CN103149267A

CN103149267A - 一种检测多巴胺的电化学生物传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103149267A
Application number: CN2013100471471A
Authority: CN
Inventors: 刘珂珂; 刘清; 褚艳红; 刘冲
Original assignee: High and New Technology Research Center of Henan Academy of Sciences
Current assignee: High and New Technology Research Center of Henan Academy of Sciences
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: CN103149267B

Abstract

本发明公开了一种检测多巴胺的电化学生物传感器及其制备方法，该生物传感器是先采用电化学方法在铂盘电极表面电聚合包覆一层聚（3,4-乙烯二氧噻吩）薄膜，然后通过静电作用与纳米金结合而得。该生物传感器具有超强的稳定寿命，其信号可以保持8个月不变，远远超过当前传统的多巴胺电化学传感器3个月的寿命；此外，其检测范围很宽,从6.0×10^-6到0.13mol/L，检出限为1.5×10^-6mol/L，响应时间仅为2.5s。

Description

一种检测多巴胺的电化学生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于电化学生物传感器技术领域，具体涉及一种基于聚（3，4-乙烯二氧噻吩）/纳米金导电复合物薄膜构建的用于检测多巴胺的超稳定电化学生物传感器及其制备方法。

背景技术

多巴胺在人类中枢神经系统中负责大脑中枢神经体系的信息传递。多巴胺与几种神经错乱病症，如精神分裂、亨廷顿疾病及帕金森症状均有密切的关系。因此，准确地检测人体内多巴胺的生理含量对设计上述几种病症的诊治方案及判断治疗方案的功效都有着重要的意义。目前，已经有研究报道了测定多巴胺的方法，如液相色谱-荧光光谱法、气质联用法、液相色谱－串联质谱法等，但这些方法存在操作步骤繁琐、仪器设备昂贵、成本较高、对操作人员专业技术要求较高等缺陷。

无论是体外还是体内研究都证实了：即便基于普通的电极，多巴胺都可以很容易的被电化学氧化。但是，由于多巴胺氧化反应的一些本质特点，使用电化学方法去准确检测多巴胺依旧存在一系列问题。如，上述几种病症中多巴胺的含量非常小，尤其是在帕金森病症中,而其它一些干扰物质,如抗坏血酸等则含量非常大，会对多巴胺的检测产生较大的干扰。最重要的一点是，现在研究的电化学生物传感器所修饰的保护性薄膜材料大多容易失活甚至从电极表面剥落，这就容易导致传感器灵敏度发生改变，线性范围减小，甚至会增加干扰分子对检测的干扰。结果，不仅不利于生物传感器的运输与存储，而且还会增加每次测试的成本。基于上述观点，在生物传感器的构建技术上，设计合成一些新的材料，使之在具有优秀的灵敏度以及选择性的同时，具有良好的存储及操作稳定性，这也是当前亟待研究的方向，也是多巴胺传感器能够得到更广泛的商业应用的基础。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于直接检测多巴胺的超稳定电化学生物传感器及其制备方法，该生物传感器具有较低的检出限、较宽的线性范围及良好的稳定性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种检测多巴胺的电化学生物传感器，该生物传感器是先采用电化学方法在铂盘电极上电聚合得到聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT），然后通过静电作用与纳米金（nanoAu）结合而得。该生物传感器具有超强的稳定寿命，其信号可以保持8个月不变，远远超过当前传统的多巴胺电化学传感器3个月的寿命；此外，其检测范围很宽, 从6.0×10^-6到 0.13 mol/L，检出限为1.5 ×10^-6mol/L，响应时间仅为2.5 s。

所述检测多巴胺的电化学生物传感器的制备方法，其包括如下步骤：

1）PEDOT薄膜在铂盘电极表面的固定：以亲水性的离子液体BMIMBF₄为电解液与支持电解质，单体3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）的浓度保持在0.05～0.3mol/L（浓度优选0.1 mol/L），保持溶液在整个反应中处于氮气氛围，室温下，在以铂盘电极为工作电极、铂片对电极、银丝参比电极的三电极系统中，采用循环伏安法，搅拌状态下，在以银丝作参比的-0.6～1.6 V的工作电位范围内，循环扫描聚合得到蓝色的PEDOT薄膜；

