氧化石墨烯-壳聚糖复合膜修饰电极测定尿酸

2021-07-14樊雪梅王书民李哲建王毅梦范新会

分析科学学报 2021年3期

樊雪梅，王书民，李哲建，王毅梦，刘萍，范新会

(1.商洛学院化学工程与现代材料学院，陕西商洛 726000;2.西安工业大学材料与化学工程学院，陕西西安 710021)

尿酸(UA)是人类嘌呤代谢的终极产物，为临床化学检测的重要项目，其可以帮助诊断痛风、肾功能减退和中毒产生的肝脏疾病[1]。目前测定尿酸的方法主要有酶法[2]、比色法[3,4]、荧光法[5,6]、色谱法[7]和化学发光法[8,9]等。

电化学分析法在很大程度上得益于电极修饰方法和修饰手段的进步，具有仪器设备简单，测试灵敏、快速和准确等特点而广受关注。目前利用电化学方法检测尿酸已有报道，如：Han等[10]合成了氮掺杂的碳基纳米材料，并用于尿酸的电化学检测； Ibrahim等[11]制备了硼掺杂的CeO2修饰碳糊电极，用于人体液中尿酸的电化学检测； Shahamirifard等[12]制备了ZrO2-胆碱-氯化金纳米颗粒修饰碳糊电极，用于人尿中尿酸的测定。氧化石墨稀(GO)具有离域π键和大的比表面积，有利于分子的吸附，其分子内含有羟基、羧基、环氧基团，因其易于被修饰和功能化而被广泛应用。目前利用GO电化学检测尿酸已有报道。如Zheng[13]等制备了分子印迹聚合物/还原氧化石墨烯复合材料，用于尿酸的电化学检测。Huang[14]等将石墨烯泡沫碳纳米管复合材料与金纳米粒子偶联，制备了电化学传感器并用于尿酸的电化学检测。Boitumelo[15]等研究了不同元素掺杂的石墨烯薄膜修饰的ITO电极的电化学行为，并用于尿酸的检测。Sriram[16]等制备了Fe3O4纳米球修饰的还原氧化石墨烯纳米薄片，用于尿酸的检测。但这些方法存在修饰电极制备步骤繁琐、不易操作的缺点。

本文利用自组装技术，制备了氧化石墨烯-壳聚糖(GO-CS)复合膜修饰电极，研究了尿酸在该复合膜修饰电极上的电化学行为，建立了测定尿酸的新方法。与已报道的电化学方法相比，该修饰电极制备方法简单、重现性和稳定性较好，用于尿酸的检测，方法简单。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

Zennium电化学工作站(德国，Zahner公司)；RT5 POWER电磁搅拌机(德国，IKA公司)；WF-300D超声波清洗机(宁波海曙五方超声设备有限公司)。

1.0×10-3mol/L尿酸(UA，Sigma公司)储备液：准确称取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%壳聚糖(CS，Sigma公司)溶液：准确称取0.0200 g壳聚糖溶于4 mL 1%HAc中。石墨粉、H2SO4、NaNO3、KMnO4、30%H2O2、K2HPO4、KH2PO4和K3[Fe(CN)6]均购于西安化学试剂厂。实验用水由PT-RO10L实验室超纯水设备(上海品拓环保工程设备有限公司)制备。

1.2 氧化石墨烯的制备

采用传统的Hummers法[17]制备氧化石墨烯。将3.0 g的325目的石墨粉与69.0 mL浓H2SO4混合，置于冰水浴中，磁力搅拌过程中加入1.5 g NaNO3，9.0 g KMnO4，控制反应温度低于20 ℃，反应2 h后得到深绿色溶液，再加热到35 ℃反应0.5 h，溶液变为棕褐色。加入180 mL超纯水，待反应温度升至98 ℃后反应0.5 h，溶液由棕褐色变为浅黄色，加入213.0 mL超纯水，搅拌10 min，再加入25.0 mL 30%H2O2，溶液变为金黄色。沉降弃去上层清液，用1 mol/L的HCl多次洗涤后，再用超纯水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨烯，研磨成粉备用。

1.3 氧化石墨烯-壳聚糖复合膜修饰电极的制备

将玻碳电极(GCE)在0.05 μm Al2O3抛光粉上打磨光亮，分别在1∶1的硝酸，1∶1的乙醇，超纯水中超声，干燥后。将1.0 mg氧化石墨烯超声分散于1.0 mL 0.5%壳聚糖溶液中，得到氧化石墨烯-壳聚糖分散液。取5.0 μL氧化石墨烯-壳聚糖分散液滴加于干净的玻碳电极表面，自然晾干，制得氧化石墨烯-壳聚糖复合膜修饰电极。

