1. 引言
在中枢神经系统中，多巴胺(DA)与帕金森病、阿尔茨海默病、垂体瘤等多种疾病有关[1]-[4]。多巴胺是一种神经递质，它在人体内的作用非常广泛。考虑到细胞的异质性以及在疾病早期只有少数病变发生，有必要分析单细胞和亚细胞水平的检测物质[5]-[9]。单细胞体积小，但其微环境中的化学成分复杂。相关生物分子在单细胞和亚细胞中的含量较低，且信号转导迅速，这给分子水平的定量研究带来了巨大挑战[10] [11]。近年来，Ewing的团队利用纳米孔移液器和纳米电极发展了囊泡冲击电化学细胞术(VIEC)来检测单细胞囊泡中的神经递质。当囊泡接触电极时释放目标分子，并根据瞬时安培变化对分子水平进行量化[12]-[14]。细胞质中的DA会被隔离在囊泡中，在细胞质中的积累会使DA被氧化并产生活性氧(ROS)，诱导氧化应激损伤神经元[15]。总之，多巴胺在人身体中的作用非常广泛，涉及情绪、运动、内分泌、心血管、胃肠道、睡眠和认知等多个方面。保持多巴胺水平的平衡对于维持身体健康和心理健康至关重要。近年来，光电化学传感器凭借其高灵敏度和低背景信号等优点，在生物检测领域显示出巨大的应用潜力。特别是基于纳米复合材料的光电化学传感器，它们通过整合不同材料的独特性质，显著提升了传感器的性能。在本研究中，我们设计并制备了一种基于SiO2@BiOBr/rGO的光电化学传感器，用于超灵敏检测多巴胺。二氧化硅(SiO2)纳米球作为基底，提供了良好的机械稳定性和高比表面积；溴化铋(BiOBr)作为可见光活性的光催化剂，有效吸收光能并产生光生电荷；而还原氧化石墨烯(rGO)则作为电子传递的桥梁，促进了界面电荷的快速转移。这一复合结构不仅增强了传感器对光的吸收和利用效率，还提高了对多巴胺的特异性识别能力。通过优化实验条件和传感器构建参数，我们所开发的SiO2@BiOBr/rGO光电化学传感器展现出了前所未有的灵敏度和选择性，能够在复杂的生物样本中准确检测低浓度的多巴胺。此外，该传感器还显示出良好的稳定性和重复使用性，为实际应用提供了可能。本研究不仅为多巴胺的快速、灵敏检测提供了一个新平台，也为其他生物分子的光电化学检测开辟了新途径，有望在生物医学分析和临床诊断领域发挥重要作用。
卤氧化铋(BiOX, X = Cl, Br, I)由于其合适的带隙宽度，在光电化学领域引起了广泛的关注[16]。在电化学过程中，卤氧化铋可以作为电极的修饰材料，其层状结构有利于增加电极表面的有效反应面积，从而提高电子迁移率和电化学反应的效率。由于卤氧化铋具有良好的化学稳定性，将其用于电极表面可以增强电极的耐腐蚀性和稳定性，延长电极的使用寿命。在光电催化领域中，卤氧化铋能有效地利用光照产生电荷载体。通过对卤氧化铋进行改性，例如金属或非金属元素掺杂，从而提高其在可见光照射下的光电催化活性[17]。在生物医学和生物分析领域的众多纳米颗粒中，二氧化硅因其纳米尺寸和介孔等特性而受到高度重视。二氧化硅纳米颗粒的其他特性还包括高表面体积比、稳定性、大孔隙体积、可控的形态和尺寸、易于制备和生物相容性[18]-[20]。通过将Bi(NO3)3∙5H2O加入到二氧化硅溶液中，并加入KBr制备SiO2@BiOBr复合材料，SiO2纳米材料对纳米花有支撑作用，防止其团聚并将其与rGO进行复合对多巴胺进行光电化学检测。如图1所示，在可见光的照射下，SiO2电子开始迁移以及BiOBr可形成光生(e−)-空穴(h+)对，可将多巴胺吸附到电极表面，使之发生氧化，从而提高光电转换效率，进而实现对多巴胺的检测。
Figure 1. Mechanism diagram of dopamine detection by photoelectrochemical sensor
图1. 光电化学传感器检测多巴胺机理图
2. 实验部分
2.1. 实验试剂
氧化石墨烯(GO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、氢氧化钾(KOH)、五水合硝酸铋(Bi(NO3)3∙5H2O)、磷酸二氢钠二水合物(NaH2PO4∙2H2O)、铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])、氯化钾(KCl)、氨水(NH4OH）、硅酸四乙酯(C8H20O4Si)购买自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4∙12H2O)、尿酸(C5H4N4O3)、抗坏血酸(C6H8O6)、氯化钠(NaCl)、无水葡萄糖(C6H12O6)、亚铁氰化钾三水合物(K4[Fe(CN)6]∙3H2O)购买自上海麦克林生化科技有限公司。
2.2. 实验仪器
