摻硼金剛石薄膜電極的氨基化改性及電化學行為

朱 虹，芶 立

（四川大學材料學院，四川 成都 610065）

研究開發(fā)

摻硼金剛石薄膜電極的氨基化改性及電化學行為

朱 虹，芶 立

（四川大學材料學院，四川 成都 610065）

采用重氮鹽電化學還原的方法對摻硼金剛石薄膜電極進行氨基化改性，光電子能譜（XPS）證明表面N元素的存在，同時可以通過406 eV、400 eV峰強度的變化，證明硝基還原為氨基。以Fe(CN)6－3/－4氧化還原電對為探針，進一步證明了氨基層的存在。采用循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法研究了改性后電極的電化學行為。通過分別檢測多巴胺和抗壞血酸以及它們的混合溶液，表明選用差分脈沖伏安法，氨基化改性摻硼金剛石薄膜電極能夠有效分離檢測兩者的氧化峰，分離后兩峰電勢差約為 0.3 V。電極表面吸附血漿蛋白后，阻礙了Fe(CN)6

－3/－4氧化還原對的電子傳遞，但是并不妨礙多巴胺的檢測。

摻硼金剛石薄膜電極；氨基化改性；多巴胺；抗壞血酸；蛋白吸附

摻硼金剛石電極具有電勢窗口寬、背景電流低、表面性質(zhì)穩(wěn)定等特性，應用于生物測試中時，檢測結(jié)果優(yōu)于其它許多電極[1-3]。但是，未經(jīng)過表面改性處理的電極，表面活性差，對一些氧化還原分子反應遲鈍，在進行生物測試時選擇性和靈敏度受到限制[4]。因此，研究者不斷尋求摻硼金剛石電極表面改性的各種方法，如在電極表面導入鹵素、氨基、羧基、硫醇基等[3]。

氨基化改性是通過光化學[5-6]、電化學[2，7]和等離子體改性[8-9]的方法，在電極表面導入氨基。在表面氨基層中，胺體系具有高度親核性以及各種各樣可以以胺為基礎的化學耦合作用[10]，使得電極表面得以活化，能夠更好地鏈接生物分子。目前，氨基化的金剛石電極主要用于連接 DNA分子[2]和某些蛋白質(zhì)分子[8]，并制成相關(guān)電子元器件，例如表面固定了 DNA的含氨基終端的金剛石芯片放置 3年之后，仍然保存著核苷酸的相關(guān)合理信息[7]。最近，研究者將垂直排列的金剛石納米線氨基化改性后，用于鍵合核酸分子，制成DNA生物傳感器[11]。

作者根據(jù)參考文獻[2]中所介紹的重氮鹽還原的方法對摻硼金剛石薄膜電極改性，使用鹽酸溶液和磷酸緩沖溶液作為電化學反應的支持電解質(zhì)，它們與文獻中的有機溶劑相比，價格低廉，且改性過程簡單方便。

由于化學修飾電極具有靈敏度高、選擇性好、響應速度快等特點，因此被廣泛用于電化學檢測神經(jīng)遞質(zhì)[12]。多巴胺是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，對于生理學和病理學都具有重要的意義。檢測多巴胺時，電活性的抗壞血酸通常會作為一種干擾物質(zhì)出現(xiàn)，這是因為多巴胺與抗壞血酸在多種電極上，發(fā)生氧化的電勢位置相近，二者的氧化峰通常發(fā)生重疊，以致不能檢測到多巴胺[13]。氨基化的電極在非堿性溶液中帶正電，而多巴胺與抗壞血酸在溶液中帶相反電荷，因此利用氨基化電極與多巴胺和抗壞血酸之間不同的靜電作用，實現(xiàn)對多巴胺與抗壞血酸共存體系的分離檢測，同時探討血漿中蛋白等物質(zhì)的吸附對多巴胺檢測的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LK9805電分析儀（天津蘭力科化學電子高技術(shù)有限公司）；快速循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法均采用三電極系統(tǒng)：摻硼金剛石薄膜電極作為工作電極，Ag/AgCl作為參比電極，Pt作為對電極；SB118型精密直流電壓電流源（上海乾峰電子儀器有限公司）；X射線光電子能譜儀（PHI 550型，美國）。

多巴胺（DA，美國Sigma-Aldrich公司）；抗壞血酸（AA，重慶巴山精細化工廠）；PBS溶液（0.1 mol/L KCl磷酸緩沖液，pH=6.8）、含 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的PBS溶液； NaNO2和對硝基苯胺（均為分析純）；兔血稀釋溶液（兔血∶稀釋劑=4∶5，體積比），兔血取自新西蘭兔，加入抗凝劑后用生理鹽水稀釋。實驗用水為18 MΩ去離子水。摻硼金剛石薄膜電極來自于本實驗室，采用微波等離子氣相沉積法在鎢絲表面制備摻硼金剛石膜，硼摻雜量為6000 mg/kg，鎢絲直徑為0.5 mm。

