CN105548313A - 一种检测低浓度多巴胺的修饰电极及其制备方法和应用 - Google Patents

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茆卉
梁家琛
张海凤
纪春光
宋溪明
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Abstract

本发明公开一种检测低浓度多巴胺的修饰电极，所述修饰电极是聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)修饰的玻碳电极，具体为以玻碳电极为基底电极，在玻碳电极上附着聚两性离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片。该修饰电极能够检测低浓度多巴胺，具有较高的选择性、稳定性、抗干扰性能以及较宽的线性范围等优点。

Description

一种检测低浓度多巴胺的修饰电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学分析领域，具体涉及一种检测低浓度多巴胺的修饰电极及其制备方法和应用。
背景技术
多巴胺(DA)是一种存在于神经组织和体液中的儿茶酚胺类神经递质，是哺乳动物中枢神经系统中用来帮助细胞传递脉冲的重要化学物质。它在机体内的浓度变化与精神活动有直接关系，脑内多巴胺神经功能失调是帕金森症及其他类精神疾病的重要原因。因此对其测定方法的研究具有重要意义。
目前测定多巴胺的方法多以电化学分析法、高效液相色谱法、荧光光谱法和化学发光法这几类为主。但是样品预处理复杂和检测灵敏度低，分别限制了高效液相色谱法、化学发光法和荧光光谱法在实际检测中的应用。而电化学分析法具有价格低廉、灵敏度高、操作简单、反应速度快优点，被广泛使用。因此开发出一种能够检测低浓度多巴胺的化学修饰电极对于神经生理学、相关药物控制及疾病诊断有着重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测低浓度多巴胺的修饰电极及其制备方法和应用，该检测低浓度多巴胺的修饰电极是以玻碳电极为基底电极，在玻碳电极上附着聚两性离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片，由于聚两性离子液体表面有-SO3-的存在，改变了材料表面的电荷性质，优化了电子传输模式，使这种纳米材料修饰电极在检测低浓度DA方面表现出了较宽的线性范围(40-1220nM)，较低的检出限(17.3nM)以及较好的选择性和灵敏度，因此该修饰电极能够检测低浓度多巴胺，具有较高的选择性、稳定性、抗干扰性能以及较宽的线性范围等优点。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种检测低浓度多巴胺的修饰电极，所述修饰电极是聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)修饰的玻碳电极，具体为以玻碳电极为基底电极，在玻碳电极上附着聚两性离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片。
所述的一种检测低浓度多巴胺的修饰电极，所述聚两性离子液体为聚1-乙烯基-3-磺酸丙基咪唑盐(VIPS)。
一种检测低浓度多巴胺的修饰电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片的制备
在超声辐射的条件下，将吡咯原位化学聚合在于Hummers法制备的氧化石墨烯纳米片上，得聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片；
(2)聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片的制备
将1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)和偶氮二异丁腈(AIBN)分散于乙醇中，再向体系中加入N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片，超声分散，得混合物；
将混合物于油浴锅中，在氮气持续保护下冷凝回流反应；
反应结束后，用蒸馏水和乙醇对冷凝回流反应产物进行多次洗涤，离心，将离心后所得产物真空干燥24h，最后得黑色聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片；
(3)称取聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片，超声分散于无水乙醇中，即得分散均匀的复合修饰剂；
(4)将分散均匀的复合修饰剂滴涂于干净的玻碳电极(GCE)表面，室温下干燥，即得聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)修饰的玻碳电极。
所述的制备方法，步骤(2)所述1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)和N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片的质量比为5：1。
所述的制备方法，步骤(2)超声分散时长为5～10min。
所述的制备方法，步骤(2)油浴锅的温度为65℃-75℃，冷凝回流反应时长为3～6h。
所述的制备方法，步骤(2)中N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片为N-乙烯基咪唑型离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片，具体制备方法如下：
