聚L-苏氨酸修饰电极对多巴胺和肾上腺素的电催化氧化

ActaPhys.鄄Chim.Sin.,2007,23(3)：332-336

物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)

March

www.whxb.pku.edu.cn

聚L鄄苏氨酸修饰电极对多巴胺和肾上腺素的电催化氧化

马

摘要:

伟

孙登明*

235000)

(淮北煤炭师范学院化学系,安徽淮北

利用循环伏安法将L鄄苏氨酸聚合修饰在玻碳电极表面,制成聚L鄄苏氨酸修饰电极.实验表明,该电极对

多巴胺和肾上腺素都有较好的催化氧化效果.运用循环伏安法详细研究了修饰电极的电化学性质.在pH2.5的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中,肾上腺素的电子传递系数为0.51,表观反应速率常数为1.33s-1;在pH7.5的PBS中,多巴胺在电极上产生一对氧化还原峰,多巴胺在电极上的电子传递系数为0.60,表观反应速率常数为0.92s-1.该修饰电极对多巴胺和肾上腺素能够进行同时测定,还原峰电流与多巴胺和肾上腺素浓度分别在1.0伊10-6-5.0伊10-4mol·L-1和3.0伊10-6-1.0伊10-4mol·L-1范围内呈现良好的线性关系.关键词：L鄄苏氨酸;中图分类号：O6

修饰电极;

电催化;

多巴胺;肾上腺素

ElectrocatalyticalOxidationofDopamineandEpinephrineatPoly(L鄄threonine)ModifiedElectrode

(DepartmentofChemistry,HuaibeiCoalNormalCollege,Huaibei

MAWeiSUNDeng鄄Ming*

235000,AnhuiProvince,P.R.China)

Abstract:Apoly(L鄄threonine)modifiedelectrode(PLTE)wasfabricatedbyelectrochemicalimmobilizationofL鄄threonineonaglassycarbonelectrode(GCE).Thepoly(L鄄threonine)layerexhibitedsuperiorelectrocatalyticactivitytowardsbothdopamine(DA)andepinephrine(EP).Theelectrochemicalbehaviorsofthemodifiedelectrodewereexploredindetailwithcyclicvoltammetry.Theapparentelectrontransfercoefficientandstandardrateconstantwerecalculatedtobe0.51and1.33s-1,respectively,fortheoxidationofEPinpH2.5phosphatebuffersolution(PBS).ThemodifiedelectrodeexhibitedapairofredoxpeaksfortheoxidationofDAinpH7.5PBS,theapparentelectrontransfercoefficientandstandardrateconstantwerecalculatedtobe0.60and0.92s-1,respectively.ThecathodicpeakcurrentswereproportionaltotheconcentrationofDAandEPintherangeof1.0伊10-6-5.0伊10-4mol·L-1and3.0伊10-6-1.0伊10-4mol·L-1,respectively.ThismethodwassuccessfullyappliedforsimultaneousdeterminationofDAandEP.KeyWords:L鄄threonine;Modifiedelectrode;Electrocatalysis;Dopamine;

Epinephrine

氨基酸作为一类非常重要的生命物质,在医学,生物学,化学等领域都有着广泛的应用.迄今为止,对其研究大多数集中于合成,表征及在遗传功能中作用的探讨等方面[1-3].化学修饰电极自从1975年诞生以后,逐渐成为电分析化学的热点研究领域[4-6].聚合物修饰电极因其活性基团浓度高,电化学响应信号强,稳定性好等优点,研究最多[7,8].目前,聚合物修饰电极的研究主要为有机染料类聚合物[9,10].但用

Received:September7,2006;Revised:October25,2006.

其它类物质特别是氨基酸作为修饰剂在电极表面进行聚合,并对其电化学性质进行研究较少.傅崇岗等利用L鄄半胱氨酸自组装膜修饰金电极对抗坏血酸的电催化作用对其测定[11],Dai等[12]利用L鄄半胱氨酸修饰金电极在大量砷存在下实现对铜的测定,都是利用L鄄半胱氨酸的巯基与金电极进行自组装得到自组装修饰电极,而对于氨基酸的聚合及电化学性质研究不多[13,14].

Correspondingauthor.Email:sundengming@126.com;Tel:+86561鄄3803232.

