Pt-Au二元双金属/氧化石墨烯电化学传感器同时检测尿酸及多巴胺的应用研究

张银烽，华 梅，赵晓慧,杨丽君，冯亚娟,杨云慧*

(1.云南师范大学化学化工学院,云南昆明650500）

（2.云南警官学院，云南昆明650223）

0 引言

尿酸（UA）又名2,6,8-三羟基嘌呤,其结构式见图1，是人体内尿杂环化合物最基础的代谢产物，其中大部分由肾脏分离[1]。正常情况下，体内的尿酸大约有1 200 mg，每天新生成约600 mg，同时排泄掉600 mg，处于平衡状态。但如果体内产生过多来不及排泄或者尿酸排泄机制退化，则体内尿酸潴留过多，当血液尿酸浓度大于7 mg/dL，是人体体液变酸，影响人体细胞的正常功能，长期置之不理将会引发痛风，因此尿酸的含量异常往往是痛风，高尿酸血症等疾病的征兆[2～3]。

多巴胺（DA）又名 4-(2-乙胺基)苯-1,2-二酚，其结构式见图2，是一种神经传导物质，用来帮助细胞传送脉冲的化学物质[4]。这种脑内分泌主要负责大脑的情欲和感觉，将兴奋及开心的信息传递，也与上瘾有关。因此多巴胺含量的变化是帕金森综合症等疾病的征兆[5]。

图1 尿酸的结构式Fig.1 The structure of uric acid

图2 多巴胺的结构式Fig.2 The structure of dopamine

纳米材料（nanomaterials）是纳米科学发展的重要基础[6]。纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平，并且具有特殊性能的材料。纳米材料是纳米科学领域富有活力，研究内涵十分丰富的科学分支。“纳米”是一个尺度的量度，广义上说，纳米材料是指在三维空间中至少一维处于纳米尺度（1～100nm）范围或由它们作为基本单元的材料。纳米材料从根本上改变了材料的结构，为材料的研究和应用开拓了新途径[7～9]。

金属纳米颗粒就是纳米材料中的一员，具有良好的催化特性，吸附特性，光学特性，热学特性等[10]。金属纳米颗粒尺寸小，单位体积中无论是高活性的粒子数或比表面积都很大，因此具有很高的化学催化活性。作为催化剂，颗粒越小则比表面愈大，催化效果愈好。金属纳米粒子催化剂具有无细孔、无杂质成分、能自由选择组分、使用条件温和、使用方便等优点。合成金属纳米颗粒的方法有很多，例如水热合成法，沉淀法，水解法，氧化还原法等[11]。

通常将具有原子厚度的二维碳材料，称为石墨烯，其厚度一般小于1 nm。石墨烯之所以能引起科学家们巨大的研究热情，首先是因为它具有超出常理的电子性质，如通常材料的电学性质，由具有有限的有效质量且遵从薛定锷（Schrodinger）方程的非相对论电子描述。同时，石墨烯具有的场效应特性、超高比表面特性、高强度特性（被认为强度超过金刚石）、储氢特性、催化特性、生物传感特性以及越来越多正在被揭示的特性和被预测的潜在应用正在吸引着全世界的科学家们。因此，石墨烯将在传感器、高性能复合材料、催化剂、高性能电池、显示器材料领域得到突破性的应用进展[12]。

该文采用了溶剂还原晶种外延生长的方法制备了Pt-Au二元金属纳米颗粒，并通过预处理的高分散的氧化石墨烯将其固定到电极表面制备成基于Pt-Au和石墨烯的电化学传感器，并将此纳米复合物修饰的电化学传感器用于尿酸和多巴胺的同时检测。

1 实验部分

1.1 实验试剂与实验仪器

尿酸（分析纯）；多巴胺（分析纯）；氯金酸（HAuCl4，＞99.9%）；氢氧化钠（NaOH，分析纯）；氯铂酸 （H2PtCl6·6H2O，＞37.5%）；氧化石墨烯（0.5 mg/mL）；（实验室自制）聚乙烯吡咯烷酮K-30（分析纯）；磷酸二氢钠（NaH2PO4，分析纯）；磷酸氢二钠（Na2HPO4，分析纯）；PBS 溶液(20 mmol/L,pH=7.0)。整个实验过程用水均为二次蒸馏水。