a.通过1,4-二溴丁烷与步骤(1)制备的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)在DMF中发生取代反应制得PPy/GO-(CH2)4Br纳米片；
b.通过N-乙烯基咪唑与PPy/GO-(CH2)4Br纳米片在DMF中发生电离反应制得N-乙烯基咪唑型离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片。
所述的制备方法，步骤(2)中1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)是通过N-乙烯基咪唑和1,3-丙烷磺内酯电离反应制得。
一种检测低浓度多巴胺的修饰电极在定量检测多巴胺上的应用。
所述的应用，将检测低浓度多巴胺的修饰电极作为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，以铂电极为辅助电极，组成三电极系统，在pH为7.0的磷酸缓冲溶液中实现对低浓度多巴胺的检测。
本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：
本发明制备的修饰电极，由于聚两性离子液体(PVIPS)骨架末端-SO3 -的存在，改变了材料表面的电荷性质，使得PVIPS/PPy/GO纳米片表现出较强的负电性质，能够将溶液中显正电的DA分子富集于工作电极表面，优化了电子传输模式，即优化了电催化氧化DA分子的电子传输过程，在接近人体液酸碱度的条件下，实现了对超低浓度DA的检测。
本发明制备的修饰电极，表现出了较高的选择性、较好的稳定性、较强的抗干扰性能以及较宽的线性范围等优点。
本发明制备的修饰电极使得纳摩尔浓度DA的检测得以实现，为准确检测实际样品中DA分子的浓度提供了新的思路和方法。
附图说明
图1为PVIPS/PPy/GO纳米片的电镜图：(a)PVIPS/PPy/GO纳米片扫描电镜(SEM)图片；(b)PVIPS/PPy/GO纳米片透射电镜(TEM)图片。
图2为不同修饰电极检测DA的循环伏安对比图。
图3为PVIPS/PPy/GO修饰电极在不同扫描速度条件下检测DA的循环伏安图。
图4为电流与扫描速度的线性关系。
图5为PVIPS/PPy/GO修饰电极检测不同浓度DA的差分脉冲伏安图。
图6为电流与DA浓度变化线性关系图。
图7为PVIPS/PPy/GO修饰电极抗干扰性能测试。
具体实施方式
一种检测低浓度多巴胺的修饰电极，所述修饰电极是聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)修饰的玻碳电极，具体为以玻碳电极为基底电极，在玻碳电极上附着聚两性离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片。聚两性离子液体为聚1-乙烯基-3-磺酸丙基咪唑盐(VIPS)。
一种检测低浓度多巴胺的修饰电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片的制备
在超声辐射的条件下，将吡咯(Py)原位化学聚合在于Hummers法制备的氧化石墨烯(GO)纳米片上，得聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片；
(2)聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片的制备
a.通过1,4-二溴丁烷与步骤(1)制备的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)在DMF中发生取代反应制得PPy/GO-(CH2)4Br纳米片；
b.通过N-乙烯基咪唑与PPy/GO-(CH2)4Br纳米片在DMF中发生电离反应制得N-乙烯基咪唑型离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片，即N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片；
c.利用N-乙烯基咪唑和1,3-丙烷磺内酯电离反应制得1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)；
d.将1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)和偶氮二异丁腈(AIBN)分散于乙醇中，再向体系中加入制备的N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片(VIPS和ILs/PPy/GO纳米片的质量比为5：1)，超声分散5～10min，得混合物；将混合物置于65℃-75℃的油浴锅中，在氮气持续保护下冷凝回流反应3～6h；反应结束后，用蒸馏水和乙醇对冷凝回流反应产物进行多次洗涤，离心；将离心后所得产物真空干燥24h，最后得黑色聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片；
(3)称取聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片，超声分散于无水乙醇中，即得分散均匀的复合修饰剂；
(4)将分散均匀的复合修饰剂滴涂于干净的玻碳电极(GCE)表面，室温下干燥，即得聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)修饰的玻碳电极。
一种检测低浓度多巴胺的修饰电极在定量检测多巴胺上的应用，将检测低浓度多巴胺的修饰电极作为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，以铂电极为辅助电极，组成三电极系统，在pH为7.0的磷酸缓冲溶液中实现对低浓度多巴胺的检测。
