L-精氨酸和石墨烯聚合修饰电极对尿酸的测定

张 娜，汝冬冬，刘 旭，孙登明

（淮北师范大学化学与材料科学学院，安徽淮北235000）

0 引言

石墨烯是一种新型的碳纳米材料，其厚度一般小于1 nm[1]，是最薄、最坚硬、电阻率最小的材料[2]，它由碳原子组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜[3]，石墨烯的结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性，所载电荷有其特有的迁移方式，其结构独特，性能优异，具有较高的比表面积[4]，较好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性[5]，并有很好的导电性[6]，是一种良好的电化学传感材料[7]，已被用于电池、场效应晶体管、生物传感器[8]等领域。以石墨烯为基础传感器[9]的应用越来越广泛，不仅可以应用于药物和生物小分子的分析测定，对研究牛血红蛋白，活体细胞等复杂物质也发挥着重要的作用。该文以石墨烯和L-精氨酸为修饰剂，通过电化学方法分别制备了石墨烯和聚L-精氨酸/石墨烯修饰玻碳电极，该电极对尿酸有良好的催化氧化作用，可用于尿酸的测定。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

Zennium电化学工作站（德国Zahner公司）；LK2006A电化学工作站（天津兰力科化学电子高技术有限公司）；pHS-3C型酸度计 （上海康仪仪器有限公司）。

尿酸 UA：1.00×10-3mol/L （aladdin 公司）；L-精氨酸：5.0×10-3mol/L（aladdin 公司）；石墨烯：2 mg/mL（南京先锋纳米材料科技有限公司）；磷酸盐缓冲溶液（PBS）（0.1 mol/L）：pH1.0~pH9.0。 尿酸溶液需要避光冷存，使用时，依次稀释至所需浓度；试验所用试剂均为分析纯或优级纯，所用蒸馏水为二次亚沸蒸馏水。

1.2 修饰电极的制备

将直径为3 mm的玻碳电极按文献[10]用Al2O3(0.05 μm)悬乳液抛光成镜面预处理后，将玻碳电极，Ag/AgCl电极和铂电极放入聚合液中（10 mL聚合液中含2.5 mL 5.0×10-3mol/L L-精氨酸，5.0 mL 2 mg/mL石墨烯，用2.5 mL 0.1 mol/L磷酸盐控制聚合液pH为5.5），静置25 s，在2.3~-1.4 V电位范围内，扫速为0.13 V/s时，聚合扫描7周，取出，用二次水淋洗，晾干，备用。

1.3 测定方法

取10 mL的容量瓶，准确加入2.5 mL pH为7.0的PBS及一定量的UA，用亚沸水定容，充分摇匀后转移到石英电解池中。以Ag/AgCl电极为参比电极，修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极。进行循环伏安或差分脉冲伏安法扫描，记录电化学参数。扫描结束后，在空白底液中进行伏安扫描，至UA峰消失，即可进行下一次实验。所有实验均在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 最佳聚合条件的选择

实验结果表明，聚合液中，L-精氨酸浓度为1.25×10-3mol/L，石墨烯浓度为1.0 mg/mL，pH为5.5，静置时间为25 s，聚合扫描电位范围为2.3~-1.4 V，扫速为0.13 V/s时，聚合扫描7周，制备的修饰电极对尿酸的测定，灵敏度最高。L-精氨酸和石墨烯循环扫描过程的伏安曲线见图1。图中第一周还原峰出现在-0.65 V左右，第二周还原峰移至-0.5 V左右，并随着扫描次数的增加，还原峰变化很小，氧化峰随扫描次数的增加，峰向正方向移动，与文献[11]接近。

图1 L-精氨酸和石墨烯的循环扫描伏安图Fig.1 CVs of L-arginine acid and GO

图2 GCE、PLA-ERGO/GCE和ERGO/GCE的扫描电子显微镜图Fig.2 SEM images of GCE,PLA-ERGO/GCE and ERGO/GCE

2.2 修饰电极的表征

2.2.1 扫描电镜

图 2为 GCE，PLA-ERGO/GCE 和 ERGO/GCE的扫描电镜图，从图可以看出，与祼电极相比，石墨烯修饰电极表面出现了高低不平的物质，说明石墨烯成功修饰到玻碳电极表面，比表面积比较大的石墨烯可以有效增加待测物质与电极表面的接触面积，提供了更多活性位点，增大催化性能；石墨烯与L-精氨酸共聚后的电极表面变光滑，石墨烯颗粒变小，说明共聚后，精氨酸与石墨烯发生交叠，部分精氨酸覆盖在石墨烯表面，减少了石墨烯的活性位点，导致灵敏度有所降低，但精氨酸共聚后，提高了测定的精度和重现性。

2.2.2 电化学交流阻抗研究

图3是聚L-精氨酸/石墨烯修饰电极（a）、石墨烯修饰电极（b）和裸电极（c）在含 5.0×10-3mol/L K3[Fe(CN)6]和1.0 mol/L KCl溶液中的交流阻抗图谱，图中可以看出GCE有一明显圆弧，这是因为电极过程受电荷转移动力学支配；石墨烯修饰后，阻抗图中圆弧明显变小，表明电子传输速度加快，精氨酸和石墨烯共同修饰后，阻抗图中圆弧比石墨烯稍有增大，这与实验结果的灵敏度一致。单纯的ERGO修饰电极虽然导电性高，但在测定过程中由于石墨烯的脱落，会影响测定的精确度和电极的使用寿命；而精氨酸的掺杂修饰可以避免该缺陷，明显提高了测定的精密度和电极的使用寿命。

图3 聚L-精氨酸/石墨烯(a)、聚石墨烯（b）和裸电极（c）的阻抗图Fig.3 EIS graph of PLA-ERGO/GCE(a),ERGO/GCE(b)and GCE(c)

2.3 UA的循环伏安和差分脉冲伏安行为

图 4和图 5分别为 5.00×10-5mol/L UA在GCE，ERGO/GCE和 PLA-ERGO/GCE上的循环伏安图和差分脉冲伏安图。可以看出UA在GCE上的氧化峰电流最小，在PLA-ERGO/GCE上的氧化峰电流较大，而在ERGO/GCE上的氧化峰电流最大，这说明ERGO/GCE的催化效果最强，可能是ERGