石墨烯掺杂的L色氨酸分子印迹电化学传感器的研究

1、石墨烯掺杂的l-色氨酸分子印迹电化学传感器的研究化学专业 学生：吴共娟 指导教师：邓培红摘要： 以 l-色氨酸为印迹分子，选取富含羟基和氨基的多功能团聚合物壳聚糖为基本成膜材料，直接在碳糊电极表面制备了石墨烯掺杂的分子印迹膜。采用循环伏安法对修饰电极进行了表征。用二阶导数线性扫描伏安法研究了l-色氨酸在该修饰电极上的电化学行为。实验表明，该印迹电极能显著提高l-色氨酸的氧化峰电流，并可在与其结构类似物的存在下，实现对l-色氨酸的选择性测定。在最佳条件下，l-色氨酸的氧化峰电流与其浓度在2.010-71.010-5 mol/l和1.010-51.010-4 mol/l范围内呈良好的线性关系, 检

2、出限为110-7 mo1/l。关键词： l-色氨酸；石墨烯；分子印迹；碳糊电极；伏安法1 前言色氨酸 (trytophan，trp) 又名氨基吲哚基丙酸，是一种构成蛋白质分子的必需氨基酸，同时也是建立和保持良好氮平衡的一种重要物质。它在生命活动、新陈代谢中起着重要作用，人体不能制造它，必须从膳食中摄取，被称为第二必需氨基酸。研究发现l-色氨酸对抑郁症、失眠症、高血压以及止痛等都有一定影响1。当人体缺乏色氨酸时，不仅会引起低蛋症，还会产生皮肤疾患、白内障、玻璃体退化及心肌纤维化等特殊病症2。目前常用的测定色氨酸的方法有分光光度法3、荧光分析法4、流动注射化学发光法5、毛细管电泳法6和高效液相色谱

3、法7等。然而，这些方法需要昂贵的仪器，冗长的样品制备过程，还有可能引入杂质污染样品。因此建立一种简便、快速的检测方法非常必要。色氨酸具有一定的电化学活性，采用电分析方法直接检测色氨酸是较理想的选择8-13。分子印迹电化学传感器具有特异识别性好、环境耐受性强、不易被生物降解破坏、可多次重复使用，易于保存等优点14，近年来有关分子印迹电化学传感器的研究不断深入。本文选择掺杂有石墨烯的壳聚糖作为功能单体，色氨酸为模板分子，通过滴涂法在碳糊电极表面一步合成色氨酸分子印迹膜。结合石墨烯的增敏作用和印迹材料的特异性识别作用，可以同时增加电化学传感器的灵敏度和选择性，从而构建了一种快速、廉价、高选择性和高灵

4、敏度测定色氨酸的电化学方法。2 实验部分2.1 主要仪器和试剂jp-303型极谱分析仪(成都仪器厂)；ph-3c型酸度计（雷磁仪器厂）；印迹电极（自制）为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极。色氨酸（上海化学试剂公司）；壳聚糖（上海蓝季生物有限公司）。1.010-2 mol/l色氨酸的溶液：在电子天平上准确称取0.0510克色氨酸，用0.1 mol/l hcl溶解，加蒸馏水定容至25 ml，用时再逐级稀释至所需浓度。其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。2.2 印迹电极和非印迹电极的制备将碳粉与固体石蜡按3:1的质量比混合均匀，于90下加热至固体石蜡熔融，迅速装入直径1 mm的

5、玻璃毛细管中，插入铜丝压紧，上端用蜡封固定，电极表面在光滑的纸上抛光。将5 ml 0.5 mg/ml的石墨烯，5 ml 5 mg/ml壳聚糖和2 ml 1.010-2 mol/l的色氨酸混合均匀，搅拌2 h，滴涂于裸碳糊电极表面，自然晾干，用0.5 mol/l的h2so4交联半小时，用伏安法在0.1 mol/l hcl中洗脱色氨酸分子，当无色氨酸的氧化峰出现时，说明色氨酸分子洗脱完全。非印迹电极除不加模板分子外，制备步骤与印迹电极相似。2.3 实验方法取0.5 ml 1.010-3 mol/l色氨酸标准溶液于电解池中，加入2 ml 2 mol/l的 hac-naac溶液（ph=3.9），加水稀

