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    基于殼聚糖/Ru(bpy)23+/SiO2納米粒子電化學(xué)發(fā)光傳感器用于尿酸的檢測(cè)

    2016-11-09 08:32:31樊雪梅王書(shū)民李哲建鄭行望商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院商洛76000陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院西安7006
    分析化學(xué) 2016年3期
    關(guān)鍵詞:殼聚糖尿酸電化學(xué)

    樊雪梅 王書(shū)民 李哲建 鄭行望(商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院,商洛76000) (陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,西安7006)

    基于殼聚糖/Ru(bpy)23+/SiO2納米粒子電化學(xué)發(fā)光傳感器用于尿酸的檢測(cè)

    樊雪梅*1王書(shū)民1李哲建1鄭行望21
    1(商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院,商洛726000)2(陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,西安710062)

    利用反相微乳液法制備了殼聚糖復(fù)合納米粒子,采用Nafion/MCNT復(fù)合膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合納米粒子有效而穩(wěn)定的固定,從而制備了電化學(xué)發(fā)光傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)尿酸的檢測(cè)。在0.1 mol/L PBS緩沖溶液(pH 7.4)中,當(dāng)尿酸與修電極作用15 min時(shí),電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與尿酸濃度(1.0×10-10~1.0× 10-5mol/L)的負(fù)對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系,線性方程為IECL=-709.52-202.74lg C,相關(guān)系數(shù)R=0.9936,檢出限為6.0×10-12mol/L。傳感器表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性,對(duì)1.0×10-8mol/L尿酸平行測(cè)定11次,發(fā)光強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.9%,測(cè)定尿酸實(shí)際樣品的加標(biāo)回收率在98.5%~103.5%之間。

    電化學(xué)發(fā)光;殼聚糖納米粒子;尿酸

    1 引言

    尿酸是核蛋白和核酸的代謝產(chǎn)物,人體內(nèi)尿酸過(guò)量是許多疾病的征兆,如痛風(fēng)、腎功能衰竭、心血管疾病等,故人體內(nèi)尿酸的檢測(cè)在臨床診斷方面有著重要意義。目前,測(cè)定尿酸的方法主要有色譜法[1,2]、分光光度法[3,4]、熒光法[5,6]、化學(xué)發(fā)光法[7,8]、電化學(xué)法[9~11]等。

    電化學(xué)發(fā)光因其設(shè)備簡(jiǎn)單、靈敏度高、適用范圍廣等特點(diǎn)而備受關(guān)注。但是目前利用電化學(xué)發(fā)光法測(cè)定尿酸的方法較少[12,13]。近年來(lái),通過(guò)將發(fā)光試劑固定在電極表面制備得到固相電化學(xué)發(fā)光傳感器,這樣既節(jié)約了昂貴的發(fā)光試劑,又提高了靈敏度,拓寬了電化學(xué)發(fā)光法在分析化學(xué)中的應(yīng)用。溶膠-凝膠膜法和Nafion/MCNT是目前應(yīng)用最多的固定化技術(shù),但是溶膠-凝膠法制備的電化學(xué)發(fā)光傳感器穩(wěn)定性較差[14]。利用二氧化硅微球包埋聯(lián)吡啶釕,可以改善SiO2溶膠-凝膠法固定聯(lián)吡啶釕傳感器的穩(wěn)定性[15,16]。殼聚糖分子中含有豐富的游離氨基和羥基,具有良好的吸附能力、導(dǎo)電能力和生物相容性,是電化學(xué)發(fā)光傳感器中較優(yōu)良的材料[17]。

    2 實(shí)驗(yàn)部分

    2.1儀器與試劑

    MPI-E型電致化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)(西安瑞邁電子科技有限公司),Zennium電化學(xué)工作站(德國(guó)Zahner公司),UV-1600PC紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(中國(guó)上海美譜達(dá)儀器有限公司),F(xiàn)-4600熒光分光光度計(jì)(日本日立公司),RT5 POWER電磁攪拌機(jī)(德國(guó)IKA公司),WF-300D超聲波清洗機(jī)(寧波海曙五方超聲設(shè)備有限公司),TDL-802B型離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠),PT-RO 10L實(shí)驗(yàn)室超純水設(shè)備(上海品拓環(huán)保工程設(shè)備有限公司)。三電極系統(tǒng):工作電極為裸玻碳電極或修電極,Pt絲為對(duì)電極,Ag/AgCl (飽和KCl溶液)為參比電極。

