层层组装纳米金/天冬氨酸传感器对尿酸的电化学性质研究

2016-08-14卢先春丁婷婷李亚辉许春萱

信阳师范学院学报（自然科学版） 2016年4期

卢先春，张颖，丁婷婷，李亚辉，许春萱*

(1.信阳师范学院化学化工学院，河南信阳 464000；2.河南省信阳水文水资源勘测局，河南信阳 464000)

0 引言

尿酸(UA)是人体内核苷酸和嘌呤分解代谢的产物.身体新陈代谢及免疫能力等机能状况，可以通过尿酸在体液中的含量变化来说明.医学研究发现，尿酸含量偏离正常值范围是肾功能衰竭、高尿酸血症、痛风等许多疾病的征兆[1].鉴于此，研究尿酸在人体中含量的检测方法及分析，对病情进展的了解、临床诊断等具有实际的意义.目前，尿酸测定方法主要有化学发光法[2]、酶法[3]、液相色谱法[4]、电化学法[5-7]等.因电化学方法具有灵敏度高，检出限低，操作简便，成本低等优点广泛用于生物小分子等的测定[8-9].本研究中，利用纳米金具有催化活性、生物相容性、界面交互性等特殊性质与具有良好导电性能的天冬氨酸层层组装制备了响应尿酸的传感器.该传感器制备简单，使用便捷，响应快，检出限低.用于尿样中尿酸含量的检测，得到满意结果.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660D 电化学工作站，上海辰华仪器公司； pH-3C 型精密酸度计，上海大普仪器有限公司；KQ2200 型超声波清洗器，昆山市超声仪器公司 .三电极体系：传感器作为工作电极(=3 mm)，铂柱电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极.尿酸、天冬氨酸、氯金酸(上海化学试剂公司，分析纯)；其他所用试剂均为分析纯.实验用水为二重蒸馏水.

1.2 传感器的制备

1.2.1 玻碳电极预处理

1.2.2 纳米金传感器的制备

把处理好的玻碳电极作为传感器，将三电极插入 0.1% HAuCl4的 0.1 mol/L KNO3溶液中，于-1.2 V 恒电位电沉积 100 s，使金微粒聚集于电极表面，取出后可观察到电极表面附有一层金黄色的膜，证明裸玻碳电极被组装上了纳米金膜.把该电极用二次蒸馏水冲洗干净，用洗耳球吹干，便制得纳米金修饰的玻碳电极传感器 (Au/GCE).

1.2.3 天冬氨酸传感器的制备

把处理好的玻碳电极作为传感器，将三电极插入 5×10-3mol/L 的天冬氨酸溶液中，循环伏安法(CV)在-0.8～2.0 V电位范围，扫描速度为100m V/s，扫描15圈，取出用二次蒸馏水清洗, 即制得天冬氨酸复合膜传感器(poly-Asp /GCE).

1.2.4 层层组装天冬氨酸/纳米金传感器的制备

把 Au/GCE 放入 5×10-3mol/L 的天冬氨酸溶液中，如 1.2.3 方法聚合上天冬氨酸膜，即得到层层组装的天冬氨酸/纳米金传感器(poly-Asp/Au/GCE).

1.3 实验方法

把适量尿酸( UA) 标准溶液或样品待测液放入电解池中，以传感器为工作电极，采用三电极体系，用CV或DPV法，扫描电位为-0.2 ～0.8 V范围内电流与电位的关系曲线.每次扫描结束，用二次蒸馏水冲洗电极，用吸水纸吸干水分，则可进行下一次扫描.所有实验操作条件均在常温下进行.

2 结果与讨论

2.1 交流阻抗谱

交流阻抗谱(EIS)能说明修饰过的电极表面阻抗的变化情况.在0.1 mol/L PBS (pH 7.0)的电解质溶液中，扫描不同修饰电极的阻抗谱，结果如图1.图中显示，裸玻碳电极具有一个较大的阻抗(曲线a);当把纳米金组装到裸电极表面后，阻抗减小(曲线b)；当裸电极组装上天冬氨酸后，EIS(曲线c)基本为直线，阻抗更小，说明聚天冬氨酸膜具有较好的导电能力.层层组装上纳米金和天冬氨酸后，EIS(曲线d)基本为直线，阻抗大大减小，说明有效提高了电极表面电子转移的速率.

