石墨烯摻雜的L色氨酸分子印跡電化學(xué)傳感器的研究

1、.石墨烯摻雜的L-色氨酸分子印跡電化學(xué)傳感器的研究化學(xué)專業(yè) 學(xué)生：吳共娟 指導(dǎo)教師：鄧培紅摘要： 以 L-色氨酸為印跡分子，選取富含羥基和氨基的多功能團(tuán)聚合物殼聚糖為基本成膜材料，直接在碳糊電極表面制備了石墨烯摻雜的分子印跡膜。采用循環(huán)伏安法對(duì)修飾電極進(jìn)行了表征。用二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安法研究了L-色氨酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)表明，該印跡電極能顯著提高L-色氨酸的氧化峰電流，并可在與其結(jié)構(gòu)類似物的存在下，實(shí)現(xiàn)對(duì)L-色氨酸的選擇性測(cè)定。在最佳條件下，L-色氨酸的氧化峰電流與其濃度在2.0×10-71.0×10-5 mol/L和1.0×10-51.0×

2、;10-4 mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系, 檢出限為1×10-7 mo1/L。關(guān)鍵詞： L-色氨酸；石墨烯；分子印跡；碳糊電極；伏安法1 前言色氨酸 (Trytophan，Trp) 又名氨基吲哚基丙酸，是一種構(gòu)成蛋白質(zhì)分子的必需氨基酸，同時(shí)也是建立和保持良好氮平衡的一種重要物質(zhì)。它在生命活動(dòng)、新陳代謝中起著重要作用，人體不能制造它，必須從膳食中攝取，被稱為第二必需氨基酸。研究發(fā)現(xiàn)L-色氨酸對(duì)抑郁癥、失眠癥、高血壓以及止痛等都有一定影響1。當(dāng)人體缺乏色氨酸時(shí)，不僅會(huì)引起低蛋癥，還會(huì)產(chǎn)生皮膚疾患、白內(nèi)障、玻璃體退化及心肌纖維化等特殊病癥2。目前常用的測(cè)定色氨酸的方法有分光光度法3、熒

3、光分析法4、流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法5、毛細(xì)管電泳法6和高效液相色譜法7等。然而，這些方法需要昂貴的儀器，冗長(zhǎng)的樣品制備過程，還有可能引入雜質(zhì)污染樣品。因此建立一種簡(jiǎn)便、快速的檢測(cè)方法非常必要。色氨酸具有一定的電化學(xué)活性，采用電分析方法直接檢測(cè)色氨酸是較理想的選擇8-13。分子印跡電化學(xué)傳感器具有特異識(shí)別性好、環(huán)境耐受性強(qiáng)、不易被生物降解破壞、可多次重復(fù)使用，易于保存等優(yōu)點(diǎn)14，近年來有關(guān)分子印跡電化學(xué)傳感器的研究不斷深入。本文選擇摻雜有石墨烯的殼聚糖作為功能單體，色氨酸為模板分子，通過滴涂法在碳糊電極表面一步合成色氨酸分子印跡膜。結(jié)合石墨烯的增敏作用和印跡材料的特異性識(shí)別作用，可以同時(shí)增加電化學(xué)傳

4、感器的靈敏度和選擇性，從而構(gòu)建了一種快速、廉價(jià)、高選擇性和高靈敏度測(cè)定色氨酸的電化學(xué)方法。2 實(shí)驗(yàn)部分2.1 主要儀器和試劑JP-303型極譜分析儀(成都儀器廠)；pH-3c型酸度計(jì)（雷磁儀器廠）；印跡電極（自制）為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對(duì)電極。色氨酸（上?；瘜W(xué)試劑公司）；殼聚糖（上海藍(lán)季生物有限公司）。1.0×10-2 mol/L色氨酸的溶液：在電子天平上準(zhǔn)確稱取0.0510克色氨酸，用0.1 mol/L HCl溶解，加蒸餾水定容至25 mL，用時(shí)再逐級(jí)稀釋至所需濃度。其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。2.2 印跡電極和非印跡電極的制備將碳粉與固體石蠟按

5、3:1的質(zhì)量比混合均勻，于90下加熱至固體石蠟熔融，迅速裝入直徑1 mm的玻璃毛細(xì)管中，插入銅絲壓緊，上端用蠟封固定，電極表面在光滑的紙上拋光。將5 mL 0.5 mg/mL的石墨烯，5 mL 5 mg/mL殼聚糖和2 mL 1.0×10-2 mol/L的色氨酸混合均勻，攪拌2 h，滴涂于裸碳糊電極表面，自然晾干，用0.5 mol/L的H2SO4交聯(lián)半小時(shí)，用伏安法在0.1 mol/L HCl中洗脫色氨酸分子，當(dāng)無色氨酸的氧化峰出現(xiàn)時(shí)，說明色氨酸分子洗脫完全。非印跡電極除不加模板分子外，制備步驟與印跡電極相似。2.3 實(shí)驗(yàn)方法取0.5 mL 1.0×10-3 mol/L色氨

