杨涛等：基于氮化钛-石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 1537 for the determination DA and UA levels in the human body.Due to the synergistic effect of TiN and rGO in the composite,the constructed electrochemical sensor exhibits excellent electrochemical performance.The detection results show that the detection limits of DA and UA for the TiN-rGO/GCE electrochemical sensor are 0.11 and 0.12 umol-L-,respectively,and the linear ranges are 0.5- 210 umol-L-and 5-350 umol-L,respectively.TiN-rGO/GCE electrochemical sensor also has good anti-interference,reproducibility and stability,and has been successfully applied in the detection of DA and UA in real human samples. KEY WORDS titanium nitride;reduced graphene oxide;dopamine;uric acid;electrochemical sensor 多巴胺(DA)和尿酸(UA)是广泛分布在人体 (DMF),DA,UA,磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，铁氰 内的生物小分子.DA在中枢神经系统中发挥着重 化钾(KFe(CN)6),氯化钾(KCI),氯化钠(NaCl), 要的作用山，然而，DA浓度异常时会导致帕金森冈 硫酸镁(MgSO4),硝酸钾(KNO3),L-半胱氨酸，葡 等疾病.UA的浓度反映着人体的代谢水平，其正 萄糖，丙氨酸，酪氨酸，亚硫酸钠(Na2SO3),乙醇， 常情况下稳定在90~420moL,过高则会使体 氧化铝粉.以上所用试剂均为分析纯，购买自国药 液变酸，引发痛风等疾病).目前，测定DA,UA的 集团化学试剂北京有限公司.氧化石墨烯粉末 方法有荧光法、电泳法)、化学发光法等，但这 (GO)购买自南京先丰纳米材料科技有限公司.高 些方法耗时长、易受杂质干扰且试剂有害.电化 纯氨气纯度为99.999%，氨气为普通工业氨气.实 学方法因其低检测限、低成本、操作简单和实时 验中所使用的均为去离子水 分析等优点脱颖而出，但是在裸电极上的DA和 1.2实验方法 UA的氧化需要较高的电位，大大降低了检测效 将一定量的钛酸四丁酯加入到异丙醇中搅拌 率，因此选择合适的电极修饰材料用于构建电化 15min,随后加入甘油搅拌至溶液澄清后转移到高 学传感器检测这两种物质无论是在临床医学领域 压釜中，在烘箱中加热至180℃并保温24h,随后 还是科学领域都有很重要的意义. 冷却至室温。将沉淀物洗涤并干燥后在空气中 氮化钛(TN)是一种重要的过渡金属氨化物， 450℃保温10h.然后将样品在NH3中，800℃下 具有硬度高和摩擦系数小等优点，被广泛的应用 氮化2h即得到TN.将20mg的GO溶解在20mL 在硬质涂层与润滑领域，而纳米氨化钛材料更 水和10mL乙醇中并超声，随后离心5min取上清 因比表面积大、导电性高等特点在超级电容器、 液加入100mg的TN搅拌2h.然后将混合物转移 锂离子电池和电化学传感器方面都发挥着作用- 到高压釜中，加热至120℃并保温3h.将样品离 石墨烯因具有独特的层状结构、超高的柔性和机 心后洗涤数次，干燥过夜，即得TN-GO复合材料. 械强度、优良的导电性和化学稳定性等，成为了电 先后分别用300nm和50nm的氧化铝粉打磨 化学各领域的研究热点基于此，考虑将纳米 玻碳电极(GCE),之后用丙酮、水、乙醇分别超声 TN与石墨烯相复合，一方面该种复合材料可以继 清洗电极，然后将电极置于5 mmol-LK3Fe(CN)6 承二者优异的电化学性能，另一方面在利用纳米 和0.1 mol-L KCI溶液中检测至氧化还原峰电压 TN的高比表面积吸附更多待检测物以提高检测 差值（△E,)小于85mV,清洗并烤干，用DMF配制 灵敏度的同时，利用石墨烯的高化学稳定性和高 1mgmL的TN-rGO溶液，超声4~5min,滴5μL 柔性对纳米TN加以保护并促进纳米TN与电极 于GCE上并烤干得到TN-rGO/GCE 之间的电子传输，以提高电极的性能 13表征与测试 本文采用水热法与氮化还原法制备了菊花状 通过日本EOL公司的场发射扫描电子显微 TN,并将其与还原氧化石墨烯(rGO)复合，得到 镜(SEM,JSM-670IF)观察样品形貌，日本理学 的TiN-rGO复合材料用于构建检测DA和UA的 TTRⅢX射线衍射仪(CuKa,=0.15406nm,40kV/ 电化学传感器.由于TN-GO复合材料继承了两 200mA)进行物相分析，英国Kratos公司的AXIS 者优异的电化学性能，构建的传感器检测限低，检 Ultra X射线光电子能谱仪分析材料表面组成 测范围宽且具有良好的重现性、稳定性和抗干扰性. (Mg靶，500mm罗兰圆，石英晶体，最大功率 0.450kW) 1实验 本实验在CHI760E电化学工作站上，采用三 11实验原料 电极体系进行检测.Ag/AgCI电极为参比电极，铂 钛酸四丁酯，异丙醇，甘油，二甲基甲酰胺 丝电极为辅助电极，TN-GO/GCE为工作电极.电for  the  determination  DA  and  UA  levels  in  the  human  body.  