層層組裝納米金/天冬氨酸傳感器對(duì)尿酸的電化學(xué)性質(zhì)研究

盧先春，張 穎，丁婷婷，李亞輝，許春萱*

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.河南省信陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

尿酸(UA)是人體內(nèi)核苷酸和嘌呤分解代謝的產(chǎn)物.身體新陳代謝及免疫能力等機(jī)能狀況，可以通過尿酸在體液中的含量變化來說明.醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，尿酸含量偏離正常值范圍是腎功能衰竭、高尿酸血癥、痛風(fēng)等許多疾病的征兆[1].鑒于此，研究尿酸在人體中含量的檢測(cè)方法及分析，對(duì)病情進(jìn)展的了解、臨床診斷等具有實(shí)際的意義.目前，尿酸測(cè)定方法主要有化學(xué)發(fā)光法[2]、酶法[3]、液相色譜法[4]、電化學(xué)法[5-7]等.因電化學(xué)方法具有靈敏度高，檢出限低，操作簡(jiǎn)便，成本低等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于生物小分子等的測(cè)定[8-9].本研究中，利用納米金具有催化活性、生物相容性、界面交互性等特殊性質(zhì)與具有良好導(dǎo)電性能的天冬氨酸層層組裝制備了響應(yīng)尿酸的傳感器.該傳感器制備簡(jiǎn)單，使用便捷 ，響應(yīng)快，檢出限低.用于尿樣中尿酸含量的檢測(cè)，得到滿意結(jié)果.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI660D 電化學(xué)工作站，上海辰華儀器公司； pH-3C 型精密酸度計(jì)，上海大普儀器有限公司；KQ2200 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器公司 .三電極體系：傳感器作為工作電極(=3 mm)，鉑柱電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極.尿酸、天冬氨酸、氯金酸(上?；瘜W(xué)試劑公司，分析純)；其他所用試劑均為分析純.實(shí)驗(yàn)用水為二重蒸餾水.

1.2 傳感器的制備

1.2.1 玻碳電極預(yù)處理

1.2.2 納米金傳感器的制備

把處理好的玻碳電極作為傳感器，將三電極插入 0.1% HAuCl4的 0.1 mol/L KNO3溶液中，于-1.2 V 恒電位電沉積 100 s，使金微粒聚集于電極表面，取出后可觀察到電極表面附有一層金黃色的膜，證明裸玻碳電極被組裝上了納米金膜.把該電極用二次蒸餾水沖洗干凈，用洗耳球吹干，便制得納米金修飾的玻碳電極傳感器 (Au/GCE).

1.2.3 天冬氨酸傳感器的制備

把處理好的玻碳電極作為傳感器，將三電極插入 5×10-3mol/L 的天冬氨酸溶液中，循環(huán)伏安法(CV)在-0.8～2.0 V電位范圍，掃描速度為100m V/s，掃描15圈，取出用二次蒸餾水清洗, 即制得天冬氨酸復(fù)合膜傳感器(poly-Asp /GCE).

1.2.4 層層組裝天冬氨酸/納米金傳感器的制備

把 Au/GCE 放入 5×10-3mol/L 的天冬氨酸溶液中，如 1.2.3 方法聚合上天冬氨酸膜，即得到層層組裝的天冬氨酸/納米金傳感器(poly-Asp/Au/GCE).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

把適量尿酸( UA) 標(biāo)準(zhǔn)溶液或樣品待測(cè)液放入電解池中，以傳感器為工作電極，采用三電極體系，用CV或DPV法，掃描電位為-0.2 ～0.8 V范圍內(nèi)電流與電位的關(guān)系曲線.每次掃描結(jié)束，用二次蒸餾水沖洗電極，用吸水紙吸干水分，則可進(jìn)行下一次掃描.所有實(shí)驗(yàn)操作條件均在常溫下進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 交流阻抗譜

交流阻抗譜(EIS)能說明修飾過的電極表面阻抗的變化情況.在0.1 mol/L PBS (pH 7.0)的電解質(zhì)溶液中，掃描不同修飾電極的阻抗譜，結(jié)果如圖1.圖中顯示，裸玻碳電極具有一個(gè)較大的阻抗(曲線a);當(dāng)把納米金組裝到裸電極表面后，阻抗減小(曲線b)；當(dāng)裸電極組裝上天冬氨酸后，EIS(曲線c)基本為直線，阻抗更小，說明聚天冬氨酸膜具有較好的導(dǎo)電能力.層層組裝上納米金和天冬氨酸后，EIS(曲線d)基本為直線，阻抗大大減小，說明有效提高了電極表面電子轉(zhuǎn)移的速率.

圖1 不同修飾電極的阻抗譜圖Fig. 1 EIS of the electrode at different stages in 1 mmol/LFe(CN)63-/4- + 0.1 mol/L KCl ：(a) GCE , (b) Au /GCE , (c) poly-Asp /GCE , (d) poly-Asp/Au/GCE The frequency range is between 0.1 and 105 Hz with signal amplitude of 5 mV

2.2 UA 在不同材料傳感器上的電化學(xué)行為

將不同傳感器放入以 0.1 mol/L PBS(pH = 7.0)作為支持電解質(zhì)的1.0×10-4mol/L尿酸溶液中，以100 mV/s掃速進(jìn)行CV掃描，結(jié)果如圖2所示.UA在GCE上于0.32 V附近只出現(xiàn)了一小的氧化峰(曲線a)，說明UA在GCE上是完全不可逆的；UA在poly-Asp/GCE上也是不可逆的但氧化峰電流信號(hào)增強(qiáng)(曲線b)；而在poly-Asp/Au/GCE上，出現(xiàn)了還原峰，說明具有了一定的可逆性，且氧化峰的峰電流是GCE的6.5倍(曲線d)，層層組裝聚天冬氨酸和納米金傳感器顯著提高了檢測(cè)尿酸的靈敏度.

