《武汉工程大学学报》  2008年04期 20-24   出版日期：2008-04-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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多巴胺在聚牛磺酸膜上的伏安行为及选择测定


0引言多巴胺（DA）为儿茶酚胺类化合物，它是哺乳动物中枢神经系统中重要的神经传递物质［1~2］.DA在机体内的浓度影响多种生理过程，它在中枢神经、肾血流量及心血管等方面起着极大的作用，其含量的改变可导致一些重要的疾病如精神分裂症和帕金森氏症［3］.因此，DA的测定一直是电分析化学、生物和医学领域的研究热点.通常测定DA的方法有分光光度法［4］、离子色谱法［5］和高效液相色谱法［6］.由于DA是一种具有电化学活性的化合物，所以可采用电化学方法检测其含量［7］ .但是在生物样品中，一些共存物质如抗坏血酸（AA）等因其在固体电极上的氧化电位与DA相近，其氧化物又污染电极，所以在测定DA时 AA的存在就会产生严重干扰［8］.为解决这些问题，一些修饰电极已经被用于检测DA［9~13］ .本实验采用电聚合的方法制备了聚牛磺酸膜修饰电极，研究了DA和AA在该修饰电极上的电化学行为，结果表明，该修饰电极对DA具有良好的电催化作用和选择性，当同浓度的DA与AA共存时，该修饰电极对DA的响应更灵敏，两者峰电位差达220 mV，电流响应灵敏度相差近十倍，故AA对DA的测定没有干扰.该方法可用于在AA共存时选择测定DA及实际样品中DA的测定.1实验部分1.1仪器与试剂 CHI760B电化学工作站（上海辰华仪器公司）；电化学实验用三电极体系：聚牛磺酸膜（Pta）电极为工作电极，Pt丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极（文中所有电位均相对参比电极而言）.牛磺酸（武汉中健科技发展有限公司）用磷酸盐缓冲液（PBS，pH=6.98）配制成2 mmol/L储备液，使用前先通氮除氧.盐酸多巴胺（Acrosorganics公司）配成5×10-3 mol/L的储备液.抗坏血酸（中国湘中地质实验研究所）配成2×10-2 mol/L的储备液.使用时用磷酸盐缓冲液稀释至所需浓度.磷酸盐缓冲溶液采用NaH2PO4 和K2HPO4 配制.其它物质为分析纯，使用前未经提纯.所有溶液均采用二次蒸馏水配制，所有实验均在室温下进行.2结果与讨论2.1聚牛磺酸膜修饰电极的制备取适量含2×10-3 mol/L牛磺酸的磷酸盐缓冲溶液（pH6.98），通入高纯氮气3 min除氧.将活化处理好了的玻碳电极置于其中，接通三电极系统并与仪器连接，于-1.5～+2.5 V电位范围内，以100 mV/s的扫速循环扫描10圈.由图1可知，随着扫描圈数的增加，峰电流不断增加，由此可以推断，牛磺酸已经在玻碳电极表面聚合成膜.对比未经聚合处理的裸玻碳电极可以发现，电聚合后的电极表面有一层蓝紫色聚合物膜，膜结构致密均匀，在电极上附着牢固.聚合修饰好的电极用二次蒸馏水清洗干净后，放入磷酸盐缓冲溶液中保存备用.图12×10-3 mol/L的牛磺酸在玻碳电极上电聚合的循环伏安图
Fig.1Cyclic voltammograms of polymerization of 2×10-3 mol/L Taurine on the glassy carbon electrode in the potential range from -1 to 2.5 V at a scan rate of 100 mV/s2.2交流阻抗分析图2为裸玻碳电极和聚牛磺酸膜修饰电极在含有1×10-3 mol /L的Fe(CN)3/46探针的0.5 mol/L KCl溶液中的交流阻抗图（频率范围为0.05～100 kHz，施加的电位幅度为5 mV.由图可知，聚牛磺酸修饰电极的阻抗比裸玻碳电极的阻抗小，聚牛磺酸修饰电极阻抗谱在所有频率范围内近似为一条直线，表明此时电极上不存在阻挡电子转移的物质，Fe(CN)3/46非常容易到达电极表面发生氧化还原反应，反应是受扩散控制的过程.说明聚牛磺酸修饰电极起到了增强电子传输的作用.与裸电极相比，聚牛磺酸修饰电极的电导性明显增强.图2在裸电极（a）和聚牛磺酸膜修饰电极（b）上的交流阻抗图