1.2 實驗方法

1.2.1 金剛石薄膜電極的改性

使用直流電壓電流源，金剛石薄膜電極作為工作電極，鉑電極作為對電極，插入對硝基苯胺和NaNO2的混合溶液（鹽酸溶液配制），對工作電極施加－0.4 V的電壓，10 min后取出，再浸沒到去離子水中超聲清洗10 min。

然后，將工作電極插入PBS溶液中，使用快速循環(huán)伏安法，電壓范圍為－1.5～1.5 V，掃描速度為0.2 V/s，記錄掃描多個周期后的循環(huán)伏安曲線，目的是在特定的電壓范圍內(nèi)，電極表面導入的NO2基團進一步還原為NH2基團，實現(xiàn)表面氨基化。

1.2.2 改性電極的表面表征

將改性后的電極插入含 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的PBS溶液中，使用快速循環(huán)伏安法，在－0.2～0.7 V電壓范圍，以0.2 V/s速度掃描，記錄其循環(huán)伏安曲線。

1.2.3 改性電極的電化學性能測試

使用快速循環(huán)伏安法，將改性后的電極插入到200 μmol/L的多巴胺溶液中，電壓范圍為－1.0～1.0 V，掃描速度為0.2 V/s，記錄其循環(huán)伏安曲線；將電極用去離子水沖洗后插入到 200 μmol/L的抗壞血酸溶液中，電壓范圍為－1.5～1.5 V，掃描速度為0.2 V/s，記錄其循環(huán)伏安曲線。根據(jù)電極的直徑為0.5 mm，電極長度為10 mm，求得電極面積約為16 mm2。

使用差分脈沖伏安法，將改性后的電極用于分別檢測 200 μmol/L的多巴胺和抗壞血酸溶液，其中，電位增量0.005 V，脈沖幅度0.05 V，脈沖寬度0.06 s，脈沖間隔0.2 s，觀察氧化峰出現(xiàn)情況。使用快速循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法，將電極用于檢測多巴胺與抗壞血酸的濃度均為 200 μmol/L的混合溶液，記錄各自的伏安曲線圖。

1.2.4 改性電極吸附血漿蛋白

將改性后的電極插入兔血稀釋溶液中，將實驗裝置放入冰箱，條件保持在4 ℃。4 h時后，取出電極，用去離子水清洗后，插入 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的PBS溶液中，使用快速循環(huán)伏安法，記錄其循環(huán)伏安曲線。

接著，將電極用去離子水清洗后插入到 100 μmol/L的多巴胺溶液，使用快速循環(huán)伏安法，觀察多巴胺的氧化還原峰對電勢的情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極氨基化

以金剛石薄膜電極為工作電極，在對硝基苯胺與亞硝酸鈉混合溶液中，通過電化學方法，在電極表面導入了硝基。接著，將工作電極插入PBS溶液中，使用快速循環(huán)伏安法通過多次循環(huán)，電極表面的硝基被催化還原為氨基。如圖1所示，從下至上，循環(huán)次數(shù)依次增加。在－1.0 V處出現(xiàn)硝基還原為氨基的還原峰，在0.25 V處出現(xiàn)的氧化峰是少量氨基再次被氧化的結(jié)果，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，該峰逐漸消失。此時，電極表面氧化還原完全，在PBS溶液中重新測試不再出現(xiàn)明顯峰值，并顯示了金剛石薄膜電極寬電勢窗口的特征。

2.2 改性電極的表面表征

2.2.1 XPS表征結(jié)果

采用X射線光電子能譜（XPS）對電極表面進行分析，XPS的全譜檢測一共探測到3種元素，分別是 C、O、N，它們的原子分數(shù)分別是 85.2%、10.3%、4.5%，由此說明電極表面存在含N基團。如圖2所示，進一步對N1s進行探測，406 eV、400 eV的峰分別是N—O、N—H的特征峰[14]，圖2(a)中406 eV的峰的強度遠大于400 eV的峰，表明電極表面導入的基團大部分為硝基，有少量氨基。如圖2(b)所示，經(jīng)過在PBS支持電解質(zhì)中進一步的電化學還原后，N—O的XPS峰強度減弱，而N—H的 XPS峰強度增強，表明電極表面的硝基已經(jīng)大部分被還原為氨基，金剛石薄膜電極表面被氨基覆蓋。

圖1 電極表面硝基還原為氨基的循環(huán)伏安曲線圖

圖2 電極表面導入硝基和電極表面硝基還原為氨基后的XPS圖

2.2.2 鐵氰化鉀體系的電化學行為

圖3 裸電極和改性電極在1×10－3 mol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的循環(huán)伏安曲線圖

