王存,王益平,彭莉,張毅
(1.重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程系,重慶 400067) (2.重慶市食品藥品檢測(cè)檢驗(yàn)研究院、重慶市醫(yī)藥過(guò)程和質(zhì)量控制研究中心,重慶 401121)
基于納米金/聚對(duì)氨基苯酚/多壁碳納米管納米復(fù)合材料修飾電極對(duì)尿酸的靈敏檢測(cè)
王存1*,王益平2,彭莉1,張毅1
(1.重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程系,重慶 400067) (2.重慶市食品藥品檢測(cè)檢驗(yàn)研究院、重慶市醫(yī)藥過(guò)程和質(zhì)量控制研究中心,重慶 401121)
該文首先將多壁碳納米管(MWCNTs)滴涂在玻碳電極(GCE)的表面;然后用循環(huán)伏安法和電沉積的方法依次沉積對(duì)氨基苯酚(AP)和納米金(Au),最后制成金/聚對(duì)氨基苯酚/多壁碳納米管納米復(fù)合材料修飾電極(Au/p-AP/MWCNT/GCE)。采用循環(huán)伏安法和示差脈沖伏安法等電化學(xué)技術(shù)研究了尿酸(UA)在該修飾電極上的電化學(xué)行為。結(jié)果表明該修飾電極對(duì)UA具有較好的電催化活性,在pH6.0磷酸鹽緩沖溶液中,其檢測(cè)下限為3.3 μmol/L,線性范圍分別為15~510 μmol/L。干擾實(shí)驗(yàn)表明,共存物質(zhì)抗壞血酸(AA)和多巴胺(DA)對(duì)UA的檢測(cè)沒(méi)有干擾。同時(shí)該修飾電極用于實(shí)際樣品(尿液和血清)中UA的測(cè)定也得到較好的效果。該研究為UA的快速檢測(cè)提供了一種新方法。
多壁碳納米管;納米金;聚對(duì)氨基苯酚;尿酸;玻碳電極
尿酸(UA)又名2,6,8-三羥基嘌呤,是核酸組成單位中嘌呤核苷酸分解代謝的產(chǎn)物[1]。UA在人體中含量的變化,可充分反映出人體內(nèi)代謝、免疫等機(jī)能的狀況,UA的生成和排泄不平衡時(shí),會(huì)引起血液中UA含量的異常,誘發(fā)多種疾病,如痛風(fēng)、白血病、腎功能衰竭、高尿酸血癥等,對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害[2-4]。因此,對(duì)人體體液中UA的定量分析無(wú)論是在藥物控制方面還是在臨床診斷方面都具有重要意義。目前檢測(cè)UA的方法主要有光譜法[5-6]、高效液相色譜法[7]、酶分析法[8]、電化學(xué)發(fā)光法[9]和電泳法[10]等,但是這些方法大都存在樣品預(yù)處理過(guò)程多且繁瑣,儀器昂貴,操作麻煩,成本高和操作條件受一定限制等缺點(diǎn)。而電化學(xué)方法[11-12]因具有操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、成本低、樣品不需要復(fù)雜前處理等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注,是目前測(cè)定UA切實(shí)可行的方法之一。
多壁碳納米管(MWCNTs)具有良好的導(dǎo)電性和高度穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),將其用作電極修飾材料可以促進(jìn)電活性物質(zhì)的電子傳遞?;贛WCNTs修飾電極在快速定量檢測(cè)UA已經(jīng)得到廣泛的研究,已在測(cè)定方法多樣性、測(cè)量精確度、穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面得到了很大的提高。如Ronald J.Mascarenhas工作團(tuán)隊(duì)將鐵納米粒子(Fe)修飾到MWCNTs表面制成了Fe/MWCNTs碳糊電極,使用循環(huán)伏安法(CV)研究了UA在修飾電極上的電化學(xué)特性,建立一種電化學(xué)檢測(cè)UA的新方法。該方法具有電極制備簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、檢出限低等特點(diǎn)。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際樣品(人的血清和尿液)中UA的含量檢測(cè),結(jié)果滿意[13]。張卉通過(guò)靜電相互作用在十二烷基苯磺酸鈉處理過(guò)的單臂碳納米管表面固定硫堇和尿酸酶制成修飾電極并用于尿酸的檢測(cè),該電極具有穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng),快速檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[14]。