CN104614427A - 镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用镍铜合金复合石墨烯修饰的玻碳电极及其应用。本发明的该电极是在玻碳电极表面涂覆一层经过柠檬酸处理过的石墨烯膜，并在该石墨烯膜上沉积有镍铜合金，其中，所述的石墨烯与镍铜合金的质量比为50:1；所述的镍铜合金中镍和铜的质量比为：6:1。将用镍铜/石墨烯修饰玻碳电极在常温下干燥后，实现对色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的稳定催化。本发明制得的电化学传感器可用于同时测定色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺，测定过程具有快速、灵敏、准确、稳定、环保等特点。

Description

镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极及其应用

技术领域

    本发明涉及一种镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极及其应用。

背景技术

色氨酸是一种必需氨基酸，是蛋白质的生物合成所需的且对于维持在人体内的氮平衡、肌肉和体重都很重要。色氨酸 (Tryptophan) 是动物体内含量最低的必需氨基酸，除了作为底物参与机体蛋白质生物合成外，它还具有“激素样”特性，能够调控动物机体蛋白质的代谢，最终影响蛋白质的沉积。而机体蛋白质的沉积对于促进动物生长与发育起着十分重要的作用。

多巴胺（Dopamine）即4-(2-乙酰基)苯-1,2-二酚是一种很重要的神经传递物质，广泛存在与人的大脑中，直接影响人的情绪，被认为是传递快乐与兴奋的神经递质，瑞典科学家Arvid Carlsson确定多巴胺为脑内信息传递者的角色使他赢得了2000年诺贝尔医学奖。2013年8月，日本一项最新研究发现，多巴胺不仅会影响身体活动性，对于记忆力也发挥着重要作用。过多分泌多巴胺会使人上瘾，多巴胺缺乏时会使人抑郁，浑身无力甚至导致帕金森综合症，所以医学上可以用多巴胺来治疗抑郁病、休克等疾病，还广泛用于心脏手术后心肌衰竭或心脏复苏时升高血压。

对乙酰氨基苯酚（Acetaminophen）又名扑热息痛，外观呈白色晶体性粉末，是十分常用的解热镇痛药物，1873年，Harmon Northrop Morse首先通过对硝基苯酚和冰醋酸的在锡催化下反应合成了对乙酰氨基酚，从20世纪40年代开始逐步取代非那西汀成为主流的解热镇痛药，在很多感冒药，止痛药里都有其成分，解热效果与阿司匹林相似，另外对乙酰氨基酚与阿司匹林，布洛芬等常见的止痛药不一样，对乙酰氨基酚不具有抗炎的作用，按常规剂量服用也不会刺激胃肠膜，现在全球每年销量约10多万吨，我国产量有5万吨之多，占50%以上。

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是一种碳原子以sp²杂化轨道组成六角形的二维结构，有很多独特的性质，它的硬度超过钻石，同时又有很好的延伸性，又拥有极好的导电和导热性，这种石墨晶体的厚度只有0.335纳米。作为一种新形式碳，近年来吸引了来自科学各界的巨大关注，由于限制电子在两个维度上运动使其产生了独特的电化学性质。它显示了许多有利于设计电化学传感器的特性，例如较高的表面积与体积的比，较快的电子迁移速率和较好的生物相容性。

在过渡金属氧化物中，镍铜等都可以作为构建电化学传感器的电极材料，它们以价格便宜、不易被毒化且能够在恒定的点位下进行检测等优点吸引着广大科学家的关注并且取得了很大发展。但是由于传统材料本身的局限，仅仅依靠改变材料组成或者进行表面修饰在催化性能上提高有限，纳米镍铜材料较金属镍铜材料具有更好的稳定性并且在溶液中能够更容易的参与到电催化小分子反应中。同时，在石墨烯表面修饰纳米颗粒是在开发新的电催化系统中至关重要的一步，这也更好地改进了修饰材料的性能，提高了检测的灵敏性和选择性。

目前，对色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺同时进行检测的方法有毛细管电泳、高效液相色谱、荧光测定法、化学发光法和分光光度法，这些方法存在实验过程复杂、溶剂毒性大、灵敏度低等问题。电化学方法具有分析速度快、成本低、灵敏度高、选择性好、环保等优点，受到了普遍关注。由于三者待测物的氧化峰位置十分近，所以给检测造成了一定困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极。

本发明的目的之二在于提供以该电极作为电化学传感器，实现色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的同时检测。

一种镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极，其特征在于其特征在于该电极是在玻碳电极表面涂覆一层经过柠檬酸处理过的石墨烯膜，并在该石墨烯膜上沉积有镍铜合金，其中所述的石墨烯膜与镍铜合金的质量比为：50:1；所述的镍铜合金中镍和铜的质量比为：6:1。