1.4 实验方法

室温下，以裸玻碳电极或氧化石墨烯-壳聚糖修饰玻碳电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，在0.5～1.0 V电位范围，使用差分脉冲伏安技术对尿酸进行测量。以0.684 V处氧化峰电流Ip对尿酸进行定量。

2 结果与讨论

2.1 氧化石墨烯的表征

采用扫描电镜(SEM)对制备的氧化石墨烯进行表征。由图1可以看到氧化石墨烯-壳聚糖具有相对比较光滑的层状结构，是小而轻的薄片。

图1 氧化石墨烯的扫描电镜(SEM)图Fig.1 SEM image of GO

2.2 氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极的电化学表征

采用循环伏安法对氧化石墨烯-壳聚糖复合膜修饰电极在5.0×10-3mol/L K4[Fe(CN)6]溶液中进行电化学表征。结果显示，K4[Fe(CN)6]在氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极上的氧化还原峰电流是裸电极的1.2倍，这归功于氧化石墨烯大的比表面积和良好的导电性能。

2.3 尿酸在氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极上的电化学行为

图2为2.0×10-5mol/L尿酸在裸玻碳电极和氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极上的循环伏安图。如图2所示，尿酸在裸玻碳电极上信号比较弱(曲线a)，而在氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极上(曲线b)，正向扫描时，于0.615 V出现一个氧化峰，反向扫描时，于0.446 V出现一还原峰，这表明氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极对尿酸有很好的电催化作用。这可能是因为壳聚糖有离域π键和较大的比表面积，有利于尿酸在电极表面的吸附。同时，壳聚糖中含有羟基和氨基，可以与尿酸分子的羧基氧和亚氨基产生氢键，电子通过N···H···O和O···H···O传递，降低了尿酸的过电位，促进了其氧化还原。

图2 2.0×10-5 mol/L尿酸在裸玻碳电极(a)和氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极(b)上的循环伏安图Fig.2 Cyclic voltammograms of 2.0×10-5 mol/L UA at bare GCE(a) and GO -CS modified electrodes(b)

2.4 条件的优化

考察了氧化石墨烯-壳聚糖分散液用量对实验的影响。发现当氧化石墨烯-壳聚糖分散液量比较小时，尿酸峰电流比较小，当滴加量为5.0 μL时，峰电流最大，继续增加分散液量，电流基本趋于稳定。说明5.0 μL已经达到电极饱和。故实验采用5.0 μL作为氧化石墨烯-壳聚糖分散液滴加量。

考察了扫描速度对尿酸伏安行为的影响，实验发现，在10～225 mV/s扫速之间，随着扫描速度的增大，氧化峰电位出现正移，还原峰电位出现负移。同时，尿酸的氧化峰和还原峰电流不断增大，峰电流与扫描速率呈良好的线性关系(图3)，这表明尿酸在修饰电极上的电极反应为吸附控制过程[18]。

图3 不同扫速下2.0×10-5 mol/L尿酸在氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极上的循环伏安图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磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，考察了pH对检测尿酸的影响。实验发现当pH=6.8时，尿酸的峰电流最大，且氧化峰电位随着pH的增大而负移，其氧化峰电位与pH值呈线性关系，说明尿酸在电极反应中存在质子的转移[19]。

2.5 干扰试验

在优化的条件下，当尿酸浓度为2.0×10-5mol/L，相对误差不超过±5%时进行了干扰试验。结果表明，1 000倍的K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+，800倍的L-谷氨酸、L-赖氨酸、乳酸，500倍的葡萄糖，100倍的抗坏血酸酸不干扰测定。

图4 不同浓度尿酸在氧化石墨烯-壳聚糖修饰电极上的差分脉冲伏安(DPV)图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 线性范围、检测限和修饰电极的重现性

对不同浓度尿酸溶液进行差分脉冲伏安扫描，结果见图5。由图5可看出，氧化峰电流与尿酸浓度在5.0×10-6～3.0×10-4mol/范围内呈良好的线性关系，线性回归方程为：Ipa(μA)=3.96c(10-5mol/L)+32.67，相关系数R=0.9897，检出限(S/N=3)为1.0×10-7mol/L。对2.0×10-5mol/L尿酸平行测定11次，相对标准偏差(RSD)为3.1%。同时，用同一批次的5支修饰电极对尿酸进行测定，电流强度的RSD为2.9%，说明修饰电极有较好的重现性。为了考察修饰电极的稳定性，将修饰电极置于4 ℃下保存，定期测定峰电流信号值，发现电流强度相比于原始电流强度，降低了3.7%，说明修饰电极的稳定性较好。