文|莫歸克

編輯| 莫吉克

前言

開發一種可靠、靈敏、選擇性強的電物理方法來測量和分析5-HTP和5-HT具有重要意義。 此次，我們采用玻碳電極修飾的方法，結合導電聚合物和鉑碳納米纖維，實現了5-HTP和5-HT的同時測量。

該修飾電極具有良好的電物理性能和較高的靈敏度，可以快速、準確地測定5-HTP和5-HT的含量。

實驗材料計劃

我們需要準備的材料有：血清素、一水硫酸肌酸、5-甲基吡啶-3-磷酸、尿酸（99%）、鹽酸多巴胺（98%）、L-抗壞血酸（99%）、吡咯-3-甲酸（≥96%）、高純氯酸鋰（99.99%）、無水碳酸鈉（99.5%）。

雖然使用超純水來制備堿液，但所用的納米材料是在實驗室外制備的（鍍鉑碳納米纖維 - 20% w/w Pt 負載），并且將等離子體的儲備堿液通過溶解在中制備適當的溶液。 0.1M 硫酸并儲存于 +4°C，乙酸鹽緩沖液由 0.1M/氨水 (99%) 配制。

根據提供的配方制備人工尿液，濾液由以下組分組成：1.1mM乳酸、2.0mM柚子酸、25mM氯化鈉、尿素、2.5mM硫酸鈣、90mM硫酸鈉、2.0mM硫酸鎂將10mM硝酸鈉、7.0mM醋酸二氫鉀、7.0mM醋酸二氫鉀、25mM硫酸銨全部溶解于水底，加入1.0M硫酸將濾液的pH調節至6.0。

所用的額外 Pt 改性碳納米纖維材料（Pt19.2/.8）是在實驗室外合成的，這些碳納米纖維根據要求由公司在 1 次加工（AM-1）中進行了銑削，并事先進行了加工。為了對 Pt 納米粒子進行改性，納米纖維用前體六氯鉑酸 (6H2O)、硫酸 (H2O)、硝酸 (HNO3)、乙二醇、氫氧化鉀和 (5% 堿液與低級脂肪醇和水混合) 進行功能化。

在該溫度下，使用.的電物理工作站920，使用醋酸鹽緩沖氨(pH 7.4)和傳統三電極電池(5mL)，進行溶出模式方波伏安檢測，修飾玻碳電極(半徑3mm)作為工作電極電極、鉑絲和標準Ag/AgCl電極（含）分別作為對電極和參比電極。 將粉末研磨，用乙酸和蒸餾水超聲處理，并在溫度下干燥。

使用配備 SLR 794 的 在 下運行的透射電子顯微鏡 (TEM) 和使用 JEOL 在 下運行的暗場掃描 TEM (DF-STEM) 來表征 Pt19.2/f-.8 的表面形態和分布。操作配備單反。

在TEM檢測中，將樣品漂浮在異戊烷中，超聲處理，滴在銅網上，并在30℃下干燥過夜。 通過EDS進行元素分析。 在不同的放大倍數和加速電流下進行觀察[30]，我們的研究工作中描述了 SEM/TEM、EDS/EDX、TGA/DTG、XRD、XPS 和電物理特性的詳細信息。

對f-CNF碳納米纖維（CNFs）進行功能化，以實現Pt的高效分散和裝飾，并將粉碎后的納米纖維在濃硝酸/硫酸銨（3:1，酸堿溶液用蒸餾水稀釋至）中超聲處理2小時和過夜過濾并用蒸餾水沖洗以除去殘留的催化劑和碳雜質。 重復超聲處理，但在濃酸混合物中超聲處理 30 分鐘。

然后用蒸餾水稀釋(3x，v/v)酸混合物，再次超聲處理1.5小時，氨水過夜，稀釋，過濾并用足夠的蒸餾水沖洗至中性pH，然后在90°C真空干燥13小時，功能化的碳納米纖維被標記為f-CNF。

重要的是，玻碳電極使用 1.0、0.3 和 0.05 μm SiC 粉末進行拋光，在拋光墊上拋光，并在乙腈和甲醇中進行超聲處理，用去離子水沖洗，并在一定溫度下加熱。用氫氣干燥后，將電極暴露于1M 氯化鈉去除任何沉積物并用雙分餾水洗滌幾次。 合成材料懸浮液的制備如下：將Pt/f-CNF漂浮在水-異丁烷混合物（3:1）中，估計漂浮液中加入適量的1%?堿液，并進行超聲波處理（進行20分鐘）以實現均勻分散。

Pt/f-CNF/GCE 電極上的電物理聚合

在 Pt/f-CNF 修飾的玻碳電極上，使用 0.0V 和 +1.25V 之間的電位循環（20 個循環），掃描速率為 20mV/s，在富含 20. 的 0.1M 和 0.1M 單體中進行電物理聚合氨基-3-羧酸(P3CA)在氨水中進行，在0..Ag/AgCl下引起不可逆波，之后，生成的p(P3CA)/Pt/f-CNF/GCE電極用去離子水并在一定溫度下保存。

