石墨烯摻雜的L色氨酸分子印跡電化學傳感器的研究

1、石墨烯摻雜的l-色氨酸分子印跡電化學傳感器的研究化學專業(yè) 學生：吳共娟 指導教師：鄧培紅摘要： 以 l-色氨酸為印跡分子，選取富含羥基和氨基的多功能團聚合物殼聚糖為基本成膜材料，直接在碳糊電極表面制備了石墨烯摻雜的分子印跡膜。采用循環(huán)伏安法對修飾電極進行了表征。用二階導數(shù)線性掃描伏安法研究了l-色氨酸在該修飾電極上的電化學行為。實驗表明，該印跡電極能顯著提高l-色氨酸的氧化峰電流，并可在與其結(jié)構類似物的存在下，實現(xiàn)對l-色氨酸的選擇性測定。在最佳條件下，l-色氨酸的氧化峰電流與其濃度在2.010-71.010-5 mol/l和1.010-51.010-4 mol/l范圍內(nèi)呈良好的線性關系, 檢

2、出限為110-7 mo1/l。關鍵詞： l-色氨酸；石墨烯；分子印跡；碳糊電極；伏安法1 前言色氨酸 (trytophan，trp) 又名氨基吲哚基丙酸，是一種構成蛋白質(zhì)分子的必需氨基酸，同時也是建立和保持良好氮平衡的一種重要物質(zhì)。它在生命活動、新陳代謝中起著重要作用，人體不能制造它，必須從膳食中攝取，被稱為第二必需氨基酸。研究發(fā)現(xiàn)l-色氨酸對抑郁癥、失眠癥、高血壓以及止痛等都有一定影響1。當人體缺乏色氨酸時，不僅會引起低蛋癥，還會產(chǎn)生皮膚疾患、白內(nèi)障、玻璃體退化及心肌纖維化等特殊病癥2。目前常用的測定色氨酸的方法有分光光度法3、熒光分析法4、流動注射化學發(fā)光法5、毛細管電泳法6和高效液相色譜

3、法7等。然而，這些方法需要昂貴的儀器，冗長的樣品制備過程，還有可能引入雜質(zhì)污染樣品。因此建立一種簡便、快速的檢測方法非常必要。色氨酸具有一定的電化學活性，采用電分析方法直接檢測色氨酸是較理想的選擇8-13。分子印跡電化學傳感器具有特異識別性好、環(huán)境耐受性強、不易被生物降解破壞、可多次重復使用，易于保存等優(yōu)點14，近年來有關分子印跡電化學傳感器的研究不斷深入。本文選擇摻雜有石墨烯的殼聚糖作為功能單體，色氨酸為模板分子，通過滴涂法在碳糊電極表面一步合成色氨酸分子印跡膜。結(jié)合石墨烯的增敏作用和印跡材料的特異性識別作用，可以同時增加電化學傳感器的靈敏度和選擇性，從而構建了一種快速、廉價、高選擇性和高靈

4、敏度測定色氨酸的電化學方法。2 實驗部分2.1 主要儀器和試劑jp-303型極譜分析儀(成都儀器廠)；ph-3c型酸度計（雷磁儀器廠）；印跡電極（自制）為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極。色氨酸（上海化學試劑公司）；殼聚糖（上海藍季生物有限公司）。1.010-2 mol/l色氨酸的溶液：在電子天平上準確稱取0.0510克色氨酸，用0.1 mol/l hcl溶解，加蒸餾水定容至25 ml，用時再逐級稀釋至所需濃度。其它試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。2.2 印跡電極和非印跡電極的制備將碳粉與固體石蠟按3:1的質(zhì)量比混合均勻，于90下加熱至固體石蠟熔融，迅速裝入直徑1 mm的

