Улучшенное фотоэлектрохимическое определение мочевой кислоты на электроде из стеклоуглерода, модифицированного наночастицами Au

Фон

Мочевая кислота (UA) является одним из конечных продуктов пуринового метаболизма и присутствует в биологических жидкостях, таких как кровь и моча. Аномалии уровня мочевой кислоты, предполагающие возможность нескольких заболеваний, таких как подагра, заболевание почек, гипертония и сердечно-сосудистые заболевания, которые связаны с повышенным уровнем мочевой кислоты, тогда как пониженный уровень UA вызывает такие заболевания, как рассеянный склероз, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера. , неврит зрительного нерва [1]. Следовательно, мониторинг концентрации УК в жидкости человеческого тела имеет клиническую ценность и важен для профилактики вышеупомянутых или других подобных заболеваний.

Поскольку наблюдение за концентрацией мочевой кислоты в жидкости организма человека имеет большое значение, в соответствии с предыдущими отчетами были разработаны различные методы обнаружения, такие как ферментативный анализ [2, 3], высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) [4], масс-спектрометрия [5], капиллярный электрофорез (КЭ) [6], хемилюминесценция [7] и колориметрия [8, 9]. Однако все эти традиционные методы могут потребовать сложной предварительной обработки или отнять слишком много времени. Из-за уникальной электрохимической активности мочевая кислота может необратимо окисляться до аллантоина в водном растворе, поэтому многие исследования были сосредоточены на количественном определении мочевой кислоты с помощью методов электрохимии, а электрохимические датчики признаны многообещающими альтернативами традиционным методам. Исследования в этой области возникли в последние годы, и для обнаружения УА было разработано множество новых сенсоров, таких как модифицированный электрод из углеродных нановолокон, содержащий наночастицы палладия (Pd / CNF-CPE) [10], электрод на основе углеродной ионной жидкости (CILE). ) [11], гибридный пленочный модифицированный электрод PtAu [12], электрод, модифицированный хитозаном и графеном [13], и т. Д. Неферментативные методы используются для прямого электрохимического обнаружения УК, и механизм продемонстрирован ниже [14, 15 ]:

Несмотря на многочисленные попытки обнаружения UA, до сих пор необходимо изучить более чувствительные, селективные, стабильные и простые методы.

Благодаря превосходным свойствам как в химическом, так и в физическом аспектах, многие виды нанометаллов, такие как серебро (Ag) [16, 17], золото (Au) [18, 19], платина (Pt) [20,21,22, 23], медь (Cu) [24, 25] и палладий (Pd) [26, 27] ускорили многочисленные исследования в области создания электрохимических сенсоров для медицинского анализа, мониторинга окружающей среды, контроля качества пищевых продуктов и т. Д. [28]. В частности, наночастицы золота (AuNP) демонстрируют превосходную проводимость, большую площадь поверхности и хорошую биосовместимость [29], и все эти уникальные свойства делают AuNP подходящим выбором для электрохимического зондирования. Кроме того, уникальный эффект поверхностного плазмонного резонанса (ППР) Au для сбора видимого света посредством коллективных когерентных колебаний поверхностных электронов может быть полезен для значительного улучшения обнаружения UA [30].

Основываясь на приведенном выше анализе, мы здесь продемонстрировали простой метод электроосаждения для успешного изготовления хорошо диспергированных сферических AuNP на поверхности стеклоуглеродного электрода (GCE). Более того, серия электрохимических измерений показала, что удивительный Au / GCE демонстрирует значительно увеличенную интенсивность тока отклика с помощью излучения видимого света. Принимая во внимание это, мы полагали, что этот простой метод с использованием видимого света и сферические наночастицы Au проливают свет на применение в дальнейшем обнаружении UA и за его пределами.

Методы

Аппарат

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) (Hitachi SU8010, Япония) использовали для характеристики морфологии полученного электрода. Все электрохимические исследования были выполнены на электрохимической рабочей станции CHI760D (Chenhua Instrument Co., Ltd., Шанхай, Китай) с традиционной трехэлектродной системой, в которой модифицированный стеклоуглеродный электрод (GCE) выступал в качестве рабочего электрода (площадь поверхности 0,07 см ² ), противоэлектродом служила платиновая проволока (диаметр 0,5 мм), а электродом сравнения - насыщенный каломельный электрод (SCE) соответственно. Значение pH раствора определяли с помощью модельного измерителя pHS-2F (Instrument, Шанхай, Китай).

