单分子层_氨基丁酸共价修饰玻碳电极同时测定多巴胺_尿酸和抗坏血酸

单分子层_氨基丁酸共价修饰玻碳电极同时测定多巴胺_尿酸和抗坏血酸 高 等 学 校 化 学 学 报 V o l. 24 N o. 4 2 0 0 3 年 4 月 , 594 591CH EM ICAL JOU RNAL O F CH IN ESE UN IV ER S IT IES 单分子层 - 氨基丁酸共价修饰玻碳电极 Χ同时 测定多巴胺、尿酸和抗坏血酸 张 雷, 林祥钦 ()中国科学技术大学化学系, 合肥 230026 摘要 采用电氧化法制备了一种新型 2氨基丁酸 () 修饰的玻碳电极. 射线光电子能谱 () 和循环 伏ΧABA X XPS 安法研究明, 以单分子层状态以 —键牢固地共价键合在电极表面. 该修饰电极对多巴胺ABA C N ()、尿酸 () 和抗坏血酸 () 都具有良好的电化学催化特性. 在 10 磷酸缓冲溶液中, , = 7DA UA AA pH DA UA 和分别于 0145, 0125 和 0107 (. ƒ) 有一个良好的、独立的阳极方波伏安峰, 表明此修饰电AA V v sA gA gC l 极 可用于这 3 种物质的同时测定. 与, 和的方波伏安峰电流呈线性关系的浓度范围分别为 DA UA AA 410, 400, 210, 500 和 110, 600 ƒ检测限 (3) 分别为 116, 112 和 018 ƒ该修饰电极具有良, . Λm o lL ?Λm o lL 好的灵 敏度、选择性和稳定性, 并具有抗污染能力. 关键词 2氨基丁酸; 修饰电极; 方波伏安; 多巴胺; 尿酸; 抗坏血酸Χ 中图分类号 文献标识码 文章编号 025120790 (2003) 0420591204657 O A [ 1 ] 由于多巴胺 ()、尿酸 () 和抗坏血酸 () 在裸电极上氧化的高过电位和氧化波相互重叠 DA U A AA 而使其无法同时测定. 如何能有电位选择性地准确测定这些物质已成为电分析研究领域里的一个重要 - 7- 3 [ 2 ] 课题. 另外, 因和在生物样品中含量的变化范围很大 (110×10, 110×10ƒ, , ) DA UA AA m o lL 所以在探讨新的电化学方法时, 必须同时兼顾选择性和灵敏度. 在众多方法中, 一种有效的方法是在 电极表面修饰一层具有离子交换性质的选择性膜, 从而通过静电作用富集或者捕获带相反电荷的物质 [ 3 ][ 4 ][ 5 ][ 6 ]分子来达到选择性测定的目的. 例如、聚磺酸酯、聚 42乙烯吡啶、聚丁子香酚、对氨N af io n [ 7 ][ 8 ][ 9 ] [ 10 ] 基 苯乙酸、过氧化聚吡咯、聚吲哚232乙酸和聚联吡啶钌ƒ等膜修饰电极, 也可以使用N af io n[ 11 ]纳米 离子修饰电极的方法. 但是, 这些电极的记忆效应和膜厚度的不均匀性等缺陷影响其实用性, 而且 由于这些离子交换膜只允许带有相反电荷的粒子接近电极表面, 并进行电子交换, 从而检测不到其它 共存物质的信息, 使其应用受到限制. 为了改善选择性, 提高灵敏度, 我们制备了一种用 2氨基丁酸 () 修饰的玻碳电极. 射线光 电ΧABA X 子能谱 () 和循环伏安法分析结果表明, 以单分子层状态共价结合在电极表面. 利用膜XPSABA ABA 对 , 和 的催化功能和方波伏安法具有较小背景电流的优点, 该修饰电极不仅将 , DA UA AA DA UA 和的重叠波分成 3 个良好独立的伏安峰, 而且使峰电流明显增加, 提高了方法的灵敏度. 该 修饰AA 电极还为电极表面的电子转移提供了一个比较宽的电位窗, 从而有利于, 和的电化 DA UA AA 学特性研究. 1 实验部分 1. 1 仪器与试剂 832 电化学仪, 三电极系统: 工作电极为玻碳电极 (Ø 3 ) , 对电极为盘状铂丝电极, 参比 电CH I mm 极为饱和甘汞电极 ().SCE 公司; 抗坏血酸和乙腈 () 购于上海试剂厂. 其它试剂2氨基丁酸、多巴胺及尿酸购自 ΧSigm a A CN 收稿日期: 2001212227. (() ) 基金项目: 国家自然科学基金批准号: 20075025和中国科学院重大基金批准号: 9002KJ 9512A 12507资助. 联系人简介: () 林祥钦1946 年出生, 男, 教授, 博士生导师, 从事电分析化学研究. E 2m ail: xqlin@ ustc. edu. cn 高 等 学 校 化 学 学 报 . 24592 V o l 均为分析纯. 高纯氮气除氧. 实验用水为二次蒸馏水. 使用不同 的磷酸缓冲溶液 (). 实验在室 pH PBS温() 下 约 20 ?进行. 1. 