電化學(xué)合金－去合金法制備鉑納米粒子電極檢測尿液中草酸

蘇 敏，王煥煥，郭禹紅，金 君，于 浩，2*

（1．延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000；2．陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點實驗室，陜西 延安 716000）

草酸（OA），又名乙二酸，廣泛分布于植物、動物和真菌體中。OA能參與細(xì)胞Ca2+、pH值和滲透壓等的調(diào)節(jié)［1］。盡管OA有重要生理功能，但過量攝入會增加人體患腎結(jié)石、炎癥、高草酸尿癥、尿毒癥等疾病的風(fēng)險，嚴(yán)重的甚至?xí)餙A急性中毒［1］。人體內(nèi)OA經(jīng)血液循環(huán)后會以尿的形式排出體外。因此，建立尿液中OA含量的檢測方法具有重要意義。目前，尿液中OA的檢測方法主要包括光譜法［2］、色譜法［1，3］、毛細(xì)管電泳法［4］和電化學(xué)法［5－6］等。在這些方法中，電化學(xué)法因具有儀器簡單、靈敏度高等優(yōu)點在尿液分析中受到了廣泛的重視。

電化學(xué)檢測OA主要依據(jù)其可被電化學(xué)氧化的原理進行。但OA在傳統(tǒng)電極上氧化時的過電位高，需對電極表面進行必要的修飾以提高方法的靈敏度和選擇性。金屬納米材料如Pd［5－9］、Pt［10－12］、Ag［13］、Ag/AgCl［14］和碳化鎢（WC2）［15］，以及碳基納米材料如硼摻雜鉆石［16］和酸化碳納米管［17］等已被用作電極修飾材料以提高電化學(xué)檢測OA的分析性能。貴金屬Pt以其優(yōu)異的催化性能及耐腐蝕性在電化學(xué)傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［10－12］。但Pt基材料的電催化活性與其形貌及粒徑密切相關(guān)，為了進一步提高催化活性，不同結(jié)構(gòu)和形貌的Pt納米材料被相繼制備并用于OA的電化學(xué)傳感［18－21］。在各種Pt基納米材料中，多孔結(jié)構(gòu)Pt納米材料具有高可接觸性、大比表面積及相互連接的孔隙，表現(xiàn)出優(yōu)異的離子/電子傳輸性能及擴散性能，在電化學(xué)傳感領(lǐng)域中引起了人們廣泛的研究興趣［22－23］。目前，模板法、去合金法及自組裝法等已用于制備多孔結(jié)構(gòu)Pt納米材料［22］。其中電化學(xué)去合金技術(shù)以成本低、結(jié)構(gòu)與形貌可控等特點在多孔結(jié)構(gòu)納米材料的制備中受到了重視［24］。但傳統(tǒng)電化學(xué)去合金技術(shù)制備多孔結(jié)構(gòu)納米材料修飾電極時程序復(fù)雜［25］。最近研究表明，可采用電化學(xué)方法直接將金屬合金共沉積于電極表面，再電化學(xué)去合金得到多孔金屬納米材料。如Beluomini等［26］先采用電化學(xué)方法將Pt－Cu合金膜沉積于基礎(chǔ)電極表面，然后采用循環(huán)伏安法溶掉其中的Cu，得到一種多孔結(jié)構(gòu)Pt納米粒子修飾電極，這種電化學(xué)合金-去合金技術(shù)大大簡化了多孔結(jié)構(gòu)金屬納米材料修飾電極的制備程序。

本文以Bi為活潑金屬，采用電化學(xué)合金-去合金法制備了多孔結(jié)構(gòu)Pt納米粒子修飾電極。結(jié)果表明，多孔結(jié)構(gòu)能有效增大鉑納米粒子的活性面積，同時也有利于充分暴露電極表面的活性位點和待測物質(zhì)向電極表面的傳質(zhì)，顯示出對電氧化草酸的強催化活性。在此基礎(chǔ)上，采用安培法定量測定了人尿液中的OA含量。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660D電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），實驗采用三電極系統(tǒng)：以修飾電極為工作電極，鉑柱電極為輔助電極（Pt），飽和甘汞電極為參比電極（SCE）。SU5000熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司，Hitachi Limited）。草酸鈉（Na2C2O4，優(yōu)級純，天津市科密歐化學(xué)試劑廠），氯鉑酸鉀（K2PtCl6，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司），硝酸鉍（Bi（NO3）3·5H2O，分析純）、乙二胺四乙酸二鈉鹽（EDTA，分析純）購自天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心，其它試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 修飾電極的制備