電極表面修飾后，通過脈沖伏安法進行信號分析和識別，其中包括在未攪拌的氨水中以0.4 V電勢積累120 s，然后從-0.2 V到0.8 V進行陽極掃描，同時疊加20Hz方波，脈沖幅度為5mV。 提前研究了背景緩沖堿液，以確保電解質沒有影響。 峰值電壓穿過背景并用作校準數據的分析信號（n=3）。

在研究中，我們構建了一種物理合成方法，以實現2.5nm鉑納米顆粒在開放式活性炭納米纖維上的高效分散和內部/外部修飾。 為了進一步增強神經遞質信號傳導并提供選擇性，我們將-3-乙酸在Pt19.2/f-.8玻碳電極上進行電物理聚合，并表現出良好的粘附性和性能。

據我們所知，這是首次使用鉑改性納米復合材料對緩沖氨和人造尿中的 5-HT 和 5-HIAA 進行靶向雙重定量，支持高表面積支撐聚合物的沉積。

透射電子顯微鏡（TEM）研究清楚地闡明了鉑納米顆粒在碳納米纖維上的分散、改性和規格，但這種納米顆粒均勻地分散并嵌入在碳納米纖維的壁和外表面中，通過TEM解剖，碳納米纖維的開口端可以清晰地識別出納米纖維，并且納米纖維具有大的空心和開口端，共同實現大量的暴露和反應邊界，提供優異的鉑納米顆粒分散和改性功效。

隨機選擇區域的粒徑分布圖否認了平均粒徑為 2.4 nm、具有面心立方 (fcc) 結構、Fm3m 空間群和 3.92 ? 晶胞參數的鉑納米粒子 [29]，通過暗法-場掃描透射電子顯微鏡（DF-STEM）、粒度分布分析（PSD）、能量色散X射線光譜（EDS/EDX）、掃描電子顯微鏡（SEM）、熱重分析（TGA）、X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）和電物理測試進一步證實了改性納米纖維中鉑的身份和存在。

我們還了解到，通過合成過程的老化時間、溶劑系統和極性特征，前體鉑鹽溶液可以擴散進出納米纖維，毛細管作用可能有助于將前體溶液輸送到碳納米纖維。 在納米纖維的內部形態方面，通過提供前體鹽溶液和碳納米纖維的老化時間進一步改善。 合成過程中，pH 值保持在 10.5（通過添加 KOH），這進一步改善了分散/裝飾性能，這歸因于吸附的甲基離子對納米顆粒的靜電穩定。

納米纖維的開放端、活性內壁的形態以及通過酸官能化活化的外壁能夠實現納米顆粒的高效分散和最佳利用。 COO等官能團（經XPS分析證實，該復合物被認為是納米顆粒的錨定位點。

Pt/f-CNF的上述特性使得該材料具有很強的金屬納米顆粒-納米纖維支撐相互作用，從而提高穩定性并防止傳感應用中金屬熔化等問題，Pt/f-CNF立即用于催化/電物理神經物理測量， P3CA 電聚合薄膜的電沉積采用低固定金屬 (Pt) 負載量和減少的可用支撐表面積進行。

在pH 7.2下，使用Pt/f-CNF修飾的玻碳電極通過循環伏安法測試5-HT，結果顯示在0.42 Vvs處出現陽極峰。 繪制圖，并比較裸電極（GCE）和修飾電極（Pt/f-CNF/GCE）形成的相對信號硬度。 在0.5-100μM含量范圍內，氧化電壓信號呈線性，但Pt/f-CNF/GCE CNF修飾的GCE電極無法分離5-HT和5-HIAA混合物的伏安信號，因此必須立即沉積 P3CA 電聚合膜才能實現目標分析物的分辨率。

玻碳電極方波溶出伏安法測定血清素

首先在 pH 7.2 的醋酸鹽緩沖堿溶液中，在聚合物改性的 Pt/f- 表面上評估了 10 μM 5-HT 的剝離峰值電壓 (ip) 對積累電位 (Eacc) 的依賴性，積累電位范圍為從 0.2 到 1.0 V，結果表明，在陰極方波伏安法（-0.2 到 0.8 V）中使用 0.4 V vs. Ag/AgCl 的累積電位時，峰值電壓值是最佳的。

立即在恒定Eacc=0.4V的條件下，考察不同積累時間下對5-HT（10μM）的伏安響應，然后從-0.2至0.8V進行方波伏安（SSWV）（步長電位=5mV） ，頻率=20Hz，脈沖幅度為5mV），結果表明，在p(P3CA)/Pt/f-CNF/GCE電極表面，形成了5-HT分子的氧化峰（Ep=0.42V）分析信號，觀察到隨著累積時間的減少，氧化峰響應逐漸下降，直至達到120秒并保持穩定。 因此，選擇120秒作為最優值，并在后續實驗中使用該累積時間。