2 修饰电极的制备ABA - 3 参照文献[ 12 ]方法, 将玻碳电极 () 抛光、洗涤和干燥后, 置于 110×10ƒ(, GCEm o lL ABA A CN 011 ) 溶液中扫速循环扫描 4 圈. 取出电 ƒ, 在 0150, 1170 电位范围内, 以 20 ƒm o lL NBu4BF 4 s V mV 极, 分别在乙醇、水和 011 10) 中超声洗涤, 清除物理吸附在电极表面上的物质, 即 ƒ(= 7m o lL PBS pH 得到 共价修饰的 表示为 ƒ将制得的 ƒ浸泡保存于 011 ƒ(). ABA GCE ABA GCE ABA GCE m o lL PBS (= 710) 中备用.pH 2 结果与讨论 2. 1 在电极表面的电化学修饰过程ABA 在乙腈 (011 ƒ) 溶液中, 呈现出一个比较宽的氧化峰, 峰电位在 1133 (. m o lL NBu4BF 4 ABA V v s ) [ 图 1 () ]. 当扫速增大到 2 ƒ时, 仍未出现阴极峰, 说明发生了不可逆的电化学过程. 这是由 SCEA V s [ 13, 15 ]于氨基失去 1 个电子被氧化成氨基自由基, 进而与电极表面反应形成 —键所致. 峰电流随着 C N 扫描次数的增加而很快减小, 表明一部分经氧化后和 电极表面发生了化学键合, 使电极有 ABA GCE 效表面积呈减小趋势. 循环扫描第 4 圈后, 伏安峰电流响应趋于稳定, 表明 电极表面的修饰趋于 GCE [ 16 ] 饱和, 修饰过程已经完成. 根据单胺的电化学行为, 可推测此电化学氧化修饰过程为 - e ————+ 2 CH 2 CH 2 CH 2 COOH N H GCE ++ r- H + ———N H 2 CH 2 CH 2 CH 2 COOH GCE —————N H CH 2 CH 2 CH 2 COOH GCE —————N H CH 2 CH 2 CH 2 COOH 采用 和循环伏安法对在电极表面的固载及其表面覆盖量进行了表征和计算. 上XPS ABA XPS [ 14, 16 ]位 于 398160 的峰证明了在电极表面上的固载. 此峰位置也表明—键的形成. 固载eV ABA C N 在电 极表面上的 膜非常稳定, 显示出牢固的共价键合特 性. 将 ƒ分别在 水、乙 ABA ABA GCE - 7 醇和 011 ƒ中超声洗涤, 放于 110 ?的真空 (10) 干燥箱中脱附 40 后, 再进行分析, m o lL PBS Pam in XPS 数据没有明显变化, 更进一步证明了它不是通常的吸附层. - 3 10×10ƒƒ. 1 1() F igCyclic voltamm ogram s of m olL ABA a t GCE A and ABA GCE in ACN 011 ƒ()con ta in ing m olL NBu4BF4 B —. 1, 2, 3, 45. : 20 ƒ.aeT he stndrdth and th cycle in the cyclic scanningScan ratemV s 固载在电极表面的可呈现出化学还原峰. 将超声清洗后, 置于11 ƒ(0ABA ABA GCE A CN m o ) 中循环扫描, 得到修饰物的阴极伏安图[ 图 1 () ]. 可见, 的阴极过程表现出ƒƒlL NBu4BF 4 B ABA GCE 两对 氧化还原峰(I ) ƒ(I ) 和(" ) ƒ(" ) , 分别对应于羧酸基团的 4 电子转移过程和氨基的 1 R O R O 电子氧 张 雷等: 单分子层 2氨基丁酸共价修饰玻碳电极同时测定多巴胺、尿酸和抗坏血. 4 N oΧ593 酸 [ 17 ]化还原过程. 因此, 由其中 1 个还原峰面积计算出法拉第积分电量, 再计算出键合在电极表面上的 - 10 2 分子数, 并进一步用电极的表观面积计算得在电极表面的覆盖密度为 1168×10ƒ, 表 ABA m o lcm [ 18 ]明是单分子层覆盖. 2. 2 ƒ对和 的同时测定, ABA GCE DA UA AA 018 电位 在 011 10) 中的循环伏安行为表明, 该修饰电极在 010, ƒƒ(= 7ABA V GCE m o lL PBS pH 范围内没有氧化还原峰. 从而为研究和的电化学行为提供了一个较宽的电位视窗., DA UA AA - 4 图 2 () 和图 2 () 分别为 110×10ƒ和的混合物在 和ƒ上的 , A B m o lL DA UA AA GCE ABA GCE 方波伏安图. 由图 2 可见, 在裸电极上, , 和在 0129 附近呈现一宽而重叠的氧化波, 无 DA UA AA V 法分析. 然而, 在ƒ上, 该混合物表现出 3 个独立的方波峰, 峰电位分别位于 0145, 0125 和 ABA GCE 0107 , 半峰宽大约 100 左右, 分别对应于和的氧化, 峰与峰之间的电位差满足, V mV UA DA AA 对 和进行同时测定. 另外, 在ƒ上各峰电流明显增加, 这是由于电子转移过, DA UA AA ABA GCE [ 18 ]程的 可逆性得到改善的结果. 同时也表明膜修饰电极对, 和具有有效的催化功ABA DA UA AA 能. - 4 10×10ƒ. 2 1, ()F igSquare wave voltamm ogram s of the m ixture of m olL DA UA and AA a t GCE A ƒ11 ƒ10)() 0(= 7and ABA GCE Bin m olL PBS pH = 25 , = 15 , = 2 .SW amp litudemV frequencyH zstepmV 用线性扫描伏安法考察了和在溶液中的传输机制. 结果表明, 线性扫描伏安峰电, DA UA AA 流 与扫描速度 (20, 220 的平方根呈良好的线性关系. 表明物质在溶液中的传输是一个扩散控ƒ) mV s 制 过程. 为了验证这一结论的正确性, 将在, 和溶液中使用过的ƒ用水冲洗后, DA UA AA ABA GCE 放 入 011 ƒ(= 710) 中进行扫描, 没有峰信号出现. 可见, , 和在m o lL PBS pH DA UA AA ABA 上 没有明显的吸附作用. 这可能是由于 膜以高度紧密的单层状态覆盖在电极表面, 从ƒGCE ABA 而阻止了 和渗入修饰膜., DA UA AA ABA 在最佳条件下, , 和的方波伏安峰电流随其浓度的增加而线性增加, 线性范围分别DA UA AA 为 410, 400, 210, 500 和 110, 600 ƒ, 相关系数分别为 01997, 01997 和 01996, 检测限 (3) 分Λm o lL ?别 为 116, 112 和 018 膜的催化作用和方波伏安法具有背景电流小的优点, 大大提高了ƒ. Λm o lLABA - 5 测 定的灵敏度和选择性. 由表 1 可以看出, 另外两种物质在很大范围内共存时, 510×10ƒm o lL 的 , 或的峰电流只有较小的变化.DA UA AA - 5 310×10ƒƒ1 5, Table Square wave voltamm etr ic da ta for m olL DA UA and AA in m ixed solution s a t ABAGCE - 1- 1() (?) + () (?)ƒƒc AA Λm o lL c UA Λm o lL DA 0. 0+ 0. 0 50+ 50 100+ 100 200+ 200 300+ 300 500+ 500 () ƒIp DA ΛA 12. 78 12. 76 12. 72 12. 70 12. 69 12. 62 - 1- 1UA () ƒ(?) + () ƒ(?)0. 0+ 0. 0 50+ 50 100+ 100 200+ 200 300+ 300 500+ 500 c DA Λm o lL c AA Λm o lL I(UA ) ΛA13. 84 13. 81 13. 80 13. 76 13. 75 13. 68 ƒp - 1- 1AA () (?) + () (?)0. 0+ 0. 0 50+ 50 100+ 100 200+ 200 300+ 300 500+ 500 ƒƒc DA Λm o lL c UA Λm o lL () ƒIp AA ΛA 17. 44 17. 42 17. 38 17. 37 17. 33 17. 25 3 = 25 , = 15 , = 2 .Amp litudemV frequenceH zstepmV - 5 为考察的重现性, 对含有 510×10和的混合溶液反复测定, 15ƒƒ, ABA GCE m o lL DA UA AA 次连续测定结果的相对标准偏差分别为 412% , 318% 和 514% , 表明 电极表面不受氧化产ƒABA GCE 高 等 学 校 化 学 学 报 . 24594 V o l 物的影响, 具有“抗污染”特性. 对保存在 011 中的的稳定性实验ƒ(= 7. 0) ƒm o lL PBS pH ABA GCE 结 果表明, 在 2 内峰响应没有明显变化, 在 9 内峰电流减小约 12% , 1 个月后电流降低约 25% , 说d d 明 ƒ具有良好的稳定性.ABA GCE 参 考 文 献 [ 1 ] . . . . . 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