5-羥色胺在碳納米管修飾電極上的電化學行為及檢測

劉華俊，劉慧宏，2

(1.襄樊學院化學工程與食品科學學院，湖北 襄樊441053；2.武漢紡織大學化學與化工學院，湖北 武漢430073)

5-羥色胺(5-HT)是人體內一種非常重要的生物活性物質，在心腦血管的調節方面起著很重要的作用，是中樞神經系統的神經遞質。測定血液、腦脊液中的5-HT可為多種疾病的診斷、治療、致病機制研究提供重要的依據。研究較多的是利用微電極和快速掃描技術的電化學檢測方法進行活體在線檢測神經遞質[1]。由于5-HT氧化過程中產生的自由基在電極表面聚合會毒化電極，以及共存物質如5-羥基吲哚乙酸、尿酸、抗壞血酸等產生干擾，影響了5-HT的電化學檢測，而使用化學修飾電極能夠消除這類影響[2，3]。納米粒子由于具備大的比表面積和較高的催化活性，其修飾電極也廣泛地用于5-HT的電化學檢測[4，5]。

作者在此用雙十六烷基磷酸將碳納米管固定在玻碳電極表面，研究了5-HT的電化學行為及其檢測方法。

1 實驗

1.1 試劑

5-羥色胺，Sigma公司；雙十六烷基磷酸(DHP)，Fluka公司。緩沖溶液為0.1 mol·L-1酒石酸鹽(pH=3.0～6.0)、0.1 mol·L-1磷酸鹽(PBS，pH=7.0～8.0、11.0)、0.1 mol·L-1硼砂(pH=9.0～10.0)。所用試劑均為分析純，實驗用水為超純水(18.25 MΩ·cm，艾科浦超純水機，重慶頤洋)。

1.2 修飾電極的制備

玻碳電極(CHI，φ=3 mm，電化學面積A=1.61×10-2cm2) 用6#砂紙細磨后，再用粒度0.05 μm的α-Al2O3懸濁液在拋光布上拋光，洗去表面污物，在水中超聲清洗3次，每次約3 min。取混酸處理的單壁碳納米管(SWCNT，化學氣相沉積法制備，外徑<2 nm，純度≥95%，深圳納米港)與0.1%DHP超聲形成的均勻溶液3 μL滴涂于電極表面，室溫干燥，即得實驗用修飾電極，表示為SWCNT-DHP/GCE。

1.3 方法

使用電化學工作站(CHI660A，上海辰華)進行循環伏安實驗。

電化學池由參比電極腔和電化學反應腔兩部分構成，其間由魯金(Luggin)毛細管連接。參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑絲網，工作電極為制備的修飾電極。

2 結果與討論

2.1 5-羥色胺的電化學行為(圖1)

a.GCE,PBS b.SWCNT-DHP/GCE,PBS C.GCE,PBS+5-HT d.SWCNT-DHP/GCE,PBS+5-HT

由圖1可看出，裸玻碳電極GCE(圖1a) 和修飾電極SWCNT-DHP/GCE(圖1b) 在 pH=8.0的磷酸鹽緩沖溶液中沒有觀察到明顯的電化學響應；當加入了1.25 μmol·L-15-HT后，裸玻碳電極出現了一個氧化峰(圖1c)，其峰電位為0.27 V、峰電流為 0.54 μA，而在修飾電極SWCNT-DHP/GCE(圖1d)上，5-HT在0.23 V 處產生一氧化峰，其峰電流為2.8 μA，電位負移約40 mV，電流增大約5倍。這是因為，單壁碳納米管具有一定的催化作用，加快了電極表面電子的傳遞速率。而且修飾電極的比表面積增大，從而增大了電流，提高了靈敏度。改變掃描速度，可以發現，隨著掃描速度的加快，氧化峰的峰電位稍微正移、峰電流相應增大，峰電流與掃描速度呈正比例關系。這些說明5-HT吸附在電極表面，電化學反應由表面控制。

2.2 5-羥色胺氧化反應的電子數

根據Laviron[6]的理論，當峰電流與掃描速度呈線性關系時，物質在電極上的吸附符合Langmuir 吸附等溫式，即有：

式中：n為電子數；F為法拉第常數；υ為掃描速度；A為電極的電化學面積；ΓT為吸附量；Q=nFAΓT，為循環伏安圖中5-HT的氧化峰面積(以電量計)。而RT/F=0.059(25 ℃)，可得：

n=0.236×Ip/(vQ)

因此，在一定掃描速度下，由循環伏安圖中的峰面積可求得電化學反應的電子數n。通過計算，確定5-HT在碳納米管修飾電極上氧化反應為4 個電子轉移的反應。

2.3 5-羥色胺氧化反應的質子數

溶液的pH值影響5-HT的氧化反應，5-HT氧化峰峰電位和峰電流隨溶液pH值的變化關系見圖2。

圖2 5-羥色胺氧化峰峰電位(a)和峰電流(b)隨溶液pH值變化關系

由圖2中曲線a可以看出，隨著pH值的增加，峰電位負移，峰電位與溶液pH值呈線性關系，其線性回歸方程為：Ep(V)=0.66-0.054pH，R=0.997(n=8)。

對于有質子參與的電化學反應：Rox+ne+mH+→Rred，其能斯特方程為(25 ℃)：

峰電位隨溶液pH值的變化呈線性關系，當參與反應的電子數和質子數相等時(m=n)，其斜率為59 mV/pH。

實驗所得的直線斜率值為54 mV/pH，與理論值接近，說明參與電化學反應的電子數和質子數相等[7]，即5-HT在碳納米管修飾電極上的氧化反應伴隨失去4 個質子。

由圖2中曲線b可以看出，峰電流隨溶液pH值的增加而逐漸增大，當溶液pH值為8.0時，峰電流達到最大。這是因為，經酸處理的碳納米管表面帶有-COOH等基團，且表面活性劑DHP也荷負電，在此pH值條件下，5-HT帶正電荷，增加了5-HT在電極表面的吸附量，使氧化電流增大。

在電化學氧化5-HT過程中，5-HT共失去了4 個電子和4個質子。推測其機理為：5-HT先失去2個電子，被氧化成醌亞胺；再失去2個電子，被完全氧化為4，5-二酮色胺(主要產物)。表示如下[8]：

2.4 富集電位和富集時間的確定

富集電位對5-HT氧化峰峰電流的影響見圖3。

圖3 富集電位對氧化峰峰電流的影響

由圖3可以看出，在0～-0.5 V范圍內時，隨富集電位的增大，峰電流逐漸降低；當富集電位低于-0.3 V時，峰電流增加不大，而且電位過低，易發生副反應。因此，選擇富集電位為-0.3 V。

富集時間對5-HT氧化峰峰電流的影響見圖4。

圖4 富集時間對氧化峰峰電流的影響

由圖4可以看出，隨著富集時間的延長，5-HT的氧化峰峰電流Ip在短時間內(30 s)快速增大；在富集時間達到30 s后，峰電流增幅趨緩，這說明電極的表面吸附已接近飽和。因此，選擇富集時間為30 s，此時富集率達96%左右。

2.5 線性關系與檢出限

以SWCNT-DHP/GCE為工作電極，在pH值為8.0的磷酸鹽緩沖溶液中，-0.3 V電位下富集30 s，5-HT在1.36～16.64 μmol·L-1濃度范圍內與氧化峰峰電流呈良好的線性關系，如圖5所示。

圖5 5-羥色胺的氧化峰峰電流隨濃度的變化關系

其線性回歸方程為：Ip(μA)=0.48+0.14c(μmol·L-1)，相關系數R=0.998。根據線性回歸分析中的LINEST函數，檢測限=3.3sd/s，式中：sd為線性回歸方程截距的標準偏差，s為線性回歸方程的斜率，求得檢測限為0.23 μmol·L-1。

2.6 共存物質的影響

由于SWCNT-DHP表面荷負電，5-羥基吲哚乙酸、尿酸、抗壞血酸、葡萄糖、氨基酸等常見共存物對測定沒有明顯的影響，但多巴胺對測定存在干擾。

3 結論

SWCNT 穩定地分散在表面活性劑DHP水溶液中，使SWCNT-DHP/GCE修飾電極具有很大的比表面積和強的吸附特性，一方面對5-HT表現出很強的富集效率，另一方面，表面荷負電的SWCNT-DHP/GCE修飾電極增強了對5-HT的靜電吸附而減小了5-羥基吲哚乙酸等共存物質的干擾。5-HT在碳納米管修飾電極上的電化學反應是一個受表面控制的不可逆過程，其氧化最終產物為4，5-二酮色胺。SWCNT-DHP/GCE修飾電極可以定量檢測5-HT，在其濃度為1.36～16.64 μmol·L-1范圍內，與氧化峰峰電流呈良好的線性關系，檢測限為0.23 μmol·L-1。

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