石墨烯修饰电极对抗坏血酸和多巴胺的同时检测

史晓霞，李 琳，王 珂，吴霞琴，王 荣

(上海师范大学生命与环境科学学院，上海200234)

石墨烯修饰电极对抗坏血酸和多巴胺的同时检测

史晓霞，李 琳，王 珂，吴霞琴*，王 荣

(上海师范大学生命与环境科学学院，上海200234)

通过将电化学聚合的聚赖氨酸膜（PLL）修饰的玻碳电极浸入氧化石墨烯（GO）溶液中4 h，利用电化学方法将电极上吸附的氧化石墨烯进行还原（ERGO），然后滴涂聚阳离子电解质（PDDA）制得PDDA/ ERGO/PLL/GC修饰电极。研究了抗坏血酸和多巴胺在该修饰电极上的电化学行为，结果表明在PDDA和石墨烯的共同作用下，使得抗坏血酸（AA）和多巴胺（DA）的氧化峰电位负移，两者的氧化峰电位差达到140 mV。利用微分脉冲伏安法考察了抗坏血酸和多巴胺的同时测定，AA的线性范围是0.2~2 mmol/L，DA的线性范围是1~230 μmol/L。该修饰电极具有良好的稳定性和重现性。

石墨烯；抗坏血酸；多巴胺；尿酸；微分脉冲伏安法

0 引言

抗坏 血 酸 （Ascorbic acid，AA）， 多巴胺（Dopamine，DA）是人体新陈代谢过程中承担重要作用的生物分子[1]。AA又称维生素C，具有强的抗氧化作用，是人类的食物和饮食中不可或缺的营养物质，也常被用于预防和治疗感冒、精神疾病、癌症和艾滋病等。DA是哺乳动物中枢神经系统的重要神经递质，人体缺少多巴胺会导致神经系统疾病，如精神分裂症和帕金森氏综合症。因此，临床中体内的DA水平的检测是十分重要的[2]，而探索能同时检测AA和DA的方法简便、灵敏度高的电化学传感器，在临床诊断和病理研究中有着重要的意义。

AA，DA都是电化学活性物质，但由于它们在常规电极上的氧化电位相近，因而，难以利用电化学方法进行同时检测[3]。Chunyan Deng等利用在玻碳电极上修饰金纳米粒子和碳纳米管复合薄膜，在AA存在下可以检测DA[4]。Wei Gong等利用在玻碳电极上修饰共价聚环氧乙烯来同时检测多巴胺和抗坏血酸[5]。Robson P.da Silva等利用热解石墨修饰电极研究了对AA、DA和UA的同时检测[6]。此外，Jianfeng Ping等[7]利用丝网印刷碳修饰电极、Tony Thomas等[8]利用石墨烯修饰电极也进行了相关的研究。

石墨烯是近年来形成研究热点的又一种碳材料。由于石墨烯具有独特的纳米结构、超大的比表面积、优良的机械性能、良好的导电性等特性，在电子、医学等领域展示了广阔的应用前景，在生物传感器研究中也得到了应用。例如Feng Li等利用石墨烯的优良导电性，制作了石墨烯-碳糊电极来检测AA，并且获得了良好的灵敏度[9]。聚二烯丙基二甲基氯化铵（Polydimethyldiallylammonium chloride,PDDA）是一种荷正电的聚合物电解质，已知可以大大提高碳纳米管的分散性[10]，也是分子层层组装固定生物酶的很好的载体[11]。

为了进一步提高检测灵敏度，扩展同时检测的线性范围，该研究拟采用简便的循环伏安法先将玻碳电极上修饰的氧化石墨烯进行电化学还原，以增加石墨烯的导电性，并利用微分脉冲伏安法考察电化学还原的石墨烯修饰电极对AA、DA同时检测的可行性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

多巴胺（DA，美国Sigma-Aldrich公司）；抗坏血酸（AA，上海青析化工科技有限公司）；氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO，南京先丰纳米材料科技有限公司）；L-赖氨酸（L-Lysine，国药集团化学试剂有限公司）；聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA，MW90000，美国Sigma-Aldrich公司）；0.05 mol/L的磷酸缓冲溶液 （Phosphate buffer solution，PBS）由分析纯的Na2HPO4和KH2PO4按比例混合配制而成，支持电解质KCl的浓度是0.1 mol/L；实验研究溶液均用超纯水（Heal Force超纯水器，上海康雷分析仪器有限公司）配制。

循环伏安（Cyclic Voltammetry，CV）和微分脉冲伏安（Differential Pulse Voltammetry，DPV）测量使用安装有配套软件的CHI650电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；采用常规三电极体系：工作电极为玻碳电极，辅助电极为铂丝，参比电极为饱和甘汞电极 （Saturated calomel electrode，SCE，232型，上海精密科学仪器有限公司）。

