氧化石墨烯-殼聚糖復合膜修飾電極測定尿酸

樊雪梅， 王書民， 李哲建， 王毅夢，劉 萍， 范新會

(1.商洛學院化學工程與現代材料學院，陜西商洛 726000;2.西安工業大學材料與化學工程學院，陜西西安 710021)

尿酸(UA)是人類嘌呤代謝的終極產物，為臨床化學檢測的重要項目，其可以幫助診斷痛風、腎功能減退和中毒產生的肝臟疾病[1]。目前測定尿酸的方法主要有酶法[2]、比色法[3,4]、熒光法[5,6]、色譜法[7]和化學發光法[8,9]等。

電化學分析法在很大程度上得益于電極修飾方法和修飾手段的進步，具有儀器設備簡單，測試靈敏、快速和準確等特點而廣受關注。目前利用電化學方法檢測尿酸已有報道，如：Han等[10]合成了氮摻雜的碳基納米材料，并用于尿酸的電化學檢測； Ibrahim等[11]制備了硼摻雜的CeO2修飾碳糊電極，用于人體液中尿酸的電化學檢測； Shahamirifard等[12]制備了ZrO2-膽堿-氯化金納米顆粒修飾碳糊電極，用于人尿中尿酸的測定。氧化石墨稀(GO)具有離域π鍵和大的比表面積，有利于分子的吸附，其分子內含有羥基、羧基、環氧基團，因其易于被修飾和功能化而被廣泛應用。目前利用GO電化學檢測尿酸已有報道。如Zheng[13]等制備了分子印跡聚合物/還原氧化石墨烯復合材料，用于尿酸的電化學檢測。Huang[14]等將石墨烯泡沫碳納米管復合材料與金納米粒子偶聯，制備了電化學傳感器并用于尿酸的電化學檢測。Boitumelo[15]等研究了不同元素摻雜的石墨烯薄膜修飾的ITO電極的電化學行為，并用于尿酸的檢測。Sriram[16]等制備了Fe3O4納米球修飾的還原氧化石墨烯納米薄片，用于尿酸的檢測。但這些方法存在修飾電極制備步驟繁瑣、不易操作的缺點。

本文利用自組裝技術，制備了氧化石墨烯-殼聚糖(GO-CS)復合膜修飾電極，研究了尿酸在該復合膜修飾電極上的電化學行為，建立了測定尿酸的新方法。與已報道的電化學方法相比，該修飾電極制備方法簡單、重現性和穩定性較好，用于尿酸的檢測，方法簡單。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Zennium電化學工作站(德國，Zahner公司)；RT5 POWER電磁攪拌機(德國，IKA公司)；WF-300D超聲波清洗機(寧波海曙五方超聲設備有限公司)。

1.0×10-3mol/L尿酸(UA，Sigma公司)儲備液：準確稱取0.0084 g尿酸，用少量0.1 mol/L Na2CO3溶液溶解后定容于50 mL容量瓶中；0.5%殼聚糖(CS，Sigma公司)溶液：準確稱取0.0200 g殼聚糖溶于4 mL 1%HAc中。石墨粉、H2SO4、NaNO3、KMnO4、30%H2O2、K2HPO4、KH2PO4和K3[Fe(CN)6]均購于西安化學試劑廠。實驗用水由PT-RO10L實驗室超純水設備(上海品拓環保工程設備有限公司)制備。

1.2 氧化石墨烯的制備

采用傳統的Hummers法[17]制備氧化石墨烯。將3.0 g的325目的石墨粉與69.0 mL濃H2SO4混合，置于冰水浴中，磁力攪拌過程中加入1.5 g NaNO3，9.0 g KMnO4，控制反應溫度低于20 ℃，反應2 h后得到深綠色溶液，再加熱到35 ℃反應0.5 h，溶液變為棕褐色。加入180 mL超純水，待反應溫度升至98 ℃后反應0.5 h，溶液由棕褐色變為淺黃色，加入213.0 mL超純水，攪拌10 min，再加入25.0 mL 30%H2O2，溶液變為金黃色。沉降棄去上層清液，用1 mol/L的HCl多次洗滌后，再用超純水洗滌至中性，置于真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨烯，研磨成粉備用。

1.3 氧化石墨烯-殼聚糖復合膜修飾電極的制備

將玻碳電極(GCE)在0.05 μm Al2O3拋光粉上打磨光亮，分別在1∶1的硝酸，1∶1的乙醇，超純水中超聲，干燥后。將1.0 mg氧化石墨烯超聲分散于1.0 mL 0.5%殼聚糖溶液中，得到氧化石墨烯-殼聚糖分散液。取5.0 μL氧化石墨烯-殼聚糖分散液滴加于干凈的玻碳電極表面，自然晾干，制得氧化石墨烯-殼聚糖復合膜修飾電極。

1.4 實驗方法

室溫下，以裸玻碳電極或氧化石墨烯-殼聚糖修飾玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極，在0.5～1.0 V電位范圍，使用差分脈沖伏安技術對尿酸進行測量。以0.684 V處氧化峰電流Ip對尿酸進行定量。