2）PEDOT/nanoAu复合物薄膜的制备：将步骤1）所得修饰电极用乙腈清洗干净，氮气吹干，浸入制备好的纳米金胶溶液中于0～4℃放置12 h，取出后用去离子水冲洗用以去掉结合不够稳定的纳米金，即为电化学生物传感器。

步骤1）中所述的铂盘工作电极预先经下述处理：将直径2 mm的铂盘电极分别经1.0μm、0.3μm和0.05μm的氧化铝浆打磨抛光后，在乙醇和超纯水中各超声清洗3min。

本发明中的PEDOT/nanoAu复合物薄膜采用X射线衍射表征（结果见图1），其XRD图在15o 到25o有一个对应于PEDOT无定形结构的衍射宽峰，在40o、46o、68o分别有三个对应于金属金的(111)、(200)及(220)晶面的衍射峰。基于上述结构，可以推断出：在无定形导电高分子PEDOT的外层覆盖了大量的纳米金颗粒。

本发明在亲水性离子液体BMIMBF₄中电聚合得到了一种具有超高稳定寿命的导电聚合物－PEDOT，该聚合物在硫酸水溶液中展示了良好的稳定性。而在导电聚合物骨架中进一步的植入纳米金胶颗粒，可以减弱由于聚合物的多孔结构所产生的大的电容电流，从而提高聚合物修饰电极的灵敏度。同时由于导电聚合物承担着作为金属材料载体的作用，可以提高对生物分子催化的能力。因此，将这种稳定的聚合物PEDOT与具有良好导电性及催化性能的纳米金复合，构建了能直接检测多巴胺的电化学生物传感器，该传感器具有较低的检出限、较宽的线性范围及良好的稳定性能。

本发明通过在离子液体电解液中，在铂盘电极表面电聚合PEDOT，利用聚合物表面的正电荷与带有负电荷的纳米金以静电作用结合，从而形成纳米金-高分子导电复合材料。由于制备得到的聚合物薄膜的超强稳定性及纳米金在中性或生理学pH环境下与多巴胺产生的强烈吸附作用，从而能够以简单的步骤实现对多巴胺浓度的检测，得到超稳定的电化学生物传感器。实验表明，本发明用PEDOT/nanoAu薄膜制备的电化学生物传感器，可以在抗坏血酸存在的情况下直接检测多巴胺，具有下述优点：

1）具有超强的稳定寿命，其信号可以保持8个月不变，远远超过当前传统的多巴胺电化学传感器3个月的寿命。

2）检测范围很宽, 从6.0×10^-6到 0.13 mol/L，检出限为1.5 ×10^-6mol/L。

3）检测迅速，响应时间仅为2.5秒。

附图说明

图1为实施例1制备的PEDOT（图a）及PEDOT/nanoAu（图b）的X射线衍射图；

图2是实施例1制备的PEDOT（图a）及PEDOT/nanoAu（图b）的SEM图；由图可看出，PEDOT具有疏松多孔的三维网状结构，孔径在50 nm~100 nm，每层厚度大约为10 nm左右，层与层之间相互缠绕、叠加形成一个三维网状结构；由于高分子薄膜具有大量的孔洞，形成一个敞开的离子通道结构，便于捕获大量的纳米颗粒或生物分子；而且，这种选择性渗透聚合物薄膜还有利于产生扩散限制障碍，从而拓展修饰电极的线性检测范围；而由图b可以观察到网状结构上包覆了大量粒径均匀的颗粒，粒径约为16 nm，证明了纳米金胶颗粒在聚合物表面的吸附；

图3是实施例1制备的电化学生物传感器在8 mmol/L抗坏血酸存在条件下，在0.1 mol/L、pH值6.77的磷酸缓冲溶液中，不同浓度的多巴胺（0.3～1.0 mmol/L）的脉冲伏安曲线；由图3可发现：当保持抗坏血酸浓度不变，相应改变多巴胺浓度时，多巴胺的阳极峰电流随着浓度的增加而线性增加，而抗坏血酸的阳极峰电流几乎没有改变；当保持溶液中多巴胺浓度不变，相应改变抗坏血酸浓度时，并不会影响多巴胺的阳极氧化峰电流；因此可推断多巴胺与抗坏血酸在PEDOT/nanoAu薄膜电化学生物传感器上是独立地发生反应的；