電極表面沒有接上任何基團時，插入含 1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]的 PBS溶液中測試氧化還原對，出現(xiàn)了一對完全對稱的氧化還原峰，氧化還原對電勢差約為0.1 V，如圖3中曲線a所示，比較接近氧化還原對電勢差的理論值。電極表面導入氨基基團后，得到的圖3中曲線b也有一對氧化還原峰，峰電流明顯減小，ipa/ipc為 1∶1，仍為可逆反應；氧化還原峰電勢差ΔEp=0.25 V，大于裸電極。這是因為，氨基基團通過化學鍵合作用結(jié)合到金剛石薄膜電極表面，形成了含氨基終端的表面，增大了電子傳遞到電極表面的阻力，從而使氧化還原峰電勢差增大，響應電流減小。并且，實驗證明，電極表面導入的氨基數(shù)量越多，鐵氰化鉀氧化還原對的可逆性和對稱性更容易減弱。

2.3 改性電極檢測多巴胺與抗壞血酸

2.3.1 循環(huán)伏安法

在PBS溶液中，改性電極與裸電極的測試結(jié)果相比，并無大的差異，只顯示改性電極結(jié)果如圖4(a)所示，在－1.0～1.0 V內(nèi)無明顯峰值出現(xiàn)，背景電流小于10 μA，電勢窗口約2 V。改性后的電極仍能保持裸電極所具有的低背景電流，寬電勢窗口等特性。當PBS溶液中加入多巴胺后，如圖4(b)所示，多巴胺在改性電極表面發(fā)生了準可逆的氧化還原反應，Epa= 0.75 V，Epc=0.1 V附近，氧化峰電流值大于還原峰電流值。這是由于多巴胺在電極表面先發(fā)生了氧化，氧化產(chǎn)物在電極表面略有堆積，阻礙再次還原的結(jié)果。與裸電極測試DA的結(jié)果相比，DA在改性電極上氧化還原生成的峰電流值有所減小。在圖 4(c)中，PBS溶液中加入了抗壞血酸，抗壞血酸在改性電極表面發(fā)生了不可逆的氧化反應Epa=0.6 V，這種不可逆性與抗壞血酸的性質(zhì)有關(guān)，抗壞血酸的氧化產(chǎn)物經(jīng)歷后行化學反應生成非電活性物質(zhì)。與裸電極測試AA的結(jié)果相比，AA在改性電極上氧化生成的峰電流值略有增加。

由于在非堿性環(huán)境中，含氨基終端的金剛石薄膜電極表面，氨基吸附氫離子而帶上正電荷，而多巴胺在溶液中帶正電，抗壞血酸在溶液中帶負電，由于靜電吸附的作用，氨基化的電極阻礙了多巴胺的氧化還原，而增強了抗壞血酸的氧化效應。由此推斷，當多巴胺與抗壞血酸混合后，兩者在電極表面的電荷轉(zhuǎn)移必然存在相互影響、相互競爭的情況。如圖5所示，多巴胺與抗壞血酸的氧化峰在0.65 V位置重疊，多巴胺的還原峰出現(xiàn)在0.05 V位置附近，由此可知，盡管兩物質(zhì)在氨基化的電極表面存在不同的靜電吸附作用，但是使用循環(huán)伏安法，難以實現(xiàn)多巴胺與抗壞血酸氧化峰的分離檢測。

圖4 PBS溶液、多巴胺溶液、抗壞血酸溶液中的循環(huán)伏安曲線圖

圖5 多巴胺與抗壞血酸共存體系的循環(huán)伏安曲線圖

2.3.2 差分脈沖伏安法

差分脈沖伏安（DPV）法由于具有靈敏度高、分辨率高和可重現(xiàn)性好等特點，常被用于對有機物質(zhì)的檢測中。由圖6可知，將氨基化的電極用于DPV法單獨測試200 μmol/L的多巴胺與抗壞血酸時，多巴胺的氧化峰：Epa=0.7 V，ipa=6.6 μA；抗壞血酸的氧化峰：Epa=0.5 V，ipa=0.8 μA。

圖7中，保持濃度與圖6中兩物質(zhì)的濃度相同，將多巴胺與抗壞血酸混合時，多巴胺的氧化峰為Epa=0.7 V，ipa=2.7 μA，抗壞血酸的氧化峰為Epa=0.4 V，ipa=2.0 μA。與圖6相比，可以看出，多巴胺的氧化峰位置未變，但峰電流值大大減小；而抗壞血酸的氧化峰位置發(fā)生左移，峰電流值增大。這是因為多巴胺與抗壞血酸在溶液中帶電性不同，因而在電極表面發(fā)生競爭氧化，抗壞血酸的氧化峰電位更負，并且?guī)ж撾姷目箟难崤c帶正電的表面靜電吸附，因此優(yōu)先氧化，氧化峰電流增大，相應地多巴胺氧化峰減小。

