羧基化碳納米管-DMF-納米金修飾電極測(cè)定尿酸

樊雪梅，劉萍，張舒淇

（商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西商洛 726000）

尿酸（2,6,8-三羥基嘌呤，分子式C5H4N4O3）是嘌呤代謝的終產(chǎn)物，生物體內(nèi)尿酸的含量和腎臟排泄功能密切相關(guān)，大部分尿酸（約75% ）都經(jīng)過(guò)腎臟排泄[1-2]。當(dāng)人體產(chǎn)生痛風(fēng)、白血病、尿毒癥及心血管疾病時(shí)，血液中尿酸含量會(huì)顯著升高[3-5]。已有文獻(xiàn)報(bào)道檢測(cè)尿酸的方法有光譜法[6-7]、液相色譜法[8-10]、電化學(xué)法[11-13]等，其中電化學(xué)方法具有靈敏度高、檢出限低、操作簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。碳納米管有獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的導(dǎo)電性和催化活性，已成為化學(xué)修飾電極和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[14-15]。體液中尿酸的測(cè)定常受到與之共存的物質(zhì)如多巴胺的干擾，因此，建立一種選擇性測(cè)定尿酸的高靈敏的分析方法就顯得尤為重要。本文將羧基化的多壁碳納米管分散在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，得到了均勻多壁碳納米管分散液，利用碳納米管和納米金的協(xié)同效應(yīng)，將c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾在玻碳電極表面，形成穩(wěn)定的修飾層，制備得到修飾電極。利用羧基化碳納米管的導(dǎo)電性和納米金的協(xié)同作用改善電極的導(dǎo)電性，從而增強(qiáng)電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)、提高檢測(cè)靈敏度，在最優(yōu)條件下建立電化學(xué)直接法檢測(cè)尿酸的分析方法。

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

主要試劑包括尿酸、濃硫酸、氯化鉀、亞鐵氰化鉀、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鉀、氯金酸、檸檬酸鈉、N-N-二甲基甲酰胺（DMF），所用試劑均為分析純；羧基化碳納米管（c-MWCNT）購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司；所用超純水由PT-RO-10L超純水設(shè)備提供。

主要儀器包括電化學(xué)工作站（德國(guó)Zahner）、超聲清洗機(jī)（寧波海曙五方超聲設(shè)備有限公司）、電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 納米金的制備

采用檸檬酸鈉法制備納米金（AuNPs）。取250 mL錐形瓶，加入100 mL 0.01% 氯金酸溶液，在磁力拌加熱器上加熱，煮沸后，加入2.75 mL 1% 檸檬酸鈉溶液，繼續(xù)攪拌，煮沸12 min，顏色由紫紅色變?yōu)榫萍t色，停止加熱，自然冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，4℃保存。

1.3 c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾電極的制備

玻碳電極處理：用0.05 μm的Al2O3粉磨成鏡面，然后分別用1：1的硝酸，丙酮將玻碳電極（直徑2 mm）在0.05 μm三氧化二鋁拋光粉上打磨光亮（約30 min），依次分別在1：1硝酸，1：1乙醇，超純水中超聲 3～5 min，干燥后，對(duì)5 mmol/L亞鐵氰化鉀溶液在電壓-0.2～0.8 V，掃描速率100 mV/s下進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，以此來(lái)檢驗(yàn)電極是否打磨好，圖1為裸玻碳電極在5 mmol/L K4Fe(CN)6溶液的循環(huán)伏安圖，說(shuō)明電極處理良好，即可進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 玻碳電極在5 mmol/L K4Fe(CN)6溶液的循環(huán)伏安圖

修飾電極的制備：準(zhǔn)確稱取c-MWCNT 5 mg溶于5 mL的DMF中，超聲分散得到1 mg/mL的c-MWCNT-DMF分散液。將得到的c-MWCNT-DMF與AuNPs以1:1體積比混合,即得到c-MWCNT-DMF-AuNPs混合液。按下列方法制備得到三種修飾電極：取10 μL的c-MWCNT/DMF于玻碳電極表面，自然晾干后得到c-MWCNT/DMF修飾電極。再取 5 μL的 c-MWCNT/DMF分散液于玻碳電極表面，自然晾干后滴加5 μL的 AuNPs得到修飾電極。最后，取10 μL的c-MWCNT-DMF-AuNPs混合液于玻碳電極表面，自然晾干后得到c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾電極。

采用三電極體系。以c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極。在電壓-0.3～1.0 V，掃描速度100mV/s下，依次用循環(huán)伏安法對(duì)尿酸進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 尿酸在不同電極上的電化學(xué)行為

