劉華俊，劉慧宏，2

(1.襄樊學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄樊441053；2.武漢紡織大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢430073)

5-羥色胺(5-HT)是人體內(nèi)一種非常重要的生物活性物質(zhì)，在心腦血管的調(diào)節(jié)方面起著很重要的作用，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)。測定血液、腦脊液中的5-HT可為多種疾病的診斷、治療、致病機(jī)制研究提供重要的依據(jù)。研究較多的是利用微電極和快速掃描技術(shù)的電化學(xué)檢測方法進(jìn)行活體在線檢測神經(jīng)遞質(zhì)[1]。由于5-HT氧化過程中產(chǎn)生的自由基在電極表面聚合會毒化電極，以及共存物質(zhì)如5-羥基吲哚乙酸、尿酸、抗壞血酸等產(chǎn)生干擾，影響了5-HT的電化學(xué)檢測，而使用化學(xué)修飾電極能夠消除這類影響[2，3]。納米粒子由于具備大的比表面積和較高的催化活性，其修飾電極也廣泛地用于5-HT的電化學(xué)檢測[4，5]。

作者在此用雙十六烷基磷酸將碳納米管固定在玻碳電極表面，研究了5-HT的電化學(xué)行為及其檢測方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑

5-羥色胺，Sigma公司；雙十六烷基磷酸(DHP)，F(xiàn)luka公司。緩沖溶液為0.1 mol·L-1酒石酸鹽(pH=3.0～6.0)、0.1 mol·L-1磷酸鹽(PBS，pH=7.0～8.0、11.0)、0.1 mol·L-1硼砂(pH=9.0～10.0)。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水(18.25 MΩ·cm，艾科浦超純水機(jī)，重慶頤洋)。

1.2 修飾電極的制備

玻碳電極(CHI，φ=3 mm，電化學(xué)面積A=1.61×10-2cm2) 用6#砂紙細(xì)磨后，再用粒度0.05 μm的α-Al2O3懸濁液在拋光布上拋光，洗去表面污物，在水中超聲清洗3次，每次約3 min。取混酸處理的單壁碳納米管(SWCNT，化學(xué)氣相沉積法制備，外徑<2 nm，純度≥95%，深圳納米港)與0.1%DHP超聲形成的均勻溶液3 μL滴涂于電極表面，室溫干燥，即得實(shí)驗(yàn)用修飾電極，表示為SWCNT-DHP/GCE。

1.3 方法

使用電化學(xué)工作站(CHI660A，上海辰華)進(jìn)行循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)。

電化學(xué)池由參比電極腔和電化學(xué)反應(yīng)腔兩部分構(gòu)成，其間由魯金(Luggin)毛細(xì)管連接。參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑絲網(wǎng)，工作電極為制備的修飾電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 5-羥色胺的電化學(xué)行為(圖1)

a.GCE,PBS b.SWCNT-DHP/GCE,PBS C.GCE,PBS+5-HT d.SWCNT-DHP/GCE,PBS+5-HT

由圖1可看出，裸玻碳電極GCE(圖1a) 和修飾電極SWCNT-DHP/GCE(圖1b) 在 pH=8.0的磷酸鹽緩沖溶液中沒有觀察到明顯的電化學(xué)響應(yīng)；當(dāng)加入了1.25 μmol·L-15-HT后，裸玻碳電極出現(xiàn)了一個氧化峰(圖1c)，其峰電位為0.27 V、峰電流為 0.54 μA，而在修飾電極SWCNT-DHP/GCE(圖1d)上，5-HT在0.23 V 處產(chǎn)生一氧化峰，其峰電流為2.8 μA，電位負(fù)移約40 mV，電流增大約5倍。這是因?yàn)?，單壁碳納米管具有一定的催化作用，加快了電極表面電子的傳遞速率。而且修飾電極的比表面積增大，從而增大了電流，提高了靈敏度。改變掃描速度，可以發(fā)現(xiàn)，隨著掃描速度的加快，氧化峰的峰電位稍微正移、峰電流相應(yīng)增大，峰電流與掃描速度呈正比例關(guān)系。這些說明5-HT吸附在電極表面，電化學(xué)反應(yīng)由表面控制。

2.2 5-羥色胺氧化反應(yīng)的電子數(shù)

根據(jù)Laviron[6]的理論，當(dāng)峰電流與掃描速度呈線性關(guān)系時，物質(zhì)在電極上的吸附符合Langmuir 吸附等溫式，即有：

式中：n為電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；υ為掃描速度；A為電極的電化學(xué)面積；ΓT為吸附量；Q=nFAΓT，為循環(huán)伏安圖中5-HT的氧化峰面積(以電量計)。而RT/F=0.059(25 ℃)，可得：

n=0.236×Ip/(vQ)

因此，在一定掃描速度下，由循環(huán)伏安圖中的峰面積可求得電化學(xué)反應(yīng)的電子數(shù)n。通過計算，確定5-HT在碳納米管修飾電極上氧化反應(yīng)為4 個電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)。