安徽省教育厅自然科学基金(2004KJ320,2005KJ140),安徽省绿色化学重点实验室项目基金(KLSF(I)07)及淮北市科技计划基金(040145)资助项目

鬁EditorialofficeofActaPhysico鄄ChimicaSinica

*

No.3

马伟等：聚L鄄苏氨酸修饰电极对多巴胺和肾上腺素的电催化氧化

333

本实验利用苏氨酸的电化学聚合作用,使其在玻碳电极表面聚合,制成聚L鄄苏氨酸修饰电极,探讨了聚合反应机理,利用循环伏安法研究了修饰电极的电化学性质及多巴胺和肾上腺素在聚L鄄苏氨酸修饰电极上的催化氧化作用.

1.11实验部分

仪器和试剂

BAS100B/W电化学分析系统(美国,BAS公司);pHS鄄3C型酸度计(上海康仪仪器有限公司)；KQ鄄250B型超声波清洗器(昆山超声波仪器有限公司).多巴胺(DA)(NewJersey,USA):1.0伊10-3mol·L-1;肾上腺素(EP)(Sigma):2.0伊10-4mol·L-1;均避光冷存,使用时逐级稀释至所需浓度;L鄄苏氨酸(L鄄threonine):5.0伊10-3mol·L-1;磷酸盐缓冲溶液(PBS):pH2.5-11.0,由0.1mol·L-1Na3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4和H3PO4溶液配制而成,在酸度计上校准;其它试剂为分析纯或优级纯,实验用水均为二次石英亚沸蒸馏水.1.2实验方法

将玻碳电极(GCE,准=4.0mm)在湿润的金相砂纸(粒度为1000)上磨光，

然后用Al2O3(0.05滋m)悬乳液抛光成镜面,依次用HNO3(VHNO3/VH2O=1颐1),无水乙醇,亚沸蒸馏水超声波清洗(每次5min),再用亚沸蒸馏水冲洗之后,以玻碳电极为工作电极,Ag/AgCl电极为参比电极,铂丝为对电极.在浓度为2.5伊10-3mol·L-1L鄄苏氨酸的PBS(pH10.5)中,在-0.8-2.8V电位范围内,以160mV·s-1的速率循环扫描11周,取出用亚沸水淋洗电极表面,晾干,即制得聚L鄄苏氨酸修饰电极(PLTE).

电化学实验以玻碳电极或聚L鄄苏氨酸修饰电极为工作电极,Ag/AgCl电极为参比电极,铂丝为对电极的三电极系统在石英电解池中进行,所有实验均在室温下进行.

2.12结果与讨论

L鄄苏氨酸在玻碳电极表面的聚合行为

图1为L鄄苏氨酸在最佳条件下的聚合过程循环伏安图.从图中可以看出,聚合第一周,在1.7V左右,出现一个氧化峰和一个较大的氧化电流,这是由于苏氨酸单体分子在高电位下产生自由基后聚合沉积在玻碳电极表面形成的.随着扫描次数的增加,电流逐渐增大,但增加的幅度减小,证明随着聚合反应的进行,电极表面的聚合物薄膜趋于完整,

E/V(vsAg/AgCl)

图1L鄄苏氨酸聚合过程的循环伏安曲线

Fig.1molRepetitive·LL鄄threoninecyclicvoltammogramsin0.1mol·LPBS

of2.5伊10-3

-1-1initialmVpotential:·s;pH:-0.810.5;V,1toterminal11indicatepotential:thenumber2.8V;ofscansweeps.

rate:160-1聚合沉积速率减缓.在扫描的电位范围内,未出现其它的氧化还原峰.

根据实验数据及L鄄苏氨酸的结构,可推断L鄄苏氨酸在电极表面可能的聚合机理如下:

2.2多巴胺在修饰电极表面的催化氧化2.2.1PLTE对多巴胺的电催化作用图2为5.0伊10-5mol·L-1DA在pH7.5的PBS中,在GCE和PLTE上的CV曲线.由图可见,在GCE上,DA无明显的氧化还原峰,而在PLTE上,出现一对明显的氧化还原峰,峰电位分别为Epa=157

mV,Epc=128mV,吟Ep=29mV;Ipa颐Ipc对DA的氧化还原过程有明显的电催化抑1颐1.作说用明.