    多壁碳納米管(MCNT,中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司,>7.5%,7~15 nm×0.5~10μm.);殼聚糖(MW=60000~120000 g/mol,乙?;取?0 mol%)、三聯(lián)吡啶釕、Nafion 117、正硅酸乙酯、Triton×-100、正己醇、環(huán)己烷均購(gòu)于Sigma公司;尿酸(天津市華東試劑廠);其余試劑均為分析純。

    2.2CRuS NPs的制備

    分別取7.5 mL環(huán)己烷、1.8 mL TrionX-100和正己醇混合,加入300μL超純水為分散相,攪拌0.5 h后,依次加入50μL 0.01 moL/L三聯(lián)吡啶釕和150μL 0.5%殼聚糖溶液形成穩(wěn)定的油包水結(jié)構(gòu),并加入適量NaOH溶液,將體系調(diào)為中性,然后持續(xù)攪拌1 h,依次加入90μL正硅酸乙酯、60μL氨水,再持續(xù)攪拌24 h,反應(yīng)完全后,加入6 mL丙酮破乳,離心收集復(fù)合納米粒子,然后分別以乙醇、超純水超聲離心,吸取上清液得復(fù)合納米粒子,最終將其分散在NaAc-HAc緩沖溶液(pH 5.0)中,2℃保存。

    2.3電化學(xué)發(fā)光傳感器的制備

    將玻碳電極(直徑2 mm)在0.05μmAl2O3拋光粉上打磨光亮,分別在HNO3(1∶1,V/V),乙醇(1∶1,V/V),超純水中超聲3 min,干燥后。取10μL Nafion/MCNT混合液滴加于干凈的玻碳電極表面,自然晾干。將修好的電極插入200μL均勻的CRuSNPs溶液中30 min,CRuSNPs復(fù)合納米粒子通過(guò)靜電吸附隨時(shí)間逐漸自組裝于Nafion/MCNT電極表面,隨后用0.01 mol/L PBS(pH 7.4)沖洗電極,去除非特異性吸附的CRuSNPs納米粒子,隨后,用循環(huán)伏安技術(shù)將CRuSNPs/Nafion/MCNT電極在0.9~1.4 V的電位窗口下掃描至穩(wěn)定,除去電極表面多余的,最終可制得電化學(xué)發(fā)光傳感器。圖1為電化學(xué)發(fā)光傳感器的原理圖。

    圖1 電化學(xué)發(fā)光傳感器的原理圖Fig.1 Principle diagram ofelectrochemical luminescence sensor

    2.4實(shí)驗(yàn)方法

    以CRu NPs/Nafion/MCNT/GCE修電極為工作電極,當(dāng)電解池中的尿酸與修電極作用15 min后,在-0.2~1.4 V范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,掃描速率為100mV/s,介質(zhì)為0.10mol/L PBS緩沖溶液(含50 mmol/L TPA,pH 7.4),光電倍增管負(fù)高壓為800 V,記錄電化學(xué)發(fā)光信號(hào),通過(guò)電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度值對(duì)尿酸進(jìn)行定量分析,所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行,所有電位值均相對(duì)于Ag/AgCl參比電極。

    3 結(jié)果與討論

    3.1CRuSNPs的表征

    對(duì)合成的CRuSNPs進(jìn)行了TEM表征(圖2),由圖2可知,所制備的納米顆粒的平均直徑為50 nm且分散效果較好。CRuSNPs的紫外和熒光光譜圖見(jiàn)圖3。由圖3A可知,合成的CRuSNPs復(fù)合納米粒子與游離態(tài)的紫外吸收光譜形狀相同,可知CRuSNPs在水溶液中具有很好的分散性。由圖3B可知,在458 nm激發(fā)波長(zhǎng)下,游離態(tài)的最大發(fā)射波長(zhǎng)為596 nm,而CRuSNPs的最大發(fā)射波長(zhǎng)較藍(lán)移了17 nm,這可能是因?yàn)镃RuSNPs溶液中的SiO-基團(tuán)與之間的靜電吸附使得被束縛在SiO2納米粒子內(nèi)部,致使CRuSNPs在溶液中時(shí),很少與周?chē)乃肿酉嗷プ饔茫@示出熒光發(fā)射波長(zhǎng)相對(duì)較短[18]。