SEM-300型扫描电子显微镜(德国CARL ZEISS卡尔蔡司公司)；D8 Advance型X射线衍射仪(德国布鲁克AXS有限公司)；UV-3600型紫外分光光度计(日本日立有限公司)；GY-10型氙灯(天津拓普仪器有限公司)；CHI660E电化学工作站(上海晨华仪器公司)；3 mm型玻碳电极(GCE)，10 mm铂网电极(天津艾达科技有限公司)；RO232饱和甘汞电极(SCE) (上海Ruosull公司)。所有实验均采用传统的三电极系统进行。
2.3. 实验方法
SiO2@BiOBr/rGO的制备
将14 mg氧化石墨烯(GO)和10 mL超纯水加入到烧瓶中并超声两小时。再将制备好的分散液和46 mL乙醇加入反应釜中，用1 M KOH溶液调节pH至9，然后把反应釜放置于80℃下反应两小时，最后将黑色悬浮物用大量超纯水离心漂洗后均匀分散在23 mL超纯水中，制备0.6 mg/mL rGO。
将0.8 mL氨水和2 mL硅酸四乙酯滴加到混合溶液中(5 mL去离子水和25 mL乙醇)，25℃下搅拌16 h，得到SiO2悬浮液。
在二氧化硅悬浮液中加入0.485 g Bi(NO3)3∙5H2O，超声分散，加入0.4 g PVP搅拌30 min，随后，称取0.119 g KBr加到混合溶液中搅拌30 min，高压釜160℃加热3 h，水和乙醇离心沉淀物三次，冻干后得到SiO2@BiOBr粉末。
3. 结果与讨论
3.1. BiOBr、rGO、SiO2和SiO2@BiOBr/rGO的形貌表征
对样品的形貌采用扫描电子显微镜(SEM)进行表征。图2(A)为制备的BiOBr材料，BiOBr是由片状结构堆积起来的，呈花瓣状。大小约为400 nm。图2(B)显示了SiO2@BiOBr的SEM图，可以看到BiOBr长在SiO2纳米粒子上。图2(C)为制备的还原氧化石墨烯材料。复合材料SiO2@BiOBr/rGO的形貌图如图2(D)所示，SiO2@BiOBr均匀地分布在rGO上。
Figure 2. (A) SEM images of BiOBr; (B) SEM images of SiO2@BiOBr; (C) SEM images of rGO; (D) SEM images of SiO2@BiOBr/rGO
图2. (A) BiOBr的扫描电镜图；(B) SiO2@BiOBr的扫描电镜图；(C) rGO的扫描电镜图；(D) SiO2@BiOBr/rGO的扫描电镜图
3.2. rGO、BiOBr、SiO2和SiO2@BiOBr/rGO的物理表征
如图3(A)所示，蓝线为SiO2的XRD图，粉线显示了BiOBr在2θ为25˚、31˚、46˚、53˚、57˚、77˚处有明显的吸收峰[21]。rGO的衍射峰对应的晶面为(001)。在复合材料SiO2@BiOBr/rGO的XRD图中能够看出rGO的(001)晶面和BiOBr的(110)、(211)与(212)晶面，证实SiO2@BiOBr/rGO复合材料制备成功。
如图3(B)所示，BiOBr的吸收峰在410 nm处，SiO2的吸收峰在304 nm处，rGO的吸收峰在251 nm，SiO2@BiOBr/rGO复合材料在上述的波长处都出现了明显的吸收峰，分别对应其他单独材料的吸收峰，证明成功复合了材料。
Figure 3. (A) XRD diffraction pattern of SiO2, BiOBr, rGO and SiO2@BiOBr/rGO; (B) UV-VIS absorption spectra of SiO2, BiOBr, rGO and SiO2@BiOBr/rGO
图3. (A) SiO2、BiOBr、rGO和SiO2@BiOBr/rGO的X射线衍射图；(B) SiO2、BiOBr、rGO和SiO2@BiOBr/rGO的紫外–可见吸收光谱图
3.3. rGO、BiOBr、SiO2和SiO2@BiOBr/rGO的电化学和光电化学性能
不同材料修饰的电极通过循环伏安法测试它们在电化学反应中的电荷转移能力，在5 mmol/L铁氰化钾溶液、亚铁氰化钾溶液和0.1 mol/L氯化钾混合溶液中，相比于其他材料，如图4(A)所示，SiO2@BiOBr/rGO电极的氧化峰电流值最大，rGO因为其良好的导电性所以氧化峰电流略低于SiO2@BiOBr/rGO。SiO2@BiOBr电极的氧化峰电流略高于BiOBr电极，这主要是因为SiO2具有更大的比表面积，提供了更多的活性位点。不同材料修饰的电极通过EIS对它们的电荷转移能力进行比较，图4(B)是EIS曲线图，各颜色的线代表所制备的不同材料修饰电极在5 mmol/L铁氰化钾溶液、亚铁氰化钾溶液和0.1 mol/L氯化钾混合溶液中进行测试。在EIS测试中得到不同材料修饰后的电极在溶液中的电子传输能力。在EIS曲线上，半圆直径可用来评价其电荷传输电阻(Rct)，半圆直径愈大，其电荷传输电阻也愈大。从图中可以看出，SiO2@BiOBr/rGO > rGO > SiO2@BiOBr > BiOBr，电子传递能力依次增强，这与循环伏安法的结果一致。
