ITO電極上Tris促進(jìn)[Ru(bpy)3]2+對次黃嘌呤的電催化氧化

蔡雪萍， 許 旋， 甘桂蓮， 李 紅

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510006)

ITO電極上Tris促進(jìn)[Ru(bpy)3]2+對次黃嘌呤的電催化氧化

蔡雪萍， 許 旋， 甘桂蓮， 李 紅*

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510006)

研究了在銦錫氧化物(ITO)電極上三羥甲基氨基甲烷(Tris)促進(jìn)[Ru(bpy)3]2+(bpy = 2,2′-聯(lián)吡啶)對次黃嘌呤(Hx)的電催化氧化作用. 結(jié)果表明，加入Tris明顯地增強(qiáng)了[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化，掃描速度、溶液pH和Hx濃度對Hx電催化氧化均有明顯的影響，Hx電催化氧化產(chǎn)物能與Tris發(fā)生后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，[Ru(bpy)3]2+對Hx的催化氧化是基于后續(xù)化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)均相電催化反應(yīng)(EC′C)的機(jī)理. 在10 mmol·L-1Tris/50 mmol·L-1NaCl (pH 7.2)緩沖溶液中，Hx的電催化氧化電流在0.10～0.15 mmol/L區(qū)間隨Hx濃度線性地增大，檢測限為0.12 μmol/L (S/N=3).

次黃嘌呤； 多吡啶釕(II)配合物； 電催化氧化； 伏安檢測

次黃嘌呤(Hx)是生物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物，它的分析檢測一方面可以應(yīng)用于食品中魚肉新鮮度的評價[1]，另一方面可以診斷病人是否患了由于尿酸過高而引起的痛風(fēng)[2]，因此Hx的傳感分析在生物學(xué)、食品科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力[3]. 目前，Hx的檢測方法主要包括高效液相色譜法[4]、毛細(xì)管電泳法[5]、離子交換色譜法[6]、質(zhì)譜法[7]、電化學(xué)法[8]及相應(yīng)的聯(lián)用技術(shù)[9]. 色譜法通常具有檢測靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，但是它需要昂貴的儀器，操作繁瑣[10]. 電化學(xué)法因具有操作簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是目前值得重點(diǎn)發(fā)展的方法. 由于Hx在一般的固體電極上難于直接氧化，需要通過修飾Pt、Ag等納米顆粒和黃嘌呤氧化酶來提高電極對Hx催化氧化活性[11]，因此仍存在化學(xué)修飾電極被Hx氧化產(chǎn)物毒化的問題[12].

多吡啶釕配合物具有良好的電化學(xué)性能，已被作為媒介體應(yīng)用于堿基和DNA的催化氧化研究及其光電傳感分析[13]. RULSING等[14]把釕(II)配合物修飾到電極上，并作為電化學(xué)指示劑分析DNA的氧化損傷. THORP小組曾研究了釕(II)配合物和更高價態(tài)釕配合物在ITO電極上對DNA及鳥嘌呤的電催化氧化，提出了均相電催化(EC′)氧化機(jī)理[15].作者研究了[Ru(bpy)3]2+對鳥嘌呤和Hx在旋轉(zhuǎn)Pt電極上的電催化氧化[16-17]. 有關(guān)釕配合物作為Hx氧化媒介體的研究涉及較少，尤其是利用后續(xù)化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)Hx的電催化氧化研究尚未見文獻(xiàn)報道. 為此，本文選[Ru(bpy)3]2+作媒介體，Hx作為被電催化氧化和分析的對象，Tris作為緩沖劑和后續(xù)化學(xué)反應(yīng)物，應(yīng)用電化學(xué)法、XPS和熒光光譜法研究在ITO電極上Tris促進(jìn)[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化作用及反應(yīng)機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Tris和[Ru(bpy)3]Cl2·6H2O購自Sigma公司，Hx(純度≥99.0%)及其它試劑均為分析純. 溶液用二次重蒸水配制，除非特別說明，Hx電催化氧化研究在含10 mmol·L-1Tris/50 mmol·L-1NaCl (pH 7.2)緩沖溶液中進(jìn)行，[Ru(bpy)3]2+溶液的濃度為0.2 mmol/L. 實(shí)驗(yàn)在(25±2) ℃下進(jìn)行.

實(shí)驗(yàn)主要儀器包括CHI660d電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)、RF-2500熒光光譜儀(日本 Hitachi)、EscaLab 250 X-射線光電子能譜儀(XPS，美國Thermo Fisher Scientific)和PHS-3C型酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠). XPS分析以表面污染C1s(284.8 eV)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行能量校正；電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng)，工作電極為ITO電極，由深圳南玻顯示器件公司提供，薄膜電阻為20 Ω/cm2，幾何面積為0.72 cm2，對電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極(SCE).

