一種基于SWNTs/Nafion/CuNPs納米復合材料的經濟易制備型非酶尿酸傳感器

張翠忠，連　歡，黃海峰，張貞發，梁彩云，蒙美香，彭金云*

(1.廣西民族師范學院　化學與生物工程系，廣西　崇左　532200；2.廣西高校桂西南特色植物資源化學重點實驗室培育基地，廣西　崇左　532200)

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一種基于SWNTs/Nafion/CuNPs納米復合材料的經濟易制備型非酶尿酸傳感器

張翠忠1，2，連歡1，黃海峰1，張貞發1，梁彩云1，蒙美香1，彭金云1，2*

(1.廣西民族師范學院化學與生物工程系，廣西崇左532200；2.廣西高校桂西南特色植物資源化學重點實驗室培育基地，廣西崇左532200)

通過電沉積金屬銅于SWNTs/Nafion 修飾的玻碳電極表面構建了一種經濟且簡單易制備的非酶尿酸傳感器。采用掃描電鏡和能譜儀表征了納米材料的形貌和成分，并考察了不同掃速和pH值對修飾電極的影響。在優化條件下，尿酸的線性范圍為0.1～1 000 μmol·L-1，檢出限(S/N=3)為0.058 5 μmol·L-1。采用標準加入法檢測人體血清中尿酸的回收率為97.2%～103.9%，相對標準偏差(RSD)為0.04%～0.11%。該非酶法與GOD-POD酶法的結果高度一致，且傳感器經濟易制備、靈敏性高、穩定性好、重現性高。

單壁碳納米管；尿酸；傳感器；納米銅；全氟聚苯乙烯磺酸

隨著社會的進步，人類對自身的健康水平日益關注。生物分子尿酸(UA)是一種人體嘌呤類衍生物的代謝終產物[1],被視為人體垃圾。UA含量異常會導致痛風、高尿酸血癥、慢性腎臟病等臨床癥狀[2]。因此，快速、準確檢測UA在臨床診斷和治療方面不可或缺。目前，UA的測定方法主要有液相色譜法[3-4]、非酶電化學法[5]、酶聯法[6]、熒光分光光度法[7]等。而非酶電化學分析方法，因儀器體積小、方便現場檢測、價格低易普及、分析速度快、靈敏度高等優勢而得到了迅猛發展。

碳納米管是一種具有重要應用潛能的分析材料， Iijima[8]早在1991年就借助高倍透射電鏡觀察到碳納米管呈正五邊形或六邊形的網狀結構，其獨特的結構、機械、電子及化學特性在全球范圍眾多領域引起了轟動。碳納米管經酸處理后可在其表面和兩端引入許多含氧官能團或表面缺陷，為電化學反應提供較多的活性位點和良好的表面效應[9-10]，廖靜敏等[11]將此用于生物電化學傳感分析研究。

最近，研究者以納米金屬/金屬氧化物修飾碳納米管，如半導體SiO2[12]、TiO2[13]和納米貴金屬顆粒 Ag[14]、Pt[15]、Au[16]被廣泛地引至碳納米管上，應用于催化分析生物小分子，提高了檢測靈敏度。然而，貴金屬昂貴的價格制約了其進一步普及，如何在不降低催化性能的前提下節約成本，實現目標物的快速高效檢測，是目前科研工作者面臨的最大難題。

相對于貴金屬(如鉑和金)來說，非貴金屬(如銅)因彈性大、韌性好、耐磨性高、價格低、導電性能好等優點備受青睞。基于此，本文通過將金屬Cu電沉積到單壁碳納米管(SWNT/Nafion)表面，合成了一種SWNT/Nafion/CuNPs納米復合新材料。當納米金屬粒子沉積在碳納米管基底上時，表現出更高的催化活性，這種催化效應具有碳納米管和納米金屬粒子的協同增效作用。本文利用該材料修飾玻碳電極，并采用微分脈沖伏安法對人體血清中的UA進行了測定。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

CHI620E電化學分析儀(上海辰華儀器有限公司)；PHS-3C型pH計(上海精科實業有限公司)；移液槍(0.5～10 μL，20～200 μL，100～1 000 μL)；玻碳電極(GCE)、飽和甘汞電極(SCE)、鉑絲電極；掃描電子顯微鏡(EVO MA 15/LS 15，德國卡爾蔡司公司)。

單壁碳納米管(SWNTs，深圳納米有限公司)；尿酸(UA)、CuSO4·5H2O均為國藥集團化學試劑有限公司產品；抗壞血酸(AA，上海化學試劑公司)；全氟聚苯乙烯磺酸溶液(5% Nafion)、多巴胺(DA)購自Aldrich公司。以上試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2SWNTs的純化

取2 g單壁碳納米管樣品加至裝有濃硝酸和濃硫酸混合物(體積比1∶3)的圓底燒瓶中，將碳納米管完全浸沒，室溫下超聲分散30 min。將經過上述處理的SWNTs置于油浴中，于120 ℃下回流4 h，再將回流好的SWNTs轉入離心管中，以8 000 r/min離心分離5 min，用水沖洗至中性后，于真空干燥箱中70 ℃恒溫烘干備用。

