聚3，4-乙撐二氧噻吩/金復(fù)合電極的制備及其在多巴胺檢測(cè)中的應(yīng)用

王保光，邱吟，胡海峰，張雪華，何聲太，賀濤

(1.國家納米科學(xué)中心，北京 100190;2.天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

多巴胺(DA)是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中非常重要的信息傳遞物質(zhì)，缺乏DA 可導(dǎo)致一些重要疾病，如精神分裂癥和帕金森氏癥［1］，所以對(duì)DA 含量的測(cè)定在生理功能和臨床應(yīng)用等方面具有重要意義。目前，測(cè)定DA 的方法主要有電化學(xué)法［2-6］、化學(xué)發(fā)光法［7］、高效液相色譜法［8-10］、表面等離子體共振法［11-13］、表面增強(qiáng)拉曼法［14-15］以及熒光法［16-17］等。電化學(xué)方法具有易于操作、價(jià)格低廉、靈敏度高和選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是微型電化學(xué)探針能夠進(jìn)行活體在線分析，但易受AA 的干擾。因此，如何在高濃度AA 共存時(shí)選擇性測(cè)定DA 便成為電化學(xué)分析研究的重要課題之一［18］。

聚3，4-乙撐二氧噻吩(PEDOT)具有電導(dǎo)率高、在生理環(huán)境下能穩(wěn)定存在、易制備等優(yōu)點(diǎn)，在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Vasantha 等［19］以PEDOT 修飾的玻碳電極分析DA，有效避免了AA 影響。金納米顆粒(Au NPs)具有高導(dǎo)電性、良好的穩(wěn)定性和生物相容性，對(duì)化學(xué)反應(yīng)具有良好的催化性能，在電化學(xué)傳感器中引入Au NPs，可以有效促進(jìn)電子傳遞和反應(yīng)的可逆性，提高檢測(cè)分析的靈敏度［20］。Zheng 等［21］采用花狀的Au 納米結(jié)構(gòu)修飾電極，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DA 和AA 的同時(shí)檢測(cè)，DA 和AA 分別在1 ～1.5 ×10－4mol/L 和6 ～50 ×10－5mol/L 具有良好的線性范圍，檢測(cè)限分別為2 ×10－7mol/L 和1×10－5mol/L。

本文在對(duì)甲苯磺酸鈉水溶液中，采用電化學(xué)方法，在氧化銦錫導(dǎo)電玻璃上制備了PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極，用于DA 的電化學(xué)檢測(cè)。研究了Au NPs沉積量對(duì)PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極對(duì)DA 電化學(xué)檢測(cè)的影響，并研究了PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極在AA 和尿酸(UA)共存下對(duì)DA 電化學(xué)檢測(cè)的靈敏性和選擇性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

3，4-乙撐二氧噻吩(EDOT，二次減壓蒸餾后放入冰箱中備用)、對(duì)甲苯磺酸鈉、四氯金酸(HAuCl4)、硝酸鉀、抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)、多巴胺鹽酸鹽、丙酮、異丙醇、磷酸鹽緩沖溶液(PBS)等均為分析純;ITO 導(dǎo)電玻璃;Milli-Q 超純水(18.2 MΩ·cm)。

Hitachi S-4800 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡;Tecnai G2 F20 U-TWIN 場發(fā)射透射電子顯微鏡;CS300型電化學(xué)工作站(對(duì)電極為Pt 片，參比電極為飽和甘汞電極，實(shí)驗(yàn)前均將溶液通氮?dú)獬?0 min)。