CHI 660C电化学工作站 (上海辰华仪器公司)；TGL16型高速离心机 (长沙潮智离心机仪器有限公司)；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)；AL204型电子天平(特勒-托利多仪器上海公司)；SY1200T超声仪 (上海声源超声仪器设备有限公司)；PHILIPS EM420 透射电镜(Philips,Ltd.Holland)；三电极系统（Pt电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，修饰有Pt-Au/石墨烯的玻碳电极为工作电极）。

1.2 实验过程

1.2.1 Pt-Au金属纳米颗粒的合成

将 1.11g 聚乙烯吡咯烷酮 （PVP） 和 0.13 g H2PtCl6·6H2O溶于130mL甲醇和150mL二次去离子水的混合液中；逐滴加入20mL 0.1 mol/L的NaOH甲醇溶液后，70℃回流3 h；取出150mL备用（回流液1）。

向剩余的晶种液中加入5mL 0.025 4 mol/L的 HAuCl4·3H2O 溶液和 10mL 0.1 mol/L 的柠檬酸三钠，70℃回流1 h（回流液2）。

将回流液2移至聚乙烯离心管中，在10℃的环境中16 000 r/min离心30 min，富集三次。依次用甲醇、去离子水清洗，之后分散于去离子水中4℃保存备用。

1.2.2 基于Pt-Au/氧化石墨烯电化学传感器的制备

首先将玻碳电极(φ=3 mm)在金相砂纸上打磨，接着用Al2O3悬浊液将电极表面抛光成镜面，再依次用体积比为1∶1的硝酸、丙酮以及二次蒸馏水超声洗涤电极5 min，晾干备用。接下来，向干净的离心管中分别加入10 μL 0.5 mg/mL氧化石墨烯和10 μL Pt-Au纳米颗粒，并在混旋仪上混旋1 min使之分散均匀。再用移液枪取10 μL上述混合溶液，滴加在已处理好的空玻碳电极上，在室温下晾干过夜，使用前先用二次蒸馏水轻微冲洗并用滤纸将余留水分吸干。

1.2.3 条件优化

pH的优化，取多个烧杯，其中装有pH分别为 5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,8.0 的 PBS 缓冲溶液，再往其中加入相同体积的尿酸和多巴胺使六个烧杯中的待测物浓度均相同，再进行测定，最后确定最佳pH。

扫描速度的优化，取10mL底液，往其中加入一定浓度的尿酸和多巴胺，将DPV扫描速度分别设定为100 mV,80 mV,60 mV,40 mV,20 mV，在其他条件相同时进行测定，确定最佳扫描速度。

电极重现性，在相同条件下平行测定相同浓度的五杯待测液，对测试结果进行处理，计算重现性。

回收率测定，在最优条件下，将100 μL离心处理过的血清稀释到10mL缓冲溶液中，用加标回收的方法同时测定尿酸和多巴胺的回收率。

1.2.4 尿酸和多巴胺的单独测定

在洁净的小烧杯中加入10mL pH为7.0的PBS溶液作为支持电解质溶液。测定时，先将三电极用二次蒸馏水冲洗干净再插入烧杯中连接好。采用示差脉冲伏安法（DPV）进行测定，扫描范围为-0.2 V～0.7 V，扫描速度为 100 mV/s。先测定空白底液，再往其中加入已配好的不同浓度的尿酸溶液（或多巴胺溶液），每次加入后搅拌10 s使待测液混合均匀，然后进行测定。

1.2.5 固定尿酸（或多巴胺）浓度测定多巴胺（或尿酸）

在洁净的小烧杯中加入10mL pH为7.0的PBS溶液作为支持电解质溶液。测定时，先将三电极用二次蒸馏水冲洗干净再插入烧杯中连接好。采用示差脉冲伏安法（DPV）进行测定，扫描范围为-0.2 V～0.7 V，扫描速度为 100 mV/s。先测定空白底液，将尿酸的初始浓度固定为100 μmol/L，在含有尿酸的底液中依次加入不同浓度的多巴胺溶液用于测定尿酸对多巴胺测定的影响。反之亦然，在底液中固定多巴胺使其初始浓度为50 μmol/L，再逐渐增加尿酸的浓度。