    3.2傳感器的電化學(xué)及電化學(xué)發(fā)光行為

    實(shí)驗(yàn)對(duì)不同電極表面進(jìn)行了電化學(xué)及電化學(xué)發(fā)光行為進(jìn)行研究。由不同電極在0.1 mol/L PBS (pH 7.4)中循環(huán)伏安圖(圖4A)可見(jiàn),Nafion/MCNT修電極(曲線 b)的電流強(qiáng)于裸玻碳電極(曲線a),這是因?yàn)镸CNT具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性,說(shuō)明Nafion/MCNT已修于玻碳電極上,而CRuSNPs/ Nafion/MCNT修電極(曲線c)的電流強(qiáng)于Nafion/MCNT修電極(曲線b),這是因?yàn)镃RuSNPs納米粒子具有較大的比表面積,電子傳導(dǎo)能力增強(qiáng),且由曲線c還可看出,在+1.1 V處出現(xiàn)可逆的氧化還原峰,這正是的特征峰,說(shuō)明CRuS NPs已成功修于Nafion/MCNT上。

    由不同電極在50 mmol/L TPA(0.1 mol/L PBS,pH 7.4)中的電化學(xué)發(fā)光圖(圖4B)可知,裸電極(曲線a)和Nafion/MCNT修電極(曲線b)幾乎不發(fā)光,但將CRuSNPs納米粒子固定在Nafion/MCNT修電極上時(shí),出現(xiàn)明顯的發(fā)光現(xiàn)象(曲線c),這表明CRuSNPs已很好地固定在Nafion/MCNT電極表面,從而顯示出良好的電化學(xué)發(fā)光行為。

    穩(wěn)定性和重現(xiàn)性對(duì)于構(gòu)建可重復(fù)使用的修電極至關(guān)重要。由CRuS NPs/Nafion/MCNT修電極連續(xù)掃描電化學(xué)發(fā)光圖(圖4C)可見(jiàn),Nafion/MCNT與CRuSNPs混合膜修電極在連續(xù)掃描10圈的過(guò)程中,電化學(xué)發(fā)光信號(hào)非常穩(wěn)定。

    圖2 CRuSNPs的TEM圖Fig.2 TEM image of chitosan-Rucomposite nanoparticles(CRuSNPs)

    圖3 Ru(bpy)和CRuSNPs(b)的紫外光譜圖(A)和熒光光譜圖(B)Fig.3 UV-vis spectra(A)and fluorescence spectraand CRuS NPs(b)

    圖4 不同電極在0.1 mol/L PBS(pH 7.4)中的循環(huán)伏安曲線(A),不同電極在0.1 mol/L PBS(含50 mmol/L TPA,pH 7.4)中的電化學(xué)發(fā)光曲線(B),CRu NPs-Nafion/MCNT修電極循環(huán)電位掃描10圈的電化學(xué)發(fā)光-時(shí)間曲線(C),其中GCE(a),Nafion/MCNT/GCE(b),CRu NPs-Nafion/MCNT/GCE(c)Fig.4 Cyclic voltammograms obtained at different electrodes in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4)(A),ECL intensitypotential profiles obtained at different electrodes in 0.1mol/L PBS(pH 7.4)containing 50mmol/L tri-n-propylamine(TPA)(B),ECL intensity-time curves of CRu NPs-Nafion/MCNT/GCE obtained in 0.1 mol/L PBS (pH 7.4)containing 50 mmol/L TPA from continuous potential scanning over ten cycles(C).GCE(a),Nafion/MCNT/GCE(b),CRu NPs-Nafion/MCNT/GCE(c)

    3.3尿酸在CRuSNPs/Nafion/MCNT修電極上的電化學(xué)發(fā)光行為

    考察了尿酸在CRuS NPs/Nafion/MCNT修電極上的電化學(xué)發(fā)光行為。如圖5所示,當(dāng)在0.10 mol/L PBS(含50 mmol/L TPA,pH 7.4)中加入1.0×1007mol/L尿酸時(shí),電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度降低,證明尿酸對(duì) CRuS NPs/Nafion/MCNT修電極上的電化學(xué)發(fā)光有抑制作用。眾所周知,對(duì)于電化學(xué)發(fā)光體系被電氧化為而TPA被電氧化為T(mén)prA0+,從而形成TprA0自由基和TprA0+反應(yīng)得到從激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)便產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光。尿酸對(duì)該電化學(xué)發(fā)光體系的猝滅原因可能是由于尿酸的加入,消耗了部分所致[13]。

