氧化石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾電極測定尿酸

樊雪梅， 王書民， 李哲建， 王毅夢，劉 萍， 范新會(huì)

(1.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西商洛 726000;2.西安工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710021)

尿酸(UA)是人類嘌呤代謝的終極產(chǎn)物，為臨床化學(xué)檢測的重要項(xiàng)目，其可以幫助診斷痛風(fēng)、腎功能減退和中毒產(chǎn)生的肝臟疾病[1]。目前測定尿酸的方法主要有酶法[2]、比色法[3,4]、熒光法[5,6]、色譜法[7]和化學(xué)發(fā)光法[8,9]等。

電化學(xué)分析法在很大程度上得益于電極修飾方法和修飾手段的進(jìn)步，具有儀器設(shè)備簡單，測試靈敏、快速和準(zhǔn)確等特點(diǎn)而廣受關(guān)注。目前利用電化學(xué)方法檢測尿酸已有報(bào)道，如：Han等[10]合成了氮摻雜的碳基納米材料，并用于尿酸的電化學(xué)檢測； Ibrahim等[11]制備了硼摻雜的CeO2修飾碳糊電極，用于人體液中尿酸的電化學(xué)檢測； Shahamirifard等[12]制備了ZrO2-膽堿-氯化金納米顆粒修飾碳糊電極，用于人尿中尿酸的測定。氧化石墨稀(GO)具有離域π鍵和大的比表面積，有利于分子的吸附，其分子內(nèi)含有羥基、羧基、環(huán)氧基團(tuán)，因其易于被修飾和功能化而被廣泛應(yīng)用。目前利用GO電化學(xué)檢測尿酸已有報(bào)道。如Zheng[13]等制備了分子印跡聚合物/還原氧化石墨烯復(fù)合材料，用于尿酸的電化學(xué)檢測。Huang[14]等將石墨烯泡沫碳納米管復(fù)合材料與金納米粒子偶聯(lián)，制備了電化學(xué)傳感器并用于尿酸的電化學(xué)檢測。Boitumelo[15]等研究了不同元素?fù)诫s的石墨烯薄膜修飾的ITO電極的電化學(xué)行為，并用于尿酸的檢測。Sriram[16]等制備了Fe3O4納米球修飾的還原氧化石墨烯納米薄片，用于尿酸的檢測。但這些方法存在修飾電極制備步驟繁瑣、不易操作的缺點(diǎn)。

本文利用自組裝技術(shù)，制備了氧化石墨烯-殼聚糖(GO-CS)復(fù)合膜修飾電極，研究了尿酸在該復(fù)合膜修飾電極上的電化學(xué)行為，建立了測定尿酸的新方法。與已報(bào)道的電化學(xué)方法相比，該修飾電極制備方法簡單、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好，用于尿酸的檢測，方法簡單。

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)；RT5 POWER電磁攪拌機(jī)(德國，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)。

1.0×10-3mol/L尿酸(UA，Sigma公司)儲(chǔ)備液：準(zhǔn)確稱取0.0084 g尿酸，用少量0.1 mol/L Na2CO3溶液溶解后定容于50 mL容量瓶中；0.5%殼聚糖(CS，Sigma公司)溶液：準(zhǔn)確稱取0.0200 g殼聚糖溶于4 mL 1%HAc中。石墨粉、H2SO4、NaNO3、KMnO4、30%H2O2、K2HPO4、KH2PO4和K3[Fe(CN)6]均購于西安化學(xué)試劑廠。實(shí)驗(yàn)用水由PT-RO10L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)制備。

1.2 氧化石墨烯的制備

采用傳統(tǒng)的Hummers法[17]制備氧化石墨烯。將3.0 g的325目的石墨粉與69.0 mL濃H2SO4混合，置于冰水浴中，磁力攪拌過程中加入1.5 g NaNO3，9.0 g KMnO4，控制反應(yīng)溫度低于20 ℃，反應(yīng)2 h后得到深綠色溶液，再加熱到35 ℃反應(yīng)0.5 h，溶液變?yōu)樽睾稚?。加?80 mL超純水，待反應(yīng)溫度升至98 ℃后反應(yīng)0.5 h，溶液由棕褐色變?yōu)闇\黃色，加入213.0 mL超純水，攪拌10 min，再加入25.0 mL 30%H2O2，溶液變?yōu)榻瘘S色。沉降棄去上層清液，用1 mol/L的HCl多次洗滌后，再用超純水洗滌至中性，置于真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨烯，研磨成粉備用。

1.3 氧化石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾電極的制備

將玻碳電極(GCE)在0.05 μm Al2O3拋光粉上打磨光亮，分別在1∶1的硝酸，1∶1的乙醇，超純水中超聲，干燥后。將1.0 mg氧化石墨烯超聲分散于1.0 mL 0.5%殼聚糖溶液中，得到氧化石墨烯-殼聚糖分散液。取5.0 μL氧化石墨烯-殼聚糖分散液滴加于干凈的玻碳電極表面，自然晾干，制得氧化石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾電極。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

室溫下，以裸玻碳電極或氧化石墨烯-殼聚糖修飾玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極，在0.5～1.0 V電位范圍，使用差分脈沖伏安技術(shù)對尿酸進(jìn)行測量。以0.684 V處氧化峰電流Ip對尿酸進(jìn)行定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯的表征