图1 不同修饰电极的阻抗谱图Fig. 1 EIS of the electrode at different stages in 1 mmol/LFe(CN)63-/4- + 0.1 mol/L KCl ：(a) GCE , (b) Au /GCE , (c) poly-Asp /GCE , (d) poly-Asp/Au/GCE The frequency range is between 0.1 and 105 Hz with signal amplitude of 5 mV

2.2 UA 在不同材料传感器上的电化学行为

将不同传感器放入以 0.1 mol/L PBS(pH = 7.0)作为支持电解质的1.0×10-4mol/L尿酸溶液中，以100 mV/s扫速进行CV扫描，结果如图2所示.UA在GCE上于0.32 V附近只出现了一小的氧化峰(曲线a)，说明UA在GCE上是完全不可逆的；UA在poly-Asp/GCE上也是不可逆的但氧化峰电流信号增强(曲线b)；而在poly-Asp/Au/GCE上，出现了还原峰，说明具有了一定的可逆性，且氧化峰的峰电流是GCE的6.5倍(曲线d)，层层组装聚天冬氨酸和纳米金传感器显著提高了检测尿酸的灵敏度.

图2 不同修饰电极的循环伏安图Fig. 2 Cyclic voltammograms of (a) GCE , (b) poly-Asp/GCE, (c) Au/GCE, (d) poly-Asp/Au/GCE in 0.1 mol/L PBS (pH 7.0) with a scan rate of 100 mV/S

2.3 支持电解质的选择

分别用 HAc-NaAc、B-R、PBS等常用缓冲溶液作溶剂，配制 1.0×10-4mol/L 尿酸标准溶液，按照实验方法，分别记录循环伏安图.实验结果表明：在 0.1 mol/L 的 PBS 缓冲溶液 UA 氧化峰的峰型最好，峰电流响应最大.因此选择 0.1 mol/L 的 PBS 缓冲溶液作为支持电解质溶液

2.4 扫速的影响

研究了在poly-Asp/Au/GCE传感器上，扫描速度在20～400 mVs范围内，扫速对UA电化学氧化的影响.结果如3.图中显示，随着扫速的增大，UA的氧化峰电流随之增大，峰电位稍微正移，峰电流(Ip)与扫速(v)平方根呈良好的线性关系，线性方程为：Ip= -1.40v1/2+2.65，R=0.998.这说明UA在传感器表面的电化学过程受扩散控制.

图3 不同扫速对 UA 氧化还原行为的影响Fig. 3 Effect of the scan rate on redox behaviour of UA in 0.1 mol/L PBS (pH 7.0) at various scan rates (a-j): 20, 50, 80, 100,120, 150, 180, 200, 300, 400 mV/s , respectively

2.5 pH的影响

在pH 5.0～9.0范围内，研究了不同pH电解质溶液对UA电化学行为的影响，结果如图4.结果显示，UA氧化峰的峰电位随pH的增加而负移，经分析可知，氧化峰的峰电位与 pH 呈良好的线性关系，线性方程为：E(V) = -0.052pH + 0.699 ，相关系数R为 0.998 ，说明 H+参与了该电极反应.在 pH 为5.5、6.5和7.0时氧化峰电流较大.但是考虑人体体液酸度实际情况，选择 pH 为7.0的 PBS 作为支持电解质进行定量分析.

图4 pH对 UA 氧化峰电流的影响Fig. 4 Effect of pH on redox peak current pH(a-f): 5.0, 5.5,6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0, 8.5,9.0

2.6 稳定性、重现性和干扰实验

用DPV法连续测定1.0×10-4mol/L UA 标准溶液7次，氧化峰电流的相对标准偏差(RSD) 为3.1%.相同条件下，制备 6 支poly-Asp/Au/GCE传感器，平行测定1.0×10-4mol/L UA标准溶液，RSD为3.6%.将poly-Asp/Au/GCE传感器浸入空白底液，4 ℃保存；5 d后再次进行分析，峰电流下降为原来的95.8%.

图5 不同浓度 UA 的差分脉冲伏安图Fig. 5 Differential pulse voltammograms for the determination of UA in 0.1 mol/L PBS7.0 at poly-Asp/Au/GCE ranging from 0.4～100 μmol/L (from a to h: 0.4、0.8、1、4、8、40、80、100 μmol/L)

2.7 标准曲线的研究

在优化条件下，用DPV法测定不同浓度UA的氧化峰的峰电流.结果表明, 在 4.0×10-7～1.0×10-4mol/L 浓度范围内，UA 的氧化峰电流与其浓度具有良好的线性关系, 线性方程为I(μA)= 0.010-0.022C(μmol/L), 相关系数为0.998，信噪比为3时，检出限为1.0×10-7mol/L.