实施例
(一)试验所使用的仪器和试剂：
实验过程中使用的水均为二次蒸馏水(简称二次水)，实验所用的试剂均为分析纯。
仪器：型号为CHI660E电化学分析仪(上海辰华仪器公司)用于电化学实验；BT224S电子天平(德国Sartorius公司)用于称量药品；JEM-2100型透射电子显微镜(日本日立公司)和HitachiSU-8010型扫描电子显微镜(日本日立公司)用于形貌表征；KH3200B超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；三氧化二铝打磨粉(上海辰华仪器试剂公司)用于处理玻碳电极(GCE)；银/氯化银电极(Ag/AgCl，武汉高仕睿联科技有限公司)为参比电极；铂电极为辅助电极。
试剂：高纯石墨、吡咯、溴代乙烷、1,3-丙烷磺酸内酯(国药集团化学试剂有限公司)，N-乙烯基咪唑(盐城市医药化工厂)，硝酸钠、高锰酸钾(天津博迪化工股份有限公司)，多巴胺(DA)(阿法埃莎(中国)化学有限公司)，左旋色氨酸(Trp)、偶氮二异丁腈、羟基色胺盐酸盐(SER)、肾上腺素(Ep)(阿拉丁试剂(上海)有限公司)，抗坏血酸(AA)、磷酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠(天津永大化学试剂有限公司)，高纯氮气(纯度为99.999％,O2≤0.001％)。
(二)制备过程：
(1)复合修饰剂制备，取1mg干燥的PVIPS/PPy/GO纳米片，加入1mL乙醇，超声分散20min，得到浓度为1mg/mL的黑色悬浊液(即分散均匀的复合修饰剂)，备用。
(2)电极处理：将玻碳电极先用0.3μM的三氧化二铝悬浊液在打磨布上打磨处理，接着用二次水超声清洗，再用0.05μM的三氧化二铝悬浊液在打磨布上抛光成镜面，最后用乙醇、二次水超声清洗，用高纯氮气吹干。
(3)PVIPS/PPy/GO修饰的玻碳电极制备：用微量进样器移取2μL分散均匀的复合修饰剂滴涂到打磨干净的玻碳电极的表面，在空气中自然干燥，得到用PVIPS/PPy/GO修饰的玻碳电极，备用。
PVIPS/PPy/GO纳米片的电镜图如图1所示，(a)为扫描电镜(SEM)图片；(b)为透射电镜(TEM)图片，由图可见由VIPS和表面带有乙烯基官能团的ILs/PPy/GO共聚之后，纳米片表面呈现出褶皱和片状纹理，同时可以在表面观察到一些纳米卷结构，说明聚两性离子液体VIPS成功修饰于聚吡咯/氧化石墨烯纳米片表面。
(三)性能测试
1、对比实验
用微量进样器将一定量的DA准确移入含有8mLPBS(pH＝7)的电解池中，分别以裸电极(bare)，GO修饰玻碳电极，PPy/GO修饰玻碳电极和PVIPS/PPy/GO修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极作为辅助电极；试验在CHI660E电化学工作站上进行，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理；在-0.2V～0.8V电位范围内进行循环伏安测试，记录稳定的循环伏安图。
结果如图2所示，为不同修饰电极检测DA的循环伏安对比图，其中a曲线是在以裸电极(bare)为工作电极的基础上，b曲线是在以GO修饰玻碳电极为工作电极的基础上，c曲线是在以PPy/GO修饰玻碳电极为工作电极的基础上，由图可知，这三个工作电极都没有出现氧化峰。而d曲线是在以PVIPS/PPy/GO修饰电极为工作电极的基础上，则可观察到一个氧化峰，对比得出PVIPS/PPy/GO修饰电极对在检测低浓度DA时有较好的电催化活性。
2、DA在修饰电极表面动力学的研究
以PVIPS/PPy/GO修饰电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为辅助电极；实验在CHI660E电化学工作站上进行，包括实验数据的采集和处理；在含有200nMDA的PBS溶液(pH＝7.0,20℃)中，-0.2～0.8V电位范围内进行循环伏安扫描，扫描速度范围是10～100mV/s。
如图3所示为PVIPS/PPy/GO修饰电极在不同扫描速度条件下检测DA的循环伏安图。从图中可以看出，DA的氧化峰电流随着扫描速度的增加而增大。通过研究扫描速率对氧化峰电流的影响，我们能够推测电极反应的动力学。
如图4所示为PVIPS/PPy/GO修饰电极电流与扫描速度的线性关系。如图所示，扫描速率在10～100mV/s范围内，DA的氧化峰电流与扫描速度成较好的线性关系(R2＝0.9968)。由此可知，在该实验条件下，DA的氧化过程是以表面控制方式进行的。这是因为在pH＝7.0的条件下，DA分子(pKa＝8.9)是以阳离子的形式存在，而PVEIB/PPy/GO纳米片由于聚两性离子液体PVIPS骨架末端-SO3 -的存在表现出较强的负电性。这一特点使得溶液中的DA分子在静电引力的作用下，在工作电极表面形成富集，从而极大地加快了DA分子扩散至电极表面的速率，促进了DA的催化氧化过程。
3、DA的定量测量：
以PVIPS/PPy/GO修饰电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为辅助电极；实验在CHI660E电化学工作站上进行，包括实验数据的采集和处理；在含有不同溶度DA(40～1220nm)的PBS溶液(pH＝7.0,20℃)中，-0.2～0.8V电位范围内进行差分脉冲扫描，记录稳定的差示脉冲伏安图。
图5为PVIPS/PPy/GO修饰电极检测不同浓度DA的差分脉冲伏安图。从图中可以看出，随着DA浓度的增加，其氧化峰电流也在逐渐增大。