Fig.2Impedance plots at bare glassy carbon electrode(a) and polytaurine modified electrode(b)第4期程若娟，等：多巴胺在聚牛磺酸膜上的伏安行为及选择测定
武汉工程大学学报第30卷
2.3DA和AA在修饰电极上的电化学行为图3中A（c）、3中B（c）均为修饰电极在底液中的循环伏安图. 图3中A为4.5×10-4 mol/L的DA在PBS（pH7.38）缓冲溶液中的循环伏安图.由图可知，DA在裸玻碳电极（a）上的氧化还原峰很弱，氧化还原峰电位之差大约为184 mV，而在聚牛磺酸膜修饰电极（b）上则呈现一对良好的氧化还原峰， 氧化还原峰电位之差降低为107 mV，峰电流明显增加.这表明，聚牛磺酸膜对DA的电化学氧化有明显催化作用，从而改善了电极对DA的检测下限.这种催化特性可理解为：在PBS（pH7.38）缓冲溶液中，聚牛磺酸修饰电极对多巴胺的电催化作用，多巴胺以阳离子形式存在，而聚合物膜带负电荷，两者存在静电吸引，多巴胺中的羟基还可与聚合物膜中的氨基形成氢键，使得多巴胺易在聚合膜修饰电极上吸咐，电化学作用更易进行，从而使氧化电流和还原电流增大.(A) DA(B) AA
图3裸电极（a）和聚牛磺酸膜修饰电极（b）分别在4.5×10-4 mol/L DA、AA以及修饰电极在空白底液（c）中的循环伏安图
Fig.3Cyclic voltammograms of bare electrode (a) and polytaurine modified electrode (b) in 4.5×10-4 mol/L DA+PBS（pH=7.38），AA+PBS（pH=7.38）and polytaurine modified electrode in PBS（pH=7.38）(c)
注：扫描速度为50 mV/s.图3中B为4.5×10-4 mol/L的AA在PBS（pH7.38）缓冲溶液中的循环伏安图.由图可知，在裸玻碳电极（a）上AA响应相对较弱，其氧化峰电位为0.344 V，而在聚牛磺酸膜修饰电极（b）上，AA的氧化峰电位负移到-0.017 V，降低过电位的同时峰电流也明显增加，说明聚牛磺酸膜修饰电极对AA也有显著的电催化作用.图4是等浓度的DA和 AA的混合液在聚牛磺酸膜修饰电极上的循环伏安图.在裸电极上，DA、AA氧化峰重叠，无法分离，而从图4可见，在聚牛磺酸修饰电极上，DA、AA的氧化峰分别为0.22 V和 -0.004 V ，两者相差220 mV以上，且DA的氧化峰电流为1.87×10-4 A，AA氧化电流为5.64×10-5 A，扣除基底电流后，二者的电流响应灵敏度相差近十倍.可见修饰电极对DA的电流响应明显优于对AA的响应，同时，如此宽的氧化峰间距表明此修饰电极可用于在AA共存时选择性地测定DA而不受其干扰.图4聚牛磺酸膜修饰电极在4.5×10-4 mol/L AA（a）、4.5×10-4 mol/L DA（b）及混合物（cAA = cDA = 4.5×10-4 mol/L）（c）中的循环伏安图
Fig.4Cyclic voltammograms of polytaurine modified electrode in 4.5×10-4 mol/L AA（a），4.5×10-4 mol/L DA （b）and mixtures of AA＋DA（cAA =cDA = 4.5×10-4 mol/L）（c）
注：扫描速度为50 mV/s.2.4扫速的影响图5A为在4.5×10-4 mol/L多巴胺溶液中，-0.2～+0.6 V电位范围内，以不同扫描速度进行测定的循环伏安图.从图中可以看出，随扫描速度的增加，氧化峰电流与峰电位明显增大.在10～150 mV/s扫速范围内峰电流与扫速呈现良好的线性关系（如图5B所示），线性相关系数R=0.999 1，表明多巴胺在聚牛磺酸膜修饰电极/溶液界面上的吸附为电极反应的控制步骤.（A） 循环伏安图(B) 氧化峰电流与扫描速度的关系
图5聚牛磺酸膜修饰电极在DA+ PBS（pH=7.38）的溶液中不同扫描速度时的循环伏安图及其线性关系
Fig.5Cyclic voltammograms for the polytaurine modified electrode in DA+ PBS（pH7.38) at different scan rates
