Видимое освещение усиливает чувствительность AuNP-модифицированных стеклоуглеродных электродов к определению мочевой кислоты

Аннотация

Предложен высокочувствительный неферментативный подход к определению мочевой кислоты (МК), использующий видимое освещение стеклоуглеродного электрода (СУЭ), модифицированного электроосажденными золотыми наночастицами (AuNP). Разведывающая электронная микроскопия (SEM) подтвердила, что AuNP хорошо диспергированы, сферические, со средним диаметром 26,1 нм. Циклическая вольтамметрия (CV) и дифференциально-импульсная вольтамметрия (DPV) показали, что видимый свет драматически повышает как величину, так и стабильность отклика тока через эффект поверхностного плазмонного резонанса (SPR) AuNP. DPV демонстрировал линейную корреляцию пикового тока с концентрацией МК в диапазоне 2,8–57,5 мкМ, описываемую I_pa (мкА) = 0,0121 c_UA (мкМ) + 0,3122 (R²=0,9987). Результаты демонстрируют потенциал видимо-светоусиленного Au/СУЭ как надежного электрохимического сенсора для МК.

Введение

Мочевая кислота — конечный продукт пуринового обмена, ее концентрация в крови и моче служит биомаркером гнета, болезней почек, гипертонии, сердечно-сосудистых заболеваний. Низкий уровень МК связан с рассеянным склерозом, болезнью Паркинсона, Алцгеймера, оптического неврита. Точный мониторинг МК в биологических жидкостях клинически незаменим.

Традиционные методы — ферментативные тесты, HPLC, масс-спектрометрия, капиллярный электрофорез, химиллюминесценция, колориметрия — часто требуют сложной подготовки образца и длительного анализа. Электрохимические методы, использующие необратимое окисление МК до аллантоина, предлагают более быстрый и простой альтернативный путь. Недавно появились различные неферментативные сенсоры: палладий-загруженные углеродные нановолокна, углеродные ионно-жидкостные электроды, PtAu гибридные пленки, хитосан-графеновые композиты и др.

Нанометаллы — Ag, Au, Pt, Cu, Pd — широко применяются для создания электрохимических сенсоров благодаря отличной проводимости, большой площади поверхности и биосовместимости. Золотые наночастицы особенно выгодны благодаря ярко выраженному SPR, способному улавливать видимый свет и усилять каталитическую активность. Это свойство мотивировало настоящее исследование, сочетающее AuNP с видимым освещением для усиления детекции МК.

Методы

Аппарат

Морфологию модифицированного электрода изучали на Hitachi SU8010 SEM. Электрохимические измерения на CHI760D в трехелектродной схеме: Au/СУЭ (0,07 см²) рабочий электрод, платиновый провод — контрэлектрод, насыщенный каломельный — референсный. pH измеряли pHS-2F.

Реактивы

Мочевая кислота — Acros Organics. Хлороauricовая кислота, динатрийфосфат, натрийдигидрофосфат, калийферроцианид, калийферрицианид, хлорид калия — Sinopharm. Все реактивы использованы как получены; эксперименты при комнатной температуре.

Подготовка электрода

L-образный СУЭ полировали 0,05 мкм аллюминиевой оксидной пастой, ультразвуковано очищали и промывали до симметричных CV пиков в 2,5 мМ Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻/0,1 М KCl с ΔE_p <100 мВ. AuNP электроосаждали из 1 мМ H₃PO₄/0,24 мМ HAuCl₄ при –0,2 В, нагрузку настраивали зарядом осаждения.

Результаты и обсуждение

Морфология и характеристика электрода

SEM (рис. 1) показывает плотную монодисперсную распределение сферических AuNP на поверхности СУЭ. Гистограмма размеров указывает средний диаметр 26,1 нм, подтверждая узкое распределение, увеличивающее активную площадь для окисления МК.

Рис. 1. SEM Au/СУЭ при низком (а) и высоком (б) увеличении. Внутри: гистограмма распределения размеров AuNP.

Циклическая вольтамметрия

CV в 0,1 М ФСБ (pH 7,0) с 1,0 мМ МК (рис. 2) показывает, что видимое освещение (20 см от ксеноновой лампы) увеличивает анодический пиковый ток с 12 мкА (темнота) до 20 мкА (свет) и стабилизирует отклик при последовательных сканированиях. Пиковый потенциал сдвигается ~6 мВ в отрицательную сторону под светом, указывая на улучшенный электронный перенос.

