CN105021672B - 基于原位氧化还原反应的光电化学方法检测多巴胺 - Google Patents
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Abstract
基于多巴胺与氧化石墨烯的原位氧化还原反应，建立了一种快速简便测定多巴胺的光电化学分析法。在弱碱性电解液中，多巴胺能与氧化石墨烯发生氧化还原反应，其中氧化石墨烯被还原，多巴胺被氧化形成的聚合物可作为电子受体吸附在修饰有还原氧化石墨烯的电极上，引起阴极光电流的增大，光电流增大程度与被测物多巴胺的含量呈线性关系，因此所制备的无标记型光电化学传感器不仅实现了对氧化石墨烯的简便、绿色还原，同时实现了对多巴胺的快速、简便和灵敏测定，因其特定的氧化还原反应，该方法仪器简单、环保无毒、选择性高，并成功应用于人体尿液中多巴胺的检测。
Description
技术领域：
本发明涉及分析检测领域，尤其涉及氧化石墨烯作为光电化学传感材料在光电化学分析方面的应用。
背景技术：
多巴胺(DA)是哺乳动物中枢神经系统中重要的一种神经递质，脑内特定区域的DA浓度会影响垂体内分泌性能的协调，并与神经活动紧密相关，因此DA含量的失调意味着某些疾病如精神分裂症和帕金森氏病的发生[Wightman R M,May L J,Michael AC.Anal.Chem.1988,60:769A–779A.]。灵敏、可靠的检测DA方法的构建有助于治疗帕金森综合症等疾病和评价其治疗效果。目前检测DA的方法有色谱-质谱联用法、分光光度法、荧光法及电化学法等，这些方法得到的检测限较低，但却比较耗时，且面临选择性差的问题，特别是共存物质抗坏血酸和尿酸会对测定造成较大干扰[Shang N G,Papakonstantinou P,McMullan M,Chu M,Stamboulis A,Potenza A,Dhesi S S,MarchettoH.Adv.Funct.Mater.2008,18:3506–3514.]。因此，开发灵敏度高，选择性好的DA测定方法仍然是目前研究的热点。
光电化学方法是最近刚刚发展起来的一种新型分析方法[Tokudome H,Yamada Y,Sonezaki S,Ishikawa H,Bekki M,Kanehira K,Miyauchi M.Appl.Phys.Lett.2005,87:213901–213903；Liu S L,Li C,Cheng J,Zhou Y X.Anal.Chem.2006,78:4722–4726.]。光电化学的检测过程和电致化学发光正好相反。由于采用不同形式的激发(光)和检测(电)信号，因而其背景信号较低，能达到与电致化学发光相当的高灵敏度。并且，光电化学具有设备简单、价格低廉、易微型化、响应快速等优点。因此，光电化学分析法具有独特的优越性和广阔的发展前景。目前运用光电化学方法检测DA的方法不是很多，主要依靠TiO2[Wang LH,Xu L,Sun Z X,Mu Z C.RSC Adv.2013,3:21811–21816.]，CdS[Wang G L,Jiao H J,LiuK L,Wu X M,Dong Y M,Li Z J,Zhang C.Electrochem.Commun.2014,41:47-50]，CdTe[HaoQ,Wang P,Ma X Y,Su M Q,Lei J P,Ju H X.Electrochem.Commun.2012,21:39–41]，WS2/TiO2[Ma W G,Wang L N,Zhang N,Han D X,Dong X D,Niu L.Anal.Chem.2015,87:4844–4850]等常规的半导体纳米材料对DA的识别作用。现有方法的检测限都在几百纳摩尔/升到几微摩尔/升的灵敏度，还不能够满足活体系统中DA(26到40nmol/L甚至更低)的检测要求[Jackowska K,Krysinski P.Anal.Bioanal.Chem.2013,405:3753-3771；She G W,HuangX,Jin L L,Qi X P,Mu L X,Shi W S.Small 2014,10:4685-4692]，且往往容易受到生物体内还原性物质的干扰[Wang L H,Xu L,Sun Z X,Mu Z C.RSC Adv.2013,3:21811–21816.]。