圖1　SWNT(A)及SWNTs/Nafion/CuNPs (B)的掃描電鏡圖Fig.1　SEM images of SWNT(A) and SWNTs/Nafion/CuNPs(B)

1.3電極的處理

1.3.1SWNTs /Nafion的制備將5%的Nafion溶液和已酸化處理好的單壁碳納米管懸濁液以體積比1∶25混合均勻后，超聲振蕩30 min，得到分散均勻的Nafion/SWNTs溶液。

1.3.2GCE/SWNTs/Nafion/CuNPs修飾電極的制備移取2 μL 已分散均勻的Nafion/SWNTs溶液滴涂于GCE電極表面，室溫下晾干，再將該修飾電極置入5 mmol·L-1的銅源溶液(5 mmol·L-1的CuSO4溶液+50 mmol·L-1的Na2SO4為支持電解質)中，采用恒電位沉積法，設置電壓為-0.4 V(vs.SCE)，時間為120 s，電沉積納米銅，制得GCE/SWNTs/Nafion/CuNPs修飾電極。

圖2　不同電極的循環伏安圖Fig.2　Cyclic voltammograms of different electrodes a.GCE,b.GCE/Nafion,c.GCE/Nafion/SWNTs,d.GCE/ Nafion/SWNTs/CuNPs；scan rate:100 mV·s-1

圖3　不同掃速下UA在GCE/ Nafion/SWNTs/ CuNPs 上的循環伏安曲線Fig.3　CV curves of GCE/ Nafion/SWNTs/ CuNPs electrode in UA(pH 7.0) at various scan rates scan rate(from inner to outer):20,40,60,80,100,120,140, 160,180,200,220,240 mV·s-1；insert： plot of UA current versus square root of scan rate

2　結果與討論

2.1掃描電鏡與能譜儀表征

圖1為SWNT 與SWNTs/Nafion/CuNPs的掃描電鏡圖，從圖中可見單壁碳納米管細長、均勻且交織分散在玻碳電極表面(圖1A)，由于構成碳納米管的碳原子基本處于表面位置，故其具有較大的比表面積。圖1B為沉積納米銅之后的電鏡圖，在Nafion的作用下，納米銅較牢固地附著在碳納米管上。采用能譜儀對SWNTs/Nafion/CuNPs進行表征，表明該材料含有元素C(3.13%)和Cu(3.58%)。

2.2不同修飾電極在UA中的電化學行為分析

圖2為不同修飾電極在UA中的循環伏安圖，由圖可見，GCE能檢測到UA的氧化電流(曲線a)，峰電位約0.4 V。GCE僅被修飾Nafion后，UA的氧化峰很微弱(曲線b)，未發生明顯的氧化反應， 這是由于Nafion屬于陽離子選擇性膜，自身因帶有負電荷而對UA顯示出強烈的靜電排斥作用，從而隔絕了UA離子與修飾電極表面的接觸，故其氧化峰微弱。Nafion/SWNTs修飾玻碳電極的CV曲線顯示(曲線c) ，碳納米管很容易分散在Nafion大分子中[17]，采用此非共價鍵復合物修飾玻碳電極后其生物兼容性更好，這是因為Nafion不會破壞碳納米管外壁本身的∏電子結構，而且顯著降低了碳納米管之間的范德華力[18]。GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs(曲線d)在UA中的峰電流明顯提高，說明Nafion/ SWNTS復合物和納米銅結合后能促進生物小分子發生電子轉移，電催化信號增強。

2.3pH值的影響

考察了GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs修飾電極在不同pH值(5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,8.0,8.5)下對UA的峰電流響應信號。結果顯示，隨著pH值從5.0增至 7.0，峰電流呈上升趨勢，此后，繼續增大pH值則峰電流減小。因此，本實驗選擇pH 7.0的PBS緩沖溶液。

2.4掃描速率的應用

考察了掃速對峰電流的影響，結果見圖3。從圖中可以看出，掃描速率在20～240 mV·s-1范圍內，當掃速以20 mV· s-1遞增時，UA的氧化峰電流也呈規律遞增，且UA的氧化峰電流與掃速的平方根呈線性關系(圖3插圖)，其線性方程為Ip=-0.016v1/2-0.049(r2=0.992 0)。說明UA在GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs電極表面受擴散控制，因此，后續實驗無需采用富集方法來增大電流響應信號，可直接采用修飾電極測量UA。

2.5尿酸工作曲線的建立

采用微分脈沖伏安法(DPV)對UA的不同濃度進行研究，以獲得可靠的工作曲線。首先將GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs修飾電極在pH 7.0的PBS緩沖液中掃描10次至穩定，再按濃度從小到大的順序依次對UA(0，0.1，5，50，100，300，500，700，1 000 μmol·L-1)進行檢測。結果表明，隨著濃度的增加，UA的氧化峰電流(Ip)有序增加，且在0.1～1 000 μmol·L-1濃度(c,μmol·L-1)范圍內呈良好的線性關系，線性方程為Ip=-0.297-0.012c(r2=0.999 3)，檢出限(S/N=3)為0.058 5 μmol·L-1。