6、释至10 ml，在jp-303型极谱仪上以印迹电极为工作电极，于200 mv下搅拌富集90 s，静置2 s，以100 mv/s 的速率在0.2 v1.2 v 的范围内进行扫描，记录二阶导数线性扫描溶出伏安图。3 结果与讨论3.1 修饰电极的电化学表征实验采用浓度为 5 mm的k3fe(cn)6（含0.1 m kcl）溶液做为氧化还原探针，以不同修饰状态的电极为工作电极，在-0.20.6 v的电位范围内采用循环伏安法对电极的修饰过程进行监测，所得cv曲线如图1所示。在裸碳糊电极上有一对fe(cn)63-/4-的准可逆氧化还原峰，两峰电位差为0.191v，峰电流为ipa=0.9826 a，ipc=

7、1.073 a (曲线a)。在石墨烯修饰电极上两峰电位差为0.103 v，峰电流增大(曲线b)。这是因为石墨烯修饰至电极表面后使电极的表面积增加。在非印迹电极上，fe(cn)63-/4-的峰电位差为0.079 v (曲线c)。说明电极表面修饰石墨烯-壳聚糖复合膜后fe(cn)63-/4-氧化还原峰的可逆性进一步增强。这是因为壳聚糖上质子化的氨基(nh3+)带正电，可与fe(cn)63-/4-产生静电引力，使fe(cn)63-/4-在电极表面浓度增加。模板分子洗脱后，在印迹电极上，fe(cn)63-/4-的的电化学响应信号再进一步增加，两峰电位差为0.064 v，峰电流ipa=3.182 a，i

8、pc=3.319 a (曲线d)。这可能是因为印迹膜内存在大量的色氨酸分子印迹空穴，使fe(cn)63-/4-探针分子扩散速率提高，有利于电解质和电极界面的电子转移，峰电流增大。以上结果表明在电极表面成功合成石墨烯-分子印迹壳聚糖复合膜。图1 不同修饰电极在5 mm k3fe(cn)6（含0.1 m kcl）中的循环伏安图曲线a：裸碳糊电极；曲线b：石墨烯修饰碳糊电极；曲线c：非印迹电极；曲线d：印迹电极扫描速率：100 mv s-13.2 二阶导数线性扫描伏安图 图2为5.010-5 mol/l色氨酸在各种电极上的二阶导数线性扫描图。由图2a可见，色氨酸在空白碳糊电极上产生一弱的氧化峰，峰电

9、位为912 mv，峰电流为0.1055 a。在石墨烯修饰碳糊电极上，峰电位负移至840 mv，峰电流增加至0.5188 a（图2b）。说明石墨烯修饰碳糊电极的表面积增大，导电性增强。在石墨烯-壳聚糖非印迹膜修饰碳糊电极上色氨酸的峰电位为868 mv，峰电流增加至1.060 a（图2c）。说明壳聚糖对色氨酸也有一定的富集作用。而在石墨烯-印迹膜修饰电极上，色氨酸在864 mv处产生一灵敏的氧化峰，峰电流为1.255 a（图2d）。与空白碳糊电极、石墨烯修饰碳糊电极及石墨烯-非印迹膜修饰电极相比，峰电流均显著增加，且峰形尖锐，说明印迹电极对色氨酸具有明显的富集作用。这是因为相对于裸电极、石墨烯修饰

