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“项链状”聚合物/碳纳米管杂化组装体构建多巴胺传感器

许升 徐振宇 王乾坤 王满 张雨珩 陈彦儒 刘晓亚

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“项链状”聚合物/碳纳米管杂化组装体构建多巴胺传感器

    作者简介: 许升(1990-), 男, 江苏徐州人, 博士生, 主要研究方向为大分子自组装与复合组装、功能复合涂层、生物传感器与微电子器件。E-mail:vivid1224@163.com.
    通讯作者: 刘晓亚, lxy@jiangnan.edu.cn
  • 基金项目:

    江苏省研究生科研创新计划项目 KYCX17_1428

  • 中图分类号: O63

Fabrication of Dopamine Sensor Based on Hybrid Assembly of Necklace-Like Polymer/Carbon Nanotubes

    Corresponding author: LIU Xiaoya, lxy@jiangnan.edu.cn
  • CLC number: O63

  • 摘要: 首先以7-(4-乙烯基苄氧基)-4-甲基香豆素、丙烯酸异辛酯及丙烯酸为功能单体合成了一种双亲性无规共聚物聚丙烯酸-7-(4-乙烯基苄氧基)-4-甲基香豆素-丙烯酸异辛酯(PAVE);随后将PAVE与碳纳米管(CNTs)在选择性溶剂NN-二甲基甲酰胺(DMF)/H2O中共组装,得到聚合物/碳纳米管杂化组装体PAVE/CNTs,利用透射电子显微镜对PAVE/CNTs的形貌进行表征;最后将PAVE/CNTs修饰在玻碳电极表面,紫外光交联固化后制备得到复合传感涂层,并用于检测多巴胺,利用扫描电子显微镜与电化学工作站分别对传感器涂层形貌与传感性能进行表征与测试。结果表明:PAVE与CNTs共组装形成了以PAVE纳米粒子为"珠",以CNTs为"线"的"项链状"杂化组装体;传感涂层为交错互穿的"网络状"复合结构;所构建的传感器对多巴胺具有较宽的检测范围(4~90 μmol/L)与较低的检测下限(0.24 μmol/L),并具有优异的选择性与稳定性。
  • 图 1  PAVE的合成示意图

    Figure 1.  Synthetic route of PAVE

    图 2  “项链状”PAVE/CNTs杂化组装体构建多巴胺传感器示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of the preparation of dopamine sensor based on "necklace-like" PAVE/CNTs

    图 3  PAVE共聚物的红外吸收光谱(a)和核磁共振氢谱(b)

    Figure 3.  FT-IR spectrum (a) and1H-NMR spectrum (b) of PAVE copolymer

    图 4  PAVE聚合物纳米粒子的DLS曲线(a)与TEM(b)

    Figure 4.  DLS curve (a) and TEM image (b) of PAVE nanoparticles

    图 5  裸CNTs(a)与PAVE/CNTs杂化组装体(b)的TEM图

    Figure 5.  TEM images of pristine CNTs (a) and PAVE/CNTs (b)

    图 6  PAVE/CNTs分散液光交联前后在500 nm处吸光度随时间的变化

    Figure 6.  Absorption intensity of PAVE/CNTs dispersion as a function of standing time before and after photo-crosslinking at 500 nm

    图 7  PAVE/CNTs杂化组装体的相互作用力研究:(a)纯CNTs与PAVE/CNTs的拉曼谱图;(b)纯PAVE纳米粒子与PAVE/CNTs分散液的紫外-可见光吸收光谱图

    Figure 7.  Molecular-level interactions of PAVE/CNTs: (a) Raman spectra of pure CNTs and PAVE/CNTs; (b) UV-Vis absorption spectra of PAVE nanoparticles and PAVE/CNTs dispersion with the same PAVE concentration

    图 8  裸玻碳电极(a)与PAVE/CNTs修饰电极(b)表面的SEM图

    Figure 8.  SEM images of bare GCE (a) and PAVE/CNTs modified GCE (b)

    图 9  不同修饰电极的电化学阻抗谱

    Figure 9.  EIS plots of differently modified GCEs

    图 10  不同扫描速率下的CV曲线(a)和氧化还原电流峰值随扫描速率的变化(b)

    Figure 10.  CV curves at different scan rates (a) and peak currents versus scan rates (b)