2.6電極性能測試

2.6.1抗干擾性多巴胺(DA)、抗壞血酸(AA)和UA共存于動物血液，而且三者的峰電位很接近，在實際測量中會彼此干擾。配制DA,AA,UA的濃度均為500 μmol·L-1，采用微分脈沖伏安法進行測試，結果表明，DA和AA的加入對UA的峰電位和峰電流幾乎不產生影響，在線性范圍內不斷改變DA和AA的濃度，實驗結果仍不變。這表明該修飾電極具有良好的抗AA、DA干擾能力，有望用于實際測量。

2.6.2重現性與穩定性將GCE/CuNPs/SWNTs/Nafion修飾電極避光保存于4 ℃冰箱中，采用DPV法考察了該修飾電極的穩定性和重現性。規定觀察時長40 d，觀察頻次為1次/5 d，每次平行3組實驗。結果表明，隨著存放天數的不斷增加，響應電流不斷降低，當存放第25 d時，修飾電極的響應電流不低于91%，存放第40 d時，修飾電極的響應電流降為初始的81.5%，表明該電極壽命長、穩定性好；3組平行實驗的最大相對標準偏差(RSD)不大于2.1%，說明修飾電極的重現性好，精密度高。

2.7血清中尿酸含量的測定

為進一步探究該電極的實用性，收集糖尿病患者的血清樣品，以pH 7.0 PBS溶液將血樣稀釋10倍，分別采用DPV法測定，每個血樣測定3次，同時與GOD-POD酶聯法(羅氏P800儀器測定)結果進行對照，結果見表1。從表中可見，本法的回收率為97.2%～103.9%，說明采用GCE/CuNPs/SWNTs/Nafion修飾電極檢測實際樣品中的UA含量準確，具有較大的可行性。人體血清中尿酸濃度的參考范圍為208～428 μmol·L-1，而表1的數據表明該糖尿病患者血清中的尿酸值屬正常水平。

表1　糖尿病患者血清中尿酸的測定

進一步比較了本修飾電極與其他修飾電極對UA的檢測結果(表2)，可以看出使用GCE/CuNPs/ SWNTs/Nafion修飾電極檢測UA可得到較理想的線性范圍和檢出限。

表2　不同修飾電極檢測UA的線性范圍和檢出限

*no data

3　結　論

本研究采用方便簡單的電沉積法制備了GCE/CuNPs/SWNTs/Nafion修飾電極。該修飾電極結合了SWNTs的導電、催化性能，Nafion良好的電子交換能力及納米銅粒子的電子傳遞能力，對于UA的測定具有很高的電催化性能。UA濃度在0.1～1 000 μmol·L-1范圍內與其峰電流呈良好線性關系，檢出限為0.058 5 μmol·L-1。在干擾物質DA和AA存在下，該修飾電極能實現UA的準確測定，顯示出較強的抗干擾能力，且電極的壽命長、穩定性好；將該電極用于糖尿病患者血清中UA的測定，測得UA的回收率為97.2%～103.9%。

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Facile Preparation of an Economic Nonenzymatic Uric Acid Sensor Based on SWNTs/Nafion/CuNPs Nanocomposites

ZHANG Cui-zhong1，2， LIAN Huan1， HUANG Hai-feng1， ZHANG Zhen-fa1，LIANG Cai-yun1，MENG Mei-xiang1，PENG Jin-yun1，2*

(1.Chemical and Biological Engineering,Guangxi Normal University for Nationalities,Chongzuo532200,China；2.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Chemistry of Guangxi Southwest Plant Resources,Chongzuo532200,China)

An economic and facile preparation nonenzymatic uric acid sensor was successfully fabricated by electrodeposition of copper on SWNTs/Nafion-modified glassy carbon electrode.The morphology of the material was observed by scanning electron microscopy(SEM)，and the element composition of the material was investigated by energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX).Effects of various scan rates and pH conditions on the modified electrode were investigated.The linear range of detected UA was in the range of 0.1-1 000 μmol·L-1and the limit of detection(LOD,S/N=3) was 0.058 5μmol·L-1.The sensor was applied in the detection of UA in human serum by the standard addition method with recoveries of 97.2%-103.9% and relative standard deviation(RSD)of 0.04%-0.11%.The results of the nonenzymatic method are highly consistent with that of the GOD-POD enzymatic method.The sensor shows the advantages of facile fabrication,high sensitivity,good stability and high reproducibility.

single-walled carbon nanotubes(SWNTs);uric acid(UA);sensor;copper nanoparticles(CuNPs);Nafion

2015-11-25；

2016-02-02

國家自然科學基金資助項目(21465004)；廣西高等學校科學技術研究項目(2013YB271)

彭金云，博士，教授，研究方向：電化學，Tel:0771-7870708，E-mail:pengjinyun@yeah.net

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.07.020

O657.1;R686.6

A

1004-4957(2016)07-0888-05