钯-氧化锌纳米管修饰电极同时检测多巴胺、抗坏血酸和尿酸

    唐倩 陈梦妮 朱国栋 刘建允

    

    

    

    摘?要?以PdCl2和Zn（Ac）2为起始物，采用静电纺丝方法结合高温煅烧，成功制备了钯-氧化锌（Pd-ZnO）中空纳米管。Pd的存在改善了ZnO晶体颗粒的均匀性，调控纤维向中空管状结构转变。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射等表征技术证明了纳米管内径为240 nm，Pd纳米粒子粒径约为80 nm，且在纳米管上均匀分布。X射线光电子能谱证明，Pd纳米粒子主要以PdO形态存在。所得的Pd-ZnO修饰玻碳电极对多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）均显示出良好的催化活性。采用差分脉冲伏安法测定含DA、AA和UA的混合液，三者的氧化峰电位在此修饰电极上可完全分离，对应的线性范围分别为3.0×107～3.0×105 mol/L（R2=0.9967）、1.0×105～1.0×103 mol/L（R2=0.9991）和6.0×106～6.0×104 mol/L（R2=0.9935），检出限（S/N=3）分别为1.0×108 mol/L、1.0×106 mol/L和3.0×106 mol/L。此电极重现性及稳定性良好，可同时测定样品中的DA、AA和UA。

    关键词?多巴胺; 抗坏血酸; 尿酸; 钯; 氧化锌; 脉冲伏安法

    1?引 言

    多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）作为生物活性小分子，在人体中枢神经系统、新陈代谢和循环系统中发挥了重要作用[1]?。这些生物活性物质的缺乏或失调可导致多种疾病，如人体内DA的失调会引发心脏病、帕金森病等; AA的严重缺乏可能使人罹患败血症[1]?; UA在体内失调会引起痛风、高血压、高尿酸症等[2]?。因此，DA、AA和UA的检测对某些疾病的诊断具有重要意义。

    电化学法因其具有选择性高、灵敏度好、操作简单和成本较低等特点而得到广泛应用。然而DA、AA、UA三者的氧化峰电位十分接近，常规电极检测时电化学信号易互相干扰，影响检测的灵敏度与选择性[3]?。采用纳米复合材料修饰电极可有效调节其氧化还原电位，提高选择性。近年来，研究者利用各种材料，如石墨烯[4]?、碳纳米管[5]?、金属[6]?或导电聚合物[7]?等，制备出复合材料修饰电极，以同时检测DA、AA和UA。氧化锌（ZnO）因其优异的光学、催化、电化学等特性在电池、光电催化和传感等领域得到广泛应用[8]?。贵金属钯（Pd）具有电导率高、催化活性强并且稳定性高等特点[9]，其卓越的导电性、氧化还原特性及特殊选择性使之成为理想的电极催化材料[10]?。Pd-ZnO纳米复合材料兼具良好的电子导电性和有效电催化活性[11]?。Li等[12]?制备的Pd-ZnO催化剂对硝基酚加氢反应具有较高催化活性; Cao等[13]?利用Pd-ZnO纳米棒制备了选择性乙醇气体传感器。但Pd-ZnO复合材料在传感、催化等应用中，发现Pd在ZnO中的均匀分布特性及材料活性仍需进一步改善。

    本研究采用静电纺丝技术制备Pd-ZnO纳米复合材料，通过改变前驱液中Pd含量调节复合材料结构，从而得到均匀、稳定的Pd-ZnO中空纳米管复合物，通过简单的滴涂法制备了Pd-ZnO复合物修饰玻碳电极（Pd-ZnO/GCE）。不同于其它纳米修饰电极，Pd-ZnO/GCE修饰材料制备简单、成本低廉，且电极的灵敏度高、选择性好，可以有效实现DA、AA和UA的同时检测。