    图 11  多巴胺不同浓度下传感器的DPV曲线(a);峰电流与多巴胺浓度的线性曲线(b)

    Figure 11.  DPV curves of sensors in the presence of different concentrations of dopamine (a); linear dependence of the peak current on the concentration of dopamine (b)

    图 12  多巴胺传感器在含抗坏血酸与尿酸的多巴胺溶液中的DPV曲线

    Figure 12.  DPV curve of dopamine sensors in AA and UA solutions

    表 1  多巴胺传感器在实际尿液样品中对多巴胺的检测

    Table 1.  Detection of dopamine in real human urine samples using dopamine sensors

    Sample c(Added)/(μmol·L-1) c(Found)/(μmol·L-1) Recovery rate/% RSD1)/%
    1 5.0 4.87 97.4 3.46
    2 20.0 20.56 102.8 2.13
    3 50.0 49.15 98.3 1.96
    1) Relative standard deviation
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-12
  • 刊出日期:  2019-06-01

“项链状”聚合物/碳纳米管杂化组装体构建多巴胺传感器

    通讯作者: 刘晓亚, lxy@jiangnan.edu.cn
    作者简介: 许升(1990-), 男, 江苏徐州人, 博士生, 主要研究方向为大分子自组装与复合组装、功能复合涂层、生物传感器与微电子器件。E-mail:vivid1224@163.com
  • 江南大学化学与材料工程学院, 合成与生物胶体教育部重点实验室, 江苏无锡 214122
基金项目:  江苏省研究生科研创新计划项目 KYCX17_1428

摘要: 首先以7-(4-乙烯基苄氧基)-4-甲基香豆素、丙烯酸异辛酯及丙烯酸为功能单体合成了一种双亲性无规共聚物聚丙烯酸-7-(4-乙烯基苄氧基)-4-甲基香豆素-丙烯酸异辛酯(PAVE);随后将PAVE与碳纳米管(CNTs)在选择性溶剂NN-二甲基甲酰胺(DMF)/H2O中共组装,得到聚合物/碳纳米管杂化组装体PAVE/CNTs,利用透射电子显微镜对PAVE/CNTs的形貌进行表征;最后将PAVE/CNTs修饰在玻碳电极表面,紫外光交联固化后制备得到复合传感涂层,并用于检测多巴胺,利用扫描电子显微镜与电化学工作站分别对传感器涂层形貌与传感性能进行表征与测试。结果表明:PAVE与CNTs共组装形成了以PAVE纳米粒子为"珠",以CNTs为"线"的"项链状"杂化组装体;传感涂层为交错互穿的"网络状"复合结构;所构建的传感器对多巴胺具有较宽的检测范围(4~90 μmol/L)与较低的检测下限(0.24 μmol/L),并具有优异的选择性与稳定性。

English Abstract

  • 在人体神经系统中,神经递质是神经元之间信息转换的媒介。多巴胺是人体内最重要的神经递质之一,它在中枢神经系统、肾脏系统、激素系统和心血管系统的功能中具有重要作用[1]。多巴胺的缺陷或过量均会引起神经传递的紊乱,与帕金森病、精神分裂症、自闭症和注意力缺陷多动障碍等神经系统疾病有着密切关系[2]。因此,准确检测生物液体中多巴胺的含量并使之维持正常水平具有重要意义。

    目前,检测多巴胺的方法主要有高效液相色谱法(HPLC)、荧光光度法、分光光度法、化学发光毛细管电泳法和电化学方法[3-6]。其中,电化学方法具有诸多独特的优点如操作简单、灵敏度高、可重复性、具有成本效益和非破坏性定量检测特点,从而引起科学家们的研究兴趣[7-8]。电化学方法对多巴胺的检测主要基于多巴胺具有高的电活性且易于被氧化,然而在复杂的生物组织中同时还存在高浓度的尿酸和抗坏血酸,这些分子会对多巴胺的检测造成干扰从而影响检测结果的准确性[9]。为了解决这个问题,传感器电极表面需要用具有优良电催化活性的材料进行改性,以便其能够选择性地氧化和检测多巴胺。