1.2 基于[Ru(bpy)3]2+發(fā)光膜的制備

為了研究Hx對固體膜中[Ru(bpy)3]2+光致發(fā)光的影響，固定1.0 mmol/L [Ru(bpy)3]2+比例(60 μL)，加入100 μL 0.2 mmol/L Hx并充分混合，滴加到ITO電極表面上(面積固定)，自然晾干后放至烘箱中40 ℃干燥2 h.

2 結(jié)果與討論

2.1 Tris增強(qiáng)[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化

在0.25～1.25 V電位區(qū)間(圖1)，曲線1上出現(xiàn)了一對基于Ru(III)/Ru(II)反應(yīng)的氧化還原峰，氧化峰和還原峰電位分別為1.136、1.048 V，條件電位Eo’為1.092 V，氧化峰電流與還原峰電流基本相等. 另外，圖2顯示掃速對峰電位基本沒有影響，當(dāng)掃速為0.02 V/s時，峰電位差為65 mV，氧化峰電流則隨掃速的平方根增大而線性地增大(插入圖)，表明緩沖溶液中[Ru(bpy)3]2+氧化生成[Ru(bpy)3]3+反應(yīng)基本符合可逆反應(yīng)的特征，其與ITO電極間的電荷交換是一個快速的電極過程，結(jié)果為[Ru(bpy)3]2+對Hx電催化氧化奠定了基礎(chǔ).

當(dāng)[Ru(bpy)3]2+體系中存在0.1 mmol/L Hx(圖1)，曲線2對比于曲線1，氧化峰電流明顯增大，電位負(fù)移了14 mV，還原峰消失，曲線3顯示了單獨(dú)Hx在該電位區(qū)間在ITO電極上并不能發(fā)生氧化，說明[Ru(bpy)3]2+對Hx在ITO電極上的氧化具有明顯的電催化作用，其催化過程可用反應(yīng)(1)和(2)表示：

(1)

(2)

其中，反應(yīng)(1)代表[Ru(bpy)3]2+在ITO電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，(2)則代表(1)中的氧化產(chǎn)物與Hx反應(yīng)再生成[Ru(bpy)3]2+，而Hx假定發(fā)生6e反應(yīng)生成尿酸[18]. 另外，Hx的氧化峰電流隨著溶液中Tris濃度的增加而增大(圖3)，在無Tris存在時，[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化程度較低，Tris在該電位區(qū)間并不能發(fā)生氧化(圖1曲線1)，表明Tris的加入能明顯地增強(qiáng)[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化.

圖1 [Ru(bpy)3]2+(1)、[Ru(bpy)3]2+/0.1 mmol·L-1 Hx(2)和0.1 mmol·L-1 Hx(3)在ITO電極上的循環(huán)伏安曲線，掃速：0.1 V·s-1

(1)0.20 V/s; (2)0.15 V/s; (3)0.10 V/s; (4)0.05 V/s; (5)0.02 V/s

注：插入圖為氧化峰電流(IE)與掃速平方根的關(guān)系曲線

2.2 Tris促進(jìn)[Ru(bpy)3]2+對Hx電催化氧化的反應(yīng)機(jī)理

為了闡明Hx電催化氧化的反應(yīng)機(jī)理，研究了[Ru(bpy)3]2+與Hx分子間的識別作用及掃描速度、溶液pH值、Hx濃度的影響.

圖3 [Ru(bpy)3]2+/Hx在不同Tris濃度下的循環(huán)伏安曲線

2.2.1 [Ru(bpy)3]2+與Hx分子間的識別作用 依據(jù)反應(yīng)式(1)和(2)推知，[Ru(bpy)3]2+與Hx存在良好的分子間識別作用. 為了避免溶劑水對[Ru(bpy)3]3+光致發(fā)光的影響，圖4顯示了固相膜中Hx對[Ru(bpy)3]2+光致發(fā)光的影響. 在450 nm光的激發(fā)下，ITO表面上的[Ru(bpy)3]2+在約576 nm呈現(xiàn)一個清晰的發(fā)射峰. 當(dāng)在[Ru(bpy)3]2+體系引入Hx時，發(fā)射峰位置基本不發(fā)生變化，但[Ru(bpy)3]2+的發(fā)光強(qiáng)度增大，表明[Ru(bpy)3]2+與Hx間存在較強(qiáng)的相互作用，Hx可能通過π-π堆積作用增強(qiáng)了[Ru(bpy)3]2+的發(fā)光[18]，為[Ru(bpy)3]2+對Hx電催化氧化提供了有利的條件.

