共價(jià)層自組裝多壁碳納米管的制備及其在多巴胺檢測(cè)中的應(yīng)用

共價(jià)層自組裝多壁碳納米管的制備及其在多巴胺檢測(cè)中的應(yīng)用

氨基乙酰胺（da）是生物體系中的重要兒茶酚胺類神經(jīng)過(guò)渡，廣泛分布于腓腸系統(tǒng)信息傳輸系統(tǒng)。多巴胺的缺乏易導(dǎo)致一些諸如神經(jīng)分裂癥、帕金森氏癥等神經(jīng)性疾病。由于生物體內(nèi)高濃度的抗壞血酸易在多巴胺的鄰近電位內(nèi)被氧化,因而要在裸電極上準(zhǔn)確測(cè)定多巴胺而不受抗壞血酸干擾非常困難?；诟鞣N電化學(xué)方法克服抗壞血酸干擾以準(zhǔn)確測(cè)定多巴胺已有較多報(bào)道。碳納米管是由有限層數(shù)的石墨片層卷繞而成,具有準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)。碳納米材料具有優(yōu)異的物理性能和超高的電導(dǎo)率,因此越來(lái)越多的科學(xué)研究者關(guān)注其在電化學(xué)傳感器方面的應(yīng)用。層層自組裝(LBL)是一種非常有前景的成膜技術(shù),廣泛用于構(gòu)建多功能納米材料復(fù)合薄膜。然而,這種技術(shù)大多基于反應(yīng)物之間諸如靜電吸附等弱的化學(xué)作用力,所制備的化學(xué)修飾電極的電化學(xué)檢測(cè)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性有待進(jìn)一步提高。而采用共價(jià)鍵進(jìn)行層層自組裝,通常都在基底上先修飾一層聚合物,以此在電極表面獲得功能化基團(tuán),將增大電解質(zhì)溶液與電極表面的電阻。到目前為止,基于層層自組裝全碳納米管技術(shù)少有報(bào)道。結(jié)合碳納米管的優(yōu)異特性和層層自組裝技術(shù)的特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了一種無(wú)聚合物的共價(jià)層層自組裝羧基化全多壁碳納米管(CMWNTs)膜修飾電極,并用于測(cè)定多巴胺。該修飾電極對(duì)多巴胺響應(yīng)表現(xiàn)出良好的選擇性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。1實(shí)驗(yàn)部分1.1化學(xué)試劑的制備CHI660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司),實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng):裸玻碳電極或修飾全碳納米管的玻碳電極為工作電極,Ag/AgCl(3.0mol/LKCl)電極為參比電極,鉑絲電極為對(duì)電極。LEO1530掃描電子顯微鏡(德國(guó))。Nicolet360傅里葉變換紅外光譜儀。多壁碳納米管(MWNTs,99%)購(gòu)于深圳納米港有限公司。N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲基丙胺)碳二亞胺氯化氫(EDC)購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司。多巴胺購(gòu)于Sigma-Aldrich(上海)貿(mào)易有限公司。0.1mol/L不同pH值的磷酸鹽緩沖液(PBS)通過(guò)混合0.1mol/LNaH2PO4-Na2HPO4儲(chǔ)備液配制。其他化學(xué)試劑均為分析純;所有的溶液用二次去離子水配制。1.2多壁碳納米管的制備多壁碳納米管的預(yù)處理參照文獻(xiàn)并做微小修改,即MWNTs在67%濃HNO3中140℃下回流2h獲得羧基化的多壁碳納米管,隨后用去離子水沖洗至濾液呈中性,真空烘干備用。1.3超聲時(shí)間的確定首先將CMWNTs用6.0mg/mLEDC和9.0mg/mLNHS活化30min。將羧基轉(zhuǎn)化成碳化二亞胺酯。玻碳電極在粒徑為1.0、0.3、0.05μm的鋁粉上拋光打磨之后分別在二次水、無(wú)水乙醇、二次水中交替超聲1min。將新處理的電極置于20mmol/LKMnO4和2mol/LH2SO4混合溶液中浸泡45min,然后浸入6.0mg/mLEDC和9.0mg/mLNHS的混合溶液中活化1h,然后浸入乙二胺溶液中1h,取出浸入活化的1mg/mL的CMWNTs溶液中1h。重復(fù)上述活化、連接乙二胺及浸入活化CMWNTs的過(guò)程得到多層全多壁碳納米管修飾膜的玻碳電極,記為(CMWNTs-NHCH2CH2NH)n/GCE,如圖1所示。