1.2 修饰电极的制备

首先，依次用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末将玻碳电极打磨抛光至镜面。应用循环伏安法将L-赖氨酸电聚合修饰到处理干净的玻碳电极表面[12]，制得的修饰电极记作 PLL/GC电极；然后，将PLL/GC电极浸渍到2 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中4 h进行分子自组装，取出后自然晾干，制得的修饰电极记作GO/PLL/GC；以GO/PLL/ GC电极作工作电极，应用循环伏安法将修饰电极上的GO还原[13]，制得的修饰电极记作ERGO/ PLL/GC。

在ERGO/PLL/GC电极上再滴加3 μL 1%的PDDA，室温干燥，最终制得的修饰电极记作PDDA/ERGO/PLL/GC。

2 实验结果与讨论

2.1 AA在PDDA/ERGO/PLL/GO修饰电极上的电化学行为

PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极在AA溶液中测得的循环伏安曲线上可见，在60 mV左右处出现一个电流较大的氧化峰（图1曲线d），与修饰电极在PBS缓冲溶液中的CV曲线（图1曲线c）相对照，可以判断是AA在修饰电极上发生了氧化反应。

图1 （a）GC电极和（c）PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极在pH=7的PBS溶液、（b）GC电极和（d）PDDA/ERGO/PLL/ GC修饰电极在1 mmol/L的AA溶液中的循环伏安曲线（扫描速率：100 mV/s）Fig.1 Cyclic Voltammograms of GC electrode(a)and PDDA/ ERGO/PLL/GC electrode（c）in PBS solution,GC electrode(b) and PDDA/ERGO/PLL/GC electrode（d）in 1 mmol/L AA solution with a scan rate of 100 mV/s

从图1还可发现，AA在未经任何修饰的GC电极上的氧化峰电位在400 mV左右处（图1曲线b），而AA在PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极上的氧化峰电位为60 mV，即较之裸GC电极负移了340 mV左右，且峰电流也有明显的增强。这可归因于石墨烯有效地降低了AA的氧化过电位，电催化效应又显著增强了AA的电流响应。此外，由于AA的等电点是4.1，在pH=7的溶液里以阴离子的形式存在，易受到电极表面荷正电的PDDA吸引，导致电位负移。

2.2 DA在PDDA/ERGO/PLL/GO修饰电极上的电化学行为

图2是DA在修饰与否的玻碳电极上的循环伏安曲线，均可见一对氧化还原峰。然而，DA在未经修饰的裸GC电极上的循环伏安曲线显示，其氧化还原峰电位之差为350 mV左右 （图2曲线b），说明DA在GC电极上的电化学反应的可逆性较差；而DA在PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极上的氧化还原峰电位之差为50 mV左右，可逆性大大改善，氧化峰电位较之GC电极负移了200 mV左右，峰电流也显著增大，说明该修饰电极有利于DA的电子迁移反应。

图2 （a）GC电极和（c）PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极在pH=7的PBS溶液、（b）GC电极和（d）PDDA/ERGO/ PLL/GC电极在1 mmol/L的DA溶液中的循环伏安曲线（扫描速率：100 mV/s）Fig.2 Cyclic Voltammograms of GC electrode(a)and PDDA/ERGO/PLL/GC electrode(c)in pH=7 PBS solution, GC electrode(b)and PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in 1mmol/L DA solution with scan rate of 100 mV/s

以上实验结果表明，AA和DA在PDDA/ ERGO/PLL/GC修饰电极上的氧化峰电位分别为60 mV和200 mV处，说明在石墨烯和PDDA的共同作用下可以将AA与DA的氧化峰电位差增大为140 mV，这就为AA和DA的同时检测提供了理论依据。

2.3 抗坏血酸与多巴胺共存时的直接检测

DPV测试结果显示，AA和DA的氧化峰电位分别为0 mV和165 mV，较之CV法测得的峰电位稍有负移，使两者的氧化峰电位差进一步扩大至165 mV（图3）。当固定AA的浓度不变，改变DA的浓度，结果显示，DA的氧化峰电流随其浓度的增大而增大的同时，AA的氧化峰电流则无明显变化，说明PDDA/ERGP/PLL/GC修饰电极可以在AA存在下进行DA的直接检测。以DA的浓度对峰电流作图，可见两段斜率不同的响应曲线 （图3插图），即DA浓度分别在1~50 μmol/L，50~230 μmol/L范围内均成良好的线性，相关系数r分别为0.989 5和0.994 7；对DA的检测下限为1 μmol/L。实验结果与Wei Gong等[5]的报道相比，检测范围更宽。

同样，固定DA的浓度不变、改变AA浓度进行了DPV测量。由于DA和AA的氧化峰电位差达到165 mV之多，所以，在一定的浓度范围内，对测定结果几乎无干扰（图4）。可以看到，AA在0.2~2 mmol/L的浓度范围内呈很好的线性关系（插图），相关系数r=0.995 8。检出下限是0.083 mmol/L,灵敏度是9.467 mA/(mol/L)。与Hong Yao等的报道相比[3]，该方法制备的修饰电极对AA的检测灵敏度更高。