Рис. 2. CV Au/СУЭ в 0,1 М ФСБ (pH 7,0) с 1,0 мМ МК с (а) и без (б) видимого освещения. Скорость сканирования 50 мВ/с.

Влияние видимого освещения

При последовательных CV циклах освещение вызывает быстрый рост тока (рис. 3а). Фототок-время кривые (рис. 3б) показывают мгновенное падение при выключении лампы и быстрое восстановление при включении, подтверждая стабильное и обратимое SPR-индуцированное усиление. UV-Vis спектры (доп. файл 1: рис. S2) показывают пик поглощения при 597 нм, соответствующий SPR AuNP. Горячий электронный перенос от Au к поверхности СУЭ ускоряет окисление МК и повышает чувствительность.

Рис. 3. а — Потенциал vs SCE. CV Au/СУЭ в 0,1 М ФСБ (pH 7,0) с 1,0 мМ МК без (1) и с (3) видимым освещением; освещение начинается со стрелки (2). Скорость 50 мВ/с. б — Время/с. Фототоковый отклик при 0,48 В с циклами лампы 30 с вкл/выкл.

Влияние количества золота

Вариация загрузки Au (0,96–57,8 мкг/см²) выявила оптимальную плотность 28,9 мкг/см², где пиковый ток максимален и потенциал наиболее негативен. Избыток Au (>57,8 мкг/см²) слегка снижает ток из-за затрудненного электронного переноса. Выбранная загрузка дает лучший баланс площади поверхности и проводимости.

Рис. 4. CV Au/СУЭ с разной загрузкой Au (57,8 (а), 28,9 (б), 9,6 (в), 4,8 (г), 0,96 (д), чистый СУЭ (е)) в 0,1 М ФСБ (pH 7,0) с 1,0 мМ МК под видимым светом. Скорость 50 мВ/с; потенциал осаждения –0,2 В.

Влияние pH

Оптимальный pH для детекции МК — 7,0, по максимуму анодического пикового тока (рис. 5). Ток постепенно падает от pH 7,0 до 9,0, подтверждая, что нейтральные условия благоприятствуют электрохимическому окислению МК.

Рис. 5. а — CV Au/СУЭ в 1 мМ МК при различных pH (4,0–9,0). б — Пиковый ток vs pH. Скорость 50 мВ/с.

Влияние скорости сканирования

Увеличение скорости сканирования 20–200 мВ/с дает положительный сдвиг пикового потенциала, указывая на квази-обратимую реакцию. Линейная зависимость анодического пикового тока от √ν (R²=0,9702) подтверждает диффузионно-контролируемое окисление МК (рис. 6).

Рис. 6. CV Au/СУЭ в 0,1 М ФСБ (pH 7,0) с 1 мМ МК при скоростях 20–200 мВ/с. Внутри: калибровочная кривая пикового тока vs √ν.

Определение МК

DPV анализ (рис. 7) показал линейный отклик 2,8–57,5 мкМ МК: I_pa (мкА) = 0,0121 c_UA (мкМ) + 0,3122 (R²=0,9987). Без освещения линейный диапазон сужался до 3–21 мкМ (R²=0,9943). Сенсор демонстрировал 7,88% RSD на восьми электродах и 9,8% потерю сигнала после недели хранения — хорошая воспроизводимость и стабильность. Исследование интерференций и анализ реальных образцов (человеческая сыворотка) дали 96,3% восстановления, подтверждая практическую применимость.

Рис. 7. а — DPV кривые Au/СУЭ в 0,1 М ФСБ (pH 7,0) при различных концентрациях МК. б — Анодический пиковый ток vs концентрация МК.

Заключение

Однородные сферические AuNP электроосаждены на СУЭ, образуя хорошо диспергированную наноструктуру со средним диаметром 26,1 нм. Видимо-светоусиленный Au/СУЭ показал превосходную электрохимическую характеристику, превосходя темновый режим за счет SPR-индуцированного фототокового усиления. Полученный сенсор предлагает простой, быстрый и надежный метод количественного определения МК с возможностью расширения на другие биомолекулы.

Аббревиатуры

AuNP:

Золотые наночастицы

CE:

Капиллярный электрофорез

CV:

Циклическая вольтамметрия

DPV:

Дифференциально-импульсная вольтамметрия

GCE:

Стеклоуглеродный электрод

HPLC:

Высокоэффективная жидкостная хроматография

SEM:

Разведывающий электронный микроскоп

SPR:

Поверхностный плазмонный резонанс

UA:

Мочевая кислота