    圖5 CRuS NPs/Nafion/MCNT/GCE在含50 mmol/L TPA的0.10 mol/L pH 7.4 PBS(a)和含50 mmol/L TPA和0.10μmol/L尿酸的0.10 mol/L pH 7.4 PBS (b)中的電化學(xué)發(fā)光響應(yīng)圖。Fig.5 ECL intensity-potential profiles obtained at CRuS NPs/Nafion/MCNT/GCE in(a) 0.1 mol/L PBS (pH 7.4) containing 50 mmol/L TPA and (b) 0.1 mol/L PBS (pH 7.4) containing containing 50 mmol/L TPA and 1.0×1007μmol/L uric acid.

    3.4實(shí)驗(yàn)條件的選擇

    CRu NPs中的羥基能與尿酸中的胺基形成氫鍵,故CRu NPs/Nafion/MCNT/GCE修電極與尿酸的作用時(shí)間及體系的pH值均對(duì)電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度有一定的影響。由圖6可知,隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),電化學(xué)發(fā)光信號(hào)逐漸降低,到15 min時(shí)發(fā)光強(qiáng)度趨于平穩(wěn),再繼續(xù)延長(zhǎng)結(jié)合時(shí)間,響應(yīng)信號(hào)幾乎不變。這表明15 min時(shí)即可達(dá)到猝滅最大程度,因此選擇15 min作為反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)考察了1.0×1007mol/L尿酸在pH 5.8~8.0范圍內(nèi)的電化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象。結(jié)果表明,隨著pH值增大,抑制效果先增大后減小,當(dāng)pH=7.4時(shí),抑制效果最大。因此選擇pH 7.4的緩沖溶液進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

    3.5干擾實(shí)驗(yàn)

    在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)尿酸濃度為1.0×1007mol/L,相對(duì)誤差不超過(guò)±5%時(shí),1000倍的K+,Na+,F(xiàn)e2+,Zn2+,Ca2+,Mg2+,Cl0;500倍的葡萄糖、尿素、蔗糖;100倍的L-谷氨酸、L-賴氨酸、羥脯氨酸、抗壞血酸不干擾測(cè)定;50倍的草酸干擾測(cè)定,實(shí)驗(yàn)采取加入Ca2+消除干擾。

    3.6傳感器對(duì)尿酸的電化學(xué)發(fā)光響應(yīng)

    在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下,按實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定不同濃度尿酸電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度并繪制工作曲線(圖7)。電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度和尿酸濃度(1.0×10010~1.0×1005mol/L)的負(fù)對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系,線性方程為: IECL=0709.52-202.74lg C,相關(guān)系數(shù)R=0.9936,檢出限(S/N=3)為6.0×10012mol/L。

    圖6 1.0×1007mol/L尿酸電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)間的響應(yīng)曲線Fig.6 ECL intensity-time curves of 0.1 mol/L PBS(pH 7.4)containing 1.0×1007mol/L uric acid

    圖7 不同濃度尿酸電化學(xué)發(fā)光響應(yīng)曲線Fig.7 ECL intensity-potential curves with different concentrations of uric acid.(a)blank,(b)1.0×10010mol/L,(c) 1.0 × 1009mol/L,(d) 1.0 × 1008mol/L,(e)1.0×1007mol/L,(f)1.0×1006mol/L,(g)1.0× 1005mol/L.Inset:calibration curve for uric acid

    3.7傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性分析

    用同一支傳感器對(duì)1.0×10-8mol/L尿酸連續(xù)測(cè)定11次,電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)偏差為2.9%,用同一批次的5支傳感器對(duì)1.0×10-8mol/L尿酸進(jìn)行測(cè)定,電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)偏差為3.1%,說(shuō)明此傳感器有較好的重現(xiàn)性。為考察傳感器的穩(wěn)定性,使傳感器吸附1.0×10-8mol/L尿酸溶液后,置于4℃下保存,定期測(cè)定電化學(xué)發(fā)光信號(hào)值。14天內(nèi),電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度幾乎不變,說(shuō)明傳感器的穩(wěn)定性較好。