    碳纳米材料是一类具有优异的导电性能和力学性能的电催化材料,已被广泛用于电化学和生物传感器的构建[10-11]。其中,碳纳米管(CNTs)作为一维碳纳米材料,具有高比表面积、高力学强度、良好的生物相容性、优异的导电性以及高的化学稳定性等特性,被认为是一种理想的电极修饰材料[12-13]。然而,CNTs之间强烈的范德华力相互作用导致其无法稳定分散于水溶液或有机溶剂,极大地限制了CNTs在电化学传感领域的应用[14]。因此,通常需要对CNTs进行表面改性,使其稳定分散后再用于电极修饰。常用的改性方法有共价键改性和非共价键改性两种。与共价键改性相比,非共价键改性的方法属于物理改性,不会破坏CNTs的原始结构,可以在获得良好CNTs分散效果的同时保持CNTs固有的结构性能[15]

    大分子自组装是一种制备多功能纳米组装体的有效方法,一直是大分子领域的研究热点[16]。双亲性大分子通过自组装可以得到形貌丰富、功能多样的纳米聚集体,这些纳米聚集体通常具有表面活性且结构可控,在生物传感、药物释放、细胞显影等众多领域具有潜在的应用价值[17-18]。前期,我们课题组将双亲性无规共聚物胶体粒子作为大分子颗粒乳化剂稳定Pickering乳液,系统研究了自组装胶体的油/水界面组装行为,成功制备出一系列具有高稳定性的功能性复合乳液[19-23]

    本文以7-(4-乙烯基苄氧基)-4-甲基香豆素、丙烯酸异辛酯及丙烯酸为功能单体合成了一种双亲性无规共聚物聚丙烯酸-7-(4-乙烯基苄氧基)-4-甲基香豆素-丙烯酸异辛酯(PAVE),将其与CNTs在选择性溶剂N, N-二甲基甲酰胺(DMF)/H2O中共组装,成功制备出“项链状”的聚合物/碳纳米管杂化组装体PAVE/CNTs,该杂化组装体在水溶液中具有优异的长期稳定性。将PAVE/CNTs用作电极材料修饰玻碳电极得到“网络状”复合传感器涂层,成功构建出多巴胺电化学传感器。CNTs的存在加速了涂层的电子传递,聚合物的存在增强了涂层的结构稳定性。“项链状”PAVE/CNTs构建的传感涂层具有较大的比表面积,从而使所制备的传感器对多巴胺表现出优异的电化学性能。

    • 7-羟基-4-甲基香豆素、偶氮二异丁腈、盐酸多巴胺、抗坏血酸、尿酸:分析纯,上海阿拉丁试剂有限公司;4-氯甲基苯乙烯、丙烯酸:分析纯,百灵威科技有限公司;CNTs:纯度98%,中国科学院成都有机化学有限公司;无水碳酸钾、DMF、1, 4-二氧六环、甲苯、四氢呋喃、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、铁氰化钾、亚铁氰化钾、氢氧化钠:分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

    • 聚合物的核磁氢谱(1H-NMR):德国Bruker公司AVANCE Ⅲ HD型核磁共振谱仪(NMR),以氘代二甲亚砜(d6-DMSO)为溶剂,以四甲基硅烷(TMS)为内标;胶体粒子的粒径与分布:德国HOSIC LIMITED公司ALV/DLS/SLS-5022F型激光动态光散射仪(DLS);聚合物分子量:美国Waters公司1515型凝胶渗透色谱仪(GPC),以四氢呋喃为流动相,以聚苯乙烯为标准样;聚合物的红外光谱:中国赛默飞世尔科技公司Nicolet iS50型傅里叶红外光谱仪(FT-IR);聚合物紫外吸收光谱:北京普析通用仪器有限责任公司TU-1901型双光束紫外可见分光光度计(UV-Vis);拉曼光谱:英国Renishaw公司inVia型显微共聚焦拉曼光谱仪,激发波长785 nm;杂化组装体形貌:日本电子株式会社JEM-2100型透射电子显微镜(TEM);涂层形貌:日本日立株式会社S-4800型扫描电子显微镜(SEM);电化学测试表征:中国上海辰华仪器有限公司CHI660E型电化学工作站。