另一方面,金納米顆粒(Au)作為納米材料中的一員,具有米顆粒尺寸小,比表面積大和導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于傳感器具有很高的化學(xué)催化活性?;诖?,該文通過(guò)利用納米材料的納米尺寸和電催化效應(yīng),為達(dá)到增強(qiáng)電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)的目的,制備了金/聚對(duì)氨基苯酚/多壁碳納米管納米復(fù)合材料(Au/p-AP/MWCNT),并用于玻碳電極修飾。實(shí)驗(yàn)表明該修飾電極可用于UA的靈敏檢測(cè),為UA的測(cè)定提供了一個(gè)快速、可靠的方法。該方法重現(xiàn)性好,靈敏度高,不需經(jīng)過(guò)任何預(yù)處理步驟,已經(jīng)用于人的尿液和血清中UA的測(cè)定,測(cè)定結(jié)果令人滿意。
1.1 試劑與儀器
尿酸(UA)和對(duì)氨基苯酚(AP)(分析純,aladdin試劑公司);氯金酸(HAuCl4,>99.9%)、多壁碳納米管(MWCNTs)(sigma公司)。磷酸鹽緩沖溶液(PBS)由K2HPO4-KH2PO4配制,支持電解質(zhì)為0.1 mol/L KCl。其他試劑均為分析純?cè)噭麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程用水均為二次蒸餾水。
電子天平(FA2004B,上海恒平科技有限公司),KQ5200型超聲儀(昆山市超聲儀器有限公司)。CHI-660E型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司),實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)的三電極系統(tǒng):表面修飾的玻碳電極為工作電極,鉑絲為對(duì)電極,飽和甘汞電極作為參比電極。以循環(huán)伏安法(CV)和示差脈沖伏安法(DPV)考察電極表面不同修飾狀態(tài)的電化學(xué)特性。
1.2 修飾電極的制備
首先,將玻碳電極(GCE,直徑3 mm)在金相砂紙上依次用1.0,0.3和0.05 μm的氧化鋁粉進(jìn)行拋光,分別在無(wú)水乙醇、超純水中各超聲5 min,室溫下干燥備用。其次,將2 mg多壁碳納米管(MWCNTs)超聲分散于2 mL水中,得到l g/L的多壁碳納米管分散液。取20 μL溶液滴加在玻碳電極表面,室溫下晾干,得到多壁碳納米管修飾電極(MWCNTs/GCE)。然后,將MWCNTs/GCE放入聚合液中電沉積對(duì)氨基苯酚(AP),沉積聚合液由1 mmol/L AP和0.5 mol/L H2SO4組成,采用CV方法,在-0.2~1.0 V之間以掃速為50 mV/s循環(huán)掃描20圈,沉積結(jié)束后用蒸餾水洗凈電極,然后在0.1 mol/L PBS(pH6.0)緩沖溶液中掃至穩(wěn)定的循環(huán)伏安曲線,室溫晾干,得到聚對(duì)氨基酚/多壁碳納米管修飾電極(p-AP/MWCNTs/GCE)。最后沉積納米金(Au),將聚合后的電極于1 mmol/L HAuCl4和0.5 mol/L H2SO4混合溶液中,-0.2 V電位沉積80 s,蒸餾水沖洗后得到Au/p-AP/MWCNTs/GCE。室溫下晾干,使用前先用蒸餾水輕微沖洗并用濾紙將余留水分吸干。
2.1 對(duì)氨基苯酚在電極上的電化學(xué)聚合
圖l為以MWCNTs/GCE為基礎(chǔ)電極,以50 mV/s的掃速沉積聚對(duì)氨基苯酚膜(p-AP)時(shí)的循環(huán)伏安(CV)圖。由圖可見(jiàn),在+0.50和+0.56 V左右分別出現(xiàn)兩對(duì)較強(qiáng)的氧化還原峰,在+0.22和+0.74 V左右分別出現(xiàn)兩對(duì)較弱的氧化還原峰。隨著掃描次數(shù)的增加,電流逐漸增大,說(shuō)明對(duì)氨基苯酚(AP)已經(jīng)通過(guò)電化學(xué)的方法聚合在電極表面。循環(huán)掃描一定圈數(shù)后,電流增加的幅度減小,證明隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行,電極表面的聚合物薄膜趨于完整,聚合沉積速率減緩,修飾過(guò)程完成。
圖1 對(duì)氨基苯酚聚合過(guò)程的循環(huán)伏安曲線Fig.1Cyclic voltammograms of p-aminopenol in the polymerization process
