聚二烯丙基二甲基氯化銨改性石墨烯/氧化鋅復合材料的制備及在尿酸檢測中的應用

范詠梅+張紀梅 米超+蔡宇玲+張麗萍+朱海彬

摘要以水合肼為還原劑，硝酸鋅為前驅(qū)體，采用原位還原法同時還原氧化石墨烯（GO）和硝酸鋅，制備了聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）改性石墨烯/氧化鋅復合材料（PDDArGO/nO）。采用傅里葉紅外光譜（IR）、X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（EM）對復合材料進行了表征，并通過循環(huán)伏安（CV）和線性掃描伏安（LSV）電化學測試方法，研究了PDDArGO/nO修飾玻碳電極對尿酸（UA）的檢測性能。結果表明，此修飾電極對UA表現(xiàn)出良好的電催化活性，具有良好的抗干擾性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。采用線性掃描伏安法檢測UA的線性范圍為002～010 mmol/L和010～100 mmol/L，檢出限為159 nmol/L（S/N=3）。

關鍵詞石墨烯； 氧化鋅； 復合材料； 循環(huán)伏安； 線性掃描； 尿酸

1引 言

尿酸（UA）是生物體中嘌呤核苷、腺苷和鳥苷代謝的主要終產(chǎn)物。人體尿液和血液中尿酸的正常水平分別為19～6 mmol/L和120～50 mmol/L[1]，如果體內(nèi)尿酸水平過高會導致痛風、高尿酸血癥和慢性腎病等疾病[2，3]，因此尿酸檢測在臨床上具有重要意義。目前，檢測尿酸的方法主要有高效液相色譜法[]、毛細管電泳法[5]、酶催化法[6]與電化學方法[7，8] 等，其中，電化學方法因其簡單、快速、靈敏的特點受到廣泛關注，Sun等[9]合成了多層碳納米管/氧化石墨烯納米帶核殼異質(zhì)結修飾電極檢測UA； Guo等[10]研究了石墨烯/銀聚苯胺復合材料修飾電極對UA的電化學檢測性能。盡管各種修飾材料已經(jīng)被報道用于UA的檢測，但由于抗壞血酸（AA）和多巴胺（DA）常與UA共存，會對其檢測產(chǎn)生干擾，因此，尋找電化學性能良好的材料對玻碳電極進行表面修飾尤為重要。

石墨烯（Graphene，G）是一種具有二維共軛結構、大比表面積、高電子遷移率及較高的化學穩(wěn)定性的新型碳納米材料[11，12]，在儲能、光催化、電子以及化學傳感器等領域中應用廣泛[12，13]。但石墨烯在水中的分散性能差，限制了它的應用。聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）是一種陽離子聚合物，可與石墨烯通過非共價鍵吸附的方式結合，從而提高石墨烯在水中的分散性和穩(wěn)定性。氧化鋅（nO）具有無毒、電子傳遞速度快、成本低且生物相容性好等優(yōu)點。有研究表明，在石墨烯上修飾納米氧化鋅可提高復合材料的電化學活性[1，15]。

基于石墨烯、PDDA與nO材料的以上優(yōu)點，本實驗通過簡單的原位還原法成功合成了PDDA改性還原/nO復合材料（PDDArGO/nO），用于修飾玻碳電極，并研究了其對UA的檢測性能。結果表明，此修飾電極可實現(xiàn)UA的特異性檢測，不受共存的DA與AA的影響，而且具有穩(wěn)定性和重復性好、靈敏度高等優(yōu)點。

2實驗部分

21儀器與試劑

NICOLEiS10型紅外光譜儀（美國熱電公司）； VersaSA3型電化學工作站（美國普林斯頓公司）； 三電極體系：修飾玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為輔助電極； itachi7650型透射電子顯微鏡（日本日立公司）； X射線衍射儀（德國BRUKER AXS公司）。

聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）、多巴胺（DA）、石墨粉（8000目）、尿酸（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）； 水合肼（80%）、抗壞血酸（天津市風船化學試劑科技有限公司）； n（NO3）2·62O（天津市科密歐化學試劑有限公司）； KMnO、NaNO3（天津市光復科技發(fā)展有限公司）； 濃2SO（98%）、2O2（30%）（天津市贏達稀貴化學試劑廠）； Cl（36%～38%， 天津市德蘭化工廠）。電化學檢測所用支持電解液均為01 mol/L磷酸鹽緩沖液（PBS， p 70，含01 mol/L KCl）。 實驗用水為二次蒸餾水，試劑均為分析純。

