活化碳布電化學傳感器對尿酸的檢測研究

牛博懷，王文廉*

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051)

尿酸(Uric Acid,UA)是人體嘌呤核苷酸分解代謝過程中的最終產(chǎn)物，尿酸在體內(nèi)失調(diào)會引起痛風等臨床疾病，而檢測尿酸可間接反映與嘌呤代謝有關的一些疾病，因此在臨床醫(yī)學上具有重要的現(xiàn)實意義[1]。目前檢測尿酸的方法有光譜法、熒光法、液相色譜法、酶方法和電化學法等。電化學方法具有高靈敏度、低成本等優(yōu)點[2]，其中人們對化學修飾電極法測定尿酸有著極大興趣，出現(xiàn)多種修飾電極選擇性測定尿酸。但是這類修飾電極經(jīng)常需要較繁瑣的處理過程，而且重現(xiàn)性及電極穩(wěn)定性較差，很難用于實際樣品的測定[3]。

近年來隨著柔性及可穿戴電子器件的快速發(fā)展，人們對于基于柔性甚至可延展電極的需求變得更為迫切。而碳基材料就是其中最具希望的一類，這將開辟一個革命性的機會來監(jiān)測患者[4]。碳布(Carbon Cloth，CC)是柔性電化學傳感應用中最具吸引力的材料之一，因為它具有良好的導電性，大比表面積，高電容，化學和熱穩(wěn)定性，最重要的是由于其柔韌性，易于耐磨且廉價。目前在電化學傳感方面，碳布作為柔性電極已應用于檢測葡萄糖[5]、H2O2[6]、抗壞血酸(AA)[7]、多巴胺[8]和重金屬離子[9]等。在尿酸檢測方面，出現(xiàn)了碳布與天然尿酸酶結(jié)合來對尿酸進行比色測定[10]。

本文在不使用酶的情況下，采用H2SO4作為活化劑活化碳布，使其不僅柔軟穩(wěn)定，且大大增強了其電化學活性，與傳統(tǒng)的玻碳電極和未活化的碳布相比極大提高了靈敏度。同時有較好的重復性和抗干擾性，實現(xiàn)了血清中的尿酸含量的測定，有令人滿意的實驗結(jié)果。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660E電化學分析儀(上海辰華有限公司)；KQ-500DE超聲波清洗器(江蘇昆山超聲儀器有限公司)；DHG-9013A電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)；BSA224S-CW電子天平(上海一恒科學儀器有限公司)；TG16-WS磁力攪拌器(上海實驗儀器有限公司)。

碳布(CC，臺灣碳能有限公司)；尿酸(UA，國藥集團化學試劑有限公司)；抗壞血酸(AA，天津市凱通化學試劑有限公司)；丙酮，無水乙醇，K3[Fe(CN)6]，KCl，H2SO4，KOH，煙酸，谷氨酸，半胱氨酸，檸檬酸鈉，尿素，葡萄糖，蔗糖(國藥集團化學試劑有限公司)，以上試劑均為分析純。實驗用水為去離子水。

1.2 傳感器的制備

活化電極的制備：將碳布(CC)裁剪為1 cm×2 cm，用去離子水沖洗干凈。依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲清洗15 min，放入HNO3∶H2SO4為3∶1的混合溶液中浸泡24 h，次日后取出用去離子水沖洗干凈。然后置于2 mol/L的H2SO4中，用循環(huán)伏安法(CV)在0～2 V的范圍內(nèi)，以20 mV/s掃描速度掃描6圈，取出用去離子水沖洗干凈即得酸化碳布(Acidified Carbon Cloth，ACC)。放入干燥箱干燥烘干后，在1 cm×1 cm上方涂覆一圈寬0.5 cm的指甲油，用醫(yī)用膠帶包裹此區(qū)域(該步驟起到控制工作電極面積的作用)。將電極在磷酸緩沖溶液(PBS，0.01 mol/L)中循環(huán)伏安掃描至穩(wěn)定后，即可用于測定。

1.3 實驗方法

把適量尿酸標準溶液或待測樣液放入電解池中，以制作好的酸化碳布為工作電極，采用三電極體系，參比電極和對電極分別使用Ag/AgCl電極和鉑網(wǎng)電極。用循環(huán)伏安法和微分脈沖伏安法(DPV)，控制掃速50 mV/s，在掃描電位為-0.2～0.8 V區(qū)間內(nèi)記錄電流與電位的關系曲線。每次掃描后用去離子水沖洗干凈，即可進行下一次掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 尿酸在不同電極上的電化學行為