图5是同时改变AA与DA浓度的DPV测试结果。可以清楚地看到，无论是AA还是DA，均呈现良好的线性关系 （插图B）。表明利用PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极可以实现对AA和DA的同时检测。

图6是同一支PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极在AA，DA的混合溶液中重复测试的结果。可以看到，峰电位和峰电流无明显的改变，30 d以后测得的DPV曲线也几乎重叠，表明修饰电极具有很好的稳定性。不同批次制作的PDDA/ ERGO/PLL/GC电极测得的AA与DA的氧化峰电流也基本上相同（图略），表明该修饰电极具有很好的重现性。

图3 PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极在含有1 mmol/L AA的不同浓度DA（a~w：1,2,3,4,5,10,20,30,40, 50,60,70,80,90,110,130,150,170,190,210,230,250 μmol/L）的pH=7缓冲溶液中的微分脉冲伏安曲线（扫速：100 mV/s）(插图为DA浓度对峰电流的关系图)Fig.3 Differential pulse voltammogram of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in different concentration DA(a~w:1,2, 3,4,5,10,20,30,40,50,60,70,80,90,110,130,150,170,190,210,230,250 μmol/L)containing 1 mmol/L AA (scan rate is 100 mV/s).(Insert:The plot of cDAvs Ip)

图4 PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极在含有60 μmol/L DA的不同浓度AA（a-h：0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2, 1.6,2.0 mmol/L）的pH7缓冲溶液中的微分脉冲伏安曲线（扫速：100 mV/s）(插图为AA浓度对氧化峰电流的线性关系图)Fig.4 Differential pulse voltammogram of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in different concentration AA(0.2,0.4, 0.6,0.8,1.0,1.2,1.6,2.0 mmol/L)containing 60 μmol/L DA(scan rate is 100 mV/s).(Insert:The plot of cAAvs Ip)

图5 PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极在同时变化AA（a~e：0.2,0.6,0.8,1.0,1.2 mmol/L）和DA浓度(a~e：10, 20,30,40,50 μmol/L)的pH7缓冲溶液中的微分脉冲伏安曲线（扫速：100 mV/s）（插图A是AA浓度对氧化峰电流的关系图，插图B是DA浓度对氧化峰电流的线性关系图）Fig.5 Differential pulse voltammogram of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode in different concentration of AA(a~e：0.2,0.6,0.8,1.0,1.2 mmol/L)and different concentration of DA（a~e：10,20,30,40,50 μmol/L）(scan rate is 100 mV/s).(Insert A:The plot of cAAvs Ip，Insert B:The plot of cDAvs Ip)

图6 PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极的稳定性（a~c：在含0.6 mmol/L AA和60 μmol/L DA的pH7缓冲溶液中的第一次测试、7 d和30 d后的微分脉冲伏安曲线，扫速：100 mV/s）Fig.6 The stability of PDDA/ERGO/PLL/GC electrode(a~ c are the differential pulse voltammograms of first detection, after 7 days and 30 days in 0.6 mmol/L AA and 60 μmol/L DA）.(scan rate is 100 mV/s)

3 结论

利用PDDA/ERGO/PLL/GC修饰电极与AA和DA的相互作用不同引起的氧化过电位的改变，使原本在GC电极上重叠的氧化峰电位得以分开，从而为两种组分的同时检测提供了基础。

DPV测试结果表明，高浓度的AA存在时不干扰DA的测定，同样，DA存在时也不干扰AA的测定。初步实验结果表明，利用该实验制备的修饰电极可以实现对AA和DA的同时检测，且线性范围、检测灵敏度较之文献报道的更好。

该修饰电极制备方法简单，有望开发成为抗坏血酸和多巴胺同时检测的生物传感器。

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Simultaneous detection of ascorbic acid and dopamine using graphene modified electrode

Shi Xiao-xia,Li Lin,Wang Ke,Wu Xia-qin*,Wang Rong
(Life and Environment Science College,Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China)

Polydimethyl-diallylammonium chloride(PDDA)was dropped on electrochemically reduced graphene oxide (ERGO)which was adsorbed on the poly-L-lysine (PLL)modified glassy carbon electrode by immersed in grapheme oxide(GO)solution for 4h.The electrochemical behavior of the PDDA/ERGO/PLL/GC modified electrodes in ascorbic acid and dopamine solution have been investigated.The results showed that oxidation peek potential of ascorbic acid(AA)and dopamine(DA)have shifted negatively,the oxidation peek potential difference of AA and DA reached about 140 mV due to the action of PDDA and graphene.The simultaneous determination of AA and DA have done with differential pulse voltammetry,with a linear range of 0.2~2 mmol/L for AA,1~230 μmol/L for DA. This PDDA/ERGO/PLL/GC modified electrode has a good stability and repeatability.

graphene;ascorbic acid;dopamine;uric acid;differential pulse voltammetry

国家自然科学基金（批准号：20973114）资助

*通讯联系人,E-mail:xqwu@shnu.edu.cn，电话：021-64321648