圖4 ITO上[Ru(bpy)3]2+和[Ru(bpy)3]2+/Hx的熒光光譜

2.2.2 掃描速度的影響 當(dāng)掃速從0.02 V/s增大至0.20 V/s(圖5)，氧化峰電流依次增大. 為了更好地說明掃速對Hx電催化氧化的影響，分別以IC′和IE代表[Ru(bpy)3]2+有無Hx存在時在ITO電極上的氧化峰電流，而IC′/IE則可代表[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化效率. 從圖5插圖可見，IC′/IE隨著掃速的增大而減小，表明掃速越慢，[Ru(bpy)3]2+氧化生成的[Ru(bpy)3]3+越有足夠的時間與Hx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化效率增大，由此可推測，相對于反應(yīng)(1)，反應(yīng)(2)可能是Hx電催化氧化過程的速度控制步驟.

(1)0.20 V/s; (2)0.15 V/s; (3)0.10 V/s; (4)0.05 V/s; (5)0.02 V/s

2.2.3 pH的影響 Hx的電催化氧化在酸性條件下基本不受溶液pH的影響(圖6)，但在堿性條件下氧化峰電位隨pH增大而負(fù)移，表明合理地增大溶液pH，有利于Hx的電催化氧化. 由于Hx的pKa約為8.9[19]，在較高pH下[Ru(bpy)3]2+與Hx間的相互作用較強(qiáng)，有利于均相化學(xué)反應(yīng)(2)的進(jìn)行. 但考慮到在接近中性條件下Hx不僅有較好的電催化氧化效果，而且表現(xiàn)出明顯的均相電催化的特征，除非特別說明，溶液pH仍采用7.2.

圖6 pH對Hx電催化氧化峰電位的影響

2.2.4 Hx濃度的影響 適當(dāng)?shù)卦龃驢x濃度有利于反應(yīng)(2)的進(jìn)行(圖7)，Hx的電催化氧化峰電流隨著Hx濃度增大而增大，還原峰電流減小直至消失，表現(xiàn)出更明顯的電催化氧化特征，為Hx的伏安檢測奠定基礎(chǔ).

圖7 [Ru(bpy)3]2+在不同Hx濃度下的循環(huán)伏安曲線

圖8 在無(A1、A2)與Tris(B1、B2)存在下獲得的Hx電催氧化產(chǎn)物的X-射線光電子能譜

(3)

2.3基于Hx電催化氧化的伏安檢測

Hx的電催化氧化電流隨Hx濃度增大而增大(圖9)，在0.10～0.15 mmol/L區(qū)間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.991，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.04% (n=3)，檢測限為0.12 μmol/L(S/N=3)，可以應(yīng)用于Hx的微量檢測.

Hx濃度(mol/L): (1) 0.002; (2) 0.01; (3) 0.02; (4) 0.05; (5) 0.10; (6) 0.15, 掃速: 0.1 V/s

3 結(jié)論

Tris的加入明顯地增強(qiáng)了[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化，結(jié)合掃描速度、溶液pH和Hx濃度對Hx電催化氧化的影響及熒光光譜和XPS分析，闡明了Tris增強(qiáng)[Ru(bpy)3]2+對Hx的電催化氧化是基于EC′C反應(yīng)機(jī)理，可應(yīng)用于制作Hx的電流型電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)Hx的微量檢測. Hx氧化呈現(xiàn)的催化電流在0.10～0.15 mmol/L區(qū)間隨Hx濃度線性地增大，相關(guān)系數(shù)為0.991，檢測限為0.12 μmol/L(S/N=3). 這些結(jié)果有助于理解氧化還原媒介體對嘌呤類衍生物的電催化氧化機(jī)理，為生物傳感器的構(gòu)建提供新思路.

[2] YAMAMOTO T, MORIWAKI Y, TAKAHASHI S. Effect of ethanol on metabolism of purine bases(hypoxanthine, xanthine, and uric acid)[J]. Clin Chim Acta, 2005, 356(1/2): 35-57.

[3] 凌云, 王新宴, 雍煒, 等. 高效液相色譜法檢測肉類食品中4種嘌呤堿[J]. 分析化學(xué), 2008, 36(6): 724-728.

[4] FARTHING D, SICA D, GEHR T, et al. An HPLC method for determination of inosine and hypoxanthine in human plasma from healthy volunteers and patients presenting with potential acute cardiac ischemia[J]. J Chromatogr B, 2007, 854(1/2): 158-164.

[5] SOGA T, OHASHI Y, UENO Y, et al. Quantitative metabolome analysis using capillary electrophoresis mass spectrometry[J]. J Proteome Res, 2003, 2(5): 488-494.

