聚4－氨基丁酸修飾碳納米管摻雜碳糊電極的制備及其對多巴胺的測定*

鄭新宇，周學酬，鄭舒燕，蘇 妍，鄭麗輝，林瑞余*

(1.福建農林大學生命科學學院，福州350002;2.福建農林大學植物保護學院，福州350002;3.福建省職業病與化學中毒預防控制中心，福州350002)

多巴胺(Dopamine，DA)是哺乳動物中樞神經系統中的一種非常重要的信息傳遞物質[1]。腦組織內多巴胺神經能與多種病癥，如帕金森病、亨丁頓舞蹈癥和多動癥等息息相關[2－4]。目前，測量DA濃度的方法有滴定法[5]、分光光度法[6]、液相色譜法[7]等。與這些檢測方法相比，電化學方法具有簡便、快捷、靈敏度高、成本低廉等優點，目前已成為一種重要的分析手段。但由于DA在固體電極上的過電位較大，因此用未修飾的固體電極對DA進行直接測定，靈敏度一般較低。經過化學修飾的電極，能降低過電位并增加DA的傳質速率，可提高測定DA的靈敏度，因此在DA的測定中越來越受到重視[8－9]。目前常見的電極修飾有聚合膜、Nafion膜和碳納米管等[10－13]。其中氨基酸聚合膜廣泛用于制備化學修飾電極，如半胱氨酸、賴氨酸、甘氨酸、組氨酸、谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、絲氨酸、色氨酸、異白氨酸、天冬氨酸等[14]。氨基酸聚合膜修飾電極具有穩定性好、使用壽命長等特點，被大量應用于實際樣品中多巴胺的分析測定[8－9，15－16]，提高了檢測的靈敏度。目前未見4－氨基丁酸(4－ABA)聚合膜修飾電極用于多巴胺測定的相關報道。本文采用在碳糊中摻入碳納米管制備碳納米管摻雜碳糊電極(CNTPE)，并在電極表面修飾 4－ABA，制成 P－4－ABA/CNTPE，并對DA進行測定，結果顯示DA峰電流大大增加，電位差減小。制備的電極具有簡單，不易脫落，穩定性好及抗干擾能力強等特點。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及試劑

CHI660D電化學工作站(上海辰華儀器公司)。

采用三電極系統:自制的P－4－ABA/CNTPE為工作電極，Ag/AgCl為參比電極，鉑絲為輔助電極。PHS－3C型精密酸度計(上海大普儀器廠)用于測量溶液的pH值。

光譜純石墨粉、碳納米管、液體石蠟、4－ABA購自上海國藥，鹽酸多巴胺(DA)、抗壞血酸(AA)和尿酸(UA)購自中國生物藥品制品檢驗所，鹽酸多巴胺注射液購于廣州白云山明興制藥有限公司。其余常用試劑均為分析純以上試劑，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 修飾電極的制備

稱取適量的石墨粉，然后加入適量的液體石蠟與適量的碳納米管混合，研磨均勻(時間5 min)，將此碳糊壓入電極管的頂端凹槽(直徑3 mm，深2 mm)，填充緊密，壓實，然后在稱量紙上打磨光滑。用二次蒸餾水沖洗電極頭，常溫下晾干備用。得到CNTPE。將制備好的 CNTPE置于含有0.02 mol/L 4－ABA 的0.02 mol/L 磷酸緩沖液(pH 5.0)中，在－0.5～2.0 V電位范圍內循環掃描6圈(掃描速度200 mV/s)，取出用水沖洗干凈，即得 P－4－ABA/CNTPE。上述所有實驗均在室溫下進行。

1.3 多巴胺測定方法

取含一定量DA標準液的BR緩沖液(pH 2.0)5 mL于電解池內，采用三電極體系在0.2 V～1.2 V電位范圍內進行 CV掃描。DA在 P－4－ABA/CNTPE上于0.710 V處出現了明顯的氧化峰，在0.604 V處出現還原峰，基于氧化峰峰型好，峰電流大于還原峰，本實驗則采用記錄氧化峰峰電流與DA濃度的關系進行檢測。

