在 Au 纳米颗粒修饰的玻碳电极上增强光电化学检测尿酸

背景

尿酸 (UA) 是嘌呤代谢的终末产物之一，存在于血液和尿液等生物体液中。尿酸水平的异常表明几种疾病的可能性，如痛风、肾脏疾病、高血压和心血管，这些疾病与尿酸水平升高有关，而尿酸水平降低会引起多发性硬化症、帕金森病、阿尔茨海默病等疾病和视神经炎 [1]。因此，监测人体体液中UA浓度对于预防上述或其他类似疾病具有临床价值和意义。

由于人体体液中尿酸浓度的监测具有重要意义，根据以往的报道发展了各种检测技术，如酶法测定[2, 3]、高效液相色谱（HPLC）[4]、质谱 [5]、毛细管电泳 (CE) [6]、化学发光 [7] 和比色法 [8, 9]。然而，所有这些传统方法都可能需要复杂的预处理或花费太多时间。由于独特的电化学活性，尿酸可以在水溶液中不可逆地氧化成尿囊素，因此许多研究集中在通过电化学方法定量尿酸，并且电化学传感器被认为是传统方法的有前途的替代品。近年来，这方面的研究如雨后春笋般涌现，许多新型传感器被设计用于检测 UA，如负载钯纳米颗粒的碳纳米纤维修饰电极（Pd/CNF-CPE）[10]、碳离子液体电极（CILE） ) [11]、PtAu 混合膜修饰电极[12]、壳聚糖-石墨烯修饰电极[13]等。非酶法被用于UA的直接电化学检测，其机理如下表[14, 15] ]：

尽管在UA检测方面做了很多努力，但目前仍需要探索更灵敏、选择性、稳定和简便的方法。

由于在化学和物理方面的优越性能，多种纳米金属，如银 (Ag) [16, 17]、金 (Au) [18, 19]、铂 (Pt) [20,21,22, 23]、铜 (Cu) [24, 25] 和钯 (Pd) [26, 27] 加速了用于医学分析、环境监测、食品质量控制等电化学传感器制造的大量研究 [28]。特别是，金纳米粒子 (AuNPs) 显示出优越的导电性、大表面积和良好的生物相容性 [29]，所有这些独特的特性使 AuNPs 成为电化学传感的理想选择。此外，Au独特的表面等离子体共振（SPR）效应通过表面电子的集体相干振荡收集可见光可能有利于UA的检测[30]。

基于上述分析，我们在此展示了一种简便的电沉积方法，可以在玻碳电极 (GCE) 表面成功制备分散良好的球状 AuNP。此外，一系列电化学测量表明，在可见光照射的帮助下，迷人的 Au/GCE 表现出大大增强的响应电流强度。有鉴于此，我们认为这种简便的可见光辅助方法和球形Au纳米颗粒为进一步检测UA及其他领域提供了启示。

方法

设备

使用扫描电子显微镜（SEM）（Hitachi SU8010，日本）表征所得电极的形貌。所有电化学研究均在具有传统三电极系统的 CHI760D 电化学工作站（中国上海晨华仪器有限公司）上进行，其中改性玻璃碳电极 (GCE) 作为工作电极（表面积 0.07 cm ² )，铂丝作为对电极（直径 0.5 毫米），饱和甘汞电极（SCE）分别作为参比电极。溶液pH值采用pHS-2F型仪表（上海仪器仪表）测定。

试剂

尿酸（UA）购自 Acros Organics（中国上海）。氯金酸 (HAuCl4·H2O)、磷酸氢二钠 (Na2HPO4)、磷酸二氢钠 (NaH2PO4)、亚铁氰化钾 (K4[Fe(CN)6])、铁氰化钾 (K3[Fe(CN)6])、钾氯化物（KCl）购自国药集团化学试剂有限公司。整个实验使用双蒸水。选择新制备的不同 pH 值的 0.1 M 磷酸盐缓冲溶液 (PBS) 作为电解质。所有试剂均按原样使用，未经其他纯化，所有实验均在室温下进行。

电极准备

在这项工作中，我们选择了 L 型玻碳电极，以方便将 Au 纳米粒子修饰的表面暴露在可见光照射下。 GCE（表面积 0.07 cm ² ) 在湿抛光布上用 0.05 μm 氧化铝浆仔细抛光，然后在乙醇和水中超声几分钟，以获得镜面般的表面。最后，用二次蒸馏水彻底冲洗电极并在空气中干燥。在后续电化学过程之前，我们反复抛光和冲洗电极，直到在 2.5 mM Fe(CN)6 ^3/4− 中循环伏安曲线 (CV) + 0.1 M KCl 溶液表现出两个完美对称的峰和峰电位分离 (ΔE p) 低于 100 mV。 Au 纳米粒子在含有 0.24 mM HAuCl4 的 1 mM H3PO4 溶液中以 -0.2 V 的恒定电位电沉积在预处理电极的表面上。通过在沉积过程中改变电量来控制 AuNP 的不同质量负载。

