L-精氨酸和石墨烯聚合修飾電極對尿酸的測定

張 娜，汝冬冬，劉 旭，孫登明

（淮北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽淮北235000）

0 引言

石墨烯是一種新型的碳納米材料，其厚度一般小于1 nm[1]，是最薄、最堅(jiān)硬、電阻率最小的材料[2]，它由碳原子組成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜[3]，石墨烯的結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性，所載電荷有其特有的遷移方式，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特，性能優(yōu)異，具有較高的比表面積[4]，較好的機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[5]，并有很好的導(dǎo)電性[6]，是一種良好的電化學(xué)傳感材料[7]，已被用于電池、場效應(yīng)晶體管、生物傳感器[8]等領(lǐng)域。以石墨烯為基礎(chǔ)傳感器[9]的應(yīng)用越來越廣泛，不僅可以應(yīng)用于藥物和生物小分子的分析測定，對研究牛血紅蛋白，活體細(xì)胞等復(fù)雜物質(zhì)也發(fā)揮著重要的作用。該文以石墨烯和L-精氨酸為修飾劑，通過電化學(xué)方法分別制備了石墨烯和聚L-精氨酸/石墨烯修飾玻碳電極，該電極對尿酸有良好的催化氧化作用，可用于尿酸的測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

Zennium電化學(xué)工作站（德國Zahner公司）；LK2006A電化學(xué)工作站（天津蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司）；pHS-3C型酸度計(jì) （上海康儀儀器有限公司）。

尿酸 UA：1.00×10-3mol/L （aladdin 公司）；L-精氨酸：5.0×10-3mol/L（aladdin 公司）；石墨烯：2 mg/mL（南京先鋒納米材料科技有限公司）；磷酸鹽緩沖溶液（PBS）（0.1 mol/L）：pH1.0~pH9.0。 尿酸溶液需要避光冷存，使用時，依次稀釋至所需濃度；試驗(yàn)所用試劑均為分析純或優(yōu)級純，所用蒸餾水為二次亞沸蒸餾水。

1.2 修飾電極的制備

將直徑為3 mm的玻碳電極按文獻(xiàn)[10]用Al2O3(0.05 μm)懸乳液拋光成鏡面預(yù)處理后，將玻碳電極，Ag/AgCl電極和鉑電極放入聚合液中（10 mL聚合液中含2.5 mL 5.0×10-3mol/L L-精氨酸，5.0 mL 2 mg/mL石墨烯，用2.5 mL 0.1 mol/L磷酸鹽控制聚合液pH為5.5），靜置25 s，在2.3~-1.4 V電位范圍內(nèi)，掃速為0.13 V/s時，聚合掃描7周，取出，用二次水淋洗，晾干，備用。

1.3 測定方法

取10 mL的容量瓶，準(zhǔn)確加入2.5 mL pH為7.0的PBS及一定量的UA，用亞沸水定容，充分搖勻后轉(zhuǎn)移到石英電解池中。以Ag/AgCl電極為參比電極，修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對電極。進(jìn)行循環(huán)伏安或差分脈沖伏安法掃描，記錄電化學(xué)參數(shù)。掃描結(jié)束后，在空白底液中進(jìn)行伏安掃描，至UA峰消失，即可進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳聚合條件的選擇

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚合液中，L-精氨酸濃度為1.25×10-3mol/L，石墨烯濃度為1.0 mg/mL，pH為5.5，靜置時間為25 s，聚合掃描電位范圍為2.3~-1.4 V，掃速為0.13 V/s時，聚合掃描7周，制備的修飾電極對尿酸的測定，靈敏度最高。L-精氨酸和石墨烯循環(huán)掃描過程的伏安曲線見圖1。圖中第一周還原峰出現(xiàn)在-0.65 V左右，第二周還原峰移至-0.5 V左右，并隨著掃描次數(shù)的增加，還原峰變化很小，氧化峰隨掃描次數(shù)的增加，峰向正方向移動，與文獻(xiàn)[11]接近。

圖1 L-精氨酸和石墨烯的循環(huán)掃描伏安圖Fig.1 CVs of L-arginine acid and GO

圖2 GCE、PLA-ERGO/GCE和ERGO/GCE的掃描電子顯微鏡圖Fig.2 SEM images of GCE,PLA-ERGO/GCE and ERGO/GCE

2.2 修飾電極的表征

2.2.1 掃描電鏡

圖 2為 GCE，PLA-ERGO/GCE 和 ERGO/GCE的掃描電鏡圖，從圖可以看出，與祼電極相比，石墨烯修飾電極表面出現(xiàn)了高低不平的物質(zhì)，說明石墨烯成功修飾到玻碳電極表面，比表面積比較大的石墨烯可以有效增加待測物質(zhì)與電極表面的接觸面積，提供了更多活性位點(diǎn)，增大催化性能；石墨烯與L-精氨酸共聚后的電極表面變光滑，石墨烯顆粒變小，說明共聚后，精氨酸與石墨烯發(fā)生交疊，部分精氨酸覆蓋在石墨烯表面，減少了石墨烯的活性位點(diǎn)，導(dǎo)致靈敏度有所降低，但精氨酸共聚后，提高了測定的精度和重現(xiàn)性。

2.2.2 電化學(xué)交流阻抗研究

圖3是聚L-精氨酸/石墨烯修飾電極（a）、石墨烯修飾電極（b）和裸電極（c）在含 5.0×10-3mol/L K3[Fe(CN)6]和1.0 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖譜，圖中可以看出GCE有一明顯圓弧，這是因?yàn)殡姌O過程受電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)支配；石墨烯修飾后，阻抗圖中圓弧明顯變小，表明電子傳輸速度加快，精氨酸和石墨烯共同修飾后，阻抗圖中圓弧比石墨烯稍有增大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的靈敏度一致。單純的ERGO修飾電極雖然導(dǎo)電性高，但在測定過程中由于石墨烯的脫落，會影響測定的精確度和電極的使用壽命；而精氨酸的摻雜修飾可以避免該缺陷，明顯提高了測定的精密度和電極的使用壽命。