注：扫描速速分别为（a）10 mV/s，（b）20 mV/s，（c）40 mV/s，（d）60 mV/s，（e）80 mV/s，（f）100 mV/s，（g）120 mV/s，（h）140 mV/s，（i）150 mV/s.2.5支持电解质和底液pH的影响研究了不同支持电解质底液对DA在聚牛磺酸膜修饰电极上的循环伏安响应的影响，发现在NaH2PO4K2HPO4缓冲液中，峰电流最大，峰型最好，故本实验以此缓冲液作为支持电解质.图6A是在pH4.0~8.04的NaH2PO4K2HPO4缓冲液中，DA在聚牛磺酸膜修饰电极上的CV图，由图可见氧化峰电位值随pH值的增加从0.4 V负移到0.18 V，表明有质子参加反应.同时峰电流在pH5.0～7.38时随pH值的增加而增大，至pH7.38时达到最大，而后随pH值的增大而显著下降，为保持和人体内相似的环境，故本实验选定实验溶液pH7.38.图6B是浓度为4.5×10-4 mol/L DA溶液在不同pH PBS溶液中的峰电位与溶液pH值的关系.由图可见，峰电位随着溶液pH的增大而不断负移，且与pH存在良好的线性关系，关系式为：Ep = -0.055 38 pH +0.623 8，相关系数R=0.998 5.峰电位随pH的增加以55 mV/pH的速率向负电位移动，表明质子参与了电极反应，且与电极过程电子数相同［14］.由文献可知DA电氧化的电子转移数为n=2［15］，可求出电化学反应中的质子转移数m=2.多巴胺分子结构中的2个酚羟基是电活性基团，因此可推断多巴胺在聚牛磺酸电极上的氧化还原反应是一个两电子两质子的准可逆过程，其电催化氧化反应可表示为：（A） 在不同pH溶液中的循环伏安图(B) 峰电位与pH的关系曲线
图6在不同pH溶液中，DA在聚牛磺酸膜修饰电极上的循环伏安图及对应峰电位与pH的关系曲线
Fig.6Cyclic voltammograms of polytaurine modified electrode at DA with different pH in PBS solution and the relationship between the peak potential and pH
注：（a）pH=4.00，（b）pH=4.92，（c）pH=6.47，（d）pH=6.98， （e）pH=7.38，（f）pH=8.04；扫描速度为50 mV/S.2.6线性范围和检出限利用5×10-3 mol/L的DA储备液及PBS（pH=7.38）缓冲溶液配制5×10-6 、2×10-5 、4×10-5、6×10-5、8×10-5 、1×10-4的DA标准系列.循环伏安法扫描结果表明，在最佳实验条件下，DA在5×10-6～ 1×10-4 mol/L浓度范围内，峰电流与DA浓度呈良好的线性关系（图7B），线性回归方程为ip=6.014 76×10-5+0.341 65 c（mol/L）相关系数为R=0.998 3检测限可达1.0×10-6 mol/L，与文献［16~17］相当.（A） 不同浓度DA的循环伏安图(B) 峰电流与DA浓度的关系
图7不同浓度的DA在聚牛磺酸膜修饰电极上的循环伏安图及峰电流与DA摩尔浓度的关系
Fig.7Cyclic voltammograms for different concentrations of DA at the polytaurine modified glassy carbon electrodes.
注：DA的浓度(1) 5.0×10-6 mol / L；(2) 2.0×10-5 mol / L；(3) 4.0×10-5 mol / L；(4) 6.0×10-5 mol / L；(5) 8.0×10-5 mol / L；(6) 1.0×10-4 mol / L.2.7稳定性与重现性使用聚牛磺酸膜修饰电极平行测定10次1×10-4 mol/L的多巴胺溶液，峰电流基本稳定，其相对标准偏差为3.2%，由此可以说明体系的重现性良好.对比新制备的聚牛磺酸修饰电极，使用在二次蒸馏水中放置一周后的电极测定同一浓度的多巴胺溶液，其峰电流无明显变化，表明聚牛磺酸修饰电极具有较长的使用寿命和良好的稳定性，可以用于实际样品的分析测定.