10、碳糊电极和非印迹电极，印迹膜电极上含有大量与模板分子色氨酸形状相匹配、大小合适并有相互作用功能基团的空穴，使色氨酸分子更容易选择性吸附并嵌入到印迹膜电极的空穴中，从而使印迹电极表面上色氨酸的浓度显著增大，峰电流也随之增大。图2 二阶导数线性扫描溶出伏安图（a）空白碳糊电极；（b）石墨烯修饰碳糊电极；（c）石墨烯-壳聚糖非印迹膜修饰碳糊电极；（d）石墨烯-壳聚糖印迹膜修饰碳糊电极(色氨酸：510-5 mol/l，底液：0.2 mol/l hac-naac（ph=3.9），富集电位：200 mv，富集时间：60 s，扫描速率：100 mv s-1)3.3 实验条件的优化3.3.1 底液的选择采用相

11、同浓度（0.1 mol/l）的不同底液：hno3、hac-naac、hac-nh4ac、邻苯二甲酸氢钾（khp）、磷酸盐缓冲液（nah2po4-na2hpo4）、(ch2)6n4-hcl、hcl、hno3和h2so4进行试验，实验发现，在hac-naac底液中色氨酸的峰电流较大，峰形尖锐。3.3.2 酸度的影响改变底液酸度, 试验酸度对色氨酸峰电流的影响，结果如图3所示。色氨酸的峰电流随着ph值的增大而增大，当底液酸度为3.9时，峰电流达到最大值，随着ph值的继续增大峰电流开始减小，故取ph=3.9为测定的最佳酸度。图3 酸度对色氨酸峰电流的影响3.3.3 富集电位和富集时间的影响在-100

12、mv300 mv范围内改变富集电位，试验富集电位对色氨酸峰电流的影响。实验发现，色氨酸的峰电流随着富集电位的增大而增大，当富集电位为200 mv时，峰电流达到最大值，随后开始减小，故取200 mv为最佳富集电位。富集时间在0120 s之间变化时，峰电流随富集时间的延长而增加，当达到90 s后峰电流趋于稳定，说明已达吸附平衡。故本实验选择富集时间为90 s。3.4 干扰实验取色氨酸标准溶液的浓度为1.010-5 mol/l，试验一些生物体内和药物中常见的离子和物质对色氨酸测定的影响。允许测定误差 5.0 %，实验结果表明，100倍的zn2+、k+、ca2+、ni2+、cu2+、pb2+、抗坏血酸

13、、尿酸和赖氨酸；10倍bi3+、al3+和酪氨酸均不干扰色氨酸的测定。3.5线性范围和检出限在最佳实验条件下，改变色氨酸标准溶液的浓度，采用二次导数线扫描伏安法，测其峰电流。实验发现，色氨酸的氧化峰电流与其浓度在2.010-71.010-5 mol/l和1.010-51.010-4 mol/l范围内呈良好的分段线性关系，线性方程分别为ip（a）=0.0398c（mol/l）+0.0106，ip（a）=0.0122c（mol/l）+0.349相关系数（r2）为别为0.9946和0.9822，检测限为110-7 mol/l。4 结论利用滴涂法制备了石墨烯掺杂的色氨酸分子印迹壳聚糖膜修饰碳糊电极。研

14、究了色氨酸在该印迹电极上的电化学行为，优化了测定的最佳条件。利用二次导数线性扫描伏安法进行定量分析，色氨酸的峰电流与其浓度在2.010-71.010-5 mol/l和1.010-51.010-4 mol/l范围内呈良好的线性关系，检出限为1.010-7 mol/l。该方法简便、灵敏度高、选择性好，有望用于实际样品分析。参考文献1 李忠义, 吴宝庆. 色氨酸浅说j. 精细化工, 1985, 2(3): 17-21.2 张将, 唐爱国. 色氨酸及其代谢产物检测的临床应用j. 实用日常医学, 2012, 19(4): 633-636.3 任娇艳, 赵谋明, 王金水, 等. 分光光度法测定蛋白酶解物中

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20、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 volta