    2?实验部分

    2.1?仪器与试剂

    DW-P303-1ACF0高压直流电源（天津东文高压电源有限公司）; 恒流注射泵（保定兰格恒流泵有限公司）; 扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）（日本JEOL公司）; D/Max-2550 PC X-射线衍射仪（XRD，日本Rigaku公司）; PHI-5000V Ersaprobe X-射线光电子能谱仪（XPS，ULVCA-PHI公司）; DAJGW-360B接触角测量仪（美国科诺工业有限公司）; μAUTOLAB-Ⅲ电化学工作站（瑞士万通中国有限公司）; 采用三电极系统：GCE（d=3 mm）为工作电极，Ag/AgCl（3 mol/L NaCl）为参比电极，铂丝为辅助电极。

    聚乙烯吡咯烷酮（PVP，MW 1300000）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，MW 12000） （Acros Organics 公司）; DA和UA（分析纯，百灵威科技）; 醋酸锌（Zn（Ac）2）、AA和PdCl2（国药集团化学试剂有限公司）; 实验用水为超纯水（18.2 MΩ cm，Thermo公司）。

    2.2?Pd-ZnO纳米纤维的制备

    将PVP和PMMA（质量比为1：0.8，总含量10% （w/v））加入DMF溶剂，搅拌溶解得到混合液。随后加入Zn（Ac）2（8%）及适量PdCl2，于60℃水浴中搅拌形成均匀纺丝液。调整纺丝电压为11 kV、注射流速为0.5 mL/h、接收距离为15 cm，制得PdCl2-Zn（Ac）2/PVP-PMMA复合原丝纳米纤维。将其置于马弗炉中，以25℃/h升温至500℃，保持1 h，得到Pd-ZnO纳米复合物（Pd-ZnO）。调节PdCl2在纺丝液中的含量为0、0.1%、0.4%、1%、2%、3%，得到一系列不同Pd含量的Pd-ZnO复合材料（ZnO、Pd（0.1）-ZnO、Pd（0.4）-ZnO、Pd（1）-ZnO、Pd（2）-ZnO、Pd（3）-ZnO）。

    2.3?Pd-ZnO修飾GCE

    GCE依次采用1.0、0.3和0.05 μm的氧化铝粉末抛光，在水和无水乙醇混合溶液中超声清洗2 min，用N2吹干，备用。

    将Pd-ZnO纳米复合物样品混合均匀，纯水中超声分散3 h。取适量分散液滴涂于GCE表面，自然晾干，得到Pd-ZnO修饰GCE，不同Pd含量对应的修饰电极分别标记为ZnO/GCE、Pd（0.1）-ZnO/GCE、Pd（0.4）-ZnO/GCE、Pd（1）-ZnO/GCE、Pd（2）-ZnO/GCE和Pd（3）-ZnO/GCE。

    2.4?实验方法

    室温下，取0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶10 mL，采用循环伏安法（CV）研究Pd-ZnO/GCE的电化学性能; 采用差分脉冲伏安法（DPV）检测DA、AA和UA。电位扫描范围为0.1～0.7 V，脉冲振幅为50 mV，脉冲周期为100 ms，电压梯度为5 mV，采样时间为500 ms。

    3?结果与讨论

    3.1?材料的表征及亲水性研究

    图1 A～1F为Pd含量分别为0、0.1%、0.4%、1%、2%、3%时制备的PdCl2-Zn（Ac）2/PVP-PMMA复合原丝纤维的SEM图。由图1可知，随着Pd含量增加，溶液的电导性和可纺性增强，所得纤维表面更加光滑，直径略变大。对应煅烧后样品的SEM形貌如图1中A′～F′所示。Pd含量低时，煅烧后纤维收缩明显，且高温过程导致部分纤维融合而不均匀。当纺丝液中Pd含量逐渐增加至1%时，纤维形貌明显改善，且纤维向中空纳米管状结构转变

    （图1D′右上方插图）。但Pd含量过高时，纳米颗粒有团聚现象，导致纳米管坍塌。Pd（1）-ZnO样为纳米管结构，且连续性及均匀性最好。

    图2A和2B分别为Pd（0.1）-ZnO和Pd（1）-ZnO复合纤维的TEM图像，图2C和2D为相应的高分辨TEM图像（HRTEM）。Pd（0.1）-ZnO呈实心的纤维，纤维表面由Pd和ZnO纳米颗粒构成，颗粒大小不均一。在图2C和2D中可清晰看到ZnO（100）[14]，和Pd（111）、（101）[15]?的晶格條纹。Pd（1）-ZnO样品呈现清晰的中空纳米管结构，颗粒均匀致密，同时HRTEM结果显示 Pd与ZnO纳米粒子之间具有较好的相容性。结果表明，复合纤维中存在适量的Pd可改善ZnO的成核，抑制较大晶体生长，增加均匀性。