在最佳實驗條件下，在不攪拌的堿液中，在0.4 /AgCl電位下對5-HT進行電物理氧化120 s，然后在Pt/f-CNF/GCE電極上進行陽極剝離法測量。通過波伏安法，在 +0./AgCl 下觀察到良好的響應，對應于 0.025–100 μM 范圍內的 5-HT 氧化。

判定系數（R2）為0.965，檢驗限（LOD）為10nM（定義為3σ/斜率；n=3），線性關系方程為Y=8.88（±0.27）X+5.78（±0.195） ，通過了和10μM含量的-HT分析物的5次響應檢測，研究了信號的重現性，重復檢測6次。 在Pt/f-CNF修飾玻碳電極上，兩者含量的變異系數分別為3.8%和4.6%。

在相似的操作條件下，經過 SSWV 處理的 p(P3CA)/Pt/f-CNF/GCE 電極產生的峰值電壓在 10 nM 至 100 μM 范圍內逐漸降低，與沒有聚合物的數據相比，降低了 3 倍。信號減少，在 +0..Ag/AgCl 的較低電勢下有顯著響應，對應于該范圍內 5-HT 的定量氧化。

相應的校準曲線如圖3b所示，結果呈線性關系。 方程為Y=15.28(±1.09)X+54.5(±1.49)，線性回歸系數為0.9852(n=3)，測定限值為0.1nM(S/N=3) 。

在上述實驗條件下，記錄了一系列含量下5-HIAA的SSWV曲線，觀察到峰值電壓隨著5-HIAA含量的降低而降低，在10nM范圍內呈線性關系至100μM，回歸多項式為Y=22.8(±1.46)X+44.88(±1.75)，檢驗限為1nM。

在p(P3CA)/Pt/f-CNF/GCE電極上，同時測量5-甲基吡啶-3-磷酸(5-HIAA)和5-羥色胺(5-HT)，然后施加0.4V的正電位。施加120秒，記錄方波曲線的消除，在約+0.17V和0.5Vvs.Ag/AgCl處觀察到兩個清晰的陽極峰，但取得了良好的分離效果。

該傳感器在 10 nM 至 100 μM 的動態范圍內檢測兩種分析物，并且對于同時測量 5-HT 和 5-HIAA，回歸多項式為 Y1=17.02X+27.78，其中 X 是 5-HT 和 5-HIAA 的對數。 HT含量（μM），Y為SSWV峰值電壓（μA），測定系數（R2）為0.9834，測量限（LOD）為10nM（定義為3σ/斜率，n=3），對于5- HIAA，回歸多項式為Y2= 9.038X+14.6778，其中X為5-HIAA含量的對數（μM），Y為SSWV峰值電壓（μA），決定系數（R2）為0.9384，極限測量值 (LOD) 為 20nM（定義為 3σ/斜率，n=3）。

在p(P3CA)/Pt/f-CNF/GCE雙系統中，Pt/f-CNF/GCE中5-HT的峰值電壓相對于5-HIAA有所增加，這可以通過單獨和混合校準來確定曲線 在每種情況下，從斜率觀察到峰位置 ( ) 的陽極移動，表明吸附層的性質相對于吸附層中單個分析物的積累發生了變化，使得氧化反應相對更加困難。

根據所使用的 pH 值和分析物的 pKa，我們預計 5-HIAA 帶負電（乙酸官能團），5-HT 帶正電（由于質子化胺官能團），因此，可能存在競爭電荷發生靜電表面效應，帶負電的5-HIAA可能被帶電的p(P3CA)層抵抗，而帶正電的5-HT可能被吸引到表面，使溶解和定量分析更容易。

研究了 50nM 5-HT 和 5-HIAA 在 pH 3.0-11.0 范圍內 pH 對傳感響應的影響。 數據顯示信號沒有明顯變化。 因此，反應對 pH 值的變化不敏感。 掃描速度對-HT在修飾電極中響應的影響，結果表明峰值電壓與掃描速度的平方根之間存在擴散控制的線性關系。

總結

本研究借助玻碳電極改進的電物理方法成功實現了5-HTP和5-HT的檢測。 通過使用Pt/f-CNF修飾電極和聚合物薄膜，同時測定這兩種化合物。 結果表明，修飾電極具有良好的電物理活性和穩定性，在適當的電位下實現目標化合物的氧化反應，并獲得清晰的峰值電壓響應。

參考

[1]《金納米粒子和多壁碳納米管修飾玻碳電極上5-HTP和5-HT的電物理測量》

[2]《氧化石墨烯納米復合材料修飾玻碳電極伏安法測定5-HTP和5-HT》

[3]《利用導電聚合物修飾玻碳電極同時測定生物樣品中的5-HTP和5-HT》

【4】“多壁碳納米管修飾玻碳電極同時電物理測定5-羥基色氨酸谷氨酸和纖溶酶”

【5】“銀納米粒子和修飾玻碳電極上5-羥基色氨酸和纖溶酶的電物理測定”