2.2 電極修飾過(guò)程的電化學(xué)表征
圖2 在0.1 mol/L PBS(pH6.0)溶液中不同修飾電極循環(huán)伏安圖形,(a)裸玻碳電極,(b)多壁碳納米管修飾玻碳電極,(c)對(duì)氨基苯酚/多壁碳納米管修飾玻碳電極,(d)金/對(duì)氨基苯酚/多壁碳納米管修飾玻碳電極。掃速:0.05 V/sFig.2cyclic voltammograms of(a)bare GCE,(b)MWCNTs/ GCE,(c)p-AP/MWCNTs/GCE,(d)Au/p-AP/MWCNTs/GCE in 0.1 mol/L PBS(pH6.0).Scan rate:0.05 V/s
用循環(huán)伏安法研究了電極組裝過(guò)程中的電化學(xué)特性。圖2為不同修飾電極在0.1 mol/L PBS (pH6.0)溶液中的循環(huán)伏安圖譜。從圖中可以看出,MWCNTs/GCE(圖2b)的背景電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裸的玻碳電極(圖2a)背景電流,這可能是由于碳納米管的比表面積大,增加了電極表面電荷所致[15]。當(dāng)沉積了AP到電極表面時(shí),p-AP/ MWCNTs/GCE(圖2c)背景電流相對(duì)MWCNTs/ GCE背景電流稍微增大,表明p-AP具有良好的導(dǎo)電性。由于納米金(Au)具有大的比表面積和良好的導(dǎo)電性,Au/p-AP/MWCNTs/GCE(圖2d)背景電流相對(duì)p-AP/MWCNTs/GCE背景電流增大。以上過(guò)程表明,目標(biāo)電極制備成功。圖3為Au/p-AP/MWCNTs修飾電極的制備過(guò)程圖。
圖3 Au/p-AP/MWCNTs修飾電極的制備過(guò)程Fig.3The preparation process of Au/p-AP/MWCNTs modified electrode
2.3 UA在復(fù)合修飾電極上的伏安特性
圖4 在含有50 μmol/L UA的0.1 mol/L PBS(pH6.0)緩沖溶液中不同修飾電極循環(huán)伏安圖形,(a)裸玻碳電極,(b)多壁碳納米管修飾玻碳電極,(c)對(duì)氨基苯酚/多壁碳納米管修飾玻碳電極,(d)金/對(duì)氨基苯酚/多壁碳納米管修飾玻碳電極。掃速:0.05 V/sFig.4cyclic voltammograms at(a)bare GCE,(b) MWCNTs/GCE,(c)p-AP/MWCNTs/GCE,(d)Au/p-AP/ MWCNTs/GCE in 0.1 mol/L PBS(pH6.0)containing 50 μmol/L UA.Scan rate:0.05 V/s
圖4為bare GCE,MWCNTs/GCE,p-AP/ MWCNTs/GCE和Au/p-AP/MWCNTs/GCE在含有50 μmol/L UA的0.1 mol/L PBS(pH6.0)中的循環(huán)伏安曲線。由圖可見(jiàn),UA在bare GCE(圖4a)上基本沒(méi)有響應(yīng)。在MWCNTs/GCE(圖4b)和p-AP/ MWCNTs/GCE(圖4c)上的峰電流響應(yīng)比較弱。值得注意的是,UA在Au/p-AP/MWCNTs/GCE(圖4d)的響應(yīng)電流非常大,相較于bare GCE約增大87倍左右,相較于MWCNTs/GCE和p-AP/ MWCNTs/GCE峰電流約增大了2.9和2.1倍左右。目標(biāo)電極對(duì)UA有較大響應(yīng),原因大致可以歸納為以下幾個(gè)方面:1)Au具有大的比表面積和高的電子傳遞速率[16];2)MWCNTs的邊緣缺陷或邊緣石墨性質(zhì)可以加速對(duì)UA的催化氧化[17];3)Au、p-AP和MWCNTs三者形成的復(fù)合材料中三者協(xié)同作用使得該種復(fù)合材料修飾的電極對(duì)UA有明顯的催化作用所致??傊?,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,目標(biāo)電極可用于UA檢測(cè)。
2.4 pH緩沖液尿酸的電化學(xué)行為影響
在其他條件一定的情況下,研究了磷酸緩沖溶液pH值在3.0~8.0范圍內(nèi)對(duì)UA的峰電流影響。具體表現(xiàn)如圖5。圖5A為UA峰電流與pH之間關(guān)系圖,由圖可知,UA在pH3.0處有較大峰電流,但是UA的峰電流在pH4.0~pH8.0范圍內(nèi)先增加后減小,在pH6.0處取得最大值。圖5B為UA峰電位與pH之間關(guān)系圖,由圖可知,UA峰電位則隨著pH值的增大而降低,表明UA是等電子等質(zhì)子參加的反應(yīng)[18]。綜合考慮,選擇pH6.0作為Au/p-AP/MWCNTs修飾電極對(duì)UA選擇性測(cè)定的底液。