參考文獻制備Pt納米粒子修飾電極［27］：先將處理好的玻碳電極（GCE）置于3.0 mmol/L Bi（NO3）3+1.0 mmol/L K2PtCl4+3.0 mmol/L EDTA+0.10 mol/L HClO4混合溶液中，在-0.4 V電位下恒電位沉積500 s，制得Pt－Bi合金修飾的玻碳電極（Pt－Bi/GCE）。取出沖洗干凈后置于0.10 mol/L HClO4中，在1.2 V下陽極化處理1 000 s，溶去合金中的Bi，即得Pt納米粒子修飾的玻碳電極（Pt NPs/GCE）。采用相似方法從不含Bi（NO3）3的溶液中制備Pt修飾電極，記為Pt/GCE。

1.3 電極表征及實驗方法

電極表征：將制備好的電極置于掃描電鏡樣品臺上記錄SEM照片及EDS能譜。將制備好的電極置于0.10 mol/L HClO4中采用循環(huán)伏安法掃描至穩(wěn)定后，記錄加入一定濃度OA前后的CV圖，研究OA的電化學(xué)性質(zhì)?？刂乒ぷ麟娢粸?.05 V，向10 mL不斷攪拌的0.10 mol/L HClO4溶液中加入一定體積的OA標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液，記錄I～t曲線，測量電流，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法計算樣品中OA的濃度及加標(biāo)回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的制備及表征

本實驗以Bi（NO3）3和K2PtCl6為前驅(qū)體制備Pt-Bi合金，由于Bi3+離子與Cl-緩慢生成BiOCl沉淀，故向沉 積 液 中 加 入EDTA。圖1A是 在1.0 mmol/L K2PtCl6+3.0 mmol/L Bi（NO3）3+3.0 mmol/L EDTA+0.10 mol/L HClO4溶液中記錄的CV圖，其中-0.329 V處的還原峰為Bi3+的本體還原峰，-0.011 V處的還原峰為PtCl2-6離子的還原峰；陽極掃描時，CV圖上-0.019、0.095 V處的氧化峰是Bi的本體溶出峰，而0.491、0.601、0.778 V處的氧化峰來源于合金中Bi的溶出及Pt氧化物的形成。為了證明這一點，記錄了只含Bi3+和EDTA的CV圖（圖1B），-0.411 V處出現(xiàn)Bi3+的本體還原峰，而Bi的溶出峰出現(xiàn)在0.103 V。與Pt－Bi體系相比，Bi3+的還原峰電位更負(fù)，這是由于在Pt－Bi體系中，Bi沉積在先析出的Pt顆粒表面，因而過電位降低。其次，在圖1B上，除Bi的本體氧化溶出峰外，CV圖上無其它氧化峰。而在只含PtCl2-6和EDTA的溶液中，CV圖在-0.203 V處出現(xiàn)PtCl2-6的還原峰，當(dāng)電位進一步負(fù)移時，電流迅速增大，這是析出H2所致，陽極1.00 V處的峰是Pt氧化物的峰（圖1C）。另外，在Pt－Bi體系中（圖1A），低電位區(qū)并未出現(xiàn)析出H2時的大電流，這是由于Pt－Bi體系中的Bi沉積在先析出的Pt顆粒表面，從而將Pt顆粒表面覆蓋，而Bi對析氫反應(yīng)有抑制作用所致。以上結(jié)果說明在上述溶液中可實現(xiàn)Pt、Bi在電極表面的共沉積，從而得到Bi－Pt合金，且Bi在Pt顆粒表面的沉積會干預(yù)Pt粒子的沉積，從而控制Pt顆粒的粒徑。進一步電化學(xué)溶出Bi后，可得到粒徑小且分布均勻的Pt納米粒子。根據(jù)CV行為，本實驗選擇-0.4 V作為合金沉積時的工作電位，在1.2 V去合金。圖1D和E分別為電化學(xué)合金及去合金時的計時安培曲線，可觀察到二者均在短時間內(nèi)使電流基本達到穩(wěn)態(tài)，說明Pt－Bi合金被均勻地沉積于電極表面，同時也表明去合金過程均勻穩(wěn)定，有利于得到分布均勻的Pt粒子［27］。圖1F是無Bi（曲線a）和有Bi（曲線b）時制備的Pt納米粒子修飾電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中的CV圖。根據(jù)CV圖上低電位區(qū)H的吸脫附峰面積可計算電極的電化學(xué)活性面積（ECSA）［28］。經(jīng)計算，Pt NPs/GCE和Pt/GCE的電化學(xué)活性面積分別為0.201、0.112 cm2。表明電化學(xué)合金－去合金法制備的Pt粒子具有更大的活性面積。