22氧化石墨烯（GO）的制備

采用改進的文獻[16，17]方法制備GO： 分別稱取2 g石墨粉和2 g NaNO3于圓底燒瓶中，在冰水浴下加入5 mL濃2SO，攪拌1 h； 然后緩慢加入6 g KMnO， ℃以下攪拌反應2 h； 隨后將水浴溫度調(diào)至35℃，恒溫反應3 h； 用恒壓漏斗向混合物中逐滴加入90 mL水，并將水浴溫度升至98℃繼續(xù)反應1 h； 最后加00 mL水稀釋，待溫度降到60℃以下時加入10 mL 2O2和00 mL 5% Cl溶液，攪拌反應30 min。反應結束后，將反應產(chǎn)物用水離心洗滌至溶液p值為中性， 60℃下真空干燥，得到GO。

23PDDArGO /nO復合材料的制備

稱取003 g GO超聲分散在水中，配制成1 mg/mL的分散液； 加入30 mL 05% PDDA溶液，攪拌30 min，然后加入10 mL 50 mmol/L n（NO3）2溶液和2 mL水合肼，95℃恒溫水浴反應3 h。將產(chǎn)物離心，用水洗滌，60℃真空干燥，得到PDDArGO/nO復合材料。同樣的條件下制備G/nO和PDDArGO復合材料作為對照，rGO/nO的制備不加入PDDA溶液，PDDA rGO制備過程中不加n（NO3）2溶液。

2修飾玻碳電極的制備

玻碳電極（GCE，直徑 mm）用05和03 μm的氧化鋁拋光粉依次進行打磨光滑，用水和乙醇交替超聲洗滌3次，晾干備用。 分別稱取適量GO、rGO/nO、PDDArGO和PDDArGO/nO，在超聲作用下分散在水中，制備05 mg/mL的分散液； 然后移取5 μL分散液滴在預處理好的玻碳電極表面，室溫下晾干，得到不同材料修飾的玻碳電極，備用。

3結果與討論

31材料的表征

由GO與PDDA rGO /nO復合材料的紅外光譜圖（圖1）可見，GO在317、1730、1622、1392和1072 cSymbolm@@ 1處出現(xiàn)了較強的吸收峰，endprint

分別對應GO中O、CO、CC、CO以及CO的伸縮振動峰。而在復合材料中，CO和CO的吸收峰消失，在20 cmSymbolm@@ 1處出現(xiàn)了nO的伸縮振動峰，1565、1387和1210 cmSymbolm@@ 1處分別對應CC、CO和COC的特征吸收峰，說明合成材料過程中還有部分CO和COC含氧官能團剩余，但與GO相比，官能團位置發(fā)生偏移，這可能是nO及PDDA的摻入導致。

由GO、nO和PDDArGO/nO的X射線衍射譜圖（圖2）可見，GO在116°有一個強晶面衍射峰（001），這與文獻[18]報道的結果一致。PDDArGO/nO復合材料在23°有一個晶面衍射峰（002），對應GO的（001）晶面，說明合成復合材料的過程中GO被還原。除此之外，PDDArGO/nO在315°、31°、361°、72°、563°、626°、662°、677°和689°還擁有nO的特征衍射峰，分別對應（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（200）、（112）和（201）晶面，表明PDDArGO/nO復合材料中含有nO粒子。

圖3為GO、PDDArGO/nO和rGO/nO透射電鏡圖。從圖3A可見，GO為片狀結構，而且由于氧化官能團的存在，其邊緣部分呈現(xiàn)卷曲和褶皺狀態(tài)。圖3B和3C顯示了PDDArGO/nO與rGO/nO復合材料的形貌，石墨烯表面分布著nO顆粒，并且nO為梭狀結構，粒子直徑在360～30 nm之間。

裸電極（GCE）、GO、rGO/nO，PDDArGO和PDDArGO/nO修飾電極在UA溶液中的循環(huán)伏安曲線如圖A所示，不同修飾電極在UA溶液中均出現(xiàn)了氧化還原峰，通過對比可知，PDDArGO/nO電極比其它電極的峰電流強度大，氧化峰電流值與還原峰電流值分別達到0036和00165 mA，是裸電極的58倍和1808倍，而且氧化還原峰電位相對其它電極負移。這是由于PDDA的加入使PDDArGO/nO復合材料帶正電，而UA在p=7的條件下帶負電，增大了電極對UA分子的靜電吸引力，加快了電子的轉(zhuǎn)移。

nO的加入使復合材料擁有更大的電活性表面積，進一步提高了電極對UA的電催化活性。

GCE、GO、rGO/nO、PDDArGO和PDDArGO/nO修飾電極在UA、DA和AA共存時的循環(huán)伏安曲線見圖B，GCE、GO和rGO/nO修飾電極無法實現(xiàn)UA、AA、DA的峰分離，而PDDArGO與PDDArGO/nO修飾電極出現(xiàn)了3個峰，但相對PDDArGO/nO修飾電極，PDDArGO修飾電極的3種物質(zhì)的峰與峰之間的電位差及峰電流強度較小，說明PDDArGO和PDDArGO/nO修飾電極檢測UA均不受溶液中AA和DA的影響，但PDDArGO/nO修飾電極檢測UA具有更好的靈敏度。