    采用XRD研究了不同含量Pd复合材料的晶体结构。图3A中曲线分别为ZnO、Pd（0.1%）-ZnO、Pd（0.4%）-ZnO、Pd（1）-ZnO、Pd（2）-ZnO和Pd（3）-ZnO样品的XRD图。在2θ为 31.7°、 34.4°、 36.2°、 47.5°、 56.5°、 62.8°、 66.4°、 67.9°和69.0°处，呈现典型ZnO纤锌矿晶体结构的衍射峰[16]?。Pd含量增加时，Pd及PdO的特征衍射峰变得明显（如图中标示），说明Pd在复合物中以Pd和PdO形式存在。

    进一步采用XPS分析Pd（1）-ZnO中元素化学形态。图3B和3C分别为元素Zn和Pd的高分辨XPS扫描图。在1021.7 和1044.8 eV处出现ZnO的Zn 2p3/2和2p1/2 特征结合能峰[13]?; Pd元素的结合能峰出现在336.2和341.8 eV，对应于PdO的Pd 3d5/2 和Pd 3d3/2[11]?。说明Pd-ZnO纳米管中Pd主要以PdO形式存在，Pd单质形态的含量较少。

    将Pd-ZnO复合材料滴涂于GCE表面，考察其表面亲水性。如图3D所示，Pd-ZnO在GCE表面的修饰明显改善了其亲水性，且随着Pd含量增加，其水接触角逐渐减小。因ZnO含有亲水基团（羟基）[17]，在负载Pd后，由于颗粒更小更均匀，其表面活性羟基含量更多，亲水性进一步增强，这有利于改善对应电极的电化学性能。

    3.2?Pd-ZnO/GCE电极的电化学特性

    不同Pd含量的Pd-ZnO/GCE在1 mmol/L [Fe（CN）6]3/4 中的循环伏安曲线如图4A所示，随着Pd含量增加，峰电流逐渐增大，这可能是由于Pd的存在提高了材料的导电性和亲水性，从而促进了电子转移，更有利于溶液中离子在电极表面的扩散和传输。

    3.3?DA、AA和UA在Pd-ZnO/GCE电极上的测定及条件优化

    3.3.1?DA、AA和UA的DPV响应?分析了Pd（1）-ZnO/GCE在含1 mmol/L DA、 70 mmol/L AA、 50 mmol/L UA的混合溶液中的DPV曲线（图4B）。在裸GCE（a）和ZnO/GCE（b）表面，仅出现两个氧化峰，而在Pd（1）-ZnO/GCE（c）表面，则有3个明显的氧化峰。这主要因为在裸GCE和ZnO/GCE表面，AA和DA的氧化峰重合，不能分辨。而在Pd（1）-ZnO/GCE上，AA、DA和UA的氧化峰分别出现在0.25、0.38和0.51 V，三者互不干扰，证明Pd与DA的结合作用较强，促进了DA在电极表面富集，信号增大; 同时，由于结合态较稳定，使其在电极表面的氧化电势正移，从而使AA、DA的响应信号分开。上述结果表明，Pd-ZnO/GCE可用于AA、DA和UA的同时检测。