2 結果與討論

2.1 碳糊電極制備

2.1.1 碳納米管的影響

試驗中固定石墨粉與液體石蠟的質量分別為0.2 g 和 0.1 g，然后分別摻入 0、0.01 g、0.02 g、0.03 g、0.04 g、0.05 g、0.06 g 的碳納米管，研究碳納米管加入量變化時DA響應電流的變化情況，結果表明，隨著碳納米管加入量的增加，P－4－ABA/CNTPE對DA的響應電流出現先增加后減少的趨勢。由于碳納米管具有很大的表面積，摻入碳糊電極可增大電極的電化學反應面積，使多巴胺在電極上的反應電流增大。但碳納米管用量過大，會吸附更多的液體石蠟，反而不利于增大電極的電化學反應面積，而導致DA的響應電流減小。當碳納米管量為0.04 g(質量分數為16.67%)時，P－4－ABA/CNTPE 對 DA 的響應電流最大(如圖1)。因此本試驗選擇碳納米管的量占石墨粉與碳納米管總量16.67%。

圖1 碳納米管比例對DA氧化峰電流的影響

2.1.2 粘合劑的影響

液體石蠟作為CNTPE的粘合劑，為了考察粘合劑的影響。固定碳納米管的量占石墨粉與碳納米管總量16.67%的前提下，逐步改變液體石蠟與石墨粉和碳納米管總量的比例。試驗表明，隨著液體石蠟含量的提高，峰電流逐漸減小(如圖2)，但石蠟比例偏小會導致電極強度變差，碳糊容易脫落。當液體石蠟與石墨粉和碳納米管總量的比例為1∶3時，峰電流較大，機械強度也較好。所以本試驗選擇粘合劑與固體粉末的比例為1∶3。

圖2 粘合劑比例對DA氧化峰電流的影響

2.2 電聚合條件的影響

2.2.1 聚合底液pH的影響

試驗選定磷酸鹽緩沖溶液(PP)作聚合底液，分別試驗了pH值為5.0～8.0的磷酸鹽緩沖溶液進行電聚合，并將聚合后的P－4－ABA/CNTPE對2.0×10－5mol/L DA進行CV掃描。試驗結果得出:不同酸度底液聚合得到的電極對DA峰電流和峰電位均有影響:隨著底液pH值的不斷增大，響應電流不斷減小，氧化峰電位不斷負移，還原峰電位不斷正移。故實驗選定pH為5.0的PP緩沖溶液作聚合底液。

2.2.2 聚合底液4－ABA濃度的影響

在選定的pH為5.0的磷酸鹽緩沖溶液中進行電聚合，逐步提高底液 4－ABA的濃度，分別為:0.005 mol/L、0.01 mol/L、0.02 mol/L、0.04 mol/L和0.06 mol/L。然后將聚合后的 P－4－ABA/CNTPE電極對2.0×10－5mol/L DA進行CV掃描。結果發現4－ABA的濃度對聚合后電極的性能有較大的影響，結果如圖3所示。當4－ABA的濃度過大時，所得P－4－ABA/CNTPE電極對DA的響應峰電流較小，測量重現性較差，這可能是高濃度聚合得到的膜比較致密，表面積下降造成的。但若其濃度過低，修飾電極對DA的響應電流也很小，這可能是電極表面的聚合物膜覆蓋程度低所致[17]。故實驗選定濃度為0.02 mol/L的4－ABA磷酸緩沖溶液為聚合底液。

圖3 修飾劑濃度對DA氧化峰電流的影響

2.3 4－ABA在碳納米管摻雜碳糊電極上的電聚合

圖4所示為4－ABA在碳糊電極上的電聚合曲線。在掃描第一圈時，氧化峰電流較小，峰形不明顯，這可能是因為開始時碳納米管碳糊電極導電性較差引起的。到了第二圈后，峰電流變大，峰形也變好了，這說明聚合一圈后，4－ABA在電極表面再聚合變得更容易。因為聚4－ABA是導電聚合物，第一圈掃描后碳納米管碳糊電極表面修飾了部分聚4－ABA，使電極導電性增強，有利于后續4－ABA的電聚合。