图6为电流与DA浓度变化线性关系图。由图可知，在40–1220nM的范围内，DA的浓度与氧化峰电流有较好的线性关系(R2＝0.9996)，斜率为-0.259μA/μM。根据标准信噪比为3(S/N＝3)，PVIPS/PPy/GO修饰电极在检测DA时的检出限为17.3nM(n＝10)，灵敏度为0.259μA/μM，其性能优于许多现有DA检测器。
4、抗干扰测试：
以PVIPS/PPy/GO修饰电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为辅助电极；实验在CHI660E电化学工作站上进行，包括实验数据的采集和处理。
PVIPS/PPy/GO修饰电极的抗干扰性能是通过电流测定法(i-t)测定的。设置检测电压为0.20V，在持续搅拌的条件下，向8mL缓冲溶液中逐步加入2μL0.8mMDA、4μL20mMAA、4μL20mMEp、4μL20mMTrp和4μL20mMSER，间隔为100s，溶液中各物质的浓度分别为200nM、10μM、10μM、10μM和10μM。
图7为PVIPS/PPy/GO修饰电极抗干扰性能测试。当向溶液中加入2μL0.8mMDA时，出现较强的响应电流，响应时间大约为13s，而当加入其它物质时，并没有出现明显的响应电流。

Claims (10)

1.一种检测低浓度多巴胺的修饰电极，其特征在于，所述修饰电极是聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)修饰的玻碳电极，具体为以玻碳电极为基底电极，在玻碳电极上附着聚两性离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片。
2.根据权利要求1所述的一种检测低浓度多巴胺的修饰电极，其特征在于，所述聚两性离子液体为聚1-乙烯基-3-磺酸丙基咪唑盐(VIPS)。
3.一种检测低浓度多巴胺的修饰电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片的制备
在超声辐射的条件下，将吡咯原位化学聚合在于Hummers法制备的氧化石墨烯纳米片上，得聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片；
(2)聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片的制备
将1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)和偶氮二异丁腈(AIBN)分散于乙醇中，再向体系中加入N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片，超声分散，得混合物；
将混合物于油浴锅中，在氮气持续保护下冷凝回流反应；
反应结束后，用蒸馏水和乙醇对冷凝回流反应产物进行多次洗涤，离心，将离心后所得产物真空干燥24h，最后得黑色聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片；
(3)称取聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)纳米片，超声分散于无水乙醇中，即得分散均匀的复合修饰剂；
(4)将分散均匀的复合修饰剂滴涂于干净的玻碳电极(GCE)表面，室温下干燥，即得聚两性离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(PVIPS/PPy/GO)修饰的玻碳电极。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)和N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片的质量比为5：1。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)超声分散时长为5～10min。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)油浴锅的温度为65℃-75℃，冷凝回流反应时长为3～6h。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中N-乙烯基咪唑型离子液体/聚吡咯/氧化石墨烯(ILs/PPy/GO)纳米片为N-乙烯基咪唑型离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片，具体制备方法如下：
a.通过1,4-二溴丁烷与步骤(1)制备的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)在DMF中发生取代反应制得PPy/GO-(CH2)4Br纳米片；
b.通过N-乙烯基咪唑与PPy/GO-(CH2)4Br纳米片在DMF中发生电离反应制得N-乙烯基咪唑型离子液体修饰的聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)纳米片。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中1-乙烯基-3-丙烷磺酸基咪唑盐(VIPS)是通过N-乙烯基咪唑和1,3-丙烷磺内酯电离反应制得。
9.一种检测低浓度多巴胺的修饰电极在定量检测多巴胺上的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将检测低浓度多巴胺的修饰电极作为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，以铂电极为辅助电极，组成三电极系统，在pH为7.0的磷酸缓冲溶液中实现对低浓度多巴胺的检测。
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