氧化石墨烯(GO)是一种刚刚兴起的新型碳材料，其是由碳原子构成的单层片状结构，表面有很多含氧官能团如环氧基、羟基、羰基、羧基，所以具有高表面活性、高机械性能、催化性能、易于制备、水溶性和生物相容性好等优点[Lee C,Wei X D,Kysar J W,HoneJ.Science 2008,321:385–388；Zhu Y,Murali S,Cai W,Li X,Suk J W,Potts J R,RuoffR S.Adv.Mater.2010,22:3906–3924.]，近些年被应用于细胞成像学、药物传输、催化及生物传感等领域[Dreyer D R,Jia H P,Bielawski C W.Angew.Chem.2010,122:6965–6968；Gao Y J,Ma D,Wang,C L,Guan J,Bao X H.Chem.Commun.2011,47:2432–2434.]。在光电化学传感领域，GO主要作为导电材料提高常规半导体纳米材料(作为光电化学传感材料)的光电化学性能从而制备光电化学传感器[Li R Z,Liu Y,Cheng L,Yang C Z,Zhang JD.Anal.Chem.2014,86:9372-9375；Zeng X X,Tu W W,Li J,Bao J C,Dai Z H.ACSAppl.Mater.Inter.2014,6:16197-16203]，但是，据我们所知，利用单纯的GO修饰电极作为光电化学传感材料构建光电化学传感器的应用还未见报道。本发明中，我们利用单纯的GO修饰电极成功制备了针对DA的高灵敏，高选择性光电化学传感器。光照条件下，GO与DA发生原位氧化还原反应，形成还原氧化石墨烯(RGO)以及聚多巴胺(PDA)。PDA具有很强的粘合力，能够吸附在多种固体基体表面[Lee H,Lee B P,Messersmith P B.Nature,2007,448:338–341.]。RGO与PDA修饰电极与初始的GO修饰电极相比，光电流大大提高。光电流提高的原因有两方面：一方面，GO表面的含氧官能团也同时破坏了原有石墨结构的完整性，使GO的导电能力下降，还原后的GO(RGO)由于去除了某些含氧官能团，部分恢复了石墨烯的结构而具有更强的导电能力[Stankovich S,Dikin D A,Piner R D,Kohlhaas K A,KleinhammesA,Jia Y Y,Wu Y,Nguyen S T,Ruoff R S.Carbon 2007,45:1558–1565.]。另一方面，电极表面粘合的PDA作为RGO的电子受体，抑制了其电子-空穴的复合，从而导致阴极光电流的增大。由于GO与DA的特异性识别反应及其反应产物的特定光电化学性质，该方法对DA的检测具有很高的灵敏度(检测限低至0.23nmol/L)和选择性，常见的干扰物质如抗坏血酸和尿酸对传感器的影响较小。相比于我们之前发明的基于量子点的“猝灭型”光电化学传感器[王光丽，焦焕军，董玉明，傅侠，张梁波.用于高灵敏检测多巴胺的纳米光电化学传感器：中国专利,专利号：ZL201210527678.6；授权公告日：2015.4.22.]，此修饰电极所用材料GO毒性小，采用“增强型”检测导致方法的灵敏度更高，非被测物导致的干扰大大降低。从而，本方法更适于生物样品的测定。
发明内容：
