羧基化碳納米管-DMF-納米金修飾電極測定尿酸

樊雪梅，劉萍，張舒淇

（商洛學院化學工程與現代材料學院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛 726000）

尿酸（2,6,8-三羥基嘌呤，分子式C5H4N4O3）是嘌呤代謝的終產物，生物體內尿酸的含量和腎臟排泄功能密切相關，大部分尿酸（約75% ）都經過腎臟排泄[1-2]。當人體產生痛風、白血病、尿毒癥及心血管疾病時，血液中尿酸含量會顯著升高[3-5]。已有文獻報道檢測尿酸的方法有光譜法[6-7]、液相色譜法[8-10]、電化學法[11-13]等，其中電化學方法具有靈敏度高、檢出限低、操作簡便、成本低廉的優點。碳納米管有獨特的空間結構、優良的導電性和催化活性，已成為化學修飾電極和電化學傳感器等領域的研究熱點[14-15]。體液中尿酸的測定常受到與之共存的物質如多巴胺的干擾，因此，建立一種選擇性測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同效應，將c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾在玻碳電極表面，形成穩定的修飾層，制備得到修飾電極。利用羧基化碳納米管的導電性和納米金的協同作用改善電極的導電性，從而增強電化學響應信號、提高檢測靈敏度，在最優條件下建立電化學直接法檢測尿酸的分析方法。

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）購于中國科學院成都有機化學有限公司；所用超純水由PT-RO-10L超純水設備提供。

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

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，繼續攪拌，煮沸12 min，顏色由紫紅色變為酒紅色，停止加熱，自然冷卻至室溫，轉移至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下進行循環伏安掃描，以此來檢驗電極是否打磨好，圖1為裸玻碳電極在5 mmol/L K4Fe(CN)6溶液的循環伏安圖，說明電極處理良好，即可進行試驗。

圖1 玻碳電極在5 mmol/L K4Fe(CN)6溶液的循環伏安圖

修飾電極的制備：準確稱取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，依次用循環伏安法對尿酸進行測量。

2 結果與討論

2.1 尿酸在不同電極上的電化學行為

采用循環伏安法以100 mV/s的掃描速率在-0.3～1.0 V電壓范圍內進行掃描，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行為，圖2為尿酸在不同修飾電極下的循環伏安圖，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已經修飾玻碳電極的基礎上再次涂滴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進行循環伏安掃描。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，峰對稱較明顯，繼續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稱。因此，后續試驗采用一次性涂滴c-MWCNT/DMF/AuNPs混合溶液的方式修飾電極來測定尿酸。

2.2 電化學阻抗譜

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范圍內不同掃速下的循環伏安圖，如圖4所示。從圖4（a）可見，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移。圖4（b）為氧化峰峰電流與掃速的關系，可知氧化峰峰電流與掃速呈良好的線性關系，線性方程為 I=0.03011v+0.26071（r=0.999），說明尿酸在修飾電極上的氧化還原過程是一個表面吸附控制過程。當掃描速度過高時，充電電流變得很大，伏安曲線變形扭曲，不利于峰電流的穩定。因此，為獲得較大峰電流的同時又要防止充電電流過大，最優掃描速度選為100 mV/s。

圖4 不同掃速下的循環伏安圖

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強度，結果如圖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，氧化峰峰電流逐漸增大，pH從7.0到8.0時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移，這可能是質子參與了尿酸的電極反應。為獲得較高的峰電流，提高檢測靈敏度，后續試驗取緩沖溶液PBS的pH為7.0。

圖5 pH對尿酸氧化峰峰電流的影響

2.5 標準曲線的建立

配制一系列標準溶液，在最佳優化條件下通過循環伏安法，測定不同濃度尿酸溶液的氧化峰峰電流，結果見圖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系，線性方程為Ip=10.48168c+3.46147，相關系數r=0.9975。

2.6 實際樣品的測定

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倍后作為測試樣品，按優化條件下進行測定，并進行加標回收試驗，測定結果見表1。加標回收率為95.67% ～107.02% ，說明該方法可用于實際樣品的測定。

表1 樣品測定及回收率

3 結論

本文利用碳納米管和納米金的協同效應，將c-MWCNT/DMF/AuNPs修飾在玻碳電極表面形成穩定的修飾層，制備修飾電極。充分利用羧基化碳納米管的導電性和納米金的協同作用，大大改善了電極的導電性，進一步提高了測量的靈敏度，建立了具有操作簡單、測定快速特點的，用于尿酸檢測的電化學傳感方法。本研究發現，該傳感器檢測尿酸的線性范圍為1.98×10-7～1.18×10-4mol/L，線性回歸方程為Ip=10.48168c+3.46147，相關系數 r=0.9975，檢出限為1.4×10-8mol/L，該法可成功地應用于實際樣品尿液中尿酸的測定。