2 結果與討論

2.1 氧化石墨烯的表征

采用掃描電鏡(SEM)對制備的氧化石墨烯進行表征。由圖1可以看到氧化石墨烯-殼聚糖具有相對比較光滑的層狀結構，是小而輕的薄片。

圖1 氧化石墨烯的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM image of GO

2.2 氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極的電化學表征

采用循環伏安法對氧化石墨烯-殼聚糖復合膜修飾電極在5.0×10-3mol/L K4[Fe(CN)6]溶液中進行電化學表征。結果顯示，K4[Fe(CN)6]在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的氧化還原峰電流是裸電極的1.2倍，這歸功于氧化石墨烯大的比表面積和良好的導電性能。

2.3 尿酸在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的電化學行為

圖2為2.0×10-5mol/L尿酸在裸玻碳電極和氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的循環伏安圖。如圖2所示，尿酸在裸玻碳電極上信號比較弱(曲線a)，而在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上(曲線b)，正向掃描時，于0.615 V出現一個氧化峰，反向掃描時，于0.446 V出現一還原峰，這表明氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極對尿酸有很好的電催化作用。這可能是因為殼聚糖有離域π鍵和較大的比表面積，有利于尿酸在電極表面的吸附。同時，殼聚糖中含有羥基和氨基，可以與尿酸分子的羧基氧和亞氨基產生氫鍵，電子通過N···H···O和O···H···O傳遞，降低了尿酸的過電位，促進了其氧化還原。

圖2 2.0×10-5 mol/L尿酸在裸玻碳電極(a)和氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極(b)上的循環伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of 2.0×10-5 mol/L UA at bare GCE(a) and GO -CS modified electrodes(b)

2.4 條件的優化

考察了氧化石墨烯-殼聚糖分散液用量對實驗的影響。發現當氧化石墨烯-殼聚糖分散液量比較小時，尿酸峰電流比較小，當滴加量為5.0 μL時，峰電流最大，繼續增加分散液量，電流基本趨于穩定。說明5.0 μL已經達到電極飽和。故實驗采用5.0 μL作為氧化石墨烯-殼聚糖分散液滴加量。

考察了掃描速度對尿酸伏安行為的影響，實驗發現，在10～225 mV/s掃速之間，隨著掃描速度的增大，氧化峰電位出現正移，還原峰電位出現負移。同時，尿酸的氧化峰和還原峰電流不斷增大，峰電流與掃描速率呈良好的線性關系(圖3)，這表明尿酸在修飾電極上的電極反應為吸附控制過程[18]。

圖3 不同掃速下2.0×10-5 mol/L尿酸在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的循環伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of 2.0×10-5 mol/L UA at GO -CS modified electrodes at different scan ratesa to j:10、25、50、75、100、125、150、175、200、225 mV/s,respectively.

在不同pH值的0.10 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，考察了pH對檢測尿酸的影響。實驗發現當pH=6.8時，尿酸的峰電流最大，且氧化峰電位隨著pH的增大而負移，其氧化峰電位與pH值呈線性關系，說明尿酸在電極反應中存在質子的轉移[19]。

2.5 干擾試驗

在優化的條件下，當尿酸濃度為2.0×10-5mol/L，相對誤差不超過±5%時進行了干擾試驗。結果表明，1 000倍的K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+，800倍的L-谷氨酸、L-賴氨酸、乳酸，500倍的葡萄糖，100倍的抗壞血酸酸不干擾測定。

圖4 不同濃度尿酸在氧化石墨烯-殼聚糖修飾電極上的差分脈沖伏安(DPV)圖Fig.4 DPV of different concentrations of UA at GO-CS modified electrodesa-e:5.0×10-6、5.0×10-5、1.0×10-4、2.0×10-4、3.0×10-4 mol/L,respectively

2.6 線性范圍、檢測限和修飾電極的重現性

對不同濃度尿酸溶液進行差分脈沖伏安掃描，結果見圖5。由圖5可看出，氧化峰電流與尿酸濃度在5.0×10-6～3.0×10-4mol/范圍內呈良好的線性關系，線性回歸方程為：Ipa(μA)=3.96c(10-5mol/L)+32.67，相關系數R=0.9897，檢出限(S/N=3)為1.0×10-7mol/L。對2.0×10-5mol/L尿酸平行測定11次，相對標準偏差(RSD)為3.1%。同時，用同一批次的5支修飾電極對尿酸進行測定，電流強度的RSD為2.9%，說明修飾電極有較好的重現性。為了考察修飾電極的穩定性，將修飾電極置于4 ℃下保存，定期測定峰電流信號值，發現電流強度相比于原始電流強度，降低了3.7%，說明修飾電極的穩定性較好。

2.7 樣品測定

取5.0 mL尿樣，以0.10 mol/L PBS定容至50 mL。以差分脈沖伏安法進行測定，同時，進行加標回收實驗，測定結果見表1。加標回收率在96.7%～106.0%范圍，RSD在2.7%～3.3%之間，表明本方法可用于實際樣品的測定。

表1 樣品的測定結果及回收率實驗(n=11)

3 結論

首先，合成了氧化石墨烯。其次，通過自組裝技術，制備了氧化石墨烯-殼聚糖復合膜修飾電極。研究了尿酸在該修飾電極上的電化學行為，建立了一種檢測尿酸的電化學方法。該方法和已報道的電化學方法相比，修飾電極制備方法簡單、穩定性好。