圖3 聚L-精氨酸/石墨烯(a)、聚石墨烯（b）和裸電極（c）的阻抗圖Fig.3 EIS graph of PLA-ERGO/GCE(a),ERGO/GCE(b)and GCE(c)

2.3 UA的循環(huán)伏安和差分脈沖伏安行為

圖 4和圖 5分別為 5.00×10-5mol/L UA在GCE，ERGO/GCE和 PLA-ERGO/GCE上的循環(huán)伏安圖和差分脈沖伏安圖。可以看出UA在GCE上的氧化峰電流最小，在PLA-ERGO/GCE上的氧化峰電流較大，而在ERGO/GCE上的氧化峰電流最大，這說明ERGO/GCE的催化效果最強(qiáng)，可能是ERGO提供了較大的比表面積。

圖4 在(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE上UA的循環(huán)伏安圖Fig.4 CVs of UA on(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE

圖5 在(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE上UA的差分脈沖伏安圖Fig.5 DPVs of UA on(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE

2.4 pH的影響

利用DPV和CV法，控制其它測定參數(shù)不變，只改變測定底液的pH值試驗(yàn)，結(jié)果見圖6和圖7及表1。說明隨著pH值的不斷增大，UA的氧化峰電位向負(fù)方向移動，且兩者有較好的線性關(guān)系，當(dāng)pH=7.0時，峰電流數(shù)值最大，且峰形最好。故實(shí)驗(yàn)選擇最佳的測定酸度是pH為7.0。

圖6 UA在不同pH溶液中的DPV曲線Fig.6 DPVs of UA in different pH pH 1-17:1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9;Scan rate of 0.13 V/s

圖7 UA在不同pH下CV曲線Fig.7 CVs of UA in different pHpH1-11:3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8;Scan rate of 0.13 V/s

表1 pH與UA的峰電位的關(guān)系Tab.1 The relationship between peak potential and pH of UA

2.5 掃速與峰電流，峰電位的關(guān)系

在最佳的電位范圍-0.2~1.0 V，pH=7.0的測定底液中，改變掃速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖8和表2表明，在0.02~0.40 V/s范圍內(nèi)，UA的氧化峰電位隨著掃速的增加正向移動，峰電流逐漸增高，且掃描速率與峰電流在0.02~0.40 V/s之間滿足線性方程lg Ia=2.282+0.7494 lg v，r=0.9931。 表明UA 的電化學(xué)氧化過程以擴(kuò)散和吸附共同控制，實(shí)驗(yàn)選取0.13 V/s作為最佳的掃速條件。

圖8 不同掃速下UA的CV圖Fig.8 CVs of UA at different scan rate υ(V/s):0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.12,0.14,0.16,0.18,0.20,0.22,0.24,0.26,0.28,0.30,0.32,0.34,0.36,0.38,0.40

表2 掃速與峰電流，峰電位的關(guān)系Tab.2 The relationship between scan rate and peak current,peak potential

2.6 工作曲線

采用示差脈沖伏安法，最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下，在-0.2~1.0 V電位范圍內(nèi)，電位增量0.009，振幅0.09，脈沖寬度0.03，采樣間隔0.02，脈沖周期0.1，靜置時間50 s。采用不同的修飾電極測定不同濃度的尿酸溶液，結(jié)果見表3。

2.7 穩(wěn)定性和精密度

在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，對5.00×10-5mol/L的尿酸溶液平行測定20次，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD分別為 3.8%(PLA-ERGO/GCE)和 4.6%(ERGO/GCE)，說明復(fù)合修飾電極重現(xiàn)性較好，兩電極在室溫下放置2周，再進(jìn)行測定時，峰電流和峰電位基本不變，說明修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。

表3 UA的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)和檢出限Tab.3 Linear ranges,regression equations,correlation coefficients and detection limits of UA

2.8 干擾實(shí)驗(yàn)

對一定濃度的UA溶液(5.00×10-5mol/L)進(jìn)行相關(guān)的干擾測定，在允許誤差范圍±5%內(nèi)，加入干擾組分，測定加入干擾組分前后尿酸電流和峰電位的變化，結(jié)果表明，尿素、抗壞血酸、葡萄糖、曲酸、纈氨酸、左旋多巴、組氨酸、蘇氨酸、硫脲、檸檬酸、 曲酸、C2O42-、Na+、SO32-、SO42-、NH4+、Cl-、Ba2+、Al3+、Mg2+、CO32-、HCO3-、NO3-、K+、Pb2+、Zn2+、Ag+、Fe3+加入量為1mg時（未做最高限）均不干擾尿酸的測定，說明方法的選擇性高。

2.9 樣品分析

人體尿液稀釋至所需濃度配制成待測液進(jìn)行測定，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再向待測液中加入一定量的尿酸標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行回收實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 樣品中UA的分析測定Tab.4 The analysis of uric acid in samples

3 結(jié)論

通過簡單的方法制備了PLA-ERGO/GCE，ERGO/GCE，并研究了UA的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)表明，UA在 PLA-ERGO/GCE，ERGO/GCE上產(chǎn)生較靈敏的響應(yīng)信號，UA在電極表面的氧化過程受擴(kuò)散和吸附共同控制。采用DPV技術(shù)，建立了對UA定量分析的新方法，對樣品中UA進(jìn)行測定，結(jié)果令人滿意。

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