1.2 PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極的制備

ITO 導(dǎo)電玻璃依次用洗滌劑、丙酮、異丙醇、二次水和三次水進(jìn)行超聲處理各15 min，然后氮?dú)獯蹈伞ｋ娀瘜W(xué)恒電位極化(1.0 V)進(jìn)行聚合，制備PEDOT 修飾電極，EDOT 單體濃度為0.01 mol/L，0.1 mol/L的對(duì)甲苯磺酸鈉為支持電解質(zhì)，ITO 導(dǎo)電玻璃為工作電極，聚合時(shí)間為50 s。然后將PEDOT電極置于含6 mmol/L HAuCl4和0.1 mol/L KNO3的電解液中，在－0.6 ～1.0 V 電位范圍內(nèi)，采用循環(huán)伏安(CV)法沉積Au NPs。掃描速率為50 mV/s，沉積掃描1 圈、3 圈、5 圈和7 圈，所制備的PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極分別標(biāo)記為PEDOT/Au-1c，PEDOT/Au-3c，PEDOT/Au-5c 和PEDOT/Au-7c。沉積結(jié)束后，依次采用三次水和無水乙醇清洗電極表面，高純氮?dú)獯蹈珊螅４嬖诟稍锵渲袀溆谩?/p>

1.3 檢測(cè)方法

將PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極置入含有一定濃度DA 的0.1 mol/L 的PBS 溶液(pH=7.2)中，靜止30 s，進(jìn)行CV 或差分脈沖伏安(DPV)測(cè)試。DPV測(cè)試時(shí)參數(shù)設(shè)置為:掃描范圍－0.3 ～0.7 V (vs.SCE)，振幅50 mV，脈沖寬50 ms，脈沖周期0.2 s，電位增量4 mV。所有電化學(xué)試驗(yàn)中工作電極的幾何面積保持一致，且均在室溫(25 ℃)下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極的形貌與結(jié)構(gòu)表征

PEDOT 修飾電極的表面形貌SEM 見圖1。

圖1 PEDOT(a)，PEDOT/Au-1c(b)和PEDOT/Au-5c(c)的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of PEDOT(a)，PEDOT/Au-1c(b)and PEDOT/Au-5c (c)

由圖1 可知，PEDOT 呈多孔花瓣?duì)睿o貼ITO表面生長。由圖1b 和圖1c 可知，PEDOT/Au-1c 和PEDOT/Au-5c 復(fù)合修飾電極的Au NPs 依附于PEDOT 的表面沉積，隨著沉積量(即掃描圈數(shù))的增加，Au NPs 的分布越來越致密，形成Au NPs 的顆粒團(tuán)簇(島狀結(jié)構(gòu))。

圖2 為PEDOT/Au-5c 修飾電極的EDS 能譜圖。

圖2 PEDOT/Au-5c 的EDS 能譜圖Fig.2 EDS images of PEDOT/Au-5c

由圖2a 可知，Au NPs 均勻分布在PEDOT 表面。圖2b 豎線代表Au NPs 的分布情況，線越密越高，代表Au NPs 的含量越高，可看出白色顆粒區(qū)域(Au NPs 的顆粒團(tuán)簇)Au NPs 的含量較高。

圖3 為PEDOT/Au-5c 修飾電極的TEM 圖。

圖3 PEDOT/Au-5c 的透射電鏡圖Fig.3 TEM images of PEDOT/Au-5c

由圖3 可知，Au NPs 的單個(gè)顆粒大小約為20 nm。

表1 為根據(jù)PEDOT/Au 修飾電極的EDS 能譜得出的Au NPs 的含量。

表1 PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極中Au NPs 的含量Table 1 Content of Au NPs in different PEDOT/Au composite electrodes

由表1 可知，隨著沉積圈數(shù)的增加，Au NPs 的含量增加。

2.2 PEDOT/Au復(fù)合修飾電極對(duì)DA 的電催化響應(yīng)

圖4 為在pH=7.2 的PBS 緩沖溶液中，掃描速率為100 mV/s 時(shí)，DA 在不同修飾電極上的CV 譜圖。

圖4 DA 在ITO、PEDOT 和PEDOT/Au 復(fù)合電極上的CV 曲線Fig.4 CV curves of DA on ITO，PEDOT and PEDOT/Au-5c electrodes