采用循環(huán)伏安法以100 mV/s的掃描速率在-0.3～1.0 V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，考察了不同修飾電極在尿酸的PBS（pH=7.4）緩沖溶液中的電化學(xué)行為，圖2為尿酸在不同修飾電極下的循環(huán)伏安圖，曲線a為裸玻碳電極，曲線b為c-MWCNT/DMF修飾玻碳電極，曲線c為在c-MWCNT/DMF已經(jīng)修飾玻碳電極的基礎(chǔ)上再次涂滴AuNPS制備得到的c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾玻碳電極，曲線d為一次性混合涂滴得到的c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾玻碳電極。以尿酸濃度為3.3×10-6mol/L進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。從圖2中可以看出，在裸玻碳電極上很難看到氧化還原峰，涂滴c-MWCNT/DMF后峰值變大，峰對(duì)稱較明顯，繼續(xù)涂滴納米金后氧化還原峰變小，但將c-MWCNT/DMF/AuNPs混合溶液一次涂滴得到的修飾電極的氧化還原峰分別位于0.19 V和0.22 V，峰高分別為 8.15 μA 和-9.06 μA，可明顯看出峰行尖銳對(duì)稱。因此，后續(xù)試驗(yàn)采用一次性涂滴c-MWCNT/DMF/AuNPs混合溶液的方式修飾電極來(lái)測(cè)定尿酸。

2.2 電化學(xué)阻抗譜

圖3 GCE和c-MWCNT/DMF/AuNPs/GCE在10mmol/L K4Fe(CN)6中的阻抗圖

2.3 電壓掃描速度的影響

研究20～300 mV/s范圍內(nèi)不同掃速下的循環(huán)伏安圖，如圖4所示。從圖4（a）可見(jiàn)，隨著掃速的增大，尿酸的氧化峰峰電流和還原峰峰電流均增大，氧化峰峰電位略微正移，還原峰峰電位略微負(fù)移。圖4（b）為氧化峰峰電流與掃速的關(guān)系，可知氧化峰峰電流與掃速呈良好的線性關(guān)系，線性方程為 I=0.03011v+0.26071（r=0.999），說(shuō)明尿酸在修飾電極上的氧化還原過(guò)程是一個(gè)表面吸附控制過(guò)程。當(dāng)掃描速度過(guò)高時(shí)，充電電流變得很大，伏安曲線變形扭曲，不利于峰電流的穩(wěn)定。因此，為獲得較大峰電流的同時(shí)又要防止充電電流過(guò)大，最優(yōu)掃描速度選為100 mV/s。

圖4 不同掃速下的循環(huán)伏安圖

2.4 pH的影響

其它條件相同下，緩沖溶液PBS（Na2HPO4-KH2PO4）的pH值顯著地影響著尿酸在修飾電極上的電流響應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)果如圖5，其中尿酸濃度為 1.18×10-5mol/L，pH值范圍為 5.8～8.0。由圖5可知，pH從5.8上升到7.0時(shí)，氧化峰峰電流逐漸增大，pH從7.0到8.0時(shí)氧化峰峰電流逐漸下降。峰電流值先增大后減小，在pH為7.0處取得最大值，隨著pH值逐漸升高，氧化峰峰電位隨之負(fù)移，這可能是質(zhì)子參與了尿酸的電極反應(yīng)。為獲得較高的峰電流，提高檢測(cè)靈敏度，后續(xù)試驗(yàn)取緩沖溶液PBS的pH為7.0。

圖5 pH對(duì)尿酸氧化峰峰電流的影響

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

配制一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，在最佳優(yōu)化條件下通過(guò)循環(huán)伏安法，測(cè)定不同濃度尿酸溶液的氧化峰峰電流，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6（a）可知，氧化峰峰電流隨著尿酸濃度的增加而升高。圖6（b）顯示了尿酸濃度為 1.98×10-7～1.18×10-4mol/L和氧化峰峰電流呈線性關(guān)系，線性方程為Ip=10.48168c+3.46147，相關(guān)系數(shù)r=0.9975。

2.6 實(shí)際樣品的測(cè)定

取0.5 mL尿液試樣于容量瓶中，定容至刻度。將該溶液稀釋10倍后作為測(cè)試樣品，按優(yōu)化條件下進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。加標(biāo)回收率為95.67% ～107.02% ，說(shuō)明該方法可用于實(shí)際樣品的測(cè)定。

表1 樣品測(cè)定及回收率

3 結(jié)論

本文利用碳納米管和納米金的協(xié)同效應(yīng)，將c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾在玻碳電極表面形成穩(wěn)定的修飾層，制備修飾電極。充分利用羧基化碳納米管的導(dǎo)電性和納米金的協(xié)同作用，大大改善了電極的導(dǎo)電性，進(jìn)一步提高了測(cè)量的靈敏度，建立了具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)定快速特點(diǎn)的，用于尿酸檢測(cè)的電化學(xué)傳感方法。本研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器檢測(cè)尿酸的線性范圍為1.98×10-7～1.18×10-4mol/L，線性回歸方程為Ip=10.48168c+3.46147，相關(guān)系數(shù) r=0.9975，檢出限為1.4×10-8mol/L，該法可成功地應(yīng)用于實(shí)際樣品尿液中尿酸的測(cè)定。