33掃描速率對UA檢測的影響

PDDArGO/nO/GCE在UA溶液中不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線見圖5A，UA的峰電流強度隨著掃描速率的增加而增大（圖5B），掃描速率的平方根與峰電流強度在一定范圍內(nèi)存在線性關系，線性方程分別為Ipa=01608v1/2-00116（R2=09911）； Ipc= Symbolm@@ 0117v1/2+00118（R2=099116）。表明UA在PDDArGO/nO修飾電極上的電化學行為是擴散控制過程[19，20]。

3p值對檢測UA的影響

圖6顯示了p值對PDDArGO/nO修飾電極檢測UA的影響。峰電位隨著p值的增大向負電位移動，表明UA在電極上的電化學過程有質(zhì)子參與[21]，而峰電流強度則隨著p值的增大呈現(xiàn)先增大后減弱的趨勢，p=70時，峰電流達到最大，因此，后續(xù)研究中選擇p=70的PBS緩沖液 。

35方法的檢測性能

圖7A是PDDArGO/nO修飾電極在不同濃度UA溶液中線性伏安掃描曲線，圖7B是UA濃度與峰電流強度的關系圖，在002～010 mmol/L和010～100 mmol/L的范圍內(nèi)，UA的峰電流強度與濃度具有良好的線性關系，線性方程分別為I=02995C+000865（R2=099817）和I=01379C+00235（R2=099215）， 檢出限為159 nmol/L（S/N=3），與文獻報道的UA檢測方法相比（表1），PDDArGO/nO修飾電極檢測UA的檢出限低，靈敏度高。

36選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

采用線性掃描伏安法考察了PDDArGO/nO修飾電極的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。在02 mmol/L UA中， 加入5 mmol/L葡萄糖、2O2、AA和DA， 對UA測定基本無影響（信號變化的相對標準偏差Symbolm@@ 8 his work[BG）][5]

（RSD）<10%）。 為了考察電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，制備5支PDDArGO/nO修飾電極，在含有02 mmol/L UA 的PBS（p 70， 01 mol/L KCl）溶液中進行線性掃描伏安。結果表明，峰電流響應值的RSD=29%； 將修飾電極在℃儲存20 d，電流響應為原來的97%，重現(xiàn)性及穩(wěn)定性良好。

37尿液樣品分析

選取10個正常人的臨床尿液樣本檢測UA的含量，將尿液樣品用PBS（p 70， 01 mol/L KCl）溶液稀釋10倍，用PDDArGO/nO修飾電極進行檢測（見表2）。結果表明，10個尿液樣品中UA的濃度均在正常范圍內(nèi)，平均濃度為321 mmol/L。將此結果與臨床檢測值進行對比發(fā)現(xiàn)，二者測定結果一致，表明此修飾電極能用于實際樣本中UA的檢測，可以滿足實際應用的需求。

研究結果表明， 所合成的PDDArGO/nO復合材料具有良好的穩(wěn)定性和分散性， 用此材料修飾玻碳電極測定UA顯示出高靈敏度，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，用于實際尿液樣品檢測，結果與臨床檢測值一致。endprint

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AbstractBy using zinc nitrate as precursor and hydrazine hydrate as reducing agent， polydiallyl dimethyl ammonium chloride modified reduced graphene oxide/zinc oxide composite materials （PDDArGO/nO） were prepared by simultaneous reduction of graphene oxide （GO） and zinc nitrate he composite materials were characterized by ourier transform infrared （IR） spectroscopy， Xray diffractometer （XRD） and transmission electron microscopy （EM）， and their electrochemical catalytic activity for uric acid was studied by cyclic voltammetry （CV） and linear sweep voltammetry （LSV） measurements he result showed that PDDArGO/nO modified glassy carbon electrode prepared here was sensitive， reproducible and stable， and had significant electrocatalytic activity for UA When using linear sweep voltammetry for detection of UA， the responses of modified electrode were linear with UA concentration in the ranges of 002-01 mmol/L and 01-10 mmol/L respectively， with detection limit of 159 nmol/L （S/N=3）

KeywordsGraphene； inc oxide； Composite material； Cyclic voltammetry； Linear sweep voltammetry； Uric acidendprint