这一现象还可从恒压下测得的i-t曲线清晰地看出，图4(C)中SiO2@BiOBr/rGO的光电流密度在光照情况下比在黑暗环境下更大。与rGO、SiO2@BiOBr以及单独的BiOBr材料比较，SiO2@BiOBr和rGO之间的协同作用所产生的光电电流密度最高。本研究以BiOBr在光照下激发的电子向SiO2的跃迁，增强其光电流响应；同时，BiOBr生成的电子–空穴对可将多巴胺吸附至电极表面，实现光电流的增强。另外，rGO的导电性非常好，能够使复合材料在检测多巴胺时光电流响应更好。如图4(D)所示，利用差分脉冲技术(DPVs)对SiO2@BiOBr/rGO/GCE在含有100 µmol/L多巴胺的PBS缓冲液中的光电性能进行了研究。SiO2@BiOBr/rGO/GCE在可见光下的氧化峰值电流高于无光时的峰值电流，表明光照增强了对被检测物质的电化学响应。
Figure 4. (A) Cyclic voltammetry curves and (B) impedance curves of SiO2@BiOBr/rGO, SiO2@BiOBr, rGO and BiOBr modified electrodes in 5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] and 0.1 mol/L KCl solutions; (C) Transient photocurrent and time variations of SiO2@BiOBr/rGO, SiO2@BiOBr, rGO and BiOBr in PBS (pH = 7.0) containing 100 μmol/L DA with xenon lamp as the light source, interrupted every 30 s; (D) Differential pulse voltammetry (DVP) curves of SiO2@BiOBr/rGO with or without visible light irradiation, respectively
图4. (A) SiO2@BiOBr/rGO、SiO2@BiOBr、rGO、BiOBr修饰电极在5 mmol/L铁氰化钾溶液、亚铁氰化钾溶液和0.1 mol/L氯化钾混合溶液中的循环伏安曲线和(B) 阻抗曲线图；(C) 在含100 μmol/L DA的PBS (pH = 7.0)下，SiO2@BiOBr/rGO、SiO2@BiOBr、rGO、BiOBr的瞬态光电电流及时间变化，以氙灯照射，间隔30 s；(D) SiO2@BiOBr/rGO分别在有可见光照射和无可见光照射的条件下的DPV图
3.4. SiO2@BiOBr/rGO检测DA的条件优化
实验结果表明，溶液的酸碱度、工作电极的扫描速度等都会对电化学反应产生影响。在实验中考察了在可见光照条件下，扫描速度、pH对DA的检测效果。图5(A)是在不同pH条件下，SiO2@BiOBr/rGO/GCE对待测物的光电特性。从该图可以看出，当pH为7.0时，氧化峰值电流最大，所以随后的一系列实验中pH选定为7.0。氧化峰电位随pH的升高呈负移，表明在该反应中发生了质子传递[22]，所对应的线性方程为Epa = −0.0470pH + 0.4690，(R2 = 0.9934) (图5(B))。图5(C)显示了随着扫速的增加，100 μmol/L DA中SiO2@BiOBr/rGO/GCE在可见光照射下氧化峰电流也随之增加，线性回归方程为Ipa (μA) = 0.4563v + 30.2173，(R2 = 0.9951) (图5(D))，表明SiO2@BiOBr/rGO/GCE检测多巴胺的过程为吸附控制过程。
3.5. 优化检测限、稳定性、抗干扰性的研究
在本研究中，我们采用了一种高灵敏度和高效的差分脉冲伏安法(DPV)来检测多巴胺(DA)的浓度。这种方法适用于生物样本中微量多巴胺的测定，其结果如图6(A)所示，可以清晰地观察到随着DA浓度的增加，光电流密度呈现出明显的增长趋势。从最初的2 μmol/L到300 μmol/L，光电流密度逐渐上升。图6(B)显示了氧化峰电流与DA不同浓度之间的关系。第一段线性回归方程为I = 1.2260C + 8.5246 (R2 = 0.9913)，第二段线性回归方程为I = 0.3675C + 70.0305 (R2 = 0.9946)，计算出检出限为0.67 μmol/L。