圖1 修飾電極的電化學(xué)制備Fig.1 Electrochemical preparation of the modified electrode

圖2A、B是電化學(xué)去合金前、后Pt－Bi電極表面的掃描電鏡圖。可以看出，去合金前，電極表面密集分布著Pt－Bi合金顆粒，且大呈立方塊狀。去除Bi后，電極表面的顆粒密度明顯減少，且立方塊狀結(jié)構(gòu)消失，這是由于去合金時，合金中的Bi被電化學(xué)溶出，留下了Pt顆粒所致。另一方面，去合金后顆粒在電極表面分布較均勻，表明采用本法可制備Pt納米顆粒修飾電極（圖2B）。而單獨沉積Pt時只能得到團聚嚴(yán)重、顆粒較大的Pt粒子，且分布不均勻（圖2C）。圖2D是不同電極表面的EDS能譜圖?？梢钥闯觯琍t－Bi合金在2.055 keV和2.415 keV處分別出現(xiàn)了Pt和Bi元素的特征峰（曲線a），說明采用電化學(xué)方法可將Pt－Bi合金沉積于電極表面。去合金后，2.415 keV處Bi元素的特征峰消失（曲線b），說明采用電化學(xué)去合金法可將Bi溶出。單獨沉積Pt時EDS能譜只有Pt的特征峰，無Bi的特征峰（曲線c）。以上結(jié)果說明，采用電化學(xué)合金-去合金法可制備Pt納米結(jié)構(gòu)，且Bi的共沉積干預(yù)了Pt的沉積過程，得到了粒徑更小、分布更均勻的Pt納米顆粒，有利于增大電極的有效面積，提高電流響應(yīng)。

圖2 不同電極表面的掃描電鏡圖（A～C）及EDS能譜圖（D）Fig.2 SEM（A－C）and EDS（D）graphs of different electrodes

2.2 修飾電極對草酸的電催化氧化

根據(jù)文獻報道，OA的電化學(xué)氧化更易在強酸性介質(zhì)中進行［10，29］。同時，OA的電極過程包含OA分子在電極表面的吸附，所以支持電解質(zhì)陰離子的種類對其電催化活性有影響［29］。分別研究了該電極在HCl、H2SO4和HClO4中對OA的電氧化行為。結(jié)果表明，在0.10 mol/L HClO4溶液中該修飾電極對OA的催化氧化活性最高，故以其作為支持電解質(zhì)溶液。圖3為不同電極加入不同濃度OA前、后的CV圖。在Pt NPs/GCE上，OA在0.828 V處產(chǎn)生一個尖銳的不可逆氧化峰（圖3A），1.0 mmol/L OA的峰電流密度為56.37 μA/cm2，峰電流與OA濃度間線性關(guān)系的斜率為57.71 μA/（mmol·L-1·cm-2）；而在Pt/GCE上，OA的氧化峰位于0.873 V（圖3B），1.0 mmol/L OA的峰電流密度為42.95 μA/cm2，峰電流與OA濃度間線性關(guān)系的斜率為44.11 μA/（mmol·L-1·cm-2）。在裸玻碳電極上，OA在1.5 V電位附近產(chǎn)生一個峰形很斜的不可逆氧化峰（圖3C）。通過對比，OA在Pt NPs/GCE上具有更低的過電位和更大的電流響應(yīng)，這是由于采用電化學(xué)合金-去合金法制備的Pt NPs具有更小的粒徑和更大的活性面積。

圖3 不同電極加入不同濃度OA前（a）后（b－d）的CV圖Fig.3 CV graphs of different electrodes without（a）and with（b－d）addition of various concentration of OA