    • 图 1所示为PAVE的合成示意图,所用单体为丙烯酸(AA)、7-(4-乙烯基卞氧基)-4-甲基香豆素(VMc)与丙烯酸异辛酯(EHA),其中VMc单体的合成参考文献[23]。PAVE合成步骤为:取6 mmol VMc、4 mmol EHA和10 mmol AA溶于40 mL二氧六环中,超声10 min使功能单体充分混合,再加入自由基引发剂偶氮二异丁腈(AIBN, 物质的量与三种单体总物质的量之比为1.5:100)并超声,使整个体系形成稳定复合物,充N2除氧,密封瓶口,于65 ℃条件下反应24 h,然后以石油醚为沉淀剂,以四氢呋喃为溶剂,反复沉淀溶解3次,最后将得到的固体放入培养皿中干燥,得到白色PAVE固体粉末。

      图  1  PAVE的合成示意图

      Figure 1.  Synthetic route of PAVE

    • 在DMF中分别配制10 mg/mL PAVE溶液,5 mg/mL CNTs分散液,避光条件下超声处理使PAVE和CNTs充分溶解或分散。取等体积的PAVE溶液与CNTs分散液,混合后超声处理2 h,使PAVE聚合物与CNTs相互充分作用,得到分散均匀的PAVE/CNTs混合分散液。在磁力搅拌的作用下向混合分散液中逐滴滴加超纯水至水的体积分数约为10%,搅拌过夜使聚合物完全组装,将所得混合分散液在超纯水中透析3 d以除去DMF。随后用玻璃棉过滤除去沉降的CNTs,将过滤后的分散液定容得到均一的PAVE/CNTs分散液,所得分散液中聚合物最终质量浓度为0.25 mg/mL。将所得PAVE/CNTs用紫外光源(60 W)照射60 min,使PAVE发生交联以增强聚合物与CNTs之间的结合强度,得到长期稳定的PAVE/CNTs分散液。

    • “项链状”杂化组装体PAVE/CNTs构建多巴胺传感器的过程如图 2所示。首先将裸玻碳电极(GCE,直径为3 mm)依次用粒径为0.1 μm、0.05 μm的Al2O3粉末在麂皮上抛光至镜面,随后依次在去离子水、乙醇、丙酮、超纯水中各超声3 min,最后用N2吹干备用。将10 μL上述PAVE/CNTs分散液竖直滴涂在预处理好的GCE表面,室温下干燥,制备PAVE/CNTs复合传感涂层修饰的电极PAVE/CNTs/GCE。

      图  2  “项链状”PAVE/CNTs杂化组装体构建多巴胺传感器示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of the preparation of dopamine sensor based on "necklace-like" PAVE/CNTs

    • 制备PAVE所选用的功能单体中AA为亲水组分,VMc与EHA为疏水组分,此外VMc单体的存在使PAVE具有可光交联性质。图 3(a)为PAVE的红外吸收光谱图,2 900 cm-1左右为sp2及sp3的C—H键的伸缩振动峰,1 715 cm-1处为C═O键的伸缩振动峰,1 510 cm-1和1 615 cm-1处为C═C的特征吸收峰,可以初步证明聚合物的成功合成。通过核磁进一步表征PAVE的结构,如图 3(b)所示。DMSO-d6的溶剂峰出现在化学位移2.5附近,溶剂中水的特征峰出现在化学位移3.31附近;化学位移2.2附近的质子峰归属于主链上的H1、H3、H5与香豆素杂环上连接的—CH3基团上的H14;化学位移0.8~1.6处的质子信号归属于H2、H4、H6、H17与H23;化学位移12.0处的质子信号归属于羧基上的H7,证明AA参与了反应;光敏单体VMc上H15的特征峰出现在化学位移6.07处,H10的特征峰出现在化学位移4.97附近,证明VMc参加了反应;EHA上的H16特征峰出现在化学位移3.73附近,证明EHA参加了反应。通过对核磁峰面积进行积分,计算得到PAVE聚合物中单体实际物质的量之比为n(AA):n(VMc):n(EHA)=1:0.71:0.46。综上所述,成功制备出双亲无规共聚物PAVE。

      图  3  PAVE共聚物的红外吸收光谱(a)和核磁共振氢谱(b)