2結(jié)果與討論2.1自組裝的碳納米管層析傳感器通過(guò)不同層數(shù)全多壁碳納米管修飾電極的掃描電鏡(SEM)圖可見,組裝5層的電極表面的碳納米管相互連接,并形成具有良好納米孔道的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅擴(kuò)大了電極的比表面積,而且可以做為電子、離子轉(zhuǎn)移通道,加速基質(zhì)與電極表面的有效電子轉(zhuǎn)移,因而有望成為性能優(yōu)良的電化學(xué)傳感器。此外,組裝5層(圖2B)與3層(圖2A)的電極表面相比CMWNTs明顯增多,表明CMWNTs逐步組裝到了電極的表面。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜數(shù)據(jù)表明層層自組裝過(guò)程中羧基化多壁碳納米管間形成了共價(jià)鍵。羧基化的多壁碳納米管在1720cm-1和1637cm-1附近出現(xiàn)兩吸收峰(圖2C曲線a),屬于羧基和醌結(jié)構(gòu)中C=O的伸縮振動(dòng),表明經(jīng)過(guò)酸化處理后形成了羧基化多壁碳納米管。而層層自組裝全多壁碳納米管膜除了保留CMWNTs上原有的吸收峰外,在1648、1581和1068cm-1出現(xiàn)三個(gè)吸收帶(圖2C曲線b),分別屬于酰胺鍵中C=O、C-N、N-H伸縮振動(dòng),由此可以說(shuō)明層層自組裝全多壁碳納米管間形成了酰胺鍵。結(jié)合掃描電子顯微鏡和紅外光譜數(shù)據(jù),可以認(rèn)為通過(guò)酰胺共價(jià)鍵層層自組裝在玻碳電極表面形成了穩(wěn)定、多孔、三維結(jié)構(gòu)的全多壁碳納米管膜。2.2全碳多壁碳納米管修飾電極的電化學(xué)響應(yīng)采用循環(huán)伏安法研究了裸電極和層層自組裝膜修飾電極對(duì)多巴胺的電化學(xué)響應(yīng),如圖3。多巴胺在裸電極上的電化學(xué)響應(yīng)為不可逆過(guò)程(圖3A曲線a);而其在修飾了5層全碳多壁碳納米管的修飾電極上表現(xiàn)出較好的準(zhǔn)可逆電化學(xué)響應(yīng)(圖3A曲線d)。與裸電極相比,多巴胺在修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)電流增大,過(guò)電位降低,表明全碳多壁碳納米管修飾電極對(duì)多巴胺具有良好的電催化效應(yīng)。由圖3A可知,隨組裝層數(shù)增加,DA在全碳多壁碳納米管修飾電極上的響應(yīng)電流逐漸增加,氧化過(guò)電位逐漸降低;組裝5層時(shí)響應(yīng)電流達(dá)到最大值;組裝6層時(shí),修飾電極對(duì)DA的催化電流不再隨組裝層數(shù)的增加而增加,達(dá)到一個(gè)平臺(tái),組裝層數(shù)和響應(yīng)電流的關(guān)系如圖3B所示?？赡苁墙M裝5層時(shí),有效活性催化位點(diǎn)達(dá)到最大,因而表現(xiàn)出經(jīng)典的電催化反應(yīng)特征。因此,選擇組裝5層羧基化多壁碳納米管的玻碳電極進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。2.3ph值對(duì)其它電化學(xué)氧化電位和還原電位的影響電化學(xué)氧化酚類化合物通常涉及質(zhì)子轉(zhuǎn)移而形成醌類。因此,酚類化合物的電化學(xué)響應(yīng)往往受溶液pH值的影響。因此研究了多巴胺在(CMWNTs-NHCH2CH2NH)5/GCE上的電化學(xué)響應(yīng)隨溶液pH值的變化,如圖4所示。由圖可見,在pH=6.0~8.0范圍內(nèi)多巴胺的電化學(xué)氧化電位和還原電位都隨pH值升高而降低,表明質(zhì)子直接參與多巴胺的電化學(xué)氧化還原過(guò)程中。陰極和陽(yáng)極峰電位與溶液pH值呈線性關(guān)系,線性回歸方程為:Epa(V)=-0.0676pH+0.619(R2=0.9999);Epc(V)=-0.062pH+0.528(R2=0.985)。根據(jù)方程dEp/dpH=2.303mRT/nF,其中,m是質(zhì)子數(shù),n是電子數(shù),m/n可以通過(guò)氧化過(guò)程和還原過(guò)程分別計(jì)算出為1.14和1.05,說(shuō)明多巴胺在電化學(xué)氧化還原過(guò)程中傳遞的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等。