采用循環(huán)伏安法研究了電位掃描速率的影響（圖4A）。在20～150 mV/s范圍內(nèi)，峰電流與掃速的1/2次方成正比（圖4B），說明電極過程受OA的擴散控制，且峰電流對數(shù)與掃速對數(shù)呈線性關(guān)系（圖4C），斜率為0.48，接近理論值0.50，說明OA在該電極上是一個完全不可逆的陽極過程。采用低掃速時CV圖上峰電流10%以內(nèi)的lgI～E曲線估測電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)，圖4D為掃速為20 mV/s時，0.70～0.75 V范圍內(nèi)的lgI～E線性關(guān)系，其斜率為9.79，接近單電子轉(zhuǎn)移不可逆過程的理論值（9.26），說明OA在該電極上的速控步驟是一個單電子轉(zhuǎn)移過程，據(jù)此求得電子傳遞系數(shù)α=0.54［7］。

圖4 掃描速率對OA在Pt NPs/GCE上電化學(xué)行為的影響Fig.4 Effect of scan rate on the electrochemical behavior of OA on Pt NPs/GCE

2.3 電極制備條件的優(yōu)化

考察了沉積液中Bi3+和PtCl2-4濃度比例（cBi∶cPt）的影響：保持沉積液中PtCl2-4濃度為1.0 mmol/L，改變Bi（NO3）的濃度并使EDTA的總濃度與Bi3+離子濃度相同，配制了一系列不同cBi∶cPt的沉積液，分別制備修飾電極，并記錄不同電極加入等量OA前后的CV圖。圖5A結(jié)果顯示，當(dāng)Bi3+濃度在0.5～4.0 mmol/L范圍內(nèi)變化時，隨著Bi3+濃度的增大，峰電流先增大后減小，當(dāng)Bi3+濃度為3.0 mmol/L時，峰電流最大，故選擇兩種離子濃度比為3∶1。采用相似方法研究了沉積時間的影響，圖5B結(jié)果顯示，在100～1 000 s范圍內(nèi)，隨著沉積時間的延長，OA峰電流先增大后減小，當(dāng)沉積時間為500 s時峰電流最大，故選擇合金沉積時間為500 s。當(dāng)去合金時間為合金沉積時間的2倍時［27］，可保證將合金中的Bi完全溶出，這可通過去合金前后的EDS能譜圖證明（圖2D）。最終選擇電極制備條件如下：沉積液組成為1.0 mmol/L K2PtCl6+3.0 mmol/L Bi（NO3）3+3.0 mmol/L EDTA+0.10 mol/L HClO4，合金沉積時間為500 s（-0.4 V），去合金時間為1 000 s（1.2 V）。

圖5 沉積液中Bi3+濃度（A）及沉積時間（B）的影響Fig.5 Effects of Bi3+concentration（A）and deposition time（B）on the peak current

2.4 安培法對草酸的測定

2.4.1 工作電位的優(yōu)化以0.10 mol/L HClO4作為支持電解質(zhì)溶液，采用安培法記錄了不同工作電位下向不斷攪拌的支持電解質(zhì)溶液中連續(xù)5次加入10.0 μmol/L OA時的動力學(xué)安培響應(yīng)曲線。結(jié)果顯示，在0.60～1.20 V范圍內(nèi)，隨著工作電位的升高，電流逐漸增大，至1.05 V時基本達到極限電流區(qū)域，故選擇1.05 V作為檢測OA的工作電位。

2.4.2 線性范圍與檢出限在0～2 100 s范圍內(nèi)，分別考察了Pt NPs/GCE和Pt/GCE在連續(xù)加入不同濃度OA時的安培曲線（每個濃度平行加入3次，1.0 mmol/L的濃度平行加入5次）。在Pt NPs/GCE（圖6曲線1）上，隨OA濃度的增大，電流以臺階狀穩(wěn)態(tài)增大，電極對OA的響應(yīng)時間小于5 s。電流與濃度在2.0×10-7～4.9×10-4mol/L和4.9×10-4～6.3×10-3mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系（插圖A－1、B－1），線性方程分別為：I（μA）=0.003+0.083cOA（μmol/L）和I（μA）=60.24+0.061cOA（μmol/L），相關(guān)系數(shù)（r2）分別 為0.999 1和0.998 2，檢 出 限（3sb）為2.7×10-8mol/L，靈敏度為83 μA/（mmol·L-1）。在Pt/GCE上（圖6曲線2），OA也表現(xiàn)出快速的電流響應(yīng)，且電流與濃度在1.1×10-6～2.4×10-4mol/L和2.4×10-4～6.3×10-3mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系（插圖A－2、B－2），線性方程分別為：I（μA）=-0.012+0.039cOA（μmol/L）和I（μA）=1.790+0.029cOA（μmol/L），相關(guān)系數(shù)（r2）分別為0.991 8和0.999 3，檢出限（3sb）為5.1×10-7mol/L，靈敏度為39 μA/（mmol·L-1）。對比顯示，Pt NPs/GCE比Pt/GCE具有更好的分析性能。這是由于電化學(xué)去合金法制備的Pt納米粒子具有更小的粒徑和更大的活性面積。另一方面，相比于文獻報道的基于Pt、Pd納米材料的修飾電極（見表1），Pt NPs/GCE電極具有線性范圍寬、靈敏度高及制備簡單等特點。

