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user: 3. 结果与讨论 3.1. Au和Au@WP5的形貌和结构表征 采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征了Au和Au@WP5的形貌。图1A为Au的扫描电镜图，从图中可以清楚地看到金纳米粒子较为团聚，平均直径为15~17 nm。图1C是Au的高分辨电镜图，从图中我们可以明显地看到Au的晶格，经过计算可以得到其晶格间距为0.234 nm，对应于Au (111)晶面 [ 9 ]。图1B和D为Au@WP5的扫描电镜和透射电镜图，从图中可以看出加入WP5后，Au NPs形貌和尺寸没有明显变化，并且Au@WP5较单纯的Au分散性得到明显的提高，这可能是因为WP5负载在AuNPs表面，减少了Au与Au之间的团聚。 通过X射线衍射技术 (XRD) 探究了 Au 的晶体结构。图2A中2θ在37.69˚，44.39˚，65.28˚，75.98˚和80.24˚处的衍射峰分别对应于Au其 (111)，(200)，(220)，(311)和(222)晶面(Au的XRD标准卡片JCPDS no. 89-3697) [ 26 ]。还对WP5，Au@WP5进行傅里叶变换红外光谱分析，图2B中可以看出，WP5的所有特征峰均出现在Au@WP5的曲线上，其中在1596 cm −1 ，1500 cm −1 及1402 cm −1 处的几个特征峰归属于WP5上苯环区的弯曲振动，在1207 cm −1 和1070 cm −1 的吸收峰是由于WP5上C-O-C及C-O的拉伸导致的。与纯的WP5相比，在1750 cm −2 处，Au@WP5出现了一个新的峰，这归因于Au与WP5复合时，WP5负载在Au的表面，导致其C=O的拉伸 [ 13 ]。这也表明了WP5成功负载载在了Au纳米粒子的表面，Au@WP5复合材料被成功制备。 图1. (A) Au的扫描电镜图，(B) Au@WP5的扫描电镜图，(C) Au的高分辨电镜图，(D) Au@WP5的透射电镜图 利用X射线光电子能谱(XPS)研究了Au@WP5中的化学元素。图2C-F分别为Au 4f、C 1s、N 1s和O 1s的XPS光谱。图3C中Au 4f的XPS图由两部分峰组成，结合能分别是87.53 eV和83.85 eV，对应于Au 4f 5/2 和4f 7/2 杂化轨道的峰。如图2D所示，Au@WP5样品中C1s的XPS谱图中位于288.80、286.25、285.40和284.23 eV的结合能处出现不同的峰，分别对应于WP5中O-C=O、C=O、C-O和C-C官能团。图2E描述的是N1s的XPS谱图，在401.43 eV出现的峰归属于WP5中的N-H键。最后，Au@WP5的O 1 s的XPS光谱(图2F)分别在532.60 eV (O-C=O)和531.35 (O-C)处显示两个峰。 图2. (A)Au的X射线衍射图谱，(B) Au@WP5和WP5的傅里叶变换红外光谱图，Au@WP5纳米粒子的(C) Au 4f，(D) C 1s，(E) N 1s和(F) O 1s轨道上X射线光电子能谱分析 3.2. Au和Au@WP5电极的光电化学行为和表征 图3阐述了Au/GCE电极和Au@WP5/GCE纳米复合材料修饰电极在含5 mM K 3 [Fe(CN) 6 ]/K 4 [Fe(CN) 6 ] 和0.1 M KCl溶液中的循环伏安曲线。电压范围是−0.2~1.0 V，扫描速度为100 mV s −1 。在图3A中，Au电极上的峰电流约为120.14 μA，而Au@WP5电极上的峰电流约为52.42 μA，Au电极上的峰电流高于Au@WP5电极上的峰电流。这主要由于Au纳米粒子具有较好的导电性，可以较快传递电子，而WP5作为有机具有较弱的导电性，减缓了电子在电极表面和电解质溶液之间的传递。采用电化学阻抗谱(EIS)方法检测制备电极上有效电荷的转移，如图3B所示。在由直线和半圆弧组成的阻抗曲线图中，直线代表扩散过程，半圆弧代表电子传递受阻的过程，半圆的直径反映溶液与电极界面电荷转移电阻(R ct )的大小(R ct ) [ 27 ]。