    3.3.2?DA、AA和UA测试条件的优化?（1）Pd含量的影响?研究了不同Pd含量的Pd-ZnO/GCE在混合溶液（1 μmol/L DA、70 μmol/L AA、50 μmol/L UA）中的催化氧化性能。图4C为DA、AA和UA在不同电极上的DPV响应对应的DA-AA峰电位差（E）及各自的电流值。随着Pd含量的增加，DA-AA峰E增大，同时，DA和 AA的峰电流呈现先升后降的趋势，Pd（1%）-ZnO/GCE电极的E及峰电流最大。UA的峰电流随Pd含量的增加而增大。考虑到三者同时检测，结合SEM表征结果可知，过量的Pd会引起纳米管的结构坍塌、比表面积降低、活性位点减少，从而影响检测结果。因此，后续实验选择Pd（1%）-ZnO/GCE为工作电极。（2）支持电解液的影响?比较了DA、AA和UA在0.1 mol/L的HAc-NaAc、PBS、Citric acid和NH4 Ac缓冲溶液中的差分脉冲伏安响应。DA、AA和UA的峰电流值及对应的DA-AA峰ΔE如图4D所示，在HAc-NaAc缓冲溶液中，DA-AA峰ΔΕ最大，响应电流最大。因此，选择0.1 mol/L HAc-NaAc缓冲溶液作为支持电解质。

    3.3.3?DA、AA 和 UA 的选择性检测?选用Pd（1）-ZnO/GCE，考察DA、AA和UA 共存时相互干扰情况，实验结果如图5所示。图5A表明，固定DA浓度（15 μmol/L），AA和UA浓度分别在1.0×104～7.0×104 mol/L、7.0×105～4.0×104 mol/L范围内变化，二者电流随其浓度增加而逐渐增大，DA电流不变; 图5B表明，固定AA浓度（300 μmol/L），DA与UA浓度分别在3.0×106～3.0×105 mol/L、3.0×105～3.0×104 mol/L范围变化时，二者电流线性增加，且不干扰AA的信号; 图5C表明，固定DA、AA的浓度不变，UA浓度在3.0×105～1.5×104 mol/L范围内，不干扰DA和AA的响应。综上，此电极可以实现DA、AA和UA的选择性测定。

    3.4?DA、AA 和 UA 同时检测的标准曲线

    在最优实验条件下，对系列DA、AA和UA混合溶液进行测定，得到相应DPV曲线，如图6A所示。随浓度增加，溶出峰电流逐渐增强，AA、DA和UA分别在0.25、0.38和 0.51 V处出现明显的氧化峰，线性范围分别为1.0×105～1.0×103 mol/L（R2=0.9991）、3.0×107～ 3.0×105 mol/L（R2=0.9967）和 6.0×106～ 6.0×104 mol/L（R2=0.9935），检出限（S/N=3）分别为1.0×106 mol/L、1.0×108 mol/L和3.0×106 mol/L，且三者互不干扰。与文献报道的结果（表1）相比，Pd（1%）-ZnO/GCE的线性范围宽、检出限低，可以实现DA、AA和UA的同时检测。

    使用同一根电极在1 μmol/L DA、70 μmol/L AA和50 μmol/L UA的混合溶液中連续检测6次，各自对应的峰电流相对偏差值（RSD）<10%; 采用相同方法制备5根修饰电极，在相同条件下，DA、AA和UA检测结果的RSD分别为10%、13%和15%，表明此修饰电极具有良好的重现性和稳定性。

    3.5?实际样品分析

    将人尿样品经0.25 μm膜过滤后，用0.1 mol/L HAc-NaAc溶液（pH=4）将样品稀释50倍，采用本方法检测。样品中UA浓度为36.7 μmol/L。标准加入实验结果见表2。DA、AA和UA的加标回收率分别为99.3%、98.8%和105.5%，相对标准偏差（RSD，n=3）在1.6%～ 3.3%之间，可满足实际样品的分析要求。

    4?结 论

    采用静电纺丝及高温煅烧技术，通过调节Pd盐起始浓度，制备了Pd均匀负载的ZnO中空纳米管。Pd的存在改善了ZnO的微观形貌及结构，增加了活性位点。同时，由于Pd含量高并在纳米管表面分布均匀，大大提高了Pd-ZnO纳米管修饰电极的导电性及对DA、AA和UA氧化的催化活性，使三者氧化峰电位较好分离。Pd-ZnO/GCE成功用于DA、AA和UA的同时检测，三者互不干扰，具有高灵敏度和选择性，检测线性范围宽，检出限低。此修饰电极有望用于实际样品中DA、AA和UA的同时检测。

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