圖6 Pt NPs/GCE（曲線1）和Pt/GCE（曲線2）電極對OA的安培響應(yīng)曲線Fig.6 Hydrodynamic amperometric responses of Pt NPs/GCE（curve 1）and Pt/GCE（curve 2）for OA concentration of OA（a－l）：0.20，0.50，1.0，2.0，5.0，10.0，20.0，50.0，100，200，500，1 000 μmol/L，working potential：1.05 V；insert：the corresponding calibration plots for Pt NPs/GCE（A-1）and Pt/GCE（B-1）

表1 不同修飾電極測定草酸的分析性能比較Table 1 Comparison of the analytical performance of different modified electrodes for the determination of OA

2.4.3 干擾實驗、穩(wěn)定性與重現(xiàn)性研究了尿液中常見共存物質(zhì)的干擾情況。結(jié)果表明，30.0 μmol/L OA條件下，1倍維生素C（Vc）、2倍胱氨酸、5倍檸檬酸、16倍肌酐、50倍氨水、100倍葡萄糖、500倍尿素的誤差不超過±5%；100倍Zn2+、Mg2+、Ca2+，200倍NO-3、CO2-3、SO2-4、PO3-4，300倍K+、Na+、Cl-的誤差不超過±5%。同樣濃度尿酸的誤差約為13%，但這種干擾可通過生成CaC2O4沉淀去除。表明該電極具有良好的選擇性，可用于尿液中OA含量的測定。

采用同一支電極，重復(fù)5次測定30.0 μmol/L OA，電流響應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為3.3%，采用相同方法制備5支修飾電極測定30.0 μmol/L OA，電流響應(yīng)的RSD為7.2%。電極干態(tài)保存2周后，測定同一濃度OA，電流響應(yīng)幾乎不變，上述結(jié)果表明該電極具有較好的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。

2.5 實際樣品的測定

以Pt NPs/GCE為工作電極測定尿液中OA的含量，并進行加標(biāo)回收實驗。樣品制備參考文獻［30］：采集新鮮尿液5.00 mL，以0.10 mol/L HClO4調(diào)至pH 5.0，準(zhǔn)確移取2.00 mL該尿液于50 mL離心管中，依次加入0.40 mL 0.50 mol/L的CaCl2，8 mL無水乙醇，混勻后靜置12 h，以4 000轉(zhuǎn)離心15 min，棄去上清液，再向沉淀中加入20 mL 0.020 mmol/L乙酸－CaC2O4平衡液，混勻后離心15 min，棄上清液，加入2.00 mL水，混勻后離心15 min，棄上清液，瀝干水分。最后加入0.50 mL 1.0 mol/L的HClO4溶解沉淀，制得測試液。按實驗方法，向10.00 mL不斷攪拌的支持電解質(zhì)溶液中分別加入0.030 mL測試液和不同濃度的OA標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄I～t曲線，測量電流，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法計算OA的濃度，并計算加標(biāo)回收率，結(jié)果如表2所示。經(jīng)換算，兩份尿液中的OA濃度分別為305 μmol/L和114 μmol/L，加標(biāo)回收率分別為94.6%～102%和97.7%～101%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.2%～4.7%和2.2%～3.8%。

表2 尿液中OA的測定結(jié)果及加標(biāo)回收率（n=3）Table 2 Results of determination of OA in urine and its recoveries（n=3）

3 結(jié)論

本文以Bi為活潑金屬，采用電化學(xué)合金－去合金法制備了一種多孔結(jié)構(gòu)Pt納米粒子修飾電極。該方法具有制備程序簡單、產(chǎn)物的形貌和組成易控且可在常溫下進行的優(yōu)點。所制備電極對草酸的電氧化過程表現(xiàn)出高的催化活性。在此基礎(chǔ)上，采用安培法定量測定人尿液中的OA含量。與同類電極相比，該Pt納米粒子修飾電極具有靈敏度高和線性范圍寬等特點。