PLTE控制扫描速率为100mV·s-1,改变pH值进行实验,发现随pH的增加,DA的氧化还原峰电位不断负移且与pH值呈良好的线性关系,其线性回归方程为,Epa=0.6399-0.0578pH;Epc=0.5494-0.0575pH.斜率分别为57.8mVperpH和57.5mVperpH,说334

ActaPhys.鄄Chim.Sin.,2007

Vol.23

E/V(vsAg/AgCl)

图2DA在GCE(1)和PLTE(2)上的CV曲线Fig.2Cyclicvoltammogrammsof5.0伊10-5atbareGCE(1)scanandrate:PLTE20mV(2)mol·L-1DA

·sinpH7.5PBS

-1

明此电极反应为电子数和质子数相等的反应.在pH2.5-5.5之间,峰电流先增加后减小,而后又增大,在pH7.0和7.5时,峰电流出现最大值后逐渐下降.

根据实验结果及文献[15]可以判断,DA在PLTE上的电极反应为

2.2.2多巴胺在电极表面的电化学反应参数在pH7.5的PBS中,改变扫描速率进行实验,

Ipa和Ipc随着扫描速率的增加不断增大.在20-240mV·s-1之间,Ipa和Ipc与v均呈线性关系,两者的线性方程分别为IIpa=-6.238伊10-6垣4.813伊10-4v,r=0.9980;pc=-3.454伊10-6垣4.271伊10-4v,r=0.9988.由此可知,DA在电极表面的氧化还原反应主要受吸附控制,峰电

流呈现典型的吸附特性.根据公式ip=n2F2祝Av/4RT,可求出pH7.5时多巴胺和多巴醌在电极表面的吸附量分别为祝R=1.02伊10-9mol·cm-2,祝O=9.05伊10-10mol·cm-2.

根据描述准可逆薄层电化学过程的Laviron理论[16]知:

Epa=A+(2.303RT/(1-琢)n琢F)lgv

(1)Epc=B-(2.303RT/琢n琢F)lgv

(2)

以上二式中A,B为常数.在pH7.5条件下,对于氧化过程,在140-600mV·s-1,Epa=0.3613垣0.1865lgv,r=0.9927;Epc=-0.0143-0.1263lgv,r=0.9981,根据式(1,2)求出电子转移数n琢=0.79,电子传递系数琢=0.60,接近理论值0.5,符合准可逆过程的特征.

当n吟Ep跃200mV时,满足式(3)[16]:

lgks=琢lg(1-琢)+(1-琢)lg琢-lgnRT琢Fv-琢(1-2.3琢)nRT琢F驻E(3)

当v=200mV·s-1时,吟Ep=155mV,n吟Ep跃200mV,利用式(3)求得氧化反应的速率常数ks=0.92s-1.结果比文献[17]报道(3.88伊10-3cm·s-1)有较大提高,电极的催化性能较好.

2.3肾上腺素在修饰电极表面的催化氧化

图3为pH2.5时,5.0伊10-5mol·L-1的EP在

GCE及PLTE上的CV曲线,由图可见,在GCE上EP无明显的氧化还原峰,而在PLTE上出现了一对氧化还原峰,峰电位分别为Epa=466mV,Epc=437

mV,吟Ep=29mV,ipa颐ipc还原过程有明显的电催化抑1.作说用明.

PLTE对EP的氧化在pH2.5的PBS中,改变扫速进行实验,IIpa和pc随着扫描速率的增加不断增大.在20-100mV·s-1之间,Ipa和Ipc与v均呈线性关系,其线性方程分别为Ipa=4.624伊10-7垣2.342伊10-4v,r=0.9999;Ipc=-9.160伊10-7垣3.095伊10-4v,r=0.9993.由此可知,EP在电极表面的氧化还原反应主要受吸附控制,峰电流呈现典型的吸附特性.可求出pH2.5时EP在电极表面的吸附量为祝=9.80伊10-10mol·cm-2.

EP在PLTE上于50mV·s-1的扫速下,随pH的增加,氧化峰电位(Epa)不断负移,在pH2.5-10.5之间,峰电位与pH值呈良好的线性关系,其线性方程为Epa=0.6515-0.0605pH,斜率为60.5mVperpH.说明此电极反应为电子数和质子数相等的反应.

根据实验结果及文献[18]可以判断,pH2.5时EP在PLTE上的电极反应为(III、IV、V).