一种制备根据权利要求1所述的镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极的方法，其特征在于该方法的具体过程为：

a. 将石墨烯和柠檬酸按1:3的质量比溶于二次蒸馏水中，充分混合均匀后，将水蒸发使石墨烯形成糊状，再在200至250 ℃温度下加热60至80分钟；得到柠檬酸功能化的石墨烯；

b. 将步骤a所得石墨烯-柠檬酸溶于二次蒸馏水中配制成浓度为1mg/mL的溶液，然后均匀涂覆在打磨好的玻碳电极表面上，并且将其放在红外线灯下烘干，冷却10到15分钟后，再浸入含有0.05 mol/L Cu(NO₃)₂和0.15 mol/L NiCl₂的0.1 mol/L KCl溶液的混合溶液中，并且在电压为–0.8 到1.5 V之间使用循环伏安法电化学沉积20圈，用二次蒸馏水清洗玻碳电极表面后，得到镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极。

一种同时检测色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的方法，采用根据权利要求1和2所述的镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极、铂片电极作为辅助电极，组成三电极系统，其特征在于该方法的具体步骤为：

a. 将三电极系统置于pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液中，电位从–0.8 到1.5 V的电位范围内循环伏安法扫描10圈以活化电极，当背景电流达到稳态后，选用方波伏安法，向缓冲溶液中分别加入浓度为4.0到60.0 μM范围内的色氨酸、浓度为8.0到100.0 μM范围内的对乙酰氨基苯酚和浓度为4.0到60.0 μM范围内的多巴胺的标准溶液，得到电流与色氨酸浓度、电流与对乙酰氨基苯酚浓度和电流与多巴胺浓度的线性关系曲线，且对应的线性相关系数分别为0.9993、0.9990和0.9987；

b. 在缓冲溶液中加入血清和处理过的酚氨咖敏药品的待检测溶液，根据标准加入法，再依次加入色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的标准溶液进行检测，根据上述步骤所得到的线性关系可得到相应的浓度。

 本发明的优点和特点如下所述：本发明利用了经过柠檬酸处理的石墨烯，使其表面具有更多的含氧基团，这更有利于金属单质复合在碳材料上形成复合物薄膜，也提高了金属的催化活性。双金属复合石墨烯修饰的电极相较于裸电极，色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的电流响应显著增大，大大提高了分析检测对其的灵敏度以及稳定性，将该修饰电极在血样和药品酚氨咖敏片的检测方面结果令人满意，实现了对色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的同时检测。与现有其他传感器相比，此电化学传感器的制备技术较简单，电化学沉积更容易控制修饰剂的颗粒大小和厚度，并且制备过程较环保，检测过程方便快捷。

本发明中的修饰电极是一种新型的电化学传感器，用于实际样品测定，具有快速、灵敏、准确、环保等特点。本发明的测试方法具有良好的重现性和稳定性。本发明中的新型修饰玻碳电极的制备方法具有成本低、简单快速、易操作等优点。

附图说明

图1为本发明中在含有10 μM色氨酸、10 μM对乙酰氨基苯酚和5 μM多巴胺溶液的磷酸盐缓冲溶液（pH为7.4的PBS）在裸玻碳电极（a）、镍铜/石墨烯修饰玻碳电极（b）上的方波伏安图。

图2为最佳条件下（pH为8.0的PBS），加入不同浓度的色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺标准溶液的浓度-电流曲线图。

图3为最佳条件下（pH为8.0的PBS），色氨酸的浓度-电流标准工作曲线图。

图4为最佳条件下（pH为8.0的PBS），对乙酰氨基苯酚的浓度-电流标准工作曲线图。

图5为最佳条件下（pH为8.0的PBS），多巴胺的浓度-电流标准工作曲线图。

具体实施方式

    现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

本实施例中的修饰玻碳电极的制备方法和步骤如下：

（1）玻碳电极的预处理：首先将玻碳电极用0.05 μm Al₂O₃抛光粉和麂皮进行抛光，抛光至镜面，然后依次用蒸馏水、无水乙醇及二次蒸馏水超声清洗干净，待用。

（2）电沉积镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极的制备：首先，取2 mg 石墨烯和6 mg 柠檬酸溶于1 mL二次蒸馏水中，超声15 min使二者混合均匀，放入烘箱控制温度在80 ℃直至烘干，接着将温度调至200 ℃加热1 h。称取得到的石墨烯-柠檬酸1 mg溶于1 mL二次蒸馏水中，超声5 min使其分散开。然后，取5 μL所得到的1 mg/ml石墨烯-柠檬酸悬浮液滴于打磨好的玻碳电极表面上，并且将其放在红外线灯下烘10分钟，冷却10分钟后，接着将上述得到的电极浸入10 mL的含有0.05 mol/L Cu(NO₃)₂和0.15 mol/L NiCl₂的0.1 mol/L KCl溶液中，并且在电压–0.8 到1.5 V之间电化学沉积20圈，这样就得到了电沉积镍铜合金复合石墨烯修饰的玻碳电极。最后，修饰好的电极用二次蒸馏水小心清洗后以便于进一步使用。

镍铜/石墨烯修饰玻碳电极的用途及其使用方法：

（1）该修饰玻碳电极的用途是直接用于对色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的同时电化学测定；

