虑到Fe3O4@MoS2-Au/GCE较小的电位差和较大的电流响应，这个电极为氧化还原反应的发生提供了有利条件，且电子转移过程是快速和可逆的。EIS通常由半圆形部分和线性部分组成，高频下的半圆形部分是电子转移受限产生的，其直径大小与电子转移电阻正相关，反映复合材料的导电性，低频线性部分为扩散过程。从奈奎斯特图（图4（b））中可以看出，Fe3O4@MoS2-Au/GCE具有较低的电阻和较高的电子转移效率，这可以归因于AuNPs出色的导电性和电子转移能力。

2.2.2 条件优化

如图5（a）所示，研究了pH对多巴胺检测的影响，获取了Fe3O4@MoS2-Au/GCE在pH值分别为 5.4， 6.4， 7.4， 8.4， 9.4 时的差分脉冲伏安曲线。在pH值为7.4时有最大电流和氧化峰电位的最大峰电流；当pH值从5.4变化到7.4时，多巴胺的峰电流值不断升高；在 pH为7.4时有最大峰电流；当 pH值继续从7.4变化到9.4时，多巴胺的峰电流值呈降低趋势。因此在接下来的伏安分析中，选择pH为7.4的0.1 mol/L的 PBS作为电解质溶液。

如图5（b）所示，为了研究扫描速率对多巴胺峰电位的影响，获取了扫描速率在10至100 mV/s 之间时Fe3O4@MoS2-Au/GCE在pH = 7.4的0.1 mol/L的PBS溶液中的循环伏安曲线。从表面扫描的结果可以看出，峰电流与扫描速率呈正相关， 表明多巴胺在该电极上主要受吸附控制。

2.2.3 差分脉冲伏安法

为了评估用Fe3O4@MoS2-Au/GCE准确测定多巴胺的可行性，本工作使用了比循环伏安法更加灵敏可靠的差分脉冲伏安法 （DPV） 来检测不同多巴胺浓度下电信号的变化。电流曲线的峰值在 15 μmol～750 μmol之间呈线性变化。如图6所示，多巴胺的浓度与峰电流值有正相关的线性关系（图6（a））。以浓度对电信号比值作图，两个线性范围的线性回归方程分别为 y =0.228 6+0.011 3x（R2=0.991 1）（多巴 胺 浓 度 在 15 μmol/L～ 200 μmol/L），y =1.569 4+0.004 4x（R2=0.991 7）（多巴胺浓度在200 μmol/L～750 μmol/L），该检测方法在以上两个浓度区间内均表现出可靠的线性关系，检出限为8 μmol/L，进一步说明了该修饰电极用于血清中多巴胺检测的应用前景。

2.3 修饰电极的重复性、选择性和抗干扰性

如图7（a）所示，通过扫描同一个Fe3O4@MoS2-Au/GCE在0 d～12 d内在含有0.5 mM多巴胺的0.1 mol/L PBS（pH = 7.4）中的峰值电流的衰减情况评价了传感器的稳定性。在7和11 d后，与第一天相比，相应的电流响应值仅减少了7.9%和13.7%，有理由认为该多巴胺传感器具有较高的稳定性。图7（b）为重复性试验，相同条件下，在含有0.5 mmol/L多巴胺的0.1 M PBS（pH = 7.4）中制备的4个Fe3O4@MoS2-Au/GCE的差分脉冲伏安扫描曲线，峰值电流没有发生明显波动，重复性较好。

如图8（a），对几种血液中常见离子和小分子进行了差分脉冲伏安扫描，均无明显电化学信号，与相同条件下多巴胺的电化学信号相比证实了Fe3O4@MoS2-Au/GCE对多巴胺具有的选择性。为了探究修饰电极的抗干扰能力，我们对几种血液中常见的小分子的影响进行了探究。如图8（b）， 在以下多巴胺100倍浓度的干扰物质中检测多巴胺时没有观察到明显的干扰： Na+、Ca2+、Mg2+、NO3−、L-谷氨酸和葡萄糖。所制备的传感器在多巴胺与高浓度干扰物质共存的情况下可以选择性地检测多巴胺，确定了Fe3O4@MoS2-Au/GCE的抗干扰能力。以上结果证明该电化学传感器具有良好的重现性、稳定性、选择性和抗干扰性，在实际检测中具有潜在的适用前景。

2.4 实际样品中DA的检测

为了验证上述传感器的适用性，Fe3O4@MoS2-Au/GCE被应用于人体血清样品中多巴胺的含量分析中。采用标准加入法并分别设置三种浓度梯度（20， 50和 80μmol/L）考察在实际样品中，修饰电极对多巴胺的检测能力。表1详细列出了检测结果。对于血清样品，回收率为96.85%～106.57%，相对标准偏差为1.1%～2.1%，在与其他复合材料修饰的多巴胺传感器相比时，Fe3O4@MoS2-Au/GCE也表现出了更宽的线性范围和相对较低的检出限，因此有理由认为使用该方法测定人血清中的多巴胺是可靠和有效的。

3 结论

本文采用一锅法合成了Fe3O4@MoS2复合纳米材料，合成的Fe3O4@MoS2的导电性和催化活性均有不同程度的增强，且与随后修饰的AuNPs发生协同作用，进一步提高传感器的灵敏度和实用性，用于构建人体血清中多巴胺含量测定的电化学传感器。该复合材料修饰的电极不仅灵敏度高、选择性好，在实际血样的检测中也有令人满意的表现。为多巴胺的检测提供了新方法，具有一定的可靠性和应用前景。