5、玻璃毛細管中，插入銅絲壓緊，上端用蠟封固定，電極表面在光滑的紙上拋光。將5 ml 0.5 mg/ml的石墨烯，5 ml 5 mg/ml殼聚糖和2 ml 1.010-2 mol/l的色氨酸混合均勻，攪拌2 h，滴涂于裸碳糊電極表面，自然晾干，用0.5 mol/l的h2so4交聯(lián)半小時，用伏安法在0.1 mol/l hcl中洗脫色氨酸分子，當無色氨酸的氧化峰出現(xiàn)時，說明色氨酸分子洗脫完全。非印跡電極除不加模板分子外，制備步驟與印跡電極相似。2.3 實驗方法取0.5 ml 1.010-3 mol/l色氨酸標準溶液于電解池中，加入2 ml 2 mol/l的 hac-naac溶液（ph=3.9），加水稀

6、釋至10 ml，在jp-303型極譜儀上以印跡電極為工作電極，于200 mv下攪拌富集90 s，靜置2 s，以100 mv/s 的速率在0.2 v1.2 v 的范圍內(nèi)進行掃描，記錄二階導數(shù)線性掃描溶出伏安圖。3 結(jié)果與討論3.1 修飾電極的電化學表征實驗采用濃度為 5 mm的k3fe(cn)6（含0.1 m kcl）溶液做為氧化還原探針，以不同修飾狀態(tài)的電極為工作電極，在-0.20.6 v的電位范圍內(nèi)采用循環(huán)伏安法對電極的修飾過程進行監(jiān)測，所得cv曲線如圖1所示。在裸碳糊電極上有一對fe(cn)63-/4-的準可逆氧化還原峰，兩峰電位差為0.191v，峰電流為ipa=0.9826 a，ipc=

7、1.073 a (曲線a)。在石墨烯修飾電極上兩峰電位差為0.103 v，峰電流增大(曲線b)。這是因為石墨烯修飾至電極表面后使電極的表面積增加。在非印跡電極上，fe(cn)63-/4-的峰電位差為0.079 v (曲線c)。說明電極表面修飾石墨烯-殼聚糖復合膜后fe(cn)63-/4-氧化還原峰的可逆性進一步增強。這是因為殼聚糖上質(zhì)子化的氨基(nh3+)帶正電，可與fe(cn)63-/4-產(chǎn)生靜電引力，使fe(cn)63-/4-在電極表面濃度增加。模板分子洗脫后，在印跡電極上，fe(cn)63-/4-的的電化學響應信號再進一步增加，兩峰電位差為0.064 v，峰電流ipa=3.182 a，i

8、pc=3.319 a (曲線d)。這可能是因為印跡膜內(nèi)存在大量的色氨酸分子印跡空穴，使fe(cn)63-/4-探針分子擴散速率提高，有利于電解質(zhì)和電極界面的電子轉(zhuǎn)移，峰電流增大。以上結(jié)果表明在電極表面成功合成石墨烯-分子印跡殼聚糖復合膜。圖1 不同修飾電極在5 mm k3fe(cn)6（含0.1 m kcl）中的循環(huán)伏安圖曲線a：裸碳糊電極；曲線b：石墨烯修飾碳糊電極；曲線c：非印跡電極；曲線d：印跡電極掃描速率：100 mv s-13.2 二階導數(shù)線性掃描伏安圖 圖2為5.010-5 mol/l色氨酸在各種電極上的二階導數(shù)線性掃描圖。由圖2a可見，色氨酸在空白碳糊電極上產(chǎn)生一弱的氧化峰，峰電

9、位為912 mv，峰電流為0.1055 a。在石墨烯修飾碳糊電極上，峰電位負移至840 mv，峰電流增加至0.5188 a（圖2b）。說明石墨烯修飾碳糊電極的表面積增大，導電性增強。在石墨烯-殼聚糖非印跡膜修飾碳糊電極上色氨酸的峰電位為868 mv，峰電流增加至1.060 a（圖2c）。說明殼聚糖對色氨酸也有一定的富集作用。而在石墨烯-印跡膜修飾電極上，色氨酸在864 mv處產(chǎn)生一靈敏的氧化峰，峰電流為1.255 a（圖2d）。與空白碳糊電極、石墨烯修飾碳糊電極及石墨烯-非印跡膜修飾電極相比，峰電流均顯著增加，且峰形尖銳，說明印跡電極對色氨酸具有明顯的富集作用。這是因為相對于裸電極、石墨烯修飾