（2）该修饰玻碳电极的使用方法及测定如下：将所述电沉积镍铜合金复合石墨烯修饰的玻碳电极作为工作电极、饱和甘汞电极作为参比电极、铂片电极作为辅助电极，组成三电极系统；将三电极系统置于10 mL pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液中，电位从–0.8 到1.5 V的电位范围内循环伏安法扫描10圈以活化电极，当背景电流达到稳态后，选用方波伏安法，用微量进样器向缓冲溶液中加色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的标准溶液，记录下电流-电位曲线；在不同浓度的色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺溶液中测得传感器对它们的电流响应值，在浓度为4.0到60.0 μM范围内，得到电流与色氨酸浓度的线性关系曲线I _P(Trp)=0.5477+0.0444C _(Trp)，其线性相关系数R² = 0.9993；在浓度为8.0到100.0 μM范围内，得到电流与对乙酰氨基苯酚浓度的线性关系曲线I _P(AC)=0.7828+0.0317C _(AC)，其线性相关系数R² = 0.9990；在浓度为4.0到60.0 μM范围内，得到电流与多巴胺浓度的线性关系曲线I _P(DA)=5.5780+0.3095C _(DA)，其线性相关系数R² = 0.9987。

裸玻碳电极和修饰玻碳电极对色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的电催化作用表征

在含有10 μM色氨酸、10 μM对乙酰氨基苯酚和5 μM多巴胺溶液的磷酸盐缓冲溶液（pH为7.4）中的裸玻碳电极（a）、镍铜/石墨烯修饰玻碳电极（b）方波伏安图如图1所示。从图中可以看出，裸玻碳电极对于三种待测物的氧化还原电流很小，而修饰电极对色氨酸的响应电流明显增强，说明该修饰电极对色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺有明显的催化氧化作用。

电化学检测色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺

在最佳测试条件下（pH为8.0的PBS中），镍铜/石墨烯修饰玻碳电极对不同浓度色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的伏安曲线响应如图2所示。由图2可见，随着待测物浓度的增加，传感器对其电流响应逐渐增大，色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺分别在4.0 – 60.0 μM，8.0 – 100.0 μM和4.0 – 60.0 μM范围内，电流分别与色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺浓度成线性关系，线性方程分别为I _P(Trp)=0.5477+0.0444C _(Trp)，I _P(AC)=0.7828+0.0317C _(AC)和I _P(DA)=5.5780+0.3095C _(DA)，相应的线性相关系数为0.9993，0.9990和0.9987。

本发明方法制备的电极不受尿酸、抗坏血酸、葡萄糖等生物分子和谷氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸等氨基酸的干扰，专一性好。

利用标准加入法对血样和市售的酚氨咖敏片进行检测，采用平行测定3次取平均值的方法，测定结果的相对标准偏差均能够控制在±5.0%以内。

Claims (3)

1.一种电沉积镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于该电极是在玻碳电极表面涂覆一层经过柠檬酸处理过的石墨烯膜，并在该石墨烯膜上沉积有镍铜合金，其中所述的石墨烯膜与镍铜合金的质量比为：50:1；所述的镍铜合金中镍和铜的质量比为：6:1。

2.一种制备根据权利要求1所述的镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极的方法，其特征在于该方法的具体过程为：

a. 将石墨烯和柠檬酸按1:3的质量比溶于二次蒸馏水中，充分混合均匀后，将水蒸发使石墨烯变为糊状，再在200至250 ℃温度下加热60至80分钟；得到柠檬酸功能化的石墨烯；

b. 将步骤a所得石墨烯-柠檬酸溶于二次蒸馏水中配制成浓度为1mg/mL的溶液，然后均匀涂覆在打磨好的玻碳电极表面上，并且将其放在红外线灯下烘干，冷却10到15分钟后，再浸入含有0.05 mol/L Cu(NO₃)₂和0.15 mol/L NiCl₂的0.1 mol/L KCl溶液的混合溶液中，并且在电压为–0.8 到1.5 V之间使用循环伏安法电化学沉积20圈，用二次蒸馏水清洗玻碳电极表面后，得到镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极。

3.一种同时检测色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的方法，采用根据权利要求1和2所述的镍铜合金复合石墨烯修饰玻碳电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极、铂片电极作为辅助电极，组成三电极系统，其特征在于该方法的具体步骤为：

a. 将三电极系统置于pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液中，电位从–0.8 到1.5 V的电位范围内循环伏安法扫描10圈以活化电极，当背景电流达到稳态后，选用方波伏安法，向缓冲溶液中分别加入浓度为4.0到60.0 μM范围内的色氨酸、浓度为8.0到100.0 μM范围内的对乙酰氨基苯酚和浓度为4.0到60.0 μM范围内的多巴胺的标准溶液，分别得到电流与色氨酸浓度、电流与对乙酰氨基苯酚浓度和电流与多巴胺浓度的线性关系曲线，且对应的线性相关系数分别为0.9993、0.9990和0.9987；

b. 在缓冲溶液中加入血清和处理过的酚氨咖敏药品的待检测溶液，根据标准加入法，再依次加入色氨酸、对乙酰氨基苯酚和多巴胺的标准溶液进行检测，根据上述步骤所得到的线性关系可得到相应的浓度。