在pH2.5条件下,扫描速率在180-600mV·s-1

E/V(vsAg/AgCl)

图3EP在GCE(1)和PLTE(2)上的CV曲线Fig.3atCyclicbareGCE(1)voltammogrammsof5.0伊10-5mol·L-1EP

scanandrate:PLTE20mV(2)·sinpH2.5PBS

-1

No.3

马伟等：聚L鄄苏氨酸修饰电极对多巴胺和肾上腺素的电催化氧化

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范围内,Epa=0.5971垣0.1325lgv,r=0.9941;Epc=0.3073-0.1297lgnv,r=0.9925;由式(1、2)可求出电子转移数琢=0.,电子传递系数琢=0.51,接近理论值0.5,符合准可逆过程的特征.当v=200mV·s-1时,吟Ep=110mV,n吟Ep>200mV,利用式(3)求得氧化过程的速率常数ks=1.33s-1.

随pH的增加,EP在电极表面的CV图形变化为(图4),峰1、2的电位不断负移,且还原峰2不断减小直到消失,当pH增加到4.5时,在峰2的负电位一侧出现一对弱氧化还原峰3、4,且随着pH的增加也不断负移.当pH继续增加到6.0时,在峰1的负电位一侧又出现一个氧化峰5.

根据实验结果及文献结论[19,20],EP在修饰电极上的反应机理可能为,在低pH条件下,EP在溶液中被质子化(III)后发生氧化还原反应(IV、V)，产生峰1、2,当pH增加到4.5后,有一部分肾上腺素醌去质子化(VI),在溶液中可发生反应(VII),变形为无色肾上腺素红,而无色肾上腺素红较易发生氧化还原反应(VIII、IX),产生峰3、4;当pH继续增加到6.0以后,因为有一部份无色肾上腺素红能够发生反应(X),生成5,6鄄二羟基鄄N鄄甲基吲哚后,在电极表面发

adrenochrome5,6鄄diquinone鄄N鄄methylindole

E/V(vsAg/AgCl)

图4不同pH值下EP在PLTE上的CV曲线Fig.4Cyclicvoltammegramsof5.0伊10-5mol·L-1scanrate:100atmVPLTE·sinPBS

EP

-1;pH:(a)2.5,(b)4.5,(c)6.0

生氧化反应(XI),生成N鄄甲基鄄5,6鄄吲哚二酮,产生氧化峰5;pH值再增加,因为肾上腺素醌在偏碱环境下极不稳定,非常容易去质子化,变形为无色肾上腺素红,导致溶液中不能发生反应(V),峰2消失.

pH7.5时,改变扫速进行实验,在20-280mV·s-1之间,Ipc随着扫描速率的增加不断增大,Ipc与v呈良好的线性关系:Ipc=1.388伊10-5垣8.367伊10-5v,r=

eqinephrineeqinephrinequinone

leucoadrenochrome

5,6鄄dihydroxyl鄄N鄄methylindole

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E/V(vsAg/AgCl)

图5DA和EP共存时的CV图

Fig.5CVmolc(PBS)=0.1·recordingsLmol垣·5.0ofL伊10modifiedelectrodein1.0伊10

-4

-1DA-5mol·L-1EP-1

,scanrate:200mV·ssolution

-1

,pH=7.5

0.9948.因此,此电极反应主要受到吸附控制.可求出pH7.5时肾上腺素红在电极表面的吸附量为祝=1.77伊10-10mol·cm-2.

2.4PLTE修饰电极的应用前景

DA和EP不仅是一类非常重要的神经递质,还是广泛用于临床上进行抢救的重要药品,对它们的同时测定一直是电分析化学中的重要研究方向.根据本实验所得数据,pH7.5时,DA和EP在PLTE电极表面会分别出现一个还原峰,且峰电位差较大,可达到183mV(图5),完全可以排除氧化峰的相互干扰,用于人体体液中DA和EP的同时测定.实验表明,还原峰电流与DA和EP浓度分别在1.0伊10-6-5.0伊10-4mol·L-1和3.0伊10-6-1.0伊10-4mol·L-1范围内呈现良好的线性关系.可对DA和EP进行同时测定.

2.5PLTE电极的稳定性

PLTE修饰电极对DA和EP连续扫描50次或放置20天,峰电位基本不变,对DA和EP的响应电流下降仅分别为4.5%和7.8%,说明电极具有较好的稳定性.

3结论

利用循环伏安法将L鄄苏氨酸聚合于玻碳电极表面,计算了多巴胺和肾上腺素在修饰电极上的电化学反应参数.实验证明,聚L鄄苏氨酸膜对多巴胺

和肾上腺素都具有较好的催化氧化能力,电极响应快速,灵敏,稳定性好.可望在电催化及传感器等方面得到新的应用.

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