[6] 侯升杰, 明玉. 陽離子交換色譜法同時測定啤酒和鯡魚精脫氧核糖核酸中的堿基和核苷[J]. 分析化學(xué), 2011, 39(3): 405-408.

[7] GAO J L, LEUNG K S Y, WANG Y T, et al. Qualitative and quantitative analyses of nucleosides and nucleobases in Ganoderma spp. by HPLC-DAD-MS[J]. J Pharm Biomed Anal, 2007, 44(3): 807-811.

[8] ZEN J M, LAI Y Y, ILANGOVAN G, et al. Electrocatalytic oxidation of hypoxanthine on a Nafion/lead-ruthenium oxide pyrochlore modified electrode[J]. Electroanalysis, 2000, 12(4): 280-286.

[9] PEI J, LI X. Xanthine and hypoxanthine sensors based on xanthine oxidase immobilized on a CuPtCl6chemically modified electrode and liquid chromatography electrochemical detection[J]. Anal Chim Acta, 2000, 414(1/2): 205-213.

[10] FARTHING D, SICA D, GEHR T, et al. An HPLC method for determination of inosine and hypoxanthine in human plasma from healthy volunteers and patients presenting with potential acute cardiac ischemia[J]. J Chromatogr B, 2007, 854(1/2): 158-164.

[12] KUMAR A S, SWETHA P. Ru(DMSO)4Cl2nano-aggregated Nafion membrane modified electrode for simultaneous electrochemical detection of hypoxanthine, xanthine and uric acid[J]. J Electroanal Chem, 2010, 642(2): 135-142.

[13] TAN C P, LIU J, CHEN L M, et al. Synthesis, structural characteristics, DNA binding properties and cytotoxicity studies of a series of Ru(III) complexes[J]. J Inorg Biochem, 2008, 102(8): 1644-1653.

[15] ARMISTEAD P M, THORP H H. Oxidation kinetics of guanine in DNA molecules adsorbed onto indium tin oxide electrodes[J]. Anal Chem, 2001, 73(3): 558-564.

[16] CHEN M J, WENG X M, HE L Q, et al. Electrocatalytic activity of [Ru(bpy)3]2+toward guanine oxidation upon incorporation of surfactants and SWCNTs[J]. J Appl Electrochem, 2011, 41(7): 795-801.

[17] YAN X, LI H, XU Z, et al. Electrocatalytic activity of [Ru(bpy)3]2+for hypoxanthine oxidation studied by rotating electrode methods[J]. Bioelectrochemistry, 2009, 74(2): 310-314.

[18] CONWAY A C, GOYAL R N, DRYHURST G. Electrochemical oxidation of hypoxanthine[J]. J Electroanal Chem, 1981, 123(2): 243-264.

[19] NIKLASSON F. Simultaneous liquid-chromatographic determination of hypoxanthine, xanthine, urate, and creatinine in cerebrospinal fluid, with direct injection[J]. Clin Chem, 1983, 29: 1543-1546.

Keywords： hypoxanthine; polypyridyl ruthenium(II) complex; electrocatalytic oxidation; voltammetric detection

Tris-EnhancedElectrocatalyticOxidationofHypoxanthineby[Ru(bpy)3]2+onanITOElectrode

CAI Xueping, XU Xuan, GAN Guilian, LI Hong*

(Department of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

The electrocatalytic oxidation of hypoxanthine (Hx) by [Ru(bpy)3]2+(bpy = 2,2′-bipyridine) on an indium-tin oxide (ITO) electrode upon incorporation of tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) has been investigated. The addition of Tris is found to obviously promote the electrocatalytic oxidation of Hx by [Ru(bpy)3]2+on the ITO electrode. The electrocatalytic oxidation of Hx is influenced by scan rate, pH value and Hx concentration. The XPS analysis reveals the presence of following chemical reactions between the oxidized products of Hx and Tris. Taken together, the electrochemical oxidation of Hx in Tris-containing buffer solutions is attributed to an EC′C mechanism, which is a special type of following chemical reaction coupled to the homogeneous electrocatalysis. In buffer solutions containing 10 mmol·L-1Tris/50 mmol·L-1NaCl (pH 7.2), the electrocatalytic currents increase linearly with increasing Hx concentration in the range from 0.1 μmol·L-1to 0.15 mmol·L-1. The detection limit of Hx is 0.12 μmol·L-1(S/N=3).

2013-04-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21271075)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10351063101000001)

*通訊作者:李紅，教授，Email: lihong@scnu.edu.cn.

1000-5463(2013)05-0068-06

O657.1

A

10.6054/j.jscnun.2013.07.016

【中文責(zé)編：成文 英文責(zé)編：李海航】