10、碳糊電極和非印跡電極，印跡膜電極上含有大量與模板分子色氨酸形狀相匹配、大小合適并有相互作用功能基團的空穴，使色氨酸分子更容易選擇性吸附并嵌入到印跡膜電極的空穴中，從而使印跡電極表面上色氨酸的濃度顯著增大，峰電流也隨之增大。圖2 二階導數(shù)線性掃描溶出伏安圖（a）空白碳糊電極；（b）石墨烯修飾碳糊電極；（c）石墨烯-殼聚糖非印跡膜修飾碳糊電極；（d）石墨烯-殼聚糖印跡膜修飾碳糊電極(色氨酸：510-5 mol/l，底液：0.2 mol/l hac-naac（ph=3.9），富集電位：200 mv，富集時間：60 s，掃描速率：100 mv s-1)3.3 實驗條件的優(yōu)化3.3.1 底液的選擇采用相

11、同濃度（0.1 mol/l）的不同底液：hno3、hac-naac、hac-nh4ac、鄰苯二甲酸氫鉀（khp）、磷酸鹽緩沖液（nah2po4-na2hpo4）、(ch2)6n4-hcl、hcl、hno3和h2so4進行試驗，實驗發(fā)現(xiàn)，在hac-naac底液中色氨酸的峰電流較大，峰形尖銳。3.3.2 酸度的影響改變底液酸度, 試驗酸度對色氨酸峰電流的影響，結(jié)果如圖3所示。色氨酸的峰電流隨著ph值的增大而增大，當?shù)滓核岫葹?.9時，峰電流達到最大值，隨著ph值的繼續(xù)增大峰電流開始減小，故取ph=3.9為測定的最佳酸度。圖3 酸度對色氨酸峰電流的影響3.3.3 富集電位和富集時間的影響在-100

12、mv300 mv范圍內(nèi)改變富集電位，試驗富集電位對色氨酸峰電流的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，色氨酸的峰電流隨著富集電位的增大而增大，當富集電位為200 mv時，峰電流達到最大值，隨后開始減小，故取200 mv為最佳富集電位。富集時間在0120 s之間變化時，峰電流隨富集時間的延長而增加，當達到90 s后峰電流趨于穩(wěn)定，說明已達吸附平衡。故本實驗選擇富集時間為90 s。3.4 干擾實驗取色氨酸標準溶液的濃度為1.010-5 mol/l，試驗一些生物體內(nèi)和藥物中常見的離子和物質(zhì)對色氨酸測定的影響。允許測定誤差 5.0 %，實驗結(jié)果表明，100倍的zn2+、k+、ca2+、ni2+、cu2+、pb2+、抗壞血酸

13、、尿酸和賴氨酸；10倍bi3+、al3+和酪氨酸均不干擾色氨酸的測定。3.5線性范圍和檢出限在最佳實驗條件下，改變色氨酸標準溶液的濃度，采用二次導數(shù)線掃描伏安法，測其峰電流。實驗發(fā)現(xiàn)，色氨酸的氧化峰電流與其濃度在2.010-71.010-5 mol/l和1.010-51.010-4 mol/l范圍內(nèi)呈良好的分段線性關系，線性方程分別為ip（a）=0.0398c（mol/l）+0.0106，ip（a）=0.0122c（mol/l）+0.349相關系數(shù)（r2）為別為0.9946和0.9822，檢測限為110-7 mol/l。4 結(jié)論利用滴涂法制備了石墨烯摻雜的色氨酸分子印跡殼聚糖膜修飾碳糊電極。研