2.1.1 活化碳布的性能分析通過在K3[Fe(CN)3]溶液中氧化還原反應來研究活化后的玻碳電極(GCE)、有效工作面積為1×1 cm2和0.5×0.5 cm2的活化碳布電極的電化學行為。待測液使用5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.1 mol/L KCl配制，用循環(huán)伏安法以50 mV/s的掃速進行測試。如圖1，0.5×0.5 cm2和1×1 cm2酸化碳布電極的陽極峰值電流(Ipa)分別為0.82 mA、3.25 mA。它們的電活性表面積同Mahesh等[8]通過Randles-Sevcik公式使用所獲得的Ipa值來計算[11]，0.5×0.5 cm2酸化碳布的電活性表面積為3.60 cm2，1×1 cm2酸化碳布的電活性表面積為14.34 cm2。即碳布整體的電化學活性與真實面積在一定范圍內(nèi)是正比關系，本文以下實驗均采用1×1 cm2酸化碳布。同時由于酸處理碳材料的特性，酸化碳布電極顯示出比GCE更大的背景電流響應[12]。在K3[Fe(CN)6]溶液中尿酸的氧化電流峰值比GCE高約300倍，在0.1 mmol/L的尿酸溶液中活化后GCE氧化電流峰值為14.33 μA[13]，1×1 cm2的酸化碳布電極氧化電流峰值比其高約40倍，這意味著酸化碳布有更強的電子傳遞能力。

圖1 GCE(a)，0.5×0.5 cm2ACC(b)和1×1 cm2ACC(c)電極在K3[Fe(CN)6]溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of GCE(a),0.5×0.5 cm2ACC(b),and 1×1 cm2 ACC (c) electrode in K3[Fe(CN)6] solution

2.1.2 活化碳布的改性分析電化學處理以進行改性時，陽極氧化會發(fā)生電能向化學能的轉(zhuǎn)變，電解質(zhì)為氧化還原過程提供了必要的電化學環(huán)境。其中電解質(zhì)的種類包括酸性電解質(zhì)和堿性電解質(zhì)，可以產(chǎn)生氫氧自由基和新生態(tài)氧兩種強氧化活性基團，與碳雙鍵發(fā)生反應[14]。

采用酸性電解液進行陽極氧化時，水在陽極發(fā)生分解，反應如下：

(1)

采用堿性電解質(zhì)時，OH-在陽極發(fā)生放電反應，產(chǎn)生新生態(tài)氧，反應如下：

(2)

(3)

用H2SO4和KOH分別對碳布進行改性，比較得出較好的活化方式。堿性活化在1 mol/L的KOH溶液中用陽極極化法在2.0 V的電壓下掃描300 s，其他步驟同酸化碳布的處理以進行制備。如圖2，碳布、堿化碳布、酸化碳布電極對0.15 mmol/L尿酸的響應圖，采用酸堿兩種電解質(zhì)都提高了碳布的表面活性，在纖維上形成了羰基、酚羥基和羧基等官能團，增強了對尿酸的催化氧化能力。酸化碳布的響應峰值比堿化后更高，故下面所有實驗均采用酸化的方式對碳布進行處理。

2.2 掃速對電位的影響

為了討論尿酸在酸化碳布電極上的電化學行為，采用循環(huán)伏安法考察了尿酸的峰電流與掃描速率之間的關系。如圖3，在0.1 mmol/L尿酸(pH=7.4)中設置掃描速率在10～300 mV/s范圍內(nèi)時，隨著掃速增加，Ipa增大，氧化峰電流Ipa與掃速的平方根v1/2呈良好的線性關系，其線性回歸方程為:Ipa=0.16766v1/2-0.46421(I:mA,v:mV/s)，相關系數(shù)R2=0.9802。同時將酸化碳布電極在0.1 mmol/L尿酸中浸泡10 min后取出，洗凈，在空白PBS中進行循環(huán)伏安掃描，未出現(xiàn)尿酸的氧化峰，由此說明尿酸在酸化碳布電極的氧化反應是受擴散控制的電極過程[15]。

圖3 不同掃速下0.1 mmol/L尿酸在PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)中響應的CV曲線Fig.3 CV curves of 0.1 mmol/L uric acid at different sweep rates in PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)v(a-k):a.300 mV/s;b.200 mV/s;c.150 mV/s;d.100 mV/s;e.70 mV/s;f.60 mV/s;g.50 mV/s;h.40 mV/s;i.30 mV/s;j.20 mV/s;k.10 mV/s.