圖6 多巴胺（a）、抗壞血酸溶液（b）中的差分脈沖伏安曲線圖

圖7 多巴胺與抗壞血酸共存體系的差分脈沖伏安曲線圖

這種情況可以與含羧基終端的金剛石電極的檢測結(jié)果相比。Kondo等[15]曾做過該實驗，含羧基終端的金剛石電極表面帶負電，用該電極作為工作電極，參比電極同樣為Ag/AgCl電極時，選擇差分脈沖伏安法檢測多巴胺與抗壞血酸混合溶液，多巴胺與抗壞血酸的氧化峰分別出現(xiàn)在0.4 V、0.6 V位置，由于抗壞血酸氧化峰電位更正，需要更高的電勢才能氧化，因此當兩者混合后，多巴胺氧化峰電流增加，而抗壞血酸氧化峰電流相應減小?？梢姡姌O表面帶電性會對多巴胺與抗壞血酸混合溶液的檢測產(chǎn)生重要影響。

2.4 吸附蛋白的影響

2.4.1 鐵氰化鉀體系的電化學行為

如圖8所示，吸附蛋白后，F(xiàn)e(CN)6－3/－4氧化還原峰對的可逆性和對稱性減弱，峰電流值有所減小。這是因為電極插入兔血稀釋液一定時間后，表面吸附了各種蛋白等物質(zhì)，用去離子水沖洗后仍然存在，所以鐵氰化鉀體系電子傳遞在表面受阻。

2.4.2 多巴胺的電化學行為

改性電極的表面雖然吸附了血漿蛋白等物質(zhì)，阻礙了鐵氰化鉀體系的電子傳遞，但是，多巴胺在電極表面的電荷轉(zhuǎn)移并未受到變化。如圖 9所示，可以從圖中清晰辨別出多巴胺的氧化還原峰對，與圖 4(b)相比，并無太大差異。這是由于Fe(CN)6－3/－4氧化還原對的電子傳遞很復雜，它對電極表面的物理化學性質(zhì)和電解質(zhì)組成等的改變都很敏感[16]。然而，多巴胺的氧化還原屬于內(nèi)殼層反應，只與質(zhì)子和電子的傳遞有明顯的關(guān)系[17]。因此，在本實驗中，對于多巴胺，它的檢測結(jié)果并未因蛋白吸附而改變。

圖8 改性電極吸附蛋白前和吸附蛋白后在1×10－3mol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的循環(huán)伏安曲線圖

圖9 吸附蛋白后的電極在多巴胺溶液中的循環(huán)伏安曲線圖

3 結(jié) 論

重氮鹽電化學還原的方法能夠有效地在摻硼金剛石薄膜電極表面導入氨基，使用 XPS和Fe(CN)6

－3/－4探針進行表征，證明了改性電極表面狀態(tài)的變化。改性后電極使用差分脈沖伏安法，能夠分離檢測多巴胺與抗壞血酸的氧化峰，并且兩峰的電勢差為0.3 V，分離效果較好。同時改性電極在吸附血液中蛋白等物質(zhì)后，并不影響對神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的檢測。

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Boron-doped diamond thin-film electrode modified by aminophenyl and its electrochemical behavior

ZHU Hong，GOU Li
（School of Materials Science Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan，China）

Boron-doped diamond thin-film electrode was modified by the electrochemical reduction of aryl diazonium salt to attach aminophenyl group. X ray photoelectron spectroscopy（XPS）indicates the presence of N1s at the surface of electrode. By analyzing the peaks centered at 406 eV and 400 eV，XPS also suggests that nitrophenyl groups are electrochemically reduced to aminophenyl groups. The aminophenyl layer attached onto diamond thin-film electrode was demonstrated by comparing the voltammetric profiles of the Fe(CN)6－3/－4redox couple at the electrode. The electrochemical behaviors of modified electrode were detected by differential pulse voltammetry（DPV）and cyclic voltammetry.The DPV for simultaneous determination of dopamine and ascorbic acid shows well-separated oxidation peaks with the potential difference about 0.3 V. The plasma protein adsorption at the surface modified electrode blocks electron transfer of Fe(CN)6－3/－4redox couple. However，it does not affect the detection of dopamine.

boron-doped diamond thin-film electrode；aminophenyl attachment；dopamine；ascorbic acid；protein absorption

TG 146.4

A

1000–6613（2011）12–2688–06

2011-02-28；修改稿日期2011-08-24。

朱虹（1989—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：芶立，教授。E-mail gouli@scu.edu.cn。