尿酸在聚呋喃丙烯酸電化學(xué)傳感器上的電化學(xué)行為研究及測定

匡云飛，鄒建陵，李　薇，楊穎群，許金生，馮泳蘭，李玉明

（衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南衡陽 421008）

尿酸在聚呋喃丙烯酸電化學(xué)傳感器上的電化學(xué)行為研究及測定

匡云飛，鄒建陵，李薇，楊穎群，許金生，馮泳蘭，李玉明

（衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南衡陽 421008）

用電聚合法制備了聚呋喃丙烯酸電化學(xué)傳感器 （PFA/GCE），研究了尿酸 （UA）在該電化學(xué)傳感器上的電化學(xué)行為，探討了線性掃描溶出伏安法測定尿酸含量的最佳實驗條件。結(jié)果表明：在含一定量UA的BR （pH=5.0）緩沖溶液中，以0.1 V/s在0.1～0.7 V電位范圍內(nèi)進行掃描，發(fā)現(xiàn)在約0.4 V左右處UA產(chǎn)生靈敏的氧化峰，其峰電流與其濃度在3.0×10-7～9.0×10-4mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限（S/N=3）為8.5×10-8mol/L。該方法靈敏度高，抗干擾性強，電極制備簡單，重現(xiàn)性好，可用于人體尿液中尿酸的測定。

尿酸；呋喃丙烯酸；線性掃描溶出伏安法；玻碳電極

尿酸（UA）是人體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸等生命物質(zhì)的代謝產(chǎn)物，每人每天平均產(chǎn)生600 mg，其中2/3經(jīng)尿液排出，正常人尿液中UA濃度為1.49～4.46 mmol/L，若含量過高（稱高尿酸癥或Lesch-Nyhan綜合癥），是許多疾病的征兆，如心血管疾病、痛風(fēng)、肥胖、糖尿病、高膽固醇、高血壓、腎病、心臟病等。因此，對人體尿液中UA的定量分析在藥物控制及臨床診斷等方面具有重要意義。目前測定UA的方法主要有色譜法［1-3］、電泳法［4］、光度法［5］。但光度法測定靈敏度低，且易受樣品中存在的其它發(fā)色團的影響；色譜法樣品處理過程過于繁瑣，儀器價格昂貴，限制了它的使用范圍。近年來，化學(xué)修飾電極法測定［6-13］UA引起人們極大興趣，但有些電極制備較復(fù)雜，有些重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差，等等。

本文用具有開發(fā)價值的新型有機合成原料呋喃丙烯酸（FA）作為修飾劑，利用循環(huán)伏安法研制了一種新型的電化學(xué)傳感器聚呋喃丙烯酸修飾玻碳電極（PFA/GCE）。探討了UA在該電化學(xué)傳感器上的伏安性質(zhì)。討論了測定最佳條件，采用線性掃描溶出伏安法進行定量分析。將該電化學(xué)傳感器用于人體尿液中UA的測定，能夠顯著提高分析的靈敏度、選擇性和重現(xiàn)性。

1　實驗部分

1.1主要儀器

EC550電化學(xué)工作站（武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司），SB超聲波清洗機（寧波新芝生物科技股份有限公司），AE200型電子分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司），78-1磁力加熱攪拌器（山東甄城華魯電熱儀器有限公司），H2601酸度計（上海大普儀器有限公司）

1.2主要試劑

10.0mmol/L UA標準儲備液，0.01 mol/L呋喃丙烯酸溶液，0.2 mol/L磷酸鹽緩沖溶液，0.2mol/LNa2HPO4溶液，1.0 mol/L HAc-Na Ac緩沖溶液，1.0 mol/L NH3-NH4Cl緩沖溶液等，所用試劑均為分析純，未進一步處理，實驗用水為高純?nèi)ルx子水。