當吸附的尿酸以完全不可逆反應被氧化時，氧化峰電位Epa與掃描速率v遵循Bulter-Volmer公式[16]:

(4)

氧化峰電位Epa隨掃速v的增大而正移，且Epa與lnv呈良好的線性關系，其線性回歸方程為:Epa=0.0237lnv+0.4050(Epa:V,v:V/s)，R2=0.9611。并且對于不可逆過程，電子轉(zhuǎn)移系數(shù)α可取0.6[17]，再根據(jù)Epa與lnv線性關系的斜率，可求得電極反應的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n≈2，證明了尿酸在酸化碳布電極上的氧化反應是兩電子過程。

2.3 線性范圍和檢出限

配制不同濃度的尿酸待測液，先加入少量KOH使其溶解，后利用0.1 mol/L的PBS調(diào)整pH為7.4。不同濃度的尿酸在酸化碳布電極上的循環(huán)伏安伏安曲線見圖4，可知隨尿酸濃度的增大，電流值也逐漸增大。在10～400 μmol/L的濃度范圍內(nèi)峰電流與相應尿酸濃度具有良好的線性關系，線性方程為：Ipa=2.4445c+0.2833(I:mA,c:mmol/L)，相關系數(shù)R2=0.9981，檢出限(S/N=3)為4.083 μmol/L。

圖4 不同濃度的尿酸在PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)中響應的CV曲線Fig.4 CV curves of different concentrations of uric acid in PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)c(a-k):a.0.4 mmol/L;b.0.35 mmol/L;c.0.3 mmol/L;d.0.25 mmol/L;e.0.2 mmol/L;f.0.15 mmol/L;g.0.05 mmol/L;h.0.04 mmol/L;i.0.03 mmol/L;j.0.02 mmol/L;k.0.01 mmol/L.

2.4 干擾實驗

配制尿酸和抗壞血酸的混合溶液，測定差分脈沖伏安圖。如圖5所示，1到20倍濃度的抗壞血酸對尿酸峰電流影響的相對誤差在10%之內(nèi)，超過50倍會使尿酸的電流信號有明顯的增強。實驗結(jié)果表明，相對誤差在5%之內(nèi)，以下物質(zhì)對尿酸(5.0×10-5mol/L)的測定不干擾：50倍煙酸、谷氨酸、半胱氨酸、檸檬酸鈉、尿素；100倍的葡萄糖、蔗糖；大量的NO2-、Na+、K+、Cl-、Ca2+。結(jié)果表明該電極具有一定的選擇性。

圖5 在PBS(0.1 mol/L，pH=7.4)中加入0.05 mol/L的尿酸和不同濃度的抗壞血酸響應的DPV曲線Fig.5 DPV curves of 0.05 mol/L uric acid mixed with different concentrations of AA in PBS(0.1 mol/L,pH=7.4)c(a-i):a.0.05 mmol/L;b.0.05 mmol/L +0.05 mmol/L;c.0.05 mmol/L+0.1 mmol/L;d.0.05 mmol/L+0.15 mmol/L;e.0.05 mmol/L+0.2 mmol/L;f.0.05 mmol/L+0.25 mmol/L;g.0.05 mmol/L+0.5 mmol/L;h.0.05 mmol/L+1 mmol/L;i.0.05 mmol/L+2.5 mmol/L.

2.5 電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

同時制作5塊酸化碳布電極，在0.2 mmol/L尿酸溶液中進行差分脈沖伏安測定，相對標準偏差為4.7%；同一酸化碳布電極對0.2 mmol/L尿酸連續(xù)進行7次測定，相對標準偏差為3.9%。將酸化碳布進行不同程度的彎曲后對測定0.2 mmol/L尿酸，相對標準偏差為3.1%；將使用后的修飾電極清洗后，浸泡在pH=7.4的0.1 mol/L PBS中，于4 ℃冷藏保存一周，對相同濃度的尿酸在第1、3、7 d進行測定，相對標準偏差為5.5%。以上實驗結(jié)果表明酸化碳布電極具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

2.6 血清中尿酸含量的測定

為進一步探究電極的實用性，采集人體血清樣品，用PBS(0.1 mol/L,pH=7.4)將血清樣品稀釋10倍，按分析方法操作測定，并用標準加入法進行樣品回收率實驗，結(jié)果見表1。從表1中可見，該傳感器對血清樣品中尿酸濃度檢測的結(jié)果令人滿意。

表1 血清中尿酸的測定及回收率

3 結(jié)論

本文用酸化碳布構(gòu)建電化學傳感器對尿酸進行檢測及其電化學行為的研究，酸化碳布電極不僅柔軟穩(wěn)定而且對尿酸的測定有很好的電催化性能。尿酸濃度在10～400 μmol/L范圍內(nèi)與氧化峰電流呈良好的線性關系，檢出限為4.083 μmol/L。該電極的主要優(yōu)點是柔軟穩(wěn)定，可用于中性環(huán)境無酶檢測尿酸，且電極成本低廉、制作簡單，具有很高的靈敏度，在柔性可穿戴傳感和生物分析應用領域有重要借鑒意義。