结果与讨论

电极的形态和表征

使用扫描电子显微镜 (SEM) 对 GCE 表面上的 Au 纳米粒子的形貌进行表征。 Au纳米颗粒在-0.2 V的恒定电位下形成，一定的电量为3 × 10 ^-3 C，计算出 GCE 表面 Au 颗粒的理论密度为 28.9 μg/cm ² .图 1a 显示 GCE 表面被点状金纳米粒子密集覆盖。图 1b 显示了更高放大倍数下的表面形貌，并显示出柔和的球形 AuNP 均匀地分散在 GCE 的表面上。图 1b 插图中描绘的粒度分布直方图显示，分散良好的 AuNP 具有窄的粒度分布，计算出的平均直径约为 26.1 nm。详细的观察也可以帮助我们发现所获得的 AuNPs 几乎是单分散的，彼此之间的联系较少。总之，这些有利的条件有利于大大增加活性表面积，最终导致检测效率的提高。

Au/GCE 在较低 (a ) 和更高的放大倍数 (b ）。 插入 :对应的Au纳米粒子粒径分布直方图

循环伏安行为

经 Au 修饰后，CV 在 2.5 mM Fe(CN)6 ^3/4− + 0.1 M KCl 溶液被用来与裸 GCE 进行比较（附加文件 1：图 S1）。 Au/GCE 的 CV 曲线显示出一对对称的氧化还原峰，呈现出较高的响应电流和较小的峰电位间隔（ΔE p =63 mV) 比裸 GCE 的。从以上数据可以得出结论，Au/GCE 上的电子转移优于裸 GCE。

图 2 显示了 Au/GCE 在含有 1.0 mM UA 的 0.1 M PBS (pH 7.0) 溶液中的 CV 曲线，分别有（a）和没有（b）可见光照射四个圆圈。我们发现，当氙灯到工作电极表面的距离设置为 20 cm 时，将呈现最强的可见光强度。具体而言，UA 在可见光照射下的阳极峰值电流为 20 μA，而在没有可见光照射的情况下，阳极峰值电流的最大值仅为 12 μA。此外，在可见光的存在下，峰值电流保持稳定值；尽管如此，在没有可见光照射的情况下，峰值电流值显示出持续下降。此外，在可见光照射下，Au/GCE 的氧化峰电位比没有可见光照射下大约负 6 mV。综上所述，可见光可以提高Au/GCE对UA电氧化的光电催化性能。

Au/GCE 在含有 1.0 mM UA 和 (a) 的 0.1 M PBS (pH 7.0) 溶液中的 CV 并且没有 (b) 可见光照明。扫描速率 50 mV s ⁻¹

可见光照明效果

通过在逐次循环伏安法过程中加入一定时间的可见光照射，研究了可见光照射的影响。如图 3a 所示，可见光从箭头所指的位置开始。曲线 1 是没有可见光照明的 CV 的最后一圈。曲线2为过渡过程，可见光照射从0.35V左右的电位开始，根据图2，理论上电流开始增加。当电极暴露在可见光照射下时，电流呈现出上升趋势，反向扫描截面的CV曲线几乎与可见光照射下的曲线重叠。可见光完全照射下的CV曲线如曲线3所示，如前文所述，电流仍保持稳定。图 3b 显示了 Au/GCE 在可见光照射下在含有 1.0 mM UA 的 0.48 V 电位下的 0.1 M PBS（pH 7.0）溶液中的光电流响应，此时电流达到图 2 中的最大值。制备好的电极之后是电流-时间（I –t ) 曲线。为了比较 UA 检测的光照和无光照条件，我们定期中断氙灯照明。可以发现，当光照中断时，光电流瞬间下降，开启光照时光电流迅速增加，并在短时间内达到平衡值。图中显示的完美周期性表明对可见光照射的响应是稳定的，响应所需的时间是相等的。 Au纳米粒子在可见光照射下的表面等离子体共振（SPR）效应可能是Au/GCE一侧光电流增加的原因。所制备的 AuNP 的紫外-可见光谱显示在附加文件 1：图 S2 中。吸收峰位于 597 nm 波长处，这与之前一些报告中的波长接近 [31, 32]。具体来说，Au 纳米粒子可以收集可见光的能量 [33]。由于 SPR 激发，热电子的积累可以暂时占据费米能级以上的更高空态，然后电子从 Au 到导电 GCE 的快速转移发生 [34]。 UA的氧化过程发生在Au纳米颗粒的表面，UA分子将两个电子转移到Au纳米颗粒上。另一方面，用Au纳米粒子修饰后，电子转移速率大大提高。

一 电位/V 与 SCE。 Au/GCE 在 0.1 M PBS (pH 7.0) 溶液中的 CV，该溶液含有 1.0 mM UA，不含 (1) 和 (3​​) 可见光照明；可见光照明从箭头的位置开始 指向 (2) .扫描速率 50 mV s ⁻¹ . b 时间/秒。 Au/GCE 在可见光照射下在 0.48 V 下含有 1.0 mM UA 的 0.1 M PBS (pH 7.0) 溶液中的光电流响应。氙灯的照射每 30 秒中断一次