Реагенты

Мочевая кислота (UA) была приобретена в Acros Organics (Шанхай, Китай). Хлорозавровая кислота (HAuCl ₄ · H ₂ O), гидрофосфат натрия (Na ₂ HPO ₄ ), дигидрофосфат натрия (NaH ₂ ЗП ₄ ), ферроцианид калия (K ₄ [Fe (CN) ₆ ]), феррицианид калия (K ₃ [Fe (CN) ₆ ]) и хлорид калия (KCl) были получены от Sinopharm Chemicals Reagent Co., Ltd. На протяжении экспериментов использовали бидистиллированную воду. В качестве электролита был выбран свежеприготовленный 0,1 М фосфатный буферный раствор (PBS) с различным pH. Все реагенты использовались без дополнительной очистки, и все эксперименты проводились при комнатной температуре.

Подготовка электрода

В данной работе мы выбрали стеклоуглеродный электрод L-типа для удобства экспонирования поверхности, модифицированной наночастицами Au, освещению видимым светом. GCE (площадь поверхности 0,07 см ² ) был тщательно отполирован суспензией оксида алюминия 0,05 мкм на влажной полировальной ткани с последующей обработкой ультразвуком в этаноле и воде в течение нескольких минут для получения зеркальной поверхности. Наконец, электрод тщательно промывали вторичной дистиллированной водой и сушили на воздухе. Перед последующим электрохимическим процессом мы полировали и промывали электрод несколько раз до получения кривых циклической вольтамперометрии (CV) в 2,5 мМ Fe (CN) ₆ ^{3 / 4–} + 0,1 M раствор KCl демонстрирует два идеально симметричных пика и разделение потенциалов пиков (Δ E _p ) из них была ниже 100 мВ. Наночастицы Au были электроосаждены на поверхность предварительно обработанных электродов в 1 мМ H ₃ ЗП ₄ раствор, содержащий 0,24 мМ HAuCl ₄ при постоянном потенциале -0,2 В. Различная массовая нагрузка AuNP контролировалась путем изменения количества электричества в процессе осаждения.

Результаты и обсуждение

Морфология и характеристика электрода

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) был использован для характеристики морфологии наночастиц Au на поверхности GCE. Наночастицы Au были сформированы при постоянном потенциале −0,2 В с определенным количеством электричества 3 × 10 ⁻³ . C, а теоретическая плотность частиц Au на поверхности GCE составила 28,9 мкг / см ² . . На рис. 1а видно, что поверхность ГЦЭ ​​плотно покрыта точечными наночастицами золота. На рисунке 1b представлена ​​морфология поверхности при большем увеличении и показано, что мягкие и сферические AuNP равномерно диспергируются на поверхности GCE. Гистограмма распределения частиц по размерам, изображенная на вставке к фиг. 1b, показала, что хорошо диспергированные AuNP имеют узкое распределение по размерам, а расчетный средний диаметр составлял приблизительно 26,1 нм. Подробное наблюдение также может помочь нам обнаружить, что полученные AuNP почти монодисперсны, что свидетельствует о меньшем количестве связей друг с другом. В целом эти благоприятные условия позволили значительно увеличить активную площадь поверхности и, в конечном итоге, привели к повышению эффективности обнаружения.

СЭМ-изображения Au / GCE на более низком уровне ( a ) и большее увеличение ( b ). Вставка :соответствующая гистограмма распределения наночастиц Au по размерам

Циклическое поведение вольтамперометрии

После модификации Au, CV в 2,5 мМ Fe (CN) ₆ ^{3 / 4–} + 0,1 М раствор KCl был взят для сравнения с чистым GCE (дополнительный файл 1:Рисунок S1). Кривая CV Au / GCE показывает пару симметричных пиков окислительно-восстановительного потенциала, представляющих более высокий ток отклика и меньшее разделение потенциалов пиков (Δ E p =63 мВ), чем у голого ГЭУ. Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что перенос электронов на Au / GCE был лучше, чем на чистом GCE.

На рис. 2 показаны CV-кривые Au / GCE в 0,1 М растворе PBS (pH 7,0), содержащем 1,0 мМ UA, с (а) и без (b) освещением видимым светом для четырех кружков, соответственно. Мы обнаружили, что, когда расстояние от ксеноновой лампы до поверхности рабочего электрода установлено равным 20 см, будет представлена ​​самая мощная интенсивность видимого света. В частности, анодный пиковый ток для UA составлял 20 мкА при освещении видимым светом, в то время как максимум анодного пикового тока без освещения видимым светом составлял всего 12 мкА. Более того, при наличии видимого света пиковый ток сохранял стабильное значение; тем не менее, значение пикового тока постоянно снижалось без видимого света. Кроме того, потенциал пика окисления Au / GCE при освещении видимым светом примерно на 6 мВ отрицателен, чем при отсутствии освещения видимым светом. Из приведенных выше исследований мы можем сделать вывод, что видимый свет может улучшить фотоэлектрокаталитические характеристики Au / GCE в отношении электроокисления UA.