圖4 4－ABA在修飾電極上的電聚合循環伏安圖掃速:200 mV/s;圈數:6;電位范圍:－0.5 V ～2.0 V。

2.4 DA在不同電極上的循環伏安曲線

分別以 CPE(1)、P－4－ABA－CPE(2)、CNTPE(3)、P－4－ABA/CNTPE(4)為工作電極，在 DA 濃度為4.0×10－5mol/L 的 B－R 緩沖液(pH 2.0)中于 0.2 V～1.2 V進行循環伏安掃描(掃速為200 mV/s)。結果如圖5所示。在CPE(1)電極上，DA出現了一對極其微弱的氧化還原峰，峰電流很低;峰型較差，ΔE1=445 mV。對于摻入碳納米管的CNTPE(3)而言，其氧化峰電流是CPE(1)的1.5倍，還原峰則是CPE(1)的1.8倍，且氧化峰和還原峰均正移，峰電位差減為376 mV，說明碳納米管的摻入，增大了電極表面積。P－4－ABA－CPE(2)電極是 CPE(1)電極經4－ABA修飾處理得到的，其氧化峰和還原峰電流較CPE(1)電極而言均增大，與此同時ΔE2也減少為131 mV。把 CNTPE(3)修飾 4－ABA得到的電極P－4－ABA/CNTPE(4)對DA進行測定，電極響應電流為變為原來的2.4倍，電位差變為106 mV。比較上述四種電極對DA的循環伏安曲線，可以發現P－4－ABA/CNTPE(4)電極對DA的響應電流最大，峰形最佳，峰電位差最小。本實驗采用該電極作為工作電極，建立檢測DA的方法。

圖5 DA在各種電極上的循環伏安圖掃速:200 mV/s。

2.5 掃描速率的影響

在掃速 10 mV/s～600 mV/s下對含 1.0×10－4mol/L的DA在0.02 mol/L、pH 2.0的 BR 緩沖溶液中進行線性伏安掃描(如圖6)，隨著掃速v的增加，DA的氧化峰峰電位逐漸正移，還原峰峰電位逐漸負移。其氧化峰電流和還原峰電流與掃速的平方根呈線性關系，線性方程分別為 ip=2.515 8 V1/2－1.057 6，R2=0.994 8，ip=2.502 5 V1/2－2.548 6，R2=0.992 7。由此可見，DA在P－4－ABA/CNTPE上的電化學反應是受擴散控制的[18]。

圖6 DA在修飾電極上的線性掃描伏安圖

2.6 富集時間的選擇

濃度為4.0×10－5mol/L 的 DA，在 pH 2.0 的 BR緩沖介質中，以修飾電極為工作電極，分別靜置富集2 s、5 s、10 s、20 s、30 s，結果表明，靜置時間為 10 s時，峰電流即達最大。因此試驗選擇靜置10 s后，再進行CV掃描。

2.7 修飾電極的重現性

對4.0×10－5mol/L的DA進行10次重復測定，峰電流的相對標準偏差RSD為4.13%。這表明該P－4－ABA/CNTPE對DA的測定具有良好的重現性。同樣研究了該修飾電極的穩定性，將該修飾電極放置10 d后，再對相同濃度的DA進行測量，峰電流值僅下降5.23%，表明該P－4－ABA/CNTPE具有較好的穩定性。

2.8 DA在修飾電極上的線性范圍和檢測限

在最優實驗條件下，利用循環伏安法(CV)對DA進行測定。發現DA氧化峰電流與其濃度在8.0×10－5～5.3×10－7mol/L 內呈線性關系，回歸方程為 ip=0.087 3C+0.451 6(ip為峰電流/μA，C 為濃度/μmol/L，R2=0.9941)，檢測限為2.0×10－7mol/L。

2.9 干擾實驗

按試驗方法對4.0×10－5mol/L的DA溶液進行測定，當相對誤差＜5%時，100倍的檸檬酸，10倍的酒石酸，50倍的葡萄糖，400倍的氯化鈉、氯化鉀和200倍的氯化鈣不干擾測定。

對2.0×10－5mol/L 的 DA 和 2.0×10－3mol/L 的AA、2.0×10－5mol/L的UA存在的混合液中進行CV 掃描。試驗結果如圖7所示，AA、DA和UA的電位分別為0.405、0.710、0.835V，100 倍的 AA 以及同等濃度的UA的存在并不干擾DA的測定。三者可以明顯分離開，說明P－4－ABA/GCE電極對DA具良好的選擇性，可在AA和UA存在的溶液中對DA進行測定。

圖7 AA，DA和UA在修飾電極上的循環伏安圖

2.10 樣品的測定及加標回收率實驗

量取1 mL鹽酸多巴胺注射液(標示濃度為10 g/L，2 mL/支)先用蒸餾水稀釋100倍，后量取1 mL該稀釋液于100 mL棕色容量瓶中，用pH 2.0的BR緩沖溶液定容，采用標準加入法進行定量測定。結果見表1。將一男性志愿者的尿樣，用pH 2.0的BR緩沖溶液稀釋200倍后，采用P－4－ABA/CNTPE進行測定，結果見表2。從表1、表2可以看出，兩種實際樣品的回收率分別在87.50% ～104.26%和92.30% ～97.04%之間，說明該方法可用于實際樣品的測定。