1.2.6 尿酸和多巴胺的同时测定

在洁净的小烧杯中加入10mL pH为7.0的PBS溶液作为测试底液。测定时，先将三电极用二次蒸馏水冲洗干净再插入烧杯中连接好。采用示差脉冲伏安法（DPV）进行测定，扫描范围为-0.2 V～0.7 V，扫描速度为 100 mV/s。先测定空白底液，再往底液中同时加入一定量不同浓度的尿酸溶液和多巴胺溶液，测定前进行搅拌使溶液混合均匀，再进行测定。

2 实验结果与讨论

2.1 pH对传感器的影响

通过DPV考察了同时测定UA和DA时不同pH值对该化学传感器的影响。如图3和图4，实验发现：当PBS缓冲溶液的pH不同时，电流响应程度以及出峰位置也不同，随着pH的增加相应的响应电流逐渐增加，在pH为7.0时相应电流最大，之后呈现下降趋势。所以实验选择浓度为20 mmol/L的PBS缓冲溶液(pH7.0)作为测试底液。

图3 UA测定电流强度随pH的变化Fig.3 Effect of pH on the determination of UA

图4 DA测定电流强度随pH的变化Fig.4 Effect of pH on the determination of DA

2.2 扫描速度对传感器的影响

为了考察扫描速度对传感器响应的影响，在其它条件相同的情况下，分别取200 μmol/L的尿酸和多巴胺进行循环伏安测定。扫速从低到高进行测定， 分别为 20 mV/s、40 mV/s、60 mV/s、80 mV/s、100 mV/s。测试结果如图5和图6，对于尿酸扫描速度从低到高递增，相应的电流也是递增，并且电流响应与扫描速度成线性关系，线性系数达0.979。对于多巴胺，其电流响应也是随着扫描速度的递增成线性递增，线性系数为0.932。说明此电流受电极反应控制。

图5 测定UA时扫描速度对测定效果的影响Fig.5 Effect of scan rate on the determination of UA.

图6 测定DA扫描速度对测定效果的影响Fig.6 Effect of scan rate on the determination of DA

2.3 尿酸和多巴胺的单独测定

基于Pt-Au/石墨烯的电化学传感器对于尿酸和多巴胺的单独测定有着良好的响应效果。对于尿酸的单独测定，尿酸的浓度与电流强度成线性关系（见图7），检测下限为 1.996 μmol/L，线性范围为 1.996 μmol/L～1 259.357 μmol/L，其线性方程为 I（10-6A）=0.005 3 c（μmol/L） +0.143 5，线性系数达0.994。对于多巴胺的单独测定，其检测下限为 0.999 μmol/L，线性范围为0.999 μmol/L～1 259.357μmol/L， 多巴胺浓度的对数与电流强度成线性关系（见图8），其线性方程为I（10-6A）=2.658 4lgc(μmol/L)-1.890 1,线性系数达 0.991。由此可见，该文制备的电化学传感器在单独测定尿酸和多巴胺时有着良好的响应。

图7 尿酸的校正曲线Fig.7 The calibration curve for the determination of UA

图8 多巴胺的校正曲线Fig.8 The calibration curve for the determination of DA

2.4 固定DA浓度测定UA

为了验证UA和DA的相互影响，从而证明确实可以同时检测，该文在DA起始浓度为50 μmol/L情况下对UA进行了测定。如图9所示，扫描 DPV时在 0.16 V和 0.47 V处分别出峰。0.16 V处为多巴胺的峰位，随着UA的不断加入体系体积增加使得DA浓度有一定降低，电流强度轻微降低。而在0.47 V左右则为UA的峰位，并且随着UA浓度的增加电流强度逐渐增加。如图10所示，在有一定浓度的DA存在下，该文研制的传感器对于UA同样有着良好的响应，检测范围为 16.81 μmol/L～1 214.29 μmol/L，线性方程为 I(10-6A)=0.001 9c(μmol/L)+0.047 9，线性系数可达 0.991。