圖5 (A)pH對(duì)UA峰電流的影響和(B)pH對(duì)UA峰電位的影響Fig.5(A)Dependence of UA peak current on pH and(B)Dependence of UA peak potential on pH
2.5 示差脈沖伏安法測(cè)定UA
由于示差脈沖伏安法(DPV)比CV具有更好的分辨率和更高的靈敏度,常被用于UA含量測(cè)定研究。因此,該實(shí)驗(yàn)采用DPV法對(duì)不同濃度的UA進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如圖6所示。圖中UA濃度從上往下依次增大,分別為15、25、50、60、140、165、195、205、270、300和510 μmol/L。由圖可見(jiàn),UA峰電流隨其濃度的增加而線性增加,并在15~510μmol/L范圍內(nèi)與其濃度呈良好的線性關(guān)系,其線性方程為:I(μA)=-227.043-0.04203cUA(μmol/L),檢出限(S/N=3)為3.3 μmol/L。
圖6 Au/p-AP/MWCNTs/GCE對(duì)不同濃度UA響應(yīng)的DPV曲線。UA濃度從上往下依次增大,分別為15、25、50、60、140、165、195、205、270、300和510 μmol/L。插圖為響應(yīng)電流與相應(yīng)UA濃度的線性關(guān)系曲線Fig.6DPV curves of Au/p-AP/MWCNTs/GCE responding to different concentrations of UA.The concentrations of UA(from inner to outer)are:15、25、50、60、140、165、195、205、270、300 and 510 μmol/L.The inset shows a linear plot of response current vs.concentration
2.6 干擾實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性
在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,在含有50 μmol/L UA的0.1 mol/L PBS(pH6.0)中,考察了與UA電位相近物質(zhì)及常見(jiàn)的金屬離子、陰離子對(duì)UA測(cè)定的影響。結(jié)果表明,抗壞血酸、多巴胺、葡萄糖、L-半胱氨酸、K+、Fe3+、Na+、Ca2+、SO42-、NO2-、NO3-、Mg2+、Zn2+等基本不干擾UA的測(cè)定,說(shuō)明該修飾電極具有較好的抗干擾能力。當(dāng)該傳感器不用時(shí),室溫保存。10 d后,該傳感器對(duì)UA響應(yīng)電流下降約2.3%。20 d后,該傳感器電流響應(yīng)下降約6.7%。說(shuō)明此電極具有良好的穩(wěn)定性。
2.7 實(shí)樣分析
采用加標(biāo)回收的方法,考察了Au/p-AP/ MWCNTs修飾電極對(duì)人血清和尿液樣品中UA含量的測(cè)定。血清和尿液樣品直接使用沒(méi)有進(jìn)行預(yù)處理,測(cè)定時(shí)分別將血清樣品與尿液樣品用0.1 mol/L PBS(pH6.0)緩沖溶液稀釋100倍,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1,該方法對(duì)UA測(cè)定的回收率為98.5%~101.0%,說(shuō)明該方法可以滿足實(shí)際樣品中UA的定量分析。
表1 人的尿液和血清樣品中尿酸的測(cè)定及回收率Tab.1Determination of uric acid in human serum and urine samples and corresponding recovery
該實(shí)驗(yàn)成功制備出Au/p-AP/MWCNTs納米復(fù)合材料,并用于玻碳電極修飾,研究了該修飾電極對(duì)UA的電化學(xué)行為,建立了UA含量測(cè)定的新方法。通過(guò)Au、p-AP和MWCNTs協(xié)同作用,提高了該傳感器對(duì)UA檢測(cè)的靈敏度和線性范圍。結(jié)果表明,該方法相對(duì)簡(jiǎn)單,且具有較高的靈敏度、較寬的線性范圍、較高穩(wěn)定性和較強(qiáng)抗干擾能力,已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際樣品(人的血清和尿液)中UA的含量檢測(cè)。因此,該方法在實(shí)際樣品或臨床醫(yī)學(xué)樣品檢測(cè)UA具有一定的研究意義和參考價(jià)值。