圖1　尿酸的循環(huán)伏安a、PFA/GCE b、GCE+尿酸c、PFA/GCE+尿酸底液：BR緩沖溶液（p H=5.0）

1.3聚呋喃丙烯酸電化學(xué)傳感器的制備

1.3.1玻碳電極的預(yù)處理及活化

將玻碳電極（GCE）用0.05μm Al2O3粉末拋光成鏡面，依次用HNO3、無水乙醇和水超聲清洗5 min，取出后用高純?nèi)ルx子水沖凈。再將電極置于0.5 mol/L H2SO4溶液中，于1.0～-1.0 V電位范圍內(nèi)以0.1 m V/s掃描速度采用循環(huán)伏安法進行活化處理，置于p H7.3 Na H2PO4-Na2HPO4緩沖溶液中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2聚呋喃丙烯酸電化學(xué)傳感器的研制

將已活化處理的GCE置于1.0 mmol/L FA的Na H2PO4-Na2HPO4緩沖溶液（p H=7.3）中，然后以活化處理后的GCE為工作電極，甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑柱（Pt）為對電極，采用循環(huán)伏安法在-1.5～1.5 V電位條件下電聚合5圈，取出后用水反復(fù)沖洗，即得聚呋喃丙烯酸電化學(xué)傳感器（PFA/ GCE）。然后將傳感器保存于p H7.3 Na H2PO4-Na2HPO4緩沖溶液待用。

1.4實驗方法

移取一定量的UA標準工作液于含有10.0 m L BR緩沖溶液（p H=5.0）的電解杯中，然后以PFA/ GCE為工作電極，SCE為參比電極，Pt為對電極，在-0.2 V處富集25s，于0.1～0.7 V范圍內(nèi)，利用線性掃描溶出伏安法以0.1 V/s掃描速度進行測定，記錄在0.4 V處的氧化峰峰電流，再以峰電流為縱坐標，UA濃度為橫坐標，繪制工作曲線。

2　結(jié)果討論與分析

2.1尿酸在修飾電極上的電化學(xué)行為分析

2.1.1尿酸在修飾電極上的循環(huán)伏安行為分析

以PFA/GCE為工作電極，SCE為參比電極，鉑絲電極為對電極，分別在含1.0×10-4mol/L UA 的BR緩沖溶液（p H=5.0）和空白BR緩沖溶液（p H=5.0）中，于0.1～0.7 V的電位范圍內(nèi)，以0.1 V/s的掃描速度進行循環(huán)掃描，所得結(jié)果見圖1所示。

GCE在空白緩沖液中無明顯氧化峰，圖中未標出；由圖1可以看出：PFA/GCE在空白緩沖液中無明顯氧化峰（曲線a）；由曲線b知：UA在GCE上出現(xiàn)了一對不可逆的氧化還原峰，其中Epa=0.481 V，Epc=0.455，說明玻碳電極活化時，使玻碳電極表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，暴露出新鮮的電極表面，新鮮的碳原子作為活性中心催化了UA和電極之間的電子交換反應(yīng)，提高了電極反應(yīng)的靈敏度和可逆性［14］。由曲線c知：Epa=0.468 V，Epc=0.453。比較可得，UA在PFA/GCE上的氧化峰較GCE相對負移13 m V，且峰電流增大了約3.7倍。由此可知GCE經(jīng)PFA修飾后，PFA共軛大П結(jié)構(gòu)和引入的羧基，可以增加結(jié)合UA的活性中心，促使電子轉(zhuǎn)移速度明顯增強，所得結(jié)果與文獻［15］相符。同時還發(fā)現(xiàn)UA在PFA/GCE上出現(xiàn)的還原峰較GCE的大，進一步說明PFA/GCE可以提高UA在電極上發(fā)生電極反應(yīng)的可逆性和電催化活性。

2.1.2尿酸在修飾電極上的線性掃描溶出伏安行為分析

以PFA/GCE為工作電極，SCE為參比電極，鉑柱電極為對電極，分別在空白BR（p H=5.0）緩沖溶液和含1.0×10-4mol/L尿酸的BR（p H=5.0）緩沖溶液中，在-0.2 V富集25s，于0.1 V～0.7 V的電位范圍內(nèi)，以0.1 V/s進行線性掃描溶出伏安法測定（圖2）。GCE在空白緩沖液中無氧化峰，圖中未標明。從圖2中看出：在空白緩沖液中，于PFA/GCE上未發(fā)現(xiàn)氧化峰；在含一定量UA的BR緩沖液中，于GCE和PFA/GCE上均有一氧化峰，其峰電位分別為0.480 V和0.468 V。且后者的峰電流為前者的5倍，峰電位負移。由此可知于GCE上修飾PFA后能夠提高UA的電子交換反應(yīng)速度，增強對UA的電化學(xué)氧化的電催化作用。