Figure 5. (A) Differential pulse voltammetry curves of SiO2@BiOBr/rGO/GCE in PBS buffer solution containing 100 μmol/L DA at different pH (pH = 5, 6, 7, 8, 9); (B) Plot of the linear relationship between the corresponding oxidation peak potential and pH at different pH levels; (C) Linear sweep voltammetry curves of SiO2@BiOBr/rGO/GCE at different scanning speeds (20~200 mV∙s); (D) Plot of the linear relationship between the oxidation peak current and the scan rate corresponding to different scan speeds
图5. (A) 将SiO2@BiOBr/rGO/GCE置于含100 μmol/L DA的在不同pH值(5, 6, 7, 8, 9)的PBS缓冲液中的差分脉冲伏安图；(B) 相应的氧化峰电势与pH值的线性关系；(C) 在不同的扫描速度(20~200 mV∙s)下，SiO2@BiOBr/rGO/GCE的线性扫描伏安曲线图；(D) 氧化峰值电流与扫描速度的线性关系
Figure 6. (A) DPV curves of SiO2@BiOBr/rGO in PBS buffers containing different concentrations of DA; (B) Corresponding calibration curve; (C) i-t curves of NaCl, UA, AA, and GLU added to 100 μmol DA solution; (D) Cyclic voltammetry diagram of 50 cycles in 100 μmol DA solution
图6. (A) SiO2@BiOBr/rGO在含有不同浓度DA的PBS缓冲液中的DPV曲线图；(B) 相应的校准曲线；(C) 向100 μmol的DA溶液中加入NaCl、UA、AA、GLU的i-t曲线图；(D) 在100 μmol的DA溶液中循环50圈的循环伏安曲线图
抗干扰性是进行电化学分析的一个十分重要的标准，如图6(C)所示，为了测定其抗干扰性，我们选择了类似的四种物质：氯化钠、尿酸、抗坏血酸、葡萄糖，分别加入这些物质并采用i-t法测定光电流密度，以对其进行研究。
在加入不同抗干扰物质后可以发现，SiO2@BiOBr/rGO/GCE的光电流密度几乎没有改变，表明添加的其他物质对多巴胺的检测几乎没有任何影响，证明了SiO2@BiOBr/rGO/GCE具有十分优异的抗干扰性。
稳定性在电化学分析测试中也是非常重要的因素之一，如图6(D)所示，我们对SiO2@BiOBr/rGO/GCE进行了循环伏安曲线的测试，扫描50圈后发现光电流密度变化很微小，证明SiO2@BiOBr/rGO/GCE在电化学分析测试过程中具有非常优异的稳定性。
4. 结论
本研究成功构建了一种基于SiO2@BiOBr/rGO复合材料的光电化学传感器，并对该传感器的性能进行了系统评估。实验结果表明，这种传感器在检测多巴胺时展现出高灵敏度、良好的稳定性，显示出其在环境监测、生物检测和食品安全等领域的巨大应用潜力。在传感器的构建过程中，SiO2纳米粒子不仅提供了大的比表面积，增强了光的散射和吸收，而且提高了材料的整体稳定性。BiOBr作为可见光响应的光催化材料，扩展了光谱应用范围，提高了光电转换效率。rGO的引入则有效加速了光生电子–空穴对的分离，并且增加了电荷迁移率，从而进一步提升了传感器的光电化学性能。在光电化学性能测试中，SiO2@BiOBr/rGO传感器在检测多巴胺时展示出明显的光电流响应，这归功于三种材料共同作用于待测物质。与单一组分相比，该复合材料修饰的传感器在检测多巴胺时，具有明显的光电流响应和较低的检测限。除此之外，该传感器还具有优秀的特异性以及抗干扰能力，在多种物质中能够稳定且高效地检测多巴胺。总的来说，SiO2@BiOBr/rGO复合材料对多巴胺有着明显的光电流响应，可检测的范围为2~300 μmol/L，检出限为0.67 μmol/L。本研究不仅为多巴胺的快速、灵敏检测提供了一个新平台，还有望在生物医学分析和临床诊断领域发挥重要作用。
致 谢
本项目由国家自然科学基金(批准号：32101215)和南通大学大型仪器开放基金(项目号：KFJN2427)资助。
NOTES
*通讯作者。