本发明的目的是提供了一种能够高灵敏、高选择性测定DA的光电化学分析方法。同时本发明拓展了新型碳材料GO作为修饰电极在光电化学生物小分子多巴胺测定方面的新用途，为光电化学分析领域提供了新原理与新方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：
a、氧化石墨烯采用化学氧化法合成，具体步骤为：量取一定量的浓硫酸倒入烧杯中，缓慢加入石墨原料，搅拌均匀并冷却到0–4℃；1.5–4h后，缓慢加入一定量的NaNO3与KMnO4的混合物，搅拌2h后水浴加热至30–45℃，继续搅拌2h后，升温至95–100℃搅拌15–60min，其间缓慢加入去离子水，溶液从棕褐色变为亮黄色；缓慢加入质量百分比为30％的H2O2溶液，趁热过滤；用5％的HCl充分清洗滤饼，直至滤液中无SO4 2-；30–50℃下真空干燥24h，密封保存即得到氧化石墨烯；将所得氧化石墨烯固体加入去离子水中超声0.5–4h即得到分散之后的氧化石墨烯的水溶液；
b、将经过预处理的ITO玻璃片浸在含有0.1mmol/L NaCl的5％的聚合物的溶液中，10min后用去离子水冲洗电极表面；再在电极上滴加25μL 0.5mg/mL的氧化石墨烯溶液，自然干燥后备用；以上步骤可将氧化石墨烯修饰到ITO电极上；
c、将氧化石墨烯修饰的ITO电极放入pH为8.5的0.1mol/L的Tris–HCl溶液中，以Ag/AgCl(饱和KCl)电极作为参比电极，铂丝作为对电极，0V电位下在自制的光电化学测定仪器上进行光电流测定；
d、随后，向上述电解质溶液中加入不同浓度的待测物多巴胺水溶液，反应2min后，再次进行光电流的测定。
本发明所制备的氧化石墨烯具有良好的水溶液分散性，可以通过简便的自组装方法修饰到ITO电极表面。氧化石墨烯电极光照后可以产生阴极光电流但电流值较小；然而，当加入待测物DA后，DA能与氧化石墨烯发生原位氧化还原反应，从而引起阴极光电流的明显增大。并且，光电流增大程度与被测物DA的含量呈线性关系。本研究将氧化石墨烯材料与DA巧妙结合，基于原位氧化还原反应所导致的光电化学性质，建立了无标记、快速简便、灵敏度高、选择性好的新型DA光电化学检测方法。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
制备氧化石墨烯时使用的石墨原料为鳞片石墨、石墨粉、膨胀石墨；制备氧化石墨烯时浓硫酸、高锰酸钾、硝酸钠和石墨原料的质量比为10–90:3–8:0.5–4:1；将氧化石墨烯修饰到ITO电极上时，所使用的聚合物溶液为PEI、PAH的水溶液。
附图说明：
图1是本发明实施例1制备的GO的扫描电镜和透射电镜图。
图2是本发明实施例1制备的GO以及GO与DA反应后的(A)X射线衍射图和(B)拉曼光谱。
图3是(A)不同浓度DA(0、0.5、1.0、5.0、10、50、100、500、1000nmol/L)对本发明实施例1制备的GO修饰电极的光电流的影响；(B)光电流变化程度(△I/I0)与DA浓度对数间的线性关系。
图4是本发明实施例1制备的PDDA/GO修饰电极的选择性，其中目标物DA及干扰物浓度均为1.0×10-6mol/L。
具体实施方式：
实施实例1：
a、量取230mL浓硫酸倒入2000mL烧杯中，缓慢加入10g天然石墨粉，搅拌均匀并冰浴处理至0℃。1.5h后，缓慢加入5g NaNO3与30g KMnO4的混合物，搅拌2h后水浴加热至35℃，继续搅拌2h后，升温至98℃搅拌15min，其间缓慢加入460mL水，溶液从棕褐色变为亮黄色。缓慢加入1400mL水和100mL的H2O2(30％)溶液，趁热过滤。用5％的HCl充分清洗滤饼.直至滤液中无SO4 2-(用BaCl2溶液检测)。50℃下真空干燥24h，密封保存即得到GO。将5mg的GO加入10mL水中超声1h后得到0.5mg/mL的GO水溶液。
b、将经过预处理的ITO玻璃片浸在含有0.1mmol/L NaCl的2％的PDDA聚合物溶液中，10min后用去离子水冲洗电极表面；再在电极上滴加25μL 0.5mg/mL的GO溶液，自然干燥后备用。以上步骤可将GO修饰到ITO电极上。