圖2　尿酸的線性掃描溶出伏安a、PFA/GCE+緩沖液 b、GCE+尿酸+緩沖液c、PFA/GCE+尿酸+緩沖液

2.2電化學(xué)聚合條件的選擇

在1mmol/L FA的Na H2PO4-Na2HPO4緩沖溶液中，經(jīng)過反復(fù)試驗，考察了不同的聚合電位范圍、聚合圈數(shù)、聚合底液p H所制得的修飾電極對測定UA峰電流的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：聚合電位為-1.5～1.5V，聚合圈數(shù)為5圈，聚合底液Na H2PO4-Na2HPO4緩沖溶液的p H為7.2時，所得的電化學(xué)傳感器對UA的響應(yīng)最大，使用壽命最長，穩(wěn)定性最好。

2.3線性掃描溶出伏安法測定尿酸實驗條件的優(yōu)化

2.3.1底液種類及p H

以PFA/GCE為工作電極，SCE為參比電極，鉑柱電極為對電極，于0.1～0.7 V的電位范圍內(nèi)，以100m V/s在-0.2V處富集25s的條件下，考察不同底液（p H 5.0 NaA c-HAc、p H 4.6檸檬酸-檸檬酸鈉、p H 5.0磷酸氫二鈉-檸檬酸、p H 4.8鄰苯二甲酸氫鉀-氫氧化鈉、p H 5.0 BR緩沖液等）對UA峰電流的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)用p H 5.0 BR緩沖液效果最好、峰電流最大、峰形最佳，故本實驗以此液為測定的最佳底液。

在上述實驗條件下，同時還考察了不同p H （2.09～7.00）BR緩沖液對UA峰電流的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)p H＜5.0時，UA氧化峰電流隨著p H的增大而增大；當(dāng)p H＞5.0時，峰電流隨p H的增大而減少，且峰形變差。對于有質(zhì)子參與的電化學(xué)反應(yīng)，p H值的降低有利于還原反應(yīng)的進行，但p H值過低可能會發(fā)生析氫等副反應(yīng)，影響對尿酸的擴散作用，使電化學(xué)信號降低［16］。當(dāng)p H=5.0時，峰電流最大，峰形最好，電極較穩(wěn)定。同時發(fā)現(xiàn)峰電位隨p H增大而負移，且呈線性關(guān)系：Epa（V）=-0.690p H+0.0084，相關(guān)系數(shù)R=0.997。表明UA是等電子等質(zhì)子參加反應(yīng)的［17］。

2.3.2掃描速度的影響

在上述實驗條件下，采用線性掃描溶出伏安法測定1.0×10-4mol/L的尿酸溶液，改變掃描速度（圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著掃描速度的增加，峰電流也隨之增大（圖3a），且在0.025～0.7 V/s內(nèi)，ip與v1/2呈線性相關(guān)，線性方程為ip（μA）=25.32v1/2（V/s）-3.07，R2為0.997，由此說明該電極過程受擴散控制。同時還發(fā)現(xiàn)其Ep與ln v呈線性相關(guān)，線性方程為Ep（V）=0.0164ln v（V/s）+0.5121，相關(guān)系數(shù)R為0.997。

圖3　掃描速度的影響

2.3.3富集電位和富集時間的影響

以班會課為例，眾所周知，學(xué)校的主題班會向來都是投入巨大，場面隆重，但由于班會的主題、活動常常與升學(xué)沒有直接聯(lián)系，所以很多學(xué)生并不重視，導(dǎo)致班集體的道德教育、學(xué)生的人格引導(dǎo)等學(xué)校德育功能收效甚微。而在微課程引領(lǐng)下的微班會則不同，用“微”打開了學(xué)生的心理市場，得到了他們的普遍認同。