      Figure 3.  FT-IR spectrum (a) and1H-NMR spectrum (b) of PAVE copolymer

    • PAVE为双亲性聚合物,可以通过亲疏水作用在选择性溶剂中通过自组装成为聚合物胶体粒子。图 4所示为PAVE聚合物纳米粒子的DLS曲线和TEM图。由图 4(a)可知,通过向PAVE的DMF溶液中滴加水诱导自组装,可以得到稳定、均一的聚合物胶体溶液,PAVE胶体粒子在水溶液中的平均流体力学半径(Rh)约为38.4 nm;由图 4(b)可知,PAVE胶体粒子为球形结构,粒径约为40~50 nm,小于DLS测试得到的粒径,这是因为TEM表示的是干燥状态下粒径的缘故。

      图  4  PAVE聚合物纳米粒子的DLS曲线(a)与TEM(b)

      Figure 4.  DLS curve (a) and TEM image (b) of PAVE nanoparticles

      PAVE在溶液中可以自组装形成聚合物胶体粒子,由于PAVE中VMc单体的存在,PAVE与CNTs存在非共价相互作用。因此,在PAVE自组装过程中引入CNTs进行共组装,预期可以得到一种聚合物/碳纳米管杂化组装体。通过TEM表征了所制备的PAVE/CNTs杂化组装体的形貌,如图 5所示,可以看出裸CNTs发生了相互缠绕聚集。当PAVE与CNTs共组装后,形成了以PAVE纳米粒子为“珠”、CNTs为“线”的“项链状”杂化组装体(如图 5(b)所示)。这种特殊共组装体结构的形成原因如下:在DMF溶剂中,超声处理使得PAVE聚合物通过非共价作用吸附在CNTs管壁外侧;当向PAVE与CNTs的分散液(DMF相)中逐滴滴加水时,由于水对于PAVE聚合物中的疏水链段是不良溶剂,因此PAVE聚合物分子链会发生收缩;当水含量达到临界值时,PAVE聚合物分子链在CNTs管壁表面转变成球形聚合物纳米粒子,形成“项链状”杂化组装体。值得注意的是,PAVE/CNTs分散液在静置30 d后没有出现明显沉降(图 5插图),表明PAVE/CNTs分散液具有优异的长期稳定性。

      图  5  裸CNTs(a)与PAVE/CNTs杂化组装体(b)的TEM图

      Figure 5.  TEM images of pristine CNTs (a) and PAVE/CNTs (b)

      利用紫外吸光度测试进一步研究PAVE/CNTs分散液的长期稳定性,根据Lambert-Beer定律,在相同条件下,吸光度大通常意味着CNTs的水分散效果更好。通过检测PAVE/CNTs分散液在500 nm处的吸光度随时间的变化评估其长期稳定性,结果如图 6所示。未光照的PAVE/CNTs分散液30 d后在500 nm处的吸光度保持约80%,相同条件下光交联后的PAVE/CNTs分散液的吸光度能保持在90%以上,表明光交联的PAVE/CNTs分散液具有优异的长期稳定性。光交联后PAVE/CNTs稳定性显著提高可以解释为:PAVE与CNTs的共组装为热力学不稳定系统,随着时间的延长,缠绕在CNTs表面的PAVE分子链发生运动从而使CNTs稳定性降低。由于VMc光敏基元的存在,光交联使得PAVE分子链间发生交联,从而增强PAVE分子链与CNTs表面的结合强度。此外,由于PAVE/CNTs特殊的“项链状”组装体结构,PAVE分子链缠绕在CNTs外壁周围,光交联使得PAVE纳米粒子在CNTs周围形成交联聚合物网络,由于物理束缚作用PAVE分子链难以脱离CNTs表面。此外,PAVE中羧酸基团的存在,使得PAVE/CNTs具有静电排斥和空间位阻效应,从而防止CNTs的聚集。因此,光交联后所制备的PAVE/CNTs分散液具有优异的稳定性。

      图  6  PAVE/CNTs分散液光交联前后在500 nm处吸光度随时间的变化

      Figure 6.  Absorption intensity of PAVE/CNTs dispersion as a function of standing time before and after photo-crosslinking at 500 nm