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Au/poly(p-aminopheno)/multi-walledcarbon nanotubes nanocomposite materials modified electrode for the sensitive determination of uric acid
Wang Cun1*,Wang Yi-ping2,Peng Li1,Zhang Yi1
(1.Department of Biological&Chemical Engineering,Chongqing University of Education,Chongqing 400067, China)
(2.Chongqing food and drug inspection and Testing Research Institute,Chongqing Engineering Research Center for Pharmaceutical Process and Quality Control,Chongqing 401121,China)
In this paper,firstly,the multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs)were coated on the surface of glassy carbon electrode(GCE);then,p-aminopheno(AP)and gold nanoparticles(Au)were deposited by cyclic voltammetry and electrodeposition;finally,an Au/poly(p-aminopheno)/multi-walledcarbon nanotubes(Au/p-AP/MWCNTs) nano-composite materials modified electrode was fabricated.The electrochemical behavior of UA was investigated by cyclic voltammogram and differential pulse voltammetry,indicating that the modified electrode possessed an enhanced electrocatalytic activity to the UA.In 0.1 mol/L PBS(pH6.0),the modified electrode showed good response to UA,the linear calibrations for UA were obtained over ranges of 15 to 510 μmol/L with detection limits of 3.3 μmol/L.The interference test showed that the coexisted ascorbic acid(AA)and dopamine(DA)had no electrochemical interference toward UA.In addition,the modified electrode was successfully applied for the determination of analytes in real sample(urine and serum)with satisfactory results.This study provides a new method for the rapid detection of UA.
multi-walled carbon nanotubes;gold nanoparticles;poly(p-aminopheno);uric acid;glassy carbon electrode
重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1501404)、重慶市工程技術(shù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目(cstc2015yfpt-gcjsyjzx0027)資助
*通信聯(lián)系人,Tel:15696106894,E-mail:wangcun5224@126.com