    3.8樣品測(cè)定

    取3份新鮮尿液0.5mL于50mL容量瓶中,加入1.00mL 0.01mol/LCaCl2以除去用高純水定容,再將該溶液稀釋1000倍,以此為分析樣品,按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定,同時(shí),進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。加標(biāo)回收率為98.5%~103.5%,RSD為2.3%~3.1%,表明本方法可用于實(shí)際樣品的測(cè)定。

    表1 尿液樣品分析及回收率實(shí)驗(yàn)Table 1 Determination result of uric acid in urine(n=11)

    4 結(jié)論

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    Thiswork was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.30970696).

    2015年度《分析化學(xué)》最佳審稿專家

    本刊2015年度收到論文千余篇,在廣大分析化學(xué)專家的熱情支持下,順利完成全年的編輯出版工作,并榮獲““中國(guó)百種杰出學(xué)術(shù)期刊(2014年度)”稱號(hào)和“中國(guó)知網(wǎng)”評(píng)選的“2015中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊”稱號(hào)。衷心感謝廣大分析化學(xué)工作者對(duì)本刊的支持與厚愛(ài)。為表彰在提高《分析化學(xué)》期刊學(xué)術(shù)質(zhì)量工作中做出了突出貢獻(xiàn)的審稿專家,編輯部舉辦了首屆"最佳審稿專家"評(píng)選活動(dòng)。此次評(píng)選主要依據(jù)審稿專家的審稿質(zhì)量、審稿數(shù)量、審稿周期等評(píng)價(jià)指標(biāo),經(jīng)綜合評(píng)議,評(píng)選出了12名最佳審稿專家。名單公布如下:

    Determination of Uric Acid Based on Chitosan/Ru(bpy)/SilicaNanoparticles Electrochem ilum inescence Sensor

    FAN Xue-Mei1,WANG Shu-Min1,LIZhe-Jian1,ZHENG Xing-Wang2
    1(College of Chemical Engineering and Modern Materials,Shangluo University,Shangluo 726000,China)2(School of Chemistry and Chemical Engineering,Shaanxi Normal University,Xi'an 710062,China)

    Chitosan-Rucomposite nanoparticles(CRuS NPs)were prepared by reverse microemulsion method,and based on the Nafion/MCNT composite membrane technology,CRuS NPs were effectively andsteadilyimmobilizeonthesurfaceof aglassycarbonelectrodetopreparethe electrochemiluminescence sensor for uric acid determination.In 0.1 mol/L PBS(pH 7.4)buffer solution,whentheactuationdurationbetweenuricacidandthemodifiedelectrodewas15min,the electrochemiluminescence showed a good linear relationship to the negative logarithm of uric acid concentration in the range of 1.0×10-10-1.0×10-5mol/L,the linear equation was IECL=-709.52-202.74lg C and the correlation coefficient was 0.9936 with a detection limit of 6.0×10-12mol/L.The ECL sensor exhibited excellent repeatability and stability,and the RSD for 11 times determination of1.0×10-8mol/L uric acid was 2.9%.The recovery was 98.5%-103.5%in the determination of real Uric acid sample.

    Electrogenerated chemiluminescence;Chitosan-Ru(bpy)nanoparticles;Uric acid

    6 September 2015;accepted 29 December 2015)

    姓名 單位 審稿論文(篇)邵學(xué)廣 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)系 9郭偉強(qiáng) 浙江大學(xué)化學(xué)系 7尹學(xué)博 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)系 7胡斌 武漢大學(xué)化學(xué)系 7屠一峰 蘇州大學(xué)化學(xué)系 6趙先恩 曲阜師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 6劉文涵 浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院 6李攻科 中山大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 6邢志 清華大學(xué)化學(xué)系 6干寧 寧波大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 5欒天罡 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 5韓鶴友 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 5

    10.11895/j.issn.0253-3820.150705

    2015-09-06收稿;2015-12-29接受

    本文系國(guó)家自然科學(xué)基金(No.30970696);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2012KTDZ02-02);商洛市科技局計(jì)劃項(xiàng)目(SK-2014-4)及陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(14SKY-FWK06)資助。

    *E-mail:fanxuemei527@163.com

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