图4是在4 mmol/L的抗坏血酸存在的磷酸缓冲溶液中，不断添加多巴胺去检测该PEDOT/nanoAu薄膜电化学生物传感器对多巴胺的稳态安培电流响应；多巴胺在该电化学生物传感器上的氧化峰电流与其浓度在一个非常宽的范围内（即6.0×10^-6 到 0.13 mol/L）呈线性关系，线性系数为0.9997；在信噪比3/1的条件下, 该传感器的理论检测限为1.5×10^-6mol/L；

图5是实施例1制备的PEDOT/nanoAu薄膜电化学生物传感器的电流响应信号变化图。由图可以看到，该生物传感器在240天内保持原有阳极氧化峰电流信号基本不变，即便在8个月后，其响应信号依旧保持了原有信号的85%，在浓度为10～90μM之间，与其保持了良好的线性关系。

具体实施方式

以下通过具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此。

下述实施例中，离子液体BMIMBF₄的制备与提纯按照文献[Keke Liu, Zhenglong Hu, Rong Xue, Jianrong Zhang. J Power Sources, 179 (2008) 858–862]所述的方法进行。纳米金胶溶液参照文献[Enustun, B. V.; Turkevich, J. J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 3317-3328]进行制备（在100℃的温度条件下还原氯金酸1个小时制得），透射电镜表明所制得的纳米金颗粒大小为16nm左右。

实施例1

一种检测多巴胺的电化学生物传感器，该生物传感器是先采用电化学方法在铂盘电极上电聚合得到PEDOT，然后通过静电作用与纳米金结合而得。所述检测多巴胺的电化学生物传感器的制备方法，其包括如下步骤：

1）PEDOT薄膜在铂盘电极表面的固定：以亲水性的离子液体BMIMBF₄为电解液与支持电解质，单体EDOT浓度保持在0.1 mol/L，保持溶液在整个反应中处于氮气氛围，室温下，在以铂盘电极为工作电极、铂片对电极、银丝参比电极的三电极系统中，采用循环伏安法，搅拌状态下，在以银丝作参比的-0.6～1.6 V的工作电位范围内，循环扫描10圈，聚合得到蓝色的PEDOT薄膜；步骤1）中所述的铂盘工作电极预先经下述处理：将直径2 mm的铂盘电极分别经粒径1.0μm、0.3μm和0.05μm的氧化铝浆打磨抛光后，在乙醇和超纯水中各超声清洗3min。

2）PEDOT/nanoAu复合物薄膜的制备：将步骤1）所得电极用乙腈清洗干净，氮气吹干，浸入制备好的纳米金胶溶液中于0~4℃放置12 h，取出后用去离子水冲洗，去掉结合不够稳定的纳米金，即为电化学生物传感器。

一：以PEDOT/nanoAu复合物薄膜构建的电化学生物传感器为工作电极、甘汞为参比电极、铂片为对电极组成三电极系统。电解液为含有0.1 mol/L硝酸钾电解质的磷酸缓冲溶液（KH₂PO₄+K₂HPO₄，pH 6.77）。在+0.35 V的工作电位下，通过不断添加不同浓度的多巴胺，检测稳态电流信号的改变。通过电流信号与多巴胺浓度的线性关系确定该生物传感器的检测范围，实验发现多巴胺的浓度线性范围为6.0×10^-6到 0.13 mol/L，检出限为1.5 ×10^-6mol/L。

二：PEDOT/nanoAu复合物薄膜构建的电化学生物传感器的稳定性测试：采用循环伏安法每隔七天检测1mmol/L的多巴胺在磷酸缓冲溶液(pH为6.77)中的氧化峰电流信号。循环伏安扫描范围在-0.4～0.8V的电位范围内，以50 mv/s的扫描速率记录。每次测试完多巴胺浓度信号后，将电化学生物传感器用去离子水冲洗干净，氮气吹干，置于0～4℃保存备用。检测发现，响应信号在八个月保持基本不变。

三：本发明电化学生物传感器的稳定性与重现性:

同时制备6根PEDOT/nanoAu复合物薄膜构建的电化学生物传感器作为工作电极，与甘汞参比电极，铂片对电极组成的三电极系统。电解液为含有0.1 mol/L硝酸钾电解质的磷酸缓冲溶液（KH₂PO₄+K₂HPO₄，pH 6.77）。在-0.4～0.8V的电位范围内以50 mv/s的扫描速率记录1 mmol/L的多巴胺的氧化还原电流，相对标准偏差（RSD）保持在4.3%。采用同一根电化学生物传感器为工作电极，连续六次对1 mmol/L的多巴胺进行循环扫描，其氧化电流的相对标准偏差（RSD）控制在1.2％之内。