表1 鹽酸多巴胺注射液測定結果(n=5)

表2 實際尿樣測定結果(n=5)

3 結論

本文制備的P－4－ABA/CNTPE修飾電極，對DA具有良好的電催化作用，可較大程度提高DA檢測的靈敏度。P－4－ABA/CNTPE制作簡單、成本低廉、穩定性好，在用于鹽酸多巴胺注射液和人體實際尿樣的測定時，結果令人滿意。

[1]Wightman R M，May L J，Michael A C.Detection of Dopamine Dynamics in the Brain[J].Anal Chem，1988，60:769A－779A.

[2]Neubold C，KalcberK，Diewald W，etal.Voltammetric Determination of Nitrate with a Modified Carbon Paste Electrode[J].Electroanalysis，1994(6):227－236.

[3]Gerhardt G A，Gezanagy O G，Moghaddam B，et al.Nafion-Coated Electrode with High Selectivity for CNS Electrochemistry[J].Brain Research，1984，290:390－395.

[4]Rice M E，OkeA，BradberryC W，etal.Simultaneous Voltammetric and Chemical Monitoring of Dopamine Release in Situ[J].Brain Reseach，1985，340:151－155.

[5]Salem F B.Spectrophotometric and Titrimetric Determination of Catecholamines[J].Talanta，1987，34(9):810－812

[6]Maminski M，Olejniczak M，Chudy M，et al.Spectrophotometric Determination of Dopamine in Microliter Scale Using Microfluidic System Based on Polymeric Technology[J].Analytica Acta，2005，540(1):153～157

[7]Guan C L，Ouyuang J，Li Q L，et al.Simultaneous Determination of Catecholamines by Ion Chromatography with Direct Condutivity[J].Talanta，2000，50(6):1197－1203

[8]Zhang W，Yuan R，Chai Y Q.A Simple Strategy Based on Lanthanum-Multiwalled Carbon Nanotube Nanocomposites for Simultaneous Determination of Ascorbic Acid，Dopamine，Uric Acid and Nitrite[J].Sens Actuat B 166－167(2012)601－607.

[9]Chitravathi S，Kumara Swamy B E，Mamatha G P，et al.Simultaneous Electrochemical Determination of Dopamine and Ascorbic Acid Using Poly(L-Serine)Modified Carbon Paste Electrode[J].Journal of Molecular Liquids，2011，160:193－199.

[10]劉蓉，鐘桐生，雷存喜.多巴胺電化學傳感器的研究進展[J].化學傳感器，2011，31(3):10－15.

[11]王存嫦，陽明輝，魯亞霜，等.一種新的多層碳納米管復合膜修飾的葡萄糖生物傳感器制備[J].傳感技術學報，2003，20(1):18－21.

[12]張曉敏，任春生，應敏，等.四氨基鈷酞菁(CoTAPc)在金電極上成膜過程的研究[J].傳感技術學報，2004，2:306－313.

[13]許紅巖，王麗莉，王彥懷，等.沒食子酸在Nafion/單壁碳納米管/聚(3－甲基噻吩)復合膜修飾電極上的電化學行為及測定[J].傳感技術學報，2008，21(7):1113－1118.

[14]王春燕，李云輝，田堅.氨基酸化學修飾電極的制備及其應用[J].長春理工大學學報(自然科學版)，2011，34(1):150－153.

[15]楊懷成，陸喜良，魏萬之.聚L－絲氨酸/碳納米管復合導電薄膜的制備及在多巴胺的電化學測定中的應用[J].化學試劑，2010，32(10):907－909.

[16]孫登明，由文穎.聚L－谷氨酸修飾電極的制備及對多巴胺的測定[J].分析科學學報，2005，21(5):530－532.

[17]廖文利，李忠彬，李念兵.抗壞血酸在聚L－谷氨酸修飾玻碳電極上的電化學行為研究[J].重慶文理學院學報(自然科學版)，2010，29(5):57－60.

[18]李啟隆，胡勁波.離子注入修飾電極及其在藥物分析中的應用[J].化學通報，2000，63(3):32－36.