6、酸標(biāo)準(zhǔn)溶液于電解池中，加入2 mL 2 mol/L的 HAc-NaAc溶液（pH=3.9），加水稀釋至10 mL，在JP-303型極譜儀上以印跡電極為工作電極，于200 mV下攪拌富集90 s，靜置2 s，以100 mV/s 的速率在0.2 V1.2 V 的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，記錄二階導(dǎo)數(shù)線性掃描溶出伏安圖。3 結(jié)果與討論3.1 修飾電極的電化學(xué)表征實(shí)驗(yàn)采用濃度為 5 mM的K3Fe(CN)6（含0.1 M KCl）溶液做為氧化還原探針，以不同修飾狀態(tài)的電極為工作電極，在-0.20.6 V的電位范圍內(nèi)采用循環(huán)伏安法對(duì)電極的修飾過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得CV曲線如圖1所示。在裸碳糊電極上有一對(duì)Fe(CN)6

7、3-/4-的準(zhǔn)可逆氧化還原峰，兩峰電位差為0.191V，峰電流為ipa=0.9826 µA，ipc=1.073 µA (曲線a)。在石墨烯修飾電極上兩峰電位差為0.103 V，峰電流增大(曲線b)。這是因?yàn)槭┬揎椫岭姌O表面后使電極的表面積增加。在非印跡電極上，F(xiàn)e(CN)63-/4-的峰電位差為0.079 V (曲線c)。說明電極表面修飾石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜后Fe(CN)63-/4-氧化還原峰的可逆性進(jìn)一步增強(qiáng)。這是因?yàn)闅ぞ厶巧腺|(zhì)子化的氨基(NH3+)帶正電，可與Fe(CN)63-/4-產(chǎn)生靜電引力，使Fe(CN)63-/4-在電極表面濃度增加。模板分子洗脫后，在印跡電

8、極上，F(xiàn)e(CN)63-/4-的的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)再進(jìn)一步增加，兩峰電位差為0.064 V，峰電流ipa=3.182 µA，ipc=3.319 µA (曲線d)。這可能是因?yàn)橛≯E膜內(nèi)存在大量的色氨酸分子印跡空穴，使Fe(CN)63-/4-探針分子擴(kuò)散速率提高，有利于電解質(zhì)和電極界面的電子轉(zhuǎn)移，峰電流增大。以上結(jié)果表明在電極表面成功合成石墨烯-分子印跡殼聚糖復(fù)合膜。圖1 不同修飾電極在5 mM K3Fe(CN)6（含0.1 M KCl）中的循環(huán)伏安圖曲線a：裸碳糊電極；曲線b：石墨烯修飾碳糊電極；曲線c：非印跡電極；曲線d：印跡電極掃描速率：100 mV s-13.2 二階導(dǎo)數(shù)

9、線性掃描伏安圖 圖2為5.0´10-5 mol/L色氨酸在各種電極上的二階導(dǎo)數(shù)線性掃描圖。由圖2A可見，色氨酸在空白碳糊電極上產(chǎn)生一弱的氧化峰，峰電位為912 mV，峰電流為0.1055 A。在石墨烯修飾碳糊電極上，峰電位負(fù)移至840 mV，峰電流增加至0.5188 A（圖2B）。說明石墨烯修飾碳糊電極的表面積增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。在石墨烯-殼聚糖非印跡膜修飾碳糊電極上色氨酸的峰電位為868 mV，峰電流增加至1.060 A（圖2C）。說明殼聚糖對(duì)色氨酸也有一定的富集作用。而在石墨烯-印跡膜修飾電極上，色氨酸在864 mV處產(chǎn)生一靈敏的氧化峰，峰電流為1.255 A（圖2D）。與空白碳糊

10、電極、石墨烯修飾碳糊電極及石墨烯-非印跡膜修飾電極相比，峰電流均顯著增加，且峰形尖銳，說明印跡電極對(duì)色氨酸具有明顯的富集作用。這是因?yàn)橄鄬?duì)于裸電極、石墨烯修飾碳糊電極和非印跡電極，印跡膜電極上含有大量與模板分子色氨酸形狀相匹配、大小合適并有相互作用功能基團(tuán)的空穴，使色氨酸分子更容易選擇性吸附并嵌入到印跡膜電極的空穴中，從而使印跡電極表面上色氨酸的濃度顯著增大，峰電流也隨之增大。圖2 二階導(dǎo)數(shù)線性掃描溶出伏安圖（A）空白碳糊電極；（B）石墨烯修飾碳糊電極；（C）石墨烯-殼聚糖非印跡膜修飾碳糊電極；（D）石墨烯-殼聚糖印跡膜修飾碳糊電極(色氨酸：5×10-5 mol/L，底液：0.2 m