图9 固定DA浓度测定UA的DPV图Fig.9 The DPV response of for the determination of UA with the existence of DA

图10 固定DA浓度测定UA的校正曲线Fig.10 The calibration curve of under the determination of UA with the existence of DA

2.5 固定UA浓度测定DA

为了验证UA和DA的相互影响，从而证明确实可以同时检测，该文在UA起始浓度为100 μmol/L情况下对DA进行了测定。如图11所示，在扫描DPV时在 0.17 V左右，0.45 V处分别出峰。0.45 V处为尿酸的峰电位，随着体系体积的增加UA浓度降低，峰电流有轻微变化。对于DA则在0.11 V～0.19 V范围内出峰，出峰位置受UA影响有轻微变化，但并不影响测定。如图12所示，在100 μmol/L UA存在下，该文研制的传感器对DA有着良好的响应，线性范围6.705 μmol/L～237.196 μmol/L，线性方程为 I(10-6A)=1.368 2 lg c(μmol/L)-1.385 7，线性系数为 0.975。

图11 固定UA浓度测定DA的DPV图Fig.11 The DPV response for the determination of DA with the existence of UA

图12 固定DA浓度测定UA的校正曲线Fig.12 The calibration curve of under the determination of DA with the existence of UA

由上可知，该文研制的Pt-Au/氧化石墨烯电化学传感器对于尿酸和多巴胺都有良好的感应，并且二者同时存在时出峰电位相距在300 mV左右，二者均能单独出峰且线性关系良好，这也是该传感器对二者进行同时测定的依据。

2.6 Pt-Au/氧化石墨烯传感器对尿酸和多巴胺的同时测定

在pH为7.0的PBS缓冲溶液中，将Pt-Au/氧化石墨烯修饰的化学传感器用于尿酸和多巴胺进行同时测定，测定结果如下。如图13所示,UA 在 0.404 V～0.492 V 范围内出峰，DA 在 0.108 V～0.136 V范围内出峰。二者的峰电位相差约为300 mV,出峰位置分开较大互不重叠，满足对二者同时测定的要求。

图13 同时测定UA和DA的DPV图Fig.13 DPV response for simultaneous determination of UA and DA

对于尿酸 （UA），检测范围 17.417 μmol/L～931.746 μmol/L，线性方程为 I(10-6A)=0.002 8c(μmol/L)+0.022 5，相关系数为 0.996（见图14)，对于多巴胺， 检测范围 7.386 μmol/L～260.141 μmol/L，线性方程 I(10-6A)=1.315 6 lg c(μmol/L)-1.057 2，相关系数 0.989（见图15)。 由于同时测定时DA和UA的相对浓度的大小会相互干扰，因此，与尿酸和多巴胺的单独测定相比，两者同时检测的线性范围均有所变小，但线性系数较高，分离程度高，表明该传感器对二者的同时测定有着良好的效果。

图14 同时测定中UA的校正曲线Fig.14 The calibration curve of UA in simultaneous determination of UA and DA.

图15 同时测定中DA的校正曲线Fig.15 The calibration curve of DA in DA in simultaneous determination of UA and DA

2.7 传感器的重现性

将基于Pt-Au/氧化石墨烯用于对同一浓度的尿酸和多巴胺溶液在最优条件下平行进行5次测定，相对标准偏差为3.05%。结果表明，该传感器对尿酸和多巴胺的同时测定具有很好的重现性。

2.8 回收率的测定

在最优条件下，在稀释的血清中对UA和DA的回收率进行同时测定，结果列于表1，说明该传感器具有很好的实用性。

表1 尿酸和多巴胺同时测定的回收率Tab.1 Recovery of simultaneous determination of UA and DA

3 小结

该文以溶剂还原晶体生长法合成了Pt-Au纳米颗粒，并将其修饰到玻碳电极上制备成Pt-Au/氧化石墨烯电学传感器。该传感器实现了对尿酸和多巴胺的同时检测，制备简单，检测下限低，灵敏度高可达10-7mol/L,具有良好的重现性。将该电极用于实际样品的测定，尿酸和多巴胺的回收率分别为99.79%和102.74%，可应用于实际样品的检测。

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