由圖4 可知，相對(duì)于ITO 導(dǎo)電基底，DA 在PEDOT 修飾電極上的氧化還原峰電流明顯增強(qiáng)。在PEDOT 電極上進(jìn)一步沉積Au NPs，制備PEDOT/Au復(fù)合修飾電極后，由于Au NPs 對(duì)DA 氧化還原反應(yīng)的催化以及Au NPs 良好的導(dǎo)電性，使DA 的氧化還原峰電流進(jìn)一步增強(qiáng)。DA 在PEDOT/Au-5c 復(fù)合修飾電極上具有最強(qiáng)的電化學(xué)響應(yīng)。但是，當(dāng)Au NPs CV 沉積掃描圈數(shù)由5 圈增加為7 圈(Au 沉積量的增加)時(shí)，DA 的氧化還原峰電流開始降低。原因可能為制備PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極是采用分步沉積法，即先制備PEDOT 電極，然后在PEDOT 電極表面進(jìn)一步沉積Au NPs，SEM 表征表明，大部分Au NPs 團(tuán)簇沉積在PEDOT 的表面，這將減少PEDOT 與DA 相互作用的電化學(xué)活性位點(diǎn)。當(dāng)Au NPs沉積量達(dá)到一定程度時(shí)，覆蓋活性位點(diǎn)帶來的負(fù)面作用將大于其帶來的正面促進(jìn)作用，表現(xiàn)為DA 的氧化還原峰電流不再增加，而且開始降低。

2.3 pH 和掃描速率對(duì)DA 檢測(cè)的影響

圖5 為在不同pH 值(pH = 6.35 ～8)的PBS緩沖液中，掃描速率為100 mV/s，DA(0.5 mmol/L)在PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極上的CV 譜圖。

圖5 不同pH 值條件下DA 在PEDOT/Au-5c 復(fù)合電極上的CV 譜圖Fig.5 CV curves of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode with different pH value

由圖5 可知，DA 的氧化還原峰電位隨著緩沖溶液pH 值的增加而逐漸負(fù)移，并與PBS 緩沖溶液pH 值的變化呈線性關(guān)系(圖6)，表明質(zhì)子在DA 的氧化反應(yīng)過程中起著決定作用，pH 值與氧化峰電位的線性關(guān)系為EPO=－0.056pH + 0.613，直線斜率為56.04 mV/pH。說明DA 的氧化中涉及的是2 電子和2 質(zhì)子(2e－/2H+)的反應(yīng)，與文獻(xiàn)報(bào)道一致［22-24］。

圖6 DA 的氧化電位與pH 的線性關(guān)系圖Fig.6 The relationship between the anodic peak potential of DA and the pH value

圖7 為不同掃描速率下DA (0.5 mmol/L，pH=7.2 的PBS 緩沖溶液)在PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極上的CV 曲線。

圖7 不同掃描速率下DA 在PEDOT/Au-5c 復(fù)合電極上的CV 譜圖Fig.7 CV curves of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode at different scan rates

由圖7 可知，在20 ～500 mV/s 掃描速率范圍內(nèi)(20，50，80，100，120，150，200，300，400，500 mV/s)，隨著掃描速率的增加，DA 的陽極氧化峰電位逐漸正移，相應(yīng)的陰極還原峰電位逐漸負(fù)移。由圖8 可知，DA 在PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極上的氧化峰電流與掃描速率呈很好的線性關(guān)系，線性方程為iPO=2.65×10－4+4.43 ×10－6V，(R2=0.99)。因此，DA 在PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極上的氧化還原反應(yīng)主要為表面控制過程［24］。

圖8 掃描速率與DA 的氧化峰電流密度間的線性關(guān)系圖Fig.8 The relationship between the scan rate and the anodic peak current of DA

2.4 PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極選擇性檢測(cè)DA

圖9a 為pH 值為7.2 的PBS 緩沖溶液中，不同濃度的DA(1，2，3，5，10，20，50，80，100，150，250，300，500，800，1 000 ×10－6mol/L)在PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極上的DPV 檢測(cè)曲線，圖9b 為氧化峰電流與DA 濃度間的線性關(guān)系曲線，其線性范圍為5 ×10－6～1 ×10－4mol/L，相關(guān)系數(shù)為0.988 1，檢出限為1 × 10－8mol/L(S/N =3)，靈敏度為1.483 4 ×10－6A/10－6mol/L。因此，DA 在該修飾電極上具有良好的線性范圍和較低的檢測(cè)限。由于DA 在生理?xiàng)l件下的濃度范圍為10－8～10－6mol/L，所以該電極可在生理環(huán)境下用于DA 的檢測(cè)。