CV Au / GCE в 0,1 М растворе PBS (pH 7,0), содержащем 1,0 мМ UA с (a) и без (b) видимое световое освещение. Скорость сканирования 50 мВ с ⁻¹

Эффект видимого света

Влияние освещения видимым светом изучали путем добавления освещения видимым светом в определенное время в процессе последовательной циклической вольтамперометрии. Как показано на рис. 3а, видимый свет исходил из точки, на которую указывает стрелка. Кривая 1 соответствует последнему кругу CV без освещения видимым светом. Кривая 2 представляет собой переходный процесс, в котором освещение видимым светом начинается с потенциала примерно 0,35 В, при этом ток начинает теоретически увеличиваться в соответствии с рис. 2. Когда электрод подвергается освещению видимым светом, ток представляет собой восходящая тенденция, и кривая CV участка обратного сканирования почти перекрывает кривую при освещении видимым светом. Кривая CV при полном освещении видимым светом была показана как кривая 3, как было сказано выше, ток все еще поддерживался стабильно. На рис. 3b показан отклик фототока Au / GCE при освещении видимым светом в растворе 0,1 M PBS (pH 7,0), содержащем 1,0 мМ UA, при потенциале 0,48 В, при котором ток достигает своего максимума на рис. 2. Фототоки после приготовления электродов отслеживали ток-время ( I - т ) кривые. Чтобы сравнить условия освещения и отсутствие освещения для обнаружения UA, мы периодически прерывали освещение Xe-лампы. Можно обнаружить, что пока освещение было прервано, фототок мгновенно падал, а фототок быстро увеличивался при включении освещения, а затем достигал равновесного значения за короткое время. Идеальная периодичность, продемонстрированная на картинке, указывает на то, что отклик на освещение в видимом свете является устойчивым, и время, необходимое для отклика, одинаково. Эффект поверхностного плазмонного резонанса (ППР) наночастиц Au при освещении видимым светом может объяснять увеличенный фототок Au / GCE с одной стороны. УФ-видимая спектроскопия свежеприготовленных AuNP показана в дополнительном файле 1:Рисунок S2. Пик поглощения находился на длине волны 597 нм, что приблизительно соответствует длине волны в некоторых предыдущих сообщениях [31, 32]. В частности, наночастицы Au могут собирать энергию видимого света [33]. Из-за возбуждения ППР скопление горячих электронов может временно занимать более высокие пустые состояния выше уровня Ферми, а затем происходит быстрый переход электронов от Au к проводящему ГЭЭ [34]. Процесс окисления UA происходит на поверхности наночастиц Au, где молекула UA передает два электрона наночастице Au. С другой стороны, после модификации наночастицами Au скорость переноса электронов значительно повысилась.

а Потенциал / V по сравнению с SCE. CV Au / GCE в 0,1 М растворе PBS (pH 7,0), содержащем 1,0 мМ UA без (1) и с (3) видимое световое освещение; Освещение видимым светом начинается с точки, где находится стрелка указывает на (2) . Скорость сканирования 50 мВ с ⁻¹ . б Время / с. Отклик фототока Au / GCE при освещении видимым светом в 0,1 M растворе PBS (pH 7,0), содержащем 1,0 мМ UA при 0,48 В. Освещение от лампы Xe прерывалось каждые 30 с

Влияние количества золота

Массовая нагрузка Au, нанесенного на поверхность электрода, контролировалась количеством электричества, и оценивалось его влияние на электрохимические характеристики по отношению к UA. Как видно на рис. 4, когда количество золота составляет всего 0,96 мкг / см ² (Рис. 4e) пиковый ток был почти таким же, как у голого GCE (Рис. 4f), даже немного снизился. Однако по мере увеличения количества золота с 4,8 до 28,9 мкг / см ² (Рис. 4 (d), (c) и (b)), пиковый ток последовательно увеличивался, а потенциал пика окисления был более отрицательным. Продолжайте увеличивать количество золота до 57,8 мкг / см ² (Рис. 4а) пиковый ток немного уменьшился, а пиковый потенциал оказался более положительным. В основном это связано с тем, что качество 28,9 мкг / см ² является наиболее подходящей площадью поверхности для реакции UA на Au / GCE. В первую очередь, GCE без покрытия или наночастицы с низким содержанием Au, покрытые GCE, не могут поддерживать достаточное количество участков активности и имеют недостаточную площадь поверхности для реакции. Между тем, GCE, покрытый избыточными наночастицами Au, замедлит скорость переноса электронов от Au / GCE к UA. Поэтому мы выбрали Au / GCE с содержанием золота 28,9 мкг / см ² . в качестве рабочего электрода в процессе электрохимического обнаружения.