圖2 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖Fig. 2 Cyclic voltammograms of (a) GCE , (b) poly-Asp/GCE, (c) Au/GCE, (d) poly-Asp/Au/GCE in 0.1 mol/L PBS (pH 7.0) with a scan rate of 100 mV/S

2.3 支持電解質(zhì)的選擇

分別用 HAc-NaAc、B-R、PBS等常用緩沖溶液作溶劑，配制 1.0×10-4mol/L 尿酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照實(shí)驗(yàn)方法，分別記錄循環(huán)伏安圖.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在 0.1 mol/L 的 PBS 緩沖溶液 UA 氧化峰的峰型最好，峰電流響應(yīng)最大.因此選擇 0.1 mol/L 的 PBS 緩沖溶液作為支持電解質(zhì)溶液

2.4 掃速的影響

研究了在poly-Asp/Au/GCE傳感器上，掃描速度在20～400 mVs范圍內(nèi)，掃速對(duì)UA電化學(xué)氧化的影響.結(jié)果如3.圖中顯示，隨著掃速的增大，UA的氧化峰電流隨之增大，峰電位稍微正移，峰電流(Ip)與掃速(v)平方根呈良好的線性關(guān)系，線性方程為：Ip= -1.40v1/2+2.65，R=0.998.這說明UA在傳感器表面的電化學(xué)過程受擴(kuò)散控制.

圖3 不同掃速對(duì) UA 氧化還原行為的影響Fig. 3 Effect of the scan rate on redox behaviour of UA in 0.1 mol/L PBS (pH 7.0) at various scan rates (a-j): 20, 50, 80, 100,120, 150, 180, 200, 300, 400 mV/s , respectively

2.5 pH的影響

在pH 5.0～9.0范圍內(nèi)，研究了不同pH電解質(zhì)溶液對(duì)UA電化學(xué)行為的影響，結(jié)果如圖4.結(jié)果顯示，UA氧化峰的峰電位隨pH的增加而負(fù)移，經(jīng)分析可知，氧化峰的峰電位與 pH 呈良好的線性關(guān)系，線性方程為：E(V) = -0.052pH + 0.699 ，相關(guān)系數(shù)R為 0.998 ，說明 H+參與了該電極反應(yīng).在 pH 為5.5、6.5和7.0時(shí)氧化峰電流較大.但是考慮人體體液酸度實(shí)際情況，選擇 pH 為7.0的 PBS 作為支持電解質(zhì)進(jìn)行定量分析.

圖4 pH對(duì) UA 氧化峰電流的影響Fig. 4 Effect of pH on redox peak current pH(a-f): 5.0, 5.5,6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0, 8.5,9.0

2.6 穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和干擾實(shí)驗(yàn)

用DPV法連續(xù)測(cè)定1.0×10-4mol/L UA 標(biāo)準(zhǔn)溶液7次， 氧化峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD) 為3.1%.相同條件下，制備 6 支poly-Asp/Au/GCE傳感器，平行測(cè)定1.0×10-4mol/L UA標(biāo)準(zhǔn)溶液，RSD為3.6%.將poly-Asp/Au/GCE傳感器浸入空白底液，4 ℃保存；5 d后再次進(jìn)行分析，峰電流下降為原來的95.8%.

圖5 不同濃度 UA 的差分脈沖伏安圖Fig. 5 Differential pulse voltammograms for the determination of UA in 0.1 mol/L PBS7.0 at poly-Asp/Au/GCE ranging from 0.4～100 μmol/L (from a to h: 0.4、0.8、1、4、8、40、80、100 μmol/L)

2.7 標(biāo)準(zhǔn)曲線的研究

在優(yōu)化條件下，用DPV法測(cè)定不同濃度UA的氧化峰的峰電流.結(jié)果表明, 在 4.0×10-7～1.0×10-4mol/L 濃度范圍內(nèi)，UA 的氧化峰電流與其濃度具有良好的線性關(guān)系, 線性方程為I(μA)= 0.010-0.022C(μmol/L), 相關(guān)系數(shù)為0.998，信噪比為3時(shí)，檢出限為1.0×10-7mol/L.

2.8 尿樣中UA測(cè)定

將制備的poly-Asp/Au/GCE傳感器用于尿樣中 UA 的測(cè)定.取尿樣 2.50 mL于50 mL 容量瓶中，用0.10 mol/L PBS(pH7.0)的緩沖溶液定容，用 DPV 法進(jìn)行測(cè)定.用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行回收率測(cè)定，結(jié)果見表 1.

表1 尿樣中UA的測(cè)定Tab. 1 Determination of uric acid in urine samples ( n = 6)

3 結(jié)論

制備的層層組裝poly-Asp/Au/GCE傳感器，能夠促進(jìn) UA 在該傳感器上的電子轉(zhuǎn)移，據(jù)此建立了測(cè)定尿酸的電化學(xué)新方法.該電化學(xué)傳感器具有制備簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、成本低、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性好，且檢出限低、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了一種靈敏、快速檢測(cè)尿樣中UA的新方法.