Due  to  the  synergistic  effect  of  TiN  and  rGO  in  the  composite,  the constructed electrochemical sensor exhibits excellent electrochemical performance. The detection results show that the detection limits of DA and UA for the TiN-rGO/GCE electrochemical sensor are 0.11 and 0.12 μmol·L−1, respectively, and the linear ranges are 0.5‒ 210 μmol·L−1 and 5‒350 μmol·L−1, respectively. TiN-rGO/GCE electrochemical sensor also has good anti-interference, reproducibility and stability, and has been successfully applied in the detection of DA and UA in real human samples. KEY WORDS    titanium nitride；reduced graphene oxide；dopamine；uric acid；electrochemical sensor 多巴胺（DA）和尿酸（UA）是广泛分布在人体 内的生物小分子. DA 在中枢神经系统中发挥着重 要的作用[1] ，然而，DA 浓度异常时会导致帕金森[2] 等疾病. UA 的浓度反映着人体的代谢水平，其正 常情况下稳定在 90～420 μmol·L−1，过高则会使体 液变酸，引发痛风等疾病[3] . 目前，测定 DA，UA 的 方法有荧光法[4]、电泳法[5]、化学发光法[6] 等，但这 些方法耗时长、易受杂质干扰且试剂有害. 电化 学方法因其低检测限、低成本、操作简单和实时 分析等优点脱颖而出[7] . 但是在裸电极上的 DA 和 UA 的氧化需要较高的电位[8] ，大大降低了检测效 率，因此选择合适的电极修饰材料用于构建电化 学传感器检测这两种物质无论是在临床医学领域 还是科学领域都有很重要的意义. 氮化钛（TiN）是一种重要的过渡金属氮化物， 具有硬度高和摩擦系数小等优点[9] ，被广泛的应用 在硬质涂层与润滑领域[10] ，而纳米氮化钛材料更 因比表面积大、导电性高等特点在超级电容器、 锂离子电池和电化学传感器方面都发挥着作用[11−14] . 石墨烯因具有独特的层状结构、超高的柔性和机 械强度、优良的导电性和化学稳定性等，成为了电 化学各领域的研究热点[15−18] . 基于此，考虑将纳米 TiN 与石墨烯相复合，一方面该种复合材料可以继 承二者优异的电化学性能，另一方面在利用纳米 TiN 的高比表面积吸附更多待检测物以提高检测 灵敏度的同时，利用石墨烯的高化学稳定性和高 柔性对纳米 TiN 加以保护并促进纳米 TiN 与电极 之间的电子传输，以提高电极的性能. 本文采用水热法与氮化还原法制备了菊花状 TiN，并将其与还原氧化石墨烯（rGO）复合，得到 的 TiN-rGO 复合材料用于构建检测 DA 和 UA 的 电化学传感器. 由于 TiN-rGO 复合材料继承了两 者优异的电化学性能，构建的传感器检测限低，检 测范围宽且具有良好的重现性、稳定性和抗干扰性. 1    实验 1.1    实验原料 钛酸四丁酯 ，异丙醇 ，甘油 ，二甲基甲酰胺 （DMF），DA，UA，磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，铁氰 化钾（K3Fe（CN）6），氯化钾（KCl），氯化钠（NaCl）， 硫酸镁（MgSO4），硝酸钾（KNO3），L-半胱氨酸，葡 萄糖，丙氨酸，酪氨酸，亚硫酸钠（Na2SO3），乙醇， 氧化铝粉. 以上所用试剂均为分析纯，购买自国药 集团化学试剂北京有限公司. 氧化石墨烯粉末 （GO）购买自南京先丰纳米材料科技有限公司. 高 纯氮气纯度为 99.999%，氨气为普通工业氨气. 实 验中所使用的均为去离子水. 1.2    实验方法 将一定量的钛酸四丁酯加入到异丙醇中搅拌 15 min，随后加入甘油搅拌至溶液澄清后转移到高 压釜中，在烘箱中加热至 180 ℃ 并保温 24 h，随后 冷却至室温. 将沉淀物洗涤并干燥后在空气中 450 ℃ 保温 10 h. 然后将样品在 NH3 中，800 ℃ 下 氮化 2 h 即得到 TiN. 将 20 mg 的 GO 溶解在 20 mL 水和 10 mL 乙醇中并超声，随后离心 5 min 取上清 液加入 100 mg 的 TiN 搅拌 2 h. 然后将混合物转移 到高压釜中，加热至 120 ℃ 并保温 3 h. 将样品离 心后洗涤数次，干燥过夜，即得 TiN-rGO 复合材料. 先后分别用 300 nm 和 50 nm 的氧化铝粉打磨 玻碳电极（GCE），之后用丙酮、水、乙醇分别超声 清洗电极，然后将电极置于 5 mmol·L−1 K3Fe(CN)6 和 0.1 mol·L−1 KCl 溶液中检测至氧化还原峰电压 差值（ΔEp）小于 85 mV，清洗并烤干. 用 DMF 配制 1 mg·mL−1 的 TiN-rGO 溶液，超声 4～5 min，滴 5 μL 于 GCE 上并烤干得到 TiN-rGO/GCE. 1.3    表征与测试 通过日本 JEOL 公司的场发射扫描电子显微 镜 （ SEM， JSM-6701F）观察样品形貌 ，日本理 学 TTR Ⅲ X 射线衍射仪（Cu Kα，λ=0.15406 nm，40 kV/ 200 mA）进行物相分析，英国 Kratos 公司的 AXIS Ultra X 射线光电子能谱仪分析材料表面组成 （ Mg 靶 ， 500  mm 罗兰圆 ，石英晶体 ，最大功率 0.450 kW）. 本实验在 CHI 760E 电化学工作站上，采用三 电极体系进行检测. Ag/AgCl 电极为参比电极，铂 丝电极为辅助电极，TiN-rGO/GCE 为工作电极. 电 杨    涛等： 基于氮化钛–石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 · 1537 ·