可见光辅助金纳米颗粒修饰玻碳电极实现高灵敏尿酸检测

摘要

本文报道一种高灵敏非酶法尿酸（UA）测定方法，利用可见光照射电沉积金纳米颗粒（AuNPs）修饰的玻碳电极（GCE）。扫描电镜（SEM）确认AuNPs为良好分散球形颗粒，平均直径26.1 nm。循环伏安（CV）和差分脉冲伏安（DPV）研究揭示可见光通过AuNPs表面等离子体共振（SPR）效应显著增强响应电流幅值和稳定性。DPV显示峰电流与UA浓度在2.8–57.5 µM范围线性相关，I_pa (µA)=0.0121 c_UA (µM)+0.3122 (R²=0.9987)。结果证明可见光增强Au/GCE作为可靠尿酸电化学传感器的潜力。

背景

尿酸是嘌呤代谢终产物，其血液和尿液浓度作为痛风、肾病、高血压、心血管疾病生物标志物。反之，低尿酸水平与多发性硬化、帕金森病、阿尔茨海默病、视神经炎相关。因此，生物流体中尿酸准确监测临床不可或缺。

传统尿酸检测——酶法、HPLC、质谱、毛细管电泳、化学发光、比色法——常需复杂样品前处理和漫长分析时间。电化学法利用尿酸不可逆氧化生成尿囊素，提供更快简便替代。近年涌现多种非酶传感器：钯负载碳纳米纤维、碳离子液体电极、PtAu混合膜、壳聚糖-石墨烯复合材料等。

纳米金属——Ag、Au、Pt、Cu、Pd——因优异导电性、大比表面积、生物相容性广泛用于电化学传感器制备。金纳米颗粒特别受益于显著SPR，可收集可见光增强催化活性。此特性激励本研究，结合AuNPs与可见光照射提升尿酸检测灵敏度。

方法

仪器设备

修饰电极形貌经日立SU8010 SEM观察。电化学测量用CHI760D工作站，三电极体系：Au/GCE（0.07 cm²）工作电极、铂丝对电极、饱和甘汞参比电极。pH值用pHS-2F计测定。

试剂

尿酸购自Acros Organics。氯金酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、亚铁氰化钾、铁氰化钾、氯化钾购自国药集团。所有试剂开瓶即用；实验室温下进行。

电极制备

L型GCE用0.05 µm氧化铝抛光，超声清洗，冲洗至2.5 mM Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻/0.1 M KCl中CV显示对称峰且ΔE_p<100 mV。AuNPs从1 mM H₃PO₄/0.24 mM HAuCl₄中-0.2 V电沉积，通过沉积电荷调控负载量。

结果与讨论

电极形貌与表征

SEM图像（图1）显示GCE表面密集、单分散球形AuNPs分布。粒径直方图显示平均直径26.1 nm，确证窄尺寸分布增大UA氧化活性表面积。

循环伏安行为

含1.0 mM UA的0.1 M PBS（pH 7.0）中CV（图2）显示可见光照射（氙灯20 cm处）将阳极峰电流从12 µA（暗）增至20 µA（光），并稳定连续扫描响应。峰电位光照下负移~6 mV，指示电子传输增强。

可见光照射效应

连续CV循环中照射触发电流快速上升（图3a）。光电流-时间曲线（图3b）显示关灯即时电流下降、重新照射快速恢复，确证稳定可逆SPR驱动增强。UV-Vis光谱（附件1:图S2）在597 nm呈现吸收峰，符合AuNPs SPR。Au向GCE表面热电子传输加速UA氧化，提升灵敏度。

金量效应

变化Au负载量（0.96–57.8 µg cm⁻²）揭示最佳密度28.9 µg cm⁻²，峰电流最大且电位最负。过量Au（>57.8 µg cm⁻²）因阻碍电子传输略降电流。选定负载量平衡表面积与导电性。

pH值效应

尿酸检测最佳pH为7.0，指示阳极峰电流最大（图5）。pH 7.0–9.0电流逐渐下降，确证中性条件有利尿酸电化学氧化。

扫描速率效应

扫描速率从20增至200 mV s⁻¹导致峰电位正移，指示准可逆反应。阳极峰电流与√ν线性相关（R²=0.9702）确证UA氧化受扩散控制（图6）。

尿酸测定

DPV分析（图7）显示2.8–57.5 µM UA线性响应，I_pa (µA)=0.0121 c_UA (µM)+0.3122 (R²=0.9987)。无光条件线性范围缩窄至3–21 µM (R²=0.9943)。传感器八电极RSD 7.88%，一周贮存信号损失9.8%，显示良好重现性和稳定性。干扰实验和真样分析（人血清）得96.3%回收率，确证实际应用潜力。

结论

均匀球形AuNPs电沉积于GCE，得平均直径26.1 nm良好分散纳米结构。可见光辅助Au/GCE表现优异电化学性能，通过SPR诱导光电流增强超越暗条件。所得传感器提供简便、快速、可靠尿酸定量法，可延伸至其他生物分子检测。

缩略语

AuNPs:

金纳米颗粒

CE:

毛细管电泳

CV:

循环伏安

DPV:

差分脉冲伏安

GCE:

玻碳电极

HPLC:

高效液相色谱

SEM:

扫描电镜

SPR:

表面等离子体共振

UA:

尿酸