14、究了色氨酸在該印跡電極上的電化學行為，優(yōu)化了測定的最佳條件。利用二次導數(shù)線性掃描伏安法進行定量分析，色氨酸的峰電流與其濃度在2.010-71.010-5 mol/l和1.010-51.010-4 mol/l范圍內(nèi)呈良好的線性關系，檢出限為1.010-7 mol/l。該方法簡便、靈敏度高、選擇性好，有望用于實際樣品分析。參考文獻1 李忠義, 吳寶慶. 色氨酸淺說j. 精細化工, 1985, 2(3): 17-21.2 張將, 唐愛國. 色氨酸及其代謝產(chǎn)物檢測的臨床應用j. 實用日常醫(yī)學, 2012, 19(4): 633-636.3 任嬌艷, 趙謀明, 王金水, 等. 分光光度法測定蛋白酶解物中

15、的色氨酸j. 食品科學, 2006, 27 (12): 591-593.4 魏永鋒, 馬冬梅, 趙瓊. 比值導數(shù)熒光光譜法同時測定色氨酸和5-羥基色氨酸j. 分析試驗室, 2006, 25 (9): 75-77.5 j.w. costin, p. s. francis, s. w. lewis. selective determ ination of amino acids using flow injection analysis coupled with chemilum inescence detection j. analytica chimica acta, 2003, 480 (1

16、): 67-77.6 楊曉云, 徐漢虹, 王立世, 等. 色氨酸、半胱氨酸和酪氨酸的高效毛細管電泳分析j. 分析測試學報, 2001, 20 (3): 15-17.7 ma. m. yust, j. pedroche, j. girn-calle, et al. determination of tryptophan by high-performance liquid chromatography of alkaline hydrolysates with spectrophotometric detection. food chemistry , 2004, 85 (2)：317-320.

17、8 鄭燕瓊, 楊昌柱, 張敬東, 等. 多壁碳納米管修飾玻碳電極選擇性測定色氨酸j. 華中科技大學學報, 2008, 36(5): 125-128.9 邵晨, 衛(wèi)應亮, 黃克靖. 多壁納米碳管修飾玻碳電極伏安法測定色氨酸j. 信陽師范學院學報, 2008, 21(3): 427-429.10 姚軍, 李將淵, 周穎, 等. 聚對苯二酚修飾電極測定多巴胺和l-色氨酸的電化學研究j. 重點實驗室, 2009, 31(5): 355-358.11 姚軍, 李將淵, 馬曾燕, 等. l-色氨酸在單壁碳納米管/玻碳修飾電極上的電化學行為及其分析研究j.西華師范大學報, 2008, 29(1): 55-5

18、8.12 楊美, 姚軍. l-色氨酸在聚甲基紅膜修飾電極上的電化學行為及其分析研究分析j. 分析科學學報, 2010, 26(3): 319-322.13 王佳萱, 李將淵, 杜冰心. 多壁碳納米管-聚甲基紅膜修飾電極測定l-色氨酸j. 西華師范大學學報, 2011, 32(4): 340-343.14 劉志航, 宦雙燕, 洗石, 等. 基于分子印跡的電化學傳感器研究進展. 化學傳感器, 2005 , 25(4): l-8.15 e. laviron. adsorption, autoinhibition and autocatalysis in polarography and in lin

19、ear potential sweep voltammetry. journal of electroanalytical chemistry and interfacial electrochemistry, 1974, 52(3): 355-393.the studies on the l-tryptophan molecularly imprinted electrochemical sensor doped with graphenestudent form chemistry speciality: gong-juan wu tutor: pei-hong dengabstract：

20、selecting l-tryptophan (trp) as imprinting molecules, and chitosan which contains ammonia groups and hydroxyl groups as film material, trp molecular imprinting film doped with graphene was prepared directly on the surface of a carbon paste electrode. the modified electrode were characterized by cyclic volta