11、ol/L HAc-NaAc（pH=3.9），富集電位：200 mV，富集時(shí)間：60 s，掃描速率：100 mV s-1)3.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化3.3.1 底液的選擇采用相同濃度（0.1 mol/L）的不同底液：HNO3、HAc-NaAc、HAc-NH4Ac、鄰苯二甲酸氫鉀（KHP）、磷酸鹽緩沖液（NaH2PO4-Na2HPO4）、(CH2)6N4-HCl、HCl、HNO3和H2SO4進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在HAc-NaAc底液中色氨酸的峰電流較大，峰形尖銳。3.3.2 酸度的影響改變底液酸度, 試驗(yàn)酸度對(duì)色氨酸峰電流的影響，結(jié)果如圖3所示。色氨酸的峰電流隨著pH值的增大而增大，當(dāng)?shù)滓核岫葹?.9

12、時(shí)，峰電流達(dá)到最大值，隨著pH值的繼續(xù)增大峰電流開始減小，故取pH=3.9為測(cè)定的最佳酸度。圖3 酸度對(duì)色氨酸峰電流的影響3.3.3 富集電位和富集時(shí)間的影響在-100 mV300 mV范圍內(nèi)改變富集電位，試驗(yàn)富集電位對(duì)色氨酸峰電流的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，色氨酸的峰電流隨著富集電位的增大而增大，當(dāng)富集電位為200 mV時(shí)，峰電流達(dá)到最大值，隨后開始減小，故取200 mV為最佳富集電位。富集時(shí)間在0120 s之間變化時(shí)，峰電流隨富集時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)達(dá)到90 s后峰電流趨于穩(wěn)定，說明已達(dá)吸附平衡。故本實(shí)驗(yàn)選擇富集時(shí)間為90 s。3.4 干擾實(shí)驗(yàn)取色氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為1.0´10-5 mo

13、l/L，試驗(yàn)一些生物體內(nèi)和藥物中常見的離子和物質(zhì)對(duì)色氨酸測(cè)定的影響。允許測(cè)定誤差 ±5.0 %，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，100倍的Zn2+、K+、Ca2+、Ni2+、Cu2+、Pb2+、抗壞血酸、尿酸和賴氨酸；10倍Bi3+、Al3+和酪氨酸均不干擾色氨酸的測(cè)定。3.5線性范圍和檢出限在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，改變色氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，采用二次導(dǎo)數(shù)線掃描伏安法，測(cè)其峰電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，色氨酸的氧化峰電流與其濃度在2.0×10-71.0×10-5 mol/L和1.0×10-51.0×10-4 mol/L范圍內(nèi)呈良好的分段線性關(guān)系，線性方程分別為Ip（A）=0.039

14、8c（mol/L）+0.0106，Ip（A）=0.0122c（mol/L）+0.349相關(guān)系數(shù)（R2）為別為0.9946和0.9822，檢測(cè)限為1×10-7 mol/L。4 結(jié)論利用滴涂法制備了石墨烯摻雜的色氨酸分子印跡殼聚糖膜修飾碳糊電極。研究了色氨酸在該印跡電極上的電化學(xué)行為，優(yōu)化了測(cè)定的最佳條件。利用二次導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安法進(jìn)行定量分析，色氨酸的峰電流與其濃度在2.0×10-71.0×10-5 mol/L和1.0×10-51.0×10-4 mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限為1.0×10-7 mol/L。該方法簡(jiǎn)便、靈敏度高

15、、選擇性好，有望用于實(shí)際樣品分析。參考文獻(xiàn)1 李忠義, 吳寶慶. 色氨酸淺說J. 精細(xì)化工, 1985, 2(3): 17-21.2 張將, 唐愛國(guó). 色氨酸及其代謝產(chǎn)物檢測(cè)的臨床應(yīng)用J. 實(shí)用日常醫(yī)學(xué), 2012, 19(4): 633-636.3 任嬌艷, 趙謀明, 王金水, 等. 分光光度法測(cè)定蛋白酶解物中的色氨酸J. 食品科學(xué), 2006, 27 (12): 591-593.4 魏永鋒, 馬冬梅, 趙瓊. 比值導(dǎo)數(shù)熒光光譜法同時(shí)測(cè)定色氨酸和5-羥基色氨酸J. 分析試驗(yàn)室, 2006, 25 (9): 75-77.5 J.W. Costin, P. S. Francis, S. W. L

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20、s on the L-tryptophan Molecularly Imprinted Electrochemical Sensor Doped with GrapheneStudent form chemistry speciality: Gong-juan WU Tutor: Pei-hong DENGAbstract：Selecting L-tryptophan (Trp) as imprinting molecules, and chitosan which contains ammonia groups and hydroxyl groups as film material, Trp molecular imprinting film doped with graphene was prepared directly on the surface of a carbon paste electrode. The modified electrode were characterized by cyclic voltammetryThe el