      利用拉曼光谱与紫外吸收光谱研究PAVE聚合物与CNTs之间的相互作用。图 7(a)所示为CNTs与PAVE/CNTs的拉曼光谱,可以看出CNTs在1 311 cm-1和1 607 cm-1处有两个特征吸收峰,分别代表sp3杂化的D带和代表sp2杂化的G带,其峰强的比值(ID/IG)反映了CNTs的缺陷程度。与纯CNTs相比,PAVE/CNTs的拉曼光谱显示CNTs的D带和G带没有发生明显偏移。通过计算得出PAVE/CNTs的ID/IG为1.40,这与纯CNTs的ID/IG (1.44)非常接近。PAVE与CNTs之间的相互作用为非共价键作用,PAVE聚合物的引入并没有破坏CNTs原有的结构。图 7(b)所示为PAVE聚合物浓度相同条件下PAVE纳米粒子与PAVE/CNTs分散液的UV-vis光谱,可以看出:PAVE纳米粒子在323 nm左右处出现香豆素基元的特征吸收带,归因于香豆素中苯并吡喃酮环的π→π*电子跃迁。相应地,PAVE/CNTs也出现了VMc的特征吸收峰,但吸收峰强度大大降低。这是由于PAVE分子链中VMc基元与π电子共轭的CNTs表面发生了π-π堆积相互作用,从而使得PAVE的π→π*电子跃迁带强度受到抑制。以上结果表明,PAVE与CNTs之间存在着π-π非共价相互作用。

      图  7  PAVE/CNTs杂化组装体的相互作用力研究:(a)纯CNTs与PAVE/CNTs的拉曼谱图;(b)纯PAVE纳米粒子与PAVE/CNTs分散液的紫外-可见光吸收光谱图

      Figure 7.  Molecular-level interactions of PAVE/CNTs: (a) Raman spectra of pure CNTs and PAVE/CNTs; (b) UV-Vis absorption spectra of PAVE nanoparticles and PAVE/CNTs dispersion with the same PAVE concentration

    • 通过SEM表征PAVE/CNTs复合传感涂层的表面形貌,如图 8所示。可以看出,裸玻碳电标表面十分光滑,当其被“项链状”的PAVE/CNTs杂化组装体修饰后,表面形成了杂化组装体相互交错的多孔网状结构。这种复合涂层结构显著提高了电极的比表面积,有利于增加分析物与涂层之间的接触面积。聚合物的存在有利于增强涂层的结构稳定性,而CNTs在复合涂层中形成了长的导电网络,有利于加快电子的传递效率,从而有望提高传感涂层的传感性能。

      图  8  裸玻碳电极(a)与PAVE/CNTs修饰电极(b)表面的SEM图

      Figure 8.  SEM images of bare GCE (a) and PAVE/CNTs modified GCE (b)

      通过电化学阻抗谱(EIS)测试研究不同修饰电极的表面性质,典型的电化学阻抗谱通常由一个半圆部分与直线部分组成,半圆部分对应电子传递受限的过程,其直径对应于电荷转移阻抗。如图 9所示,裸玻碳电极的阻抗谱为一条直线,其阻抗值约为100 Ω。当电极修饰PAVE纳米粒子时,阻抗值增大至约6 000 Ω,主要是由于PAVE聚合物纳米粒子的导电性较差。与PAVE纳米颗粒修饰的电极相比,PAVE/CNTs修饰的电极阻抗值显著降低至约3 000 Ω,表明CNTs的引入明显降低了涂层的阻抗。这主要是由于CNTs贯穿于涂层内部,加速了电子的传递速率,从而提高了复合传感涂层的导电性。

      图  9  不同修饰电极的电化学阻抗谱

      Figure 9.  EIS plots of differently modified GCEs

    • 不同扫描速率对电极阳极峰电流(Ipa)和阴极峰电流(Ipc)的影响通常可以通过循环伏安法(CV)来研究,从而判断电极与分析物之间的电子转移和电极反应机理。图 10(a)所示为PAVE/CNTs/GCE在50 μmol/L多巴胺的PBS溶液中不同扫描速率下的CV曲线,可以看出随着扫描速率的增加,多巴胺的氧化还原峰电流随之增大,氧化峰值电位向高电位方向偏移,这主要是因为电极表面氧化还原活性位点与多巴胺的反应受动力学控制。图 10(b)所示为多巴胺的氧化还原峰电流与扫描速率的线性关系曲线,可以看出其峰值电流与扫描速率成正比,表明多巴胺在PAVE/CNTs/GCE表面的电极反应受吸附控制。