黄金数量的影响

沉积在电极表面的Au的质量负载受电量控制，并评估其对UA电化学性能的影响。从图 4 中可以看出，当金的量仅为 0.96 μg/cm ² （图 4e），峰值电流与裸 GCE 的峰值电流（图 4f）几乎相同，甚至略有下降。然而，随着金的数量从 4.8 增加到 28.9 μg/cm ² （图 4（d）、（c）和（b）），峰值电流依次增加，氧化峰值电位更负。继续将金量增加到 57.8 μg/cm ² （图 4a），峰值电流略有下降，峰值电位变得更正。这主要是由于质量为 28.9 μg/cm ² 是最适合在 Au/GCE 上进行 UA 反应的表面积。首先，裸露的 GCE 或覆盖 GCE 的低金纳米粒子不能支持足够的活性位点，并且没有足够的表面积进行反应。同时，覆盖有过量 Au 纳米颗粒的 GCE 会减慢从 Au/GCE 到 UA 的电子转移速度。因此，我们选择了金量为 28.9 μg/cm ² 的 Au/GCE 作为电化学检测过程中的工作电极。

用不同数量的金电沉积的 Au/GCE 的 CV：57.8 (a) , 28.9 (b) , 9.6 (c) , 4.8 (d) , 0.96 μg/cm ² (e) , 和裸 GCE (f) 在可见光照射下，在含有 1.0 mM UA 的 0.1 M PBS (pH 7.0) 溶液中。扫描速率 50 mV s ⁻¹ .沉积电位 -0.2 V

pH 值的影响

为了进一步评估 UA 检测的最佳条件，研究了 pH 值对可见光照射下 1 mM UA 光电化学响应的影响。图 5a 描述了 Au/GCE 在 1 mM UA 溶液中的 CV，并且使用 0.1 M PBS 来调节每种测试液体的 pH 值。图 5b 显示了 pH 值与峰值电流的关系，从中我们可以看到 I 的最大值 pa 出现在 pH 7.0 时，随着 pH 从 7.0 增加到 9.0 逐渐下降，证明 pH 7.0 是检测 UA 的最佳 pH 值。

一 具有不同 pH PBS 溶液（pH =4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 和 9.0）的 1 mM UA 中 Au/GCE 的 CV，扫描速率 50 mV s ^-1 . b 氧化峰电流与pH值的关系

扫描速率的影响

为了研究扫描速率如何影响 UA 溶液中 Au/GCE 的电化学响应，CV 在 20 到 200 mV s ^-1 的不同扫描速率下运行 间隔为 20 mV s ⁻¹ .结果如图6所示，随着扫描速度的加快，氧化峰电位有明显的正移，表明UA在电极表面的反应是一个准可逆的化学过程。换句话说，UA 在 0.1 M PBS (pH 7.0) 溶液中的电极表面没有发生吸附。此外，很容易发现阳极峰值电流与扫描速率的平方根之间的线性相关性，并且校准方程为 I pa (μA) =1.9254ν ^1/2 (mV/s) ^1/2 + 9.3766 (R ² =0.9702)，说明反应速率由UA的扩散决定[35]。

Au/GCE 在含有 1 mM UA 的 0.1 M PBS (pH =7.0) 溶液中的 CV，扫描速率范围为 20 到 200 mV s ^-1 . 插入 :峰值电流与 v ^1/2 的校准曲线

UA的确定

差分脉冲伏安法 (DPV) 具有比 CV 更好的分辨率和更高的灵敏度，也被用于 Au/GCE 的表征。在 2.8 到 57.5 μM 的范围内，氧化峰电流和 UA 浓度之间存在比例关系（图 7）。线性回归方程可以表示为I pa (μA) =0.0121c UA (μM) + 0.3122 (R ² =0.9987）。为了进行比较，Au/GCE 在没有可见光照射的情况下对 UA 的 DPV 分析显示在附加文件 1：图 S3 中，其表现出从 3 到 21 μM 的较窄线性范围，线性回归方程表示为 I pa (μA) =0.0112c UA (μM) + 0.2766 (R ² =0.9943）。本节中的所有实验均在根据先前实验数据获得的最佳条件下进行。 Au/GCE 的可重用性是通过在相同条件下在可见光照射下测量 8 个电极在含有 1.0 mM UA 的 0.1 M PBS (pH 7.0) 溶液中的 CV 响应来估计的。氧化峰电流的相对标准偏差为 7.88%。 Au/GCE 在可见光照射下的稳定性还通过在实验前在 25°C 下储存一周的修饰电极进行检查。峰值电流下降了 9.8%。以上结果表明，可见光照射修饰电极具有良好的重复使用性和良好的稳定性。并且这种方法可以容忍一般干扰。在实际样品分析中，回收率为 96.3%。综上所述，可见光照射Au/GCE显示出未来成为灵敏电化学传感器的潜力。

<图片>

一 Au/GCE 在 0.1 M PBS (pH 7.0) 中不同浓度 UA 的 DPV 曲线。 b 阳极峰值电流与UA浓度的关系图