c、将GO修饰的ITO电极放入pH为8.5的0.1mol/L的Tris-HCl电解质溶液中，以Ag/AgCl(饱和KCl)电极作为参比电极，铂丝作为对电极，0V下在自制的光电化学测定仪器上进行光电流测定。
d、随后，向电解质溶液中加入不同浓度的待测物多巴胺，反应2min后，再次进行光电流的测定。
实施实例2：
a、量取100mL浓硫酸倒入2000mL烧杯中，缓慢加入5g天然石墨粉，搅拌均匀并冰浴处理至0℃。2h后缓慢加入3g NaNO3与20g KMnO4的混合物，搅拌2h后水浴加热至40℃，继续搅拌2h后，升温至95℃搅拌30min，其间缓慢加入250mL水，溶液从棕褐色变为亮黄色。缓慢加入700mL水和50mL的H2O2(30％)溶液，趁热过滤。用5％的HCl充分清洗滤饼.直至滤液中无SO4 2-(用BaCl2溶液检测)。40℃下真空干燥24h，密封保存即得到GO。将5mg的GO加入10mL水中超声1h后得到0.5mg/mL的GO水溶液。
b、将经过预处理的ITO玻璃片浸在含有0.1mmol/L NaCl的2％PAH聚合物溶液中，10min后用去离子水冲洗电极表面；再在电极上滴加25μL 0.5mg/mL的GO溶液，自然干燥后备用。以上步骤可将GO修饰到ITO电极上。
c、将GO修饰的ITO电极放入pH为8.5的0.1mol/L的Tris–HCl溶液中，以Ag/AgCl(饱和KCl)电极作为参比电极，铂丝作为对电极，0V电位下在自制的光电化学测定仪器上进行光电流测定。
d、随后，向电解质溶液中加入不同浓度的待测物多巴胺，反应2min后，再次进行光电流的测定。
Claims (4)
1.基于原位氧化还原反应的光电化学方法检测多巴胺，其特征在于：
a、氧化石墨烯采用化学氧化法合成，具体步骤为：量取一定量的浓硫酸倒入烧杯中，缓慢加入石墨原料，搅拌均匀并冷却到0–4℃；1.5–4h后，缓慢加入一定量的NaNO3与KMnO4的混合物，搅拌2h后水浴加热至30–45℃，继续搅拌2h后，升温至95–100℃搅拌15–60min，其间缓慢加入去离子水，溶液从棕褐色变为亮黄色；缓慢加入质量百分比为30％的H2O2溶液，趁热过滤；用5％的HCl充分清洗滤饼，直至滤液中无SO4 2-；30–50℃下真空干燥24h，密封保存即得到氧化石墨烯；将所得氧化石墨烯固体加入去离子水中超声0.5–4h即得到分散之后的氧化石墨烯的水溶液；
b、将经过预处理的ITO玻璃片浸在含有0.1mmol/L NaCl的5％的聚合物的溶液中，10min后用去离子水冲洗电极表面；再在电极上滴加25μL 0.5mg/mL的氧化石墨烯溶液，自然干燥后备用；以上步骤可将氧化石墨烯修饰到ITO电极上；
c、将氧化石墨烯修饰的ITO电极放入pH为8.5的0.1mol/L的Tris–HCl溶液中，以饱和的Ag/AgCl电极作为参比电极，铂丝作为对电极，0V电位下在自制的光电化学测定仪器上进行光电流测定；
d、随后，向上述pH为8.5的0.1mol/L的Tris–HCl溶液中加入不同浓度的待测物多巴胺水溶液，反应2min后，再次进行光电流的测定。
2.根据权利要求1所述的基于原位氧化还原反应的光电化学方法检测多巴胺，其特征在于步骤a中所述的石墨原料为鳞片石墨、石墨粉、膨胀石墨。
3.根据权利要求1所述的基于原位氧化还原反应的光电化学方法检测多巴胺，其特征在于步骤a中所述浓硫酸、高锰酸钾、硝酸钠和石墨原料的质量比为10–90:3–8:0.5–4:1。
4.根据权利要求1所述的基于原位氧化还原反应的光电化学方法检测多巴胺，其特征在于将氧化石墨烯修饰到ITO电极上时，所使用的聚合物溶液为PEI、PAH的水溶液。
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