计算得到Au和Au@WP5的R ct 分别是255.9 Ω与4822.8 Ω，可以明显看出Au@WP5的电阻要远远大于Au的电阻，表明WP5的导电性比较差，该结果和图3A中结果吻合较好。图 3B 中的插图是相应的等效电路图，R s 是溶液电阻，R ct 代表电荷转移电阻，C d 表示双电层溶液。 图3. (A) Au/GCE和Au@WP5/GCE电极在含有5 mM K 3 [Fe(CN) 6 ]/K 4 [Fe(CN) 6 ]和0.1 M KCl溶液中的循环伏安曲线，(B) 阻抗曲线 当Au/GCE和Au@WP5/GCE电极在无光照射条件下用差分脉冲伏安法(DPV)检测多巴胺时，我们可以观察到这两个电极上的氧化峰电流密度分别为108.35 μA cm −2 (Au@WP5)和70.49 μA cm −2 (Au) (图4A)。由此可见，WP5和DA的主客体络合作用，将更多的DA分子特异性识别到Au纳米粒子表面。根据以上原因，我们选择了Au@WP5/GCE电极作为最优电极来进行接下来的实验。在有可见光和无光照射下，我们用差分脉冲伏安法(DPV)研究了Au@WP5/GCE电极在含有0.5 mM多巴胺的PBS缓冲液(pH = 7.0)中的光电化学性能。可以发现，在可见光照射下Au@WP5/GCE电极上的氧化峰电流密度141.32 μA∙cm −2 明显高于无光照时的氧化峰电流密度81.31 μA∙cm −2 。这很可能是由以下两个原因产生的：一方面，在可见光照射下，金纳米粒子对光子能量具有很强的吸收作用，会产生局域表面等离子共振效应；另一方面，Au和WP5复合时，WP5被吸附在Au的表面，同时WP5和多巴胺的主客体络合作用会吸引更多的多巴胺到Au的表面上，促进DA的氧化还原过程。因此Au和WP5二者的协同效应有利于提高光电流密度，增加光电化学活性。 通过建立光电流–时间曲线(图4B)来探究Au/GCE和Au@WP5/GCE电极的光电化学性能。每30 s开、关一次可见光源氙灯来获得可见光照和无光照实验条件。当打开可见光光源后，光电流密度约为0.78 μA∙cm −2 ，当关闭光源后，光电流密度则会迅速下降。这有可能要归因于在可见光照射下，金纳米粒子对光子能量具有很强的吸收作用，会产生局域表面等离子共振效应；同时Au和WP5复合时，WP5被吸附在Au的表面上，由于WP5和多巴胺的主客体的络合作用，会吸引更多的多巴胺到Au表面上，促使更多的多巴胺分子发生氧化还原反应；在关闭光源后Au的局域表面等离子共振效应消失，导致光电流密度降低。 图4. (A) Au/GCE和Au@WP5/GCE在含有0.5 mM多巴胺的0.1 M PBS缓冲液(pH = 7.0)中在可见光照射(实线)和无光照射(虚线)时的差分脉冲伏安曲线，(B) 可见光照射的瞬态光电流和时间曲线，光源为氙灯，每30 s中断一次 3.3. 检测条件的优化 为进一步探讨多巴胺对Au@WP5/GCE电极的反应动力学因素，我们研究了在不同pH值和扫描速度下对含0.5 mM多巴胺的PBS溶液检测时的光电化学性能的影响。如图5A所示，首先用差分脉冲伏安法研究了在溶液pH介于4.0到9.0范围内，Au@WP5/GCE电极在含有0.5 mM多巴胺的PBS溶液中pH值对相应光电流密度的影响。从图中可以明显地看到，在pH为7.0时多巴胺在Au@WP5/GCE电极上有最大光电流密度(图5B)，表明在pH = 7.0时Au@WP5/GCE电极对多巴胺有最好的光电化学活性，因此选择在这个pH值进行后续实验。此外，从图中，我们可以看到，pH值在4.0~9.0之间，氧化峰电势呈负向迁移，这说明反应过程中涉及到了质子转移过程 [ 28 ]。图5C描述的是Au@WP5/GCE 电极在含有0.5 mM多巴胺的PBS溶液中(pH = 7.0)不同扫描速率下的线性扫描伏安曲线，扫描速度为40~200 mV∙s −1 。氧化峰电流密度随着扫速的增加而增加，并且二者之间存在良好的线性关系，相应的线性方程为：Ipa = 1.8557υ (mV∙s -1 ) + 196.74 (R 2 = 0.9988) (图5D)，表明多巴胺和Au@WP5/GCE电极之间的电子转移是表面吸附控制的过程 [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]。 