2.4還原峰電位與laviren理論為進(jìn)一步探討多巴胺的電化學(xué)氧化還原機(jī)理,考察了DA在(CMWNTs-NHCH2CH2NH)5/GCE上于不同掃描速率下的電化學(xué)響應(yīng),如圖5。在10~500mV/s掃描速率范圍內(nèi),電化學(xué)氧化還原峰電流隨掃速增加而增大,并呈線性關(guān)系,線性回歸方程為:Ipa=2.0×10-7v(mV/s)-1.0×10-7(R2=0.9994)和Ipc=-3.0×10-7v(mV/s)-7.0×10-6(R2=0.9955),說(shuō)明該電極反應(yīng)為表面控制過(guò)程。隨著掃速增加,氧化峰電位正移而還原峰電位負(fù)移。當(dāng)v>0.25V/s時(shí),Epa和Epc隨logv的線性回歸方程分別為:Epa=0.0778logv(V/s)-0.0338(R2=0.9957)和Epc=-0.0512logv(V/s)+0.217(R2=0.9566)。根據(jù)Laviron理論,氧化峰電位和還原峰電位與logv的線性方程斜率分別對(duì)應(yīng)于2.3RT/(1-α)nF和-2.3RT/αnF;基于Ep與logv線性回歸方程的斜率,根據(jù)方程:(其中ka和kc是Epa、Epc與logv線性方程斜率)可以計(jì)算出α值為0.60,并可估算出n大約為2。表明多巴胺在5層全多壁碳納米管膜上的氧化還原過(guò)程為兩電子、兩質(zhì)子過(guò)程,與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)論一致。2.5修飾電極的制備根據(jù)以上討論,多巴胺在(CMWNTs-NHCH2CH2NH)5/GCE上的氧化還原過(guò)程屬于兩電子、兩質(zhì)子過(guò)程,如下所示:在DA的氧化還原過(guò)程中,帶電體系在p-π共軛(反應(yīng)物)和π-π共軛(產(chǎn)物)間轉(zhuǎn)換。與反應(yīng)物相比,產(chǎn)物的能量降低而更穩(wěn)定;且由于π-π作用更易使其與碳納米管表面sp2雜化碳原子形成強(qiáng)有力的吸附作用。因此,反應(yīng)物更容易被氧化。與裸電極相比,DA在5層全多壁碳納米管修飾電極上的氧化過(guò)電位降低了77mV。由于碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電能力及在酸處理后羧基化的碳納米管表面具有醌羰基,它可以在電位負(fù)掃過(guò)程中為氧化態(tài)的DA提供電子使其還原,因此全多壁碳納米管修飾電極對(duì)DA的電化學(xué)響應(yīng)由在裸電極上的不可逆過(guò)程變?yōu)闇?zhǔn)可逆過(guò)程。2.6da的電化學(xué)響應(yīng)通過(guò)差分脈沖伏安法(DPV)研究了(CMWNTs-NHCH2CH2NH)5/GCE在pH=7.0的PBS中對(duì)DA的電化學(xué)響應(yīng)。隨著DA濃度增加,峰電流逐漸增大,如圖6A。結(jié)果表明,在6~370μmol/L范圍峰電流值(Ipa)與DA的濃度(cDA)存在良好的線性關(guān)系,回歸方程為:Ipa(μA)=-0.107c(μmol/L)-0.893(R=0.9995),檢測(cè)限(S/N=3)為0.532μmol/L。2.7抗壞血酸的測(cè)定(CMWNTs-NHCH2CH2NH)5/GCE在pH=7.0PBS中同時(shí)加入抗壞血酸、多巴胺、對(duì)乙酰氨基酚的差分脈沖伏安表明抗壞血酸在0.0~0.5V電勢(shì)范圍內(nèi)沒(méi)有電化學(xué)響應(yīng)(圖6B曲線b),表明該修飾電極在測(cè)DA時(shí),抗壞血酸的存在對(duì)測(cè)試結(jié)果無(wú)影響;而多巴胺、對(duì)乙酰氨基酚的電催化氧化峰電位分別為0.156V和0.366V(圖6B曲線a),峰峰電位差為0.210V,因此可以實(shí)現(xiàn)多巴胺和對(duì)乙酰氨基酚完全分離而互相不產(chǎn)生干擾。實(shí)驗(yàn)還研究了在多巴胺測(cè)定過(guò)程中可能存在的干擾,研究表明500倍的K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Cu2+、Pb2+、Al3+、Cl-、CO2-3、NO-3、SO2-4,100倍的2-硝基苯酚、3-硝基苯酚、4-硝基苯酚、2-氯苯酚、4-氯苯酚、尿素、葡萄糖等對(duì)5層修飾電極測(cè)定多巴胺無(wú)干擾。此外,實(shí)驗(yàn)表明該修飾電極具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,在室溫下保存5