以PEDOT/nanoAu复合物薄膜构建的电化学生物传感器为工作电极，与甘汞参比电极，铂片对电极组成的三电极系统连接。电解液为含有0.1 mol/L硝酸钾电解质的磷酸缓冲溶液（KH₂PO₄+K₂HPO₄，pH 6.77）。在-0.4～0.8V的电位范围内以50 mv/s的扫描速率记录1 mmol/L的多巴胺在不同浓度的干扰物质存在下的氧化电流信号，结果见表1。由表1可看出NaCl、KCl、MgCl₂、柠檬酸、色氨酸及抗坏血酸等干扰物质均对多巴胺的检测没有产生较大的干扰。

上述实验中所用的多巴胺及抗坏血酸溶液均是现用现配；所有实验均在室温条件下进行，下同。电化学测试所采用的的工作电位均以甘汞电极为参比。

实施例2

1）PEDOT薄膜在铂盘电极表面的固定：以亲水性的离子液体BMIMBF₄为电解液与支持电解质，单体EDOT浓度保持在0.3 mol/L，保持溶液在整个反应中处于氮气氛围，室温下，在以铂盘电极为工作电极、铂片对电极、银丝参比电极的三电极系统中，采用循环伏安法，搅拌状态下，在以银丝作参比的-0.6～1.6 V的工作电位范围内，循环扫描8圈，聚合得到蓝色的PEDOT薄膜；步骤1）中所述的铂盘工作电极预先经下述处理：将直径2 mm的铂盘电极分别经粒径1.0μm、0.3μm和0.05μm的氧化铝浆打磨抛光后，在乙醇和超纯水中各超声清洗3min。

2）PEDOT/nanoAu复合物薄膜的制备：将步骤1）所得电极用乙腈清洗干净，氮气吹干，浸入制备好的纳米金胶溶液中于0~4℃放置12 h，取出后用去离子水反复冲洗用以去掉结合不够稳定的纳米金，即为电化学生物传感器。

表1：PEDOT/Au薄膜构建的电化学生物传感器的干扰实验结果

干扰组分	浓度比率^a	电流比率^b	R.S.D(%)^c
				抗坏血酸	100	1.242±0.027	3.5
NaCl	600	1.034±0.054	2.1
				MgCl₂	300	0.976±0.025	4.3
KCl	600	1.132±0.064	1.5
				柠檬酸	200	1.026±0.021	1.2
尿酸	50	1.006±0.092	2.9
				色氨酸	100	0.983±0.064	3.8
肾上腺激素	50	0.973±0.082	2.3

表中：^a 中多巴胺的浓度是0.1 mmol/L，^b及^c是取的六次实验的平均值。

Claims

1.一种检测多巴胺的电化学生物传感器，其特征在于，该生物传感器是先采用电化学方法在铂盘电极表面电聚合包覆一层聚（3,4-乙烯二氧噻吩）薄膜，然后通过静电作用与纳米金结合而得。

2.权利要求1所述检测多巴胺的电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）聚（3,4-乙烯二氧噻吩）薄膜在铂盘电极表面的固定：以亲水性的离子液体BMIMBF₄为电解液与支持电解质，单体3,4-乙烯二氧噻吩的浓度保持在0.05～0.3mol/L，保持溶液在整个反应中处于氮气氛围，室温下，在以铂盘电极为工作电极、铂片对电极、银丝参比电极的三电极系统中，采用循环伏安法，搅拌状态下，在以银丝作参比的-0.6～1.6 V的工作电位范围内，循环扫描得到蓝色的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）薄膜；

2）聚（3,4-乙烯二氧噻吩）/纳米金复合物薄膜的制备：将步骤1）所得修饰电极用乙腈冲洗干净，氮气吹干，浸入制备好的纳米金胶溶液中于0～4℃放置12 h，取出后用去离子水冲洗，去掉结合不够稳定的纳米金，即为电化学生物传感器。

3.如权利要求2所述的检测多巴胺的电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述的铂盘工作电极预先经下述处理：将直径2 mm的铂盘电极分别经1.0μm、0.3μm和0.05μm的氧化铝浆打磨抛光后，在乙醇和超纯水中各超声清洗3min。