3.4. Au@WP5电极对牛血红蛋白的检测 为了定量研究Au@WP5/GCE电极对牛血红蛋白间接检测的光电化学响应情况，我们探究了在可见光照射下Au@WP5/GCE在含有不同浓度的牛血红蛋白(10 −11 ~10 −4 mg∙mL −1 )的PBS缓冲溶液(pH = 7.0)的差分脉冲伏安曲线。和循环伏安法相比，差分脉冲伏安法可以降低背景电流和增大法拉第电流，具有较高的灵敏度和较低的检测限。图6A是Au@WP5/GCE电极在含有不同浓度牛血红蛋白的PBS缓冲溶液(pH = 7.0)中的差分脉冲伏安曲线。从图中我们可以观察到氧化峰电位大约是0.10 V，几乎保持不变。氧 图5. (A) Au@WP5/GCE电极在含有0.5 mM多巴胺的0.1 M PBS缓冲液中pH不同(4.0~9.0)时的差分脉冲伏安曲线，(B) 相应的氧化峰电流和pH之间的线性曲线，(C) Au@WP5/GCE电极在含有0.5 mM多巴胺的0.1 M PBS缓冲液中(pH = 7.0)时扫描速率的不同(40~200 mV∙s −1 )时的线性扫描伏安曲线，(D) 相应的氧化峰电流和扫速之间的线性曲线 化峰电流随着牛血红蛋白浓度的不断增加(10 −11 ~10 −4 mg∙mL −1 )而不断减小(图6A)。将不同浓度的牛血红蛋白加入到含有0.5 mM多巴胺溶液(pH = 7.0) 中，图6B为氧化峰电流密度和牛血红蛋白浓度的对数之间的线性关系，相应的线性回归方程为：Ipa = −10.096 lgC + 9.45，R 2 = 0.9969。检测限为5.2 × 10 −12 mg∙mL −1 ，信噪比为S/N = 3，说明我们制备的Au@WP5电极在可见光照射下间接性检测牛血红蛋白有很大的应用潜力。 3.5. Au@WP5电极检测多巴胺的稳定性、和抗干扰性 光电材料在实际应用中会遇到各种各样的复杂情况，因此复合材料的长期稳定性和抗干扰性是复合材料在制备过程中需考虑的非常关键的因素。为了评估Au@WP5/GCE电极在可见光照射下检测多巴胺的稳定性，我们测定了Au@WP5/GCE电极在含有0.5 mM多巴胺的0.1 M PBS缓冲液(pH = 7.0)中在可见光照射的瞬态光电流和时间曲线(图7A)。从图7A中我们可以看出，在每一轮可见光照射和无光照射时，在开关循环了10次之后，Au@WP5电极的光电流密度基本保持不变，表明Au@WP5电极有较好的 图6. (A) 在可见光照射下Au@WP5/GCE在含有不同浓度牛血红蛋白(10 −11 ~10 −4 mg∙mL −1 )的0.5 mM DA溶液中(PBS， pH = 7.0)的差分脉冲伏安曲线，(B) 相应的牛血红蛋白浓度的对数和氧化峰电流密度之间的线性曲线 稳定性。此外，我们还通过差分脉冲伏安法来研究样品中可能存在的干扰物质对多巴胺检测的影响，并通过比较二者的氧化峰电流密度来进行探究Au@WP5/GCE电极的抗干扰性。把10 mM的葡萄糖和0.1 mM尿酸、柠檬酸和氯化钠分别加入0.5 mM多巴胺溶液，比较其电流密度值。此外，我们还通过差分脉冲伏安法检测咖啡酸和干扰物并比较二者的氧化峰电流密度来探究Au@WP5电极的干扰性。把10 mM的葡萄糖和0.1 mM尿酸、柠檬酸和氯化钠分别加入0.5 mM多巴胺溶液，比较其电流密度值。图7B中I p 为Au@WP5/GCE电极在0.5 mM多巴胺溶液中的氧化峰电流密度，I pa 为Au@WP5/GCE电极在0.5 mM多巴胺溶液与各抗干扰物质混合溶液中中的氧化峰电流密度，上述其他实验条件都完全一致。干扰物尿酸、柠檬酸、氯化钠和葡萄糖测得的电流相对值Ipa/Ip值分别为95.84%、90.10%、95.63%和110.29%，均接近100%，证明Au@WP5/GCE电极在多巴胺检测中具有良好的抗干扰性能。 图7. (A) Au@WP5/GCE电极在含有0.5 mM多巴胺的0.1 M PBS缓冲液(pH = 7.0)中在可见光照射的瞬态光电流和时间曲线，(B) 0.5 mM多巴胺和存在干扰物质时的相对电流值，干扰物质分别为：尿酸、柠檬酸、氯化钠和葡萄糖