在上述固定未變和已得出的最佳實驗條件下，分別以0.1、0.0、-0.1、-0.2、-0.3、-0.4V為富集電位，考察了不同的富集電位對峰電流的影響，實驗發(fā)現(xiàn)，于-0.2V處富集時峰電流最大，峰型最好；正移或負移，峰電流均較小，且有些峰形很差，背景電流也較大。故本實驗的最佳富集電位為-0.2V。同時在-0.2V處富集不同的時間（5～120s），25s前隨富集時間的延長，峰電流增大，超過25s后，峰電流減少。因此選擇最佳富集時間為25s。

2.4 方法應(yīng)用及電化學(xué)傳感器性能評價

2.4.1工作曲線及檢出限

在最佳實驗條件下，于一定濃度范圍內(nèi)，采用線性掃描溶出伏安法測UA（圖4）。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：UA在3.0×10-7～9.0×10-4mol/L內(nèi)時，ip與c有良好的線性關(guān)系，線性方程分別為ip（μA）= 2.186×104c（mol/L）+0.967，相關(guān)系數(shù)R為0.9992，檢出限（S/N=3）為1.0×10-7mol/L。

圖4　工作曲線

2.4.2選擇性

在最佳的實驗條件下，于1.0×10-4mol/L尿酸的BR緩沖液中，考察了該電化學(xué)傳感的選擇性，即研究了體內(nèi)一些常見物質(zhì)對UA測定的影響。結(jié)果表明，在±5%的誤差范圍內(nèi)，大量的L-谷氨酸、L-賴氨酸、KCl、NaCl，葡萄糖，蔗糖；50倍的草酸和尿素；10倍的CC對UA測定沒有干擾。

2.4.3重現(xiàn)性和穩(wěn)定性的測定

在最佳實驗條件下用同一電化學(xué)傳感器對1.0 ×10-4mol/L UA連續(xù)11平行測定，實驗結(jié)果RSD =2.8%，說明該法有較好的精密度。按傳感器制備方法研制一批（6根）PFA/GCE，用測定方法測定，結(jié)果的RAD=3.3%，說明此方法的重現(xiàn)性較好。同時還考察了保存于p H7.3 Na H2PO4-Na2HPO4緩沖液中的傳感器不同時間后再用以測定UA，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：3周后電流僅下降6.7%，說明該電化學(xué)傳感器比較穩(wěn)定，可以循環(huán)利用。

2.4.4樣品的測定和回收率實驗

取正常人體尿液2.5m L，加到100m L容量瓶中用BR（p H=5.0）的溶液稀釋后進行定容，配制成樣品溶液。在最佳實驗條件下用線性掃描循環(huán)伏安法測定樣品。然后加入已知量的尿酸標準品進行回收率測定（表1）。由表1可知，所測得樣品液中UA濃度的平均值為50.38μmol/L，即人體尿液中UA含量為2.015 mmol/L。加標回收率為98.76%～102.34%。

表1　樣品的測定和回收率實驗結(jié)果

［1］馬曉麗，冉新建，孟磊，等.反相高效液相色譜法同時測定血清、尿液中尿酸、肌酐的含量［J］.分析試驗室，2014，33（6）：638-641.

［2］周桂芳，傅旭春，王建平.高效液相色譜法測定血清中尿酸的含量［J］.海峽藥學(xué)，2012，24（2）：249-250.

［3］施政，劉健，申屠建中，等.高效液相色譜法定量尿酸、黃嘌呤和次黃嘌呤在人體血清中的濃度［J］.中國臨床藥理學(xué)與治理學(xué)，2013，18（5）：532-536.

［4］張貝貝，宋智瑞，陳贊光.毛細管電泳和微流控芯片技術(shù)在臨床尿檢中的應(yīng)用［J］.分析科學(xué)學(xué)報，2013，29（3）：425-430.

［5］吳永明，鄭延軍，陶武，等.分光光度法測定血清中尿酸的不確定度評定［J］.分析試驗室，2014，33（10）：1143-1146.

［6］王長芹，徐海紅，韓曉剛，等.活化玻碳電極直接測定全血中的尿酸［J］.分析實驗室，2007，26（1）：27-31.