CV Au / GCE, электроосажденных с различным количеством золота:57,8 (a) , 28.9 (б) , 9,6 (c) , 4.8 (d) , 0,96 мкг / см ² (e) , и пустой GCE (f) в 0,1 М растворе PBS (pH 7,0), содержащем 1,0 мМ UA, при освещении видимым светом. Скорость сканирования 50 мВ с ⁻¹ . Потенциал депонирования -0,2 В

Влияние значения pH

Для дальнейшей оценки оптимальных условий для обнаружения УК было изучено влияние значения pH на фотоэлектрохимические реакции 1 мМ УК при освещении видимым светом. На рис. 5а показаны вариации Au / GCE в 1 мМ растворе UA, и 0,1 М PBS использовали для модуляции pH каждой тестовой жидкости. На рисунке 5b показана взаимосвязь между значением pH и пиковым током, из которого мы можем увидеть максимальное значение I . _pa появляется при pH 7,0 и впоследствии снижается с увеличением pH с 7,0 до 9,0, что доказывает, что pH 7,0 является оптимальным значением pH для обнаружения УК.

а CV Au / GCE в 1 мМ UA с раствором PBS с различным pH (pH =4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0 и 9,0), скорость сканирования 50 мВ с ⁻¹ . б Связь между током пика окисления и значением pH

Влияние скорости сканирования

Чтобы исследовать, как скорость сканирования влияет на электрохимический отклик Au / GCE в растворе UA, CV работали при различных скоростях сканирования от 20 до 200 мВ с ^-1 с интервалом 20 мВ с ⁻¹ . Результаты показаны на рис. 6, из которого можно увидеть очевидный положительный сдвиг в пиковом потенциале окисления по мере увеличения скорости сканирования, что указывает на то, что реакция UA на поверхности электрода является квазиобратимым химическим процессом. Другими словами, адсорбция УК не происходила на поверхности электрода в 0,1 М растворе PBS (pH 7,0). Кроме того, линейная корреляция между анодными пиковыми токами и квадратным корнем из скоростей сканирования была легко обнаружена, и уравнение калибровки представлено как I _pa (мкА) =1,9254ν ^1/2 (мВ / с) ^1/2 + 9,3766 ( R ² =0,9702), что указывает на то, что скорость реакции определялась диффузией UA [35].

CV Au / GCE в 0,1 М растворе PBS (pH =7,0), содержащем 1 мМ UA, при скоростях сканирования от 20 до 200 мВ с ^-1 . Вставка :калибровочная кривая пикового тока в зависимости от v ^1/2

Определение UA

Дифференциальная импульсная вольтамперометрия (DPV) с характеристиками лучшего разрешения и более высокой чувствительности, чем CV, также использовалась для характеристики Au / GCE. Существует пропорциональная зависимость между током пика окисления и концентрацией УК в диапазоне от 2,8 до 57,5 ​​мкМ (рис. 7). Уравнение линейной регрессии можно выразить как I _pa (мкА) =0,0121 c _UA (мкМ) + 0,3122 ( R ² =0,9987). Для сравнения, DPV-анализ Au / GCE в направлении UA без освещения видимым светом был показан в дополнительном файле 1:Рисунок S3, который демонстрирует более узкий линейный диапазон от 3 до 21 мкМ с уравнением линейной регрессии, представленным как I _pa (мкА) =0,0112 c _UA (мкМ) + 0,2766 ( R ² =0,9943). Все эксперименты в этом разделе проводились в наилучших условиях, достигнутых из предыдущих экспериментальных данных. Возможность повторного использования Au / GCE оценивалась путем измерения CV-откликов восьми электродов в 0,1 М растворе PBS (pH 7,0), содержащем 1,0 мМ UA, при освещении видимым светом в тех же условиях. Относительное стандартное отклонение пиков окисления составляет 7,88%. Стабильность Au / GCE при освещении видимым светом также проверяли, выполняя модифицированный электрод, который хранился в течение недели при 25 ° C перед экспериментом. Пиковые токи снизились на 9,8%. Приведенные выше результаты показывают, что модифицированный электрод с освещением видимым светом показывает возможность повторного использования и хорошую стабильность. И этот способ выдерживает общие помехи. В реальном анализе пробы было получено 96,3% извлечения. Из проведенного выше исследования мы можем сделать вывод, что Au / GCE, освещенный видимым светом, потенциально может стать чувствительным электрохимическим датчиком в будущем.

а Кривые DPV Au / GCE в 0,1 M PBS (pH 7,0) при различных концентрациях UA. б Графики анодных пиковых токов в зависимости от концентрации UA