      图  10  不同扫描速率下的CV曲线(a)和氧化还原电流峰值随扫描速率的变化(b)

      Figure 10.  CV curves at different scan rates (a) and peak currents versus scan rates (b)

    • 通过微分脉冲伏安法(DPV)研究所制备的传感器对不同浓度的多巴胺的检测性能。图 11(a)所示为传感器在多巴胺浓度为0.1~100 μmol/L范围内的DPV曲线,可以看出,随着多巴胺浓度增加,其氧化峰电流亦随之增大。图 11(b)所示为峰电流与多巴胺浓度的线性关系曲线,可以看出多巴胺的氧化峰电流值与多巴胺浓度存在线性关系,浓度的线性响应范围为4~90 μmol/L,线性相关曲线为I=0.075+0.016c, R2=0.998 7,浓度检测下限为0.24 μmol/L。与其他基于CNTs制备的多巴胺传感器相比,基于“项链状”PAVE/CNTs所制备的多巴胺传感器浓度具有较宽的线性检测范围与较低的检测下限。

      图  11  多巴胺不同浓度下传感器的DPV曲线(a);峰电流与多巴胺浓度的线性曲线(b)

      Figure 11.  DPV curves of sensors in the presence of different concentrations of dopamine (a); linear dependence of the peak current on the concentration of dopamine (b)

    • 抗干扰性是评价传感器的一个重要参数。抗坏血酸(AA)与尿酸(UA)通常与多巴胺共存在生物体液中,由于其氧化电位与多巴胺的氧化电位相近,因此抗坏血酸与尿酸被认为是多巴胺检测中最重要的干扰物。图 12所示为PAVE/CNTs/GCE在含有相同浓度干扰物抗坏血酸与尿酸的多巴胺溶液中的DPV曲线,可以看出多巴胺的氧化峰峰形独立,可以很好地与干扰物尿酸的氧化峰分隔开(峰电位差大约100 mV),表明基于PAVE/CNTs制备的多巴胺传感器具有优异的抗干扰性,原因主要是PAVE/CNTs中羧酸基团的存在使得电极表面带负电荷,因而有利于正电荷的多巴胺分子在电极表面富集并进一步被催化氧化,因此抗坏血酸与尿酸难以对多巴胺的检测造成干扰。

      图  12  多巴胺传感器在含抗坏血酸与尿酸的多巴胺溶液中的DPV曲线

      Figure 12.  DPV curve of dopamine sensors in AA and UA solutions

    • 为进一步研究多巴胺传感器的实际应用性,将本文所制备的传感器用于实际尿液样品的检测。将人体尿液用0.1 mol/L PBS缓冲液(pH=7.0)稀释10倍,加入已知浓度的多巴胺,用PAVE/CNTs/GCE对尿液进行测定,每组样品平行测定3次,结果如表 1所示。由表 1可以看出,检测回收率在97%~103%之间,符合实际样品的检测要求,证明所构建的多巴胺传感器可用于实际样品中多巴胺含量的检测。

      Sample c(Added)/(μmol·L-1) c(Found)/(μmol·L-1) Recovery rate/% RSD1)/%
      1 5.0 4.87 97.4 3.46
      2 20.0 20.56 102.8 2.13
      3 50.0 49.15 98.3 1.96
      1) Relative standard deviation

      表 1  多巴胺传感器在实际尿液样品中对多巴胺的检测

      Table 1.  Detection of dopamine in real human urine samples using dopamine sensors

    • (1) 成功合成双亲性无规共聚物PAVE,并将其与CNTs共组装制备得到“项链状”的PAVE/CNTs,所制备的PAVE/CNTs分散液具有优异的长期稳定性。

      (2) 将PAVE/CNTs用于电极材料修饰电极,所制备的复合传感涂层具有大的比表面积与优异的导电性。

      (3) 基于PAVE/CNTs构建的电化学传感器对多巴胺具有优异的电化学传感性能,对多巴胺的线性检测范围为4~90 μmol/L,检测下限为0.24 μmol/L;此外多巴胺传感器对抗坏血酸与尿酸表现出较强的抗干扰能力,并成功用于对实际样品中多巴胺的检测,因此有望用于生物分析领域对多巴胺的实际检测。

参考文献 (23)

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