圖9 不同濃度的DA 在PEDOT/Au-5c 復(fù)合電極上的DPV圖(a)，氧化峰電流與其濃度的線性關(guān)系圖(b)Fig.9 DPV curves of different concentration of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode(a)，the relationship between the anodic peak current and its concentration(b)

圖10 為在pH 值為7.2 的PBS 緩沖溶液中，0.5 mmol/L AA 共存下，不同濃度的DA(2，4，8，20，40，50，80，100，200，400，500，1 000 ×10－6mol/L)在PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極上的DPV 檢測(cè)曲線。

圖10 AA 和不同濃度的DA 在PEDOT/Au-5c 復(fù)合電極上的DPV 曲線(a)，DA 的氧化峰電流與其濃度的線性關(guān)系圖(b)Fig.10 DPV curves of AA and different concentrations of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode(a)，the relationship between the anodic peak current of DA and its concentration(b)

由圖10 可知，AA 的氧化峰電位比DA 的負(fù)，兩者氧化峰峰位相差約220 mV，可同時(shí)檢測(cè)。隨著DA 濃度的增加，DA 的氧化峰電流逐漸增強(qiáng)，峰電流值與DA 的濃度呈線性相關(guān)，線性回歸方程為ipa(mA)=0.356 +7.856 ×10－4CDA(10－6mol/L)，相關(guān)系數(shù)為0.975 8，表明該修飾電極在AA 共存下對(duì)DA 有良好的響應(yīng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著DA 濃度的增加，AA 的氧化峰電流發(fā)生輕微變化，且呈無規(guī)律，但不影響修飾電極對(duì)DA 的檢測(cè)。

圖11 為pH 值7.2 的PBS 緩沖溶液中，在0.5 mmol/L AA 和0.1 mmol/L UA 共存下，PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極對(duì)不同濃度DA(20，40，100，200，300，500，1 000 ×10－6mol/L)的DPV 檢測(cè)曲線。

由圖11 可知，UA 的氧化峰位置比DA 的氧化峰位置較正，兩者相差約141 mV，UA 對(duì)高濃度DA的檢測(cè)沒有影響，可以同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。

圖11 AA、UA 和不同濃度的DA 在PEDOT/Au-5c 復(fù)合電極上的DPV 曲線(a)，DA 的氧化峰電流與其濃度的線性關(guān)系圖(b)Fig.11 DPV curves of AA，UA and different concentrations of DA on PEDOT/Au-5c composite electrode(a)，the relationship between the anodic peak current of DA and its concentration(b)

3 結(jié)論

(1)采用電化學(xué)方法將PEDOT 和Au NPs 復(fù)合，制備了PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極，并用于多巴胺的電化學(xué)檢測(cè)。Au NPs 負(fù)載在花瓣?duì)畹腜EDOT上，可改善其導(dǎo)電性，不僅可為DA 的電化學(xué)反應(yīng)提供活性位點(diǎn)，而且還促進(jìn)了PEDOT 與溶液中DA 間的電子傳遞。隨著沉積Au NPs 圈數(shù)的增加，在PEDOT 表面上形成了大小不一(凸凹不平)的Au NPs的島狀結(jié)構(gòu)。在中性pH 值溶液中，PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極對(duì)DA 的檢測(cè)效果受Au NPs 沉積量的影響較大。

(2)采用DPV 方法對(duì)DA 進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)時(shí)，優(yōu)化后的PEDOT/Au 復(fù)合修飾電極對(duì)DA 的檢測(cè)限為1 ×10－8mol/L，可有效排除AA 和UA 的干擾，實(shí)現(xiàn)DA、AA 和UA 的同時(shí)檢測(cè)，表現(xiàn)出了較高的選擇性和靈敏度，有望制成微電極用于DA 活體的在線分析。

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