［7］張小林，彭艷芬，胡成國，等.十六烷基三甲基溴化銨修飾碳糊電極線性掃描伏安法測定尿液中尿酸［J］.分析科學(xué)學(xué)報，2008，24（6）：641-644.

［8］王曉明，孫登明.溴化十六烷基吡啶對尿酸電化學(xué)行為的影響及測定［J］.化學(xué)傳感器，2013，33（2）：49-53.

［9］付海瑩，王建秀，鄧留.基于石墨烯和室溫離子液體復(fù)合物溶膠修飾的玻碳電極制備尿酸電化學(xué)傳感器［J］.分析化學(xué)，2014，42（3）：441-445.

［10］Rashmi D.Chaudhari，Abhijeet B.Joshi，Rohit Srivastava.Uric acid biosensor based on chemiluminescence detection using a nano-micro hybrid matrix［J］.Sensors &Actuators：B.Chemical，2012，173：882-889

［11］Zhen-Huan Sheng，Xiao-Qing Zheng，Jian-Yun Xu，etal.Electrochemical sensor based on nitrogen doped graphene：Simultaneous determination of ascorbic acid，dopamine and uric acid［J］.Biosensors and Bioelectronics，2012，34（1）：125-131.

［12］Xianqing Tian，Changming Cheng，Hongyan Yuan，etal.Simultaneous determination of L-ascorbic acid，dopamine and uric acid with gold nanoparticles-β-cyclodextrin-grapheme-modified electrode by square wave voltammetry［J］.Talanta，2012，93（15）：79-85.

［13］孫娜，王宗花，夏建飛，等.聚對氨基苯磺酸/石墨烯復(fù)合修飾電極對尿酸的選擇性靈敏測定［J］.分析測試學(xué)報，2012，31（7）：853-857.

［14］王德玉，張娜，張克營，等.聚茜素黃T膜修飾電極對尿酸電催化及對人尿中尿酸的檢測［J］.分析實驗室，2012，31（3）：113-115.

［15］霍瑞偉，賈麗萍，姚飛，等.Nafion-離子液體-碳納米管復(fù)合膜修飾電極的制備及用于抗壞血酸、多巴胺及尿酸的同時測定［J］.中國科學(xué)：化學(xué)，2013，43：1572-1583.

［16］孫娜，王宗花，夏建飛，等，聚對氨基苯磺酸/石墨烯復(fù)合修飾電極對尿酸的選擇性靈敏測定.［J］.分析測試學(xué)報.2012，31（7）：853-857.

［17］匡云飛，鄒建陵，鄧培紅，等.羧基化短碳納米管修飾碳糊電極方波溶出伏安法測定尿酸［J］.化學(xué)試劑，2011，33（1）：47-50.

Electrochemical Behavior and Determination of Uric Acid at Poly Furanacrylic Acid Electrochemical Sensor

KUANG Yun-fei，ZOU Jian-ling，LI Wei，YANG Ying-qun，XU Jin-sheng，F(xiàn)ENG Yong-lan，Li Yu-ming
（College of Chemistry and Materials Science，Hengyang Normal University，Hengyang Hunan 421008，China）

In this paper，the electrochemical sensor（PFA/GCE）was prepared by electro polymerization，and the electrochemical behavior of uric acid（UA）was studied.The optimal experimental conditions for the determination of uric acid by linear sweep stripping voltammetry were investigated.The results show that in the BR（p H=5.0）buffer solution with a certain amount of 0.1V/s，UA can be scanned in the range of 0.1～0.7 V potential，and the peak current and its concentration are linear.The peak current and its concentration are 3.0×10-7～9×10-4mol/L.The detection limit（S/N=3）is 8.5×10-7mol/L.The method is simple，reproducible and can be used for the determination of uric acid in human urine.

uric acid；furanacrylic acid；linear sweep stripping voltammetry；glassy carbon electrode

O657.1

A

1673-0313（2015）06-0010-05

2015-10-08

湖南省科技計劃重點項目（2012FJ2002）

匡云飛（1963-）：男，湖南祁東人，教授，主要從事配合物合成和電化學(xué)分析的研究。