采用掃描電鏡(SEM)對制備的氧化石墨烯進(jìn)行表征。由圖1可以看到氧化石墨烯-殼聚糖具有相對比較光滑的層狀結(jié)構(gòu)，是小而輕的薄片。

圖1 氧化石墨烯的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM image of GO

2.2 氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極的電化學(xué)表征

采用循環(huán)伏安法對氧化石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾電極在5.0×10-3mol/L K4[Fe(CN)6]溶液中進(jìn)行電化學(xué)表征。結(jié)果顯示，K4[Fe(CN)6]在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的氧化還原峰電流是裸電極的1.2倍，這歸功于氧化石墨烯大的比表面積和良好的導(dǎo)電性能。

2.3 尿酸在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的電化學(xué)行為

圖2為2.0×10-5mol/L尿酸在裸玻碳電極和氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的循環(huán)伏安圖。如圖2所示，尿酸在裸玻碳電極上信號比較弱(曲線a)，而在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上(曲線b)，正向掃描時(shí)，于0.615 V出現(xiàn)一個(gè)氧化峰，反向掃描時(shí)，于0.446 V出現(xiàn)一還原峰，這表明氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極對尿酸有很好的電催化作用。這可能是因?yàn)闅ぞ厶怯须x域π鍵和較大的比表面積，有利于尿酸在電極表面的吸附。同時(shí)，殼聚糖中含有羥基和氨基，可以與尿酸分子的羧基氧和亞氨基產(chǎn)生氫鍵，電子通過N···H···O和O···H···O傳遞，降低了尿酸的過電位，促進(jìn)了其氧化還原。

圖2 2.0×10-5 mol/L尿酸在裸玻碳電極(a)和氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極(b)上的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of 2.0×10-5 mol/L UA at bare GCE(a) and GO -CS modified electrodes(b)

2.4 條件的優(yōu)化

考察了氧化石墨烯-殼聚糖分散液用量對實(shí)驗(yàn)的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化石墨烯-殼聚糖分散液量比較小時(shí)，尿酸峰電流比較小，當(dāng)?shù)渭恿繛?.0 μL時(shí)，峰電流最大，繼續(xù)增加分散液量，電流基本趨于穩(wěn)定。說明5.0 μL已經(jīng)達(dá)到電極飽和。故實(shí)驗(yàn)采用5.0 μL作為氧化石墨烯-殼聚糖分散液滴加量。

考察了掃描速度對尿酸伏安行為的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在10～225 mV/s掃速之間，隨著掃描速度的增大，氧化峰電位出現(xiàn)正移，還原峰電位出現(xiàn)負(fù)移。同時(shí)，尿酸的氧化峰和還原峰電流不斷增大，峰電流與掃描速率呈良好的線性關(guān)系(圖3)，這表明尿酸在修飾電極上的電極反應(yīng)為吸附控制過程[18]。

圖3 不同掃速下2.0×10-5 mol/L尿酸在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of 2.0×10-5 mol/L UA at GO -CS modified electrodes at different scan ratesa to j:10、25、50、75、100、125、150、175、200、225 mV/s,respectively.

在不同pH值的0.10 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，考察了pH對檢測尿酸的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH=6.8時(shí)，尿酸的峰電流最大，且氧化峰電位隨著pH的增大而負(fù)移，其氧化峰電位與pH值呈線性關(guān)系，說明尿酸在電極反應(yīng)中存在質(zhì)子的轉(zhuǎn)移[19]。

2.5 干擾試驗(yàn)

在優(yōu)化的條件下，當(dāng)尿酸濃度為2.0×10-5mol/L，相對誤差不超過±5%時(shí)進(jìn)行了干擾試驗(yàn)。結(jié)果表明，1 000倍的K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+，800倍的L-谷氨酸、L-賴氨酸、乳酸，500倍的葡萄糖，100倍的抗壞血酸酸不干擾測定。

圖4 不同濃度尿酸在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的差分脈沖伏安(DPV)圖Fig.4 DPV of different concentrations of UA at GO-CS modified electrodesa-e:5.0×10-6、5.0×10-5、1.0×10-4、2.0×10-4、3.0×10-4 mol/L,respectively

2.6 線性范圍、檢測限和修飾電極的重現(xiàn)性

對不同濃度尿酸溶液進(jìn)行差分脈沖伏安掃描，結(jié)果見圖5。由圖5可看出，氧化峰電流與尿酸濃度在5.0×10-6～3.0×10-4mol/范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為：Ipa(μA)=3.96c(10-5mol/L)+32.67，相關(guān)系數(shù)R=0.9897，檢出限(S/N=3)為1.0×10-7mol/L。對2.0×10-5mol/L尿酸平行測定11次，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.1%。同時(shí)，用同一批次的5支修飾電極對尿酸進(jìn)行測定，電流強(qiáng)度的RSD為2.9%，說明修飾電極有較好的重現(xiàn)性。為了考察修飾電極的穩(wěn)定性，將修飾電極置于4 ℃下保存，定期測定峰電流信號值，發(fā)現(xiàn)電流強(qiáng)度相比于原始電流強(qiáng)度，降低了3.7%，說明修飾電極的穩(wěn)定性較好。

2.7 樣品測定

取5.0 mL尿樣，以0.10 mol/L PBS定容至50 mL。以差分脈沖伏安法進(jìn)行測定，同時(shí)，進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，測定結(jié)果見表1。加標(biāo)回收率在96.7%～106.0%范圍，RSD在2.7%～3.3%之間，表明本方法可用于實(shí)際樣品的測定。

表1 樣品的測定結(jié)果及回收率實(shí)驗(yàn)(n=11)

3 結(jié)論

首先，合成了氧化石墨烯。其次，通過自組裝技術(shù)，制備了氧化石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾電極。研究了尿酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為，建立了一種檢測尿酸的電化學(xué)方法。該方法和已報(bào)道的電化學(xué)方法相比，修飾電極制備方法簡單、穩(wěn)定性好。