2.3 5-羥色胺氧化反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)

溶液的pH值影響5-HT的氧化反應(yīng)，5-HT氧化峰峰電位和峰電流隨溶液pH值的變化關(guān)系見圖2。

圖2 5-羥色胺氧化峰峰電位(a)和峰電流(b)隨溶液pH值變化關(guān)系

由圖2中曲線a可以看出，隨著pH值的增加，峰電位負(fù)移，峰電位與溶液pH值呈線性關(guān)系，其線性回歸方程為：Ep(V)=0.66-0.054pH，R=0.997(n=8)。

對于有質(zhì)子參與的電化學(xué)反應(yīng)：Rox+ne+mH+→Rred，其能斯特方程為(25 ℃)：

峰電位隨溶液pH值的變化呈線性關(guān)系，當(dāng)參與反應(yīng)的電子數(shù)和質(zhì)子數(shù)相等時(m=n)，其斜率為59 mV/pH。

實(shí)驗(yàn)所得的直線斜率值為54 mV/pH，與理論值接近，說明參與電化學(xué)反應(yīng)的電子數(shù)和質(zhì)子數(shù)相等[7]，即5-HT在碳納米管修飾電極上的氧化反應(yīng)伴隨失去4 個質(zhì)子。

由圖2中曲線b可以看出，峰電流隨溶液pH值的增加而逐漸增大，當(dāng)溶液pH值為8.0時，峰電流達(dá)到最大。這是因?yàn)?，?jīng)酸處理的碳納米管表面帶有-COOH等基團(tuán)，且表面活性劑DHP也荷負(fù)電，在此pH值條件下，5-HT帶正電荷，增加了5-HT在電極表面的吸附量，使氧化電流增大。

在電化學(xué)氧化5-HT過程中，5-HT共失去了4 個電子和4個質(zhì)子。推測其機(jī)理為：5-HT先失去2個電子，被氧化成醌亞胺；再失去2個電子，被完全氧化為4，5-二酮色胺(主要產(chǎn)物)。表示如下[8]：

2.4 富集電位和富集時間的確定

富集電位對5-HT氧化峰峰電流的影響見圖3。

圖3 富集電位對氧化峰峰電流的影響

由圖3可以看出，在0～-0.5 V范圍內(nèi)時，隨富集電位的增大，峰電流逐漸降低；當(dāng)富集電位低于-0.3 V時，峰電流增加不大，而且電位過低，易發(fā)生副反應(yīng)。因此，選擇富集電位為-0.3 V。

富集時間對5-HT氧化峰峰電流的影響見圖4。

圖4 富集時間對氧化峰峰電流的影響

由圖4可以看出，隨著富集時間的延長，5-HT的氧化峰峰電流Ip在短時間內(nèi)(30 s)快速增大；在富集時間達(dá)到30 s后，峰電流增幅趨緩，這說明電極的表面吸附已接近飽和。因此，選擇富集時間為30 s，此時富集率達(dá)96%左右。

2.5 線性關(guān)系與檢出限

以SWCNT-DHP/GCE為工作電極，在pH值為8.0的磷酸鹽緩沖溶液中，-0.3 V電位下富集30 s，5-HT在1.36～16.64 μmol·L-1濃度范圍內(nèi)與氧化峰峰電流呈良好的線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5 5-羥色胺的氧化峰峰電流隨濃度的變化關(guān)系

其線性回歸方程為：Ip(μA)=0.48+0.14c(μmol·L-1)，相關(guān)系數(shù)R=0.998。根據(jù)線性回歸分析中的LINEST函數(shù)，檢測限=3.3sd/s，式中：sd為線性回歸方程截距的標(biāo)準(zhǔn)偏差，s為線性回歸方程的斜率，求得檢測限為0.23 μmol·L-1。

2.6 共存物質(zhì)的影響

由于SWCNT-DHP表面荷負(fù)電，5-羥基吲哚乙酸、尿酸、抗壞血酸、葡萄糖、氨基酸等常見共存物對測定沒有明顯的影響，但多巴胺對測定存在干擾。

3 結(jié)論

SWCNT 穩(wěn)定地分散在表面活性劑DHP水溶液中，使SWCNT-DHP/GCE修飾電極具有很大的比表面積和強(qiáng)的吸附特性，一方面對5-HT表現(xiàn)出很強(qiáng)的富集效率，另一方面，表面荷負(fù)電的SWCNT-DHP/GCE修飾電極增強(qiáng)了對5-HT的靜電吸附而減小了5-羥基吲哚乙酸等共存物質(zhì)的干擾。5-HT在碳納米管修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)是一個受表面控制的不可逆過程，其氧化最終產(chǎn)物為4，5-二酮色胺。SWCNT-DHP/GCE修飾電極可以定量檢測5-HT，在其濃度為1.36～16.64 μmol·L-1范圍內(nèi)，與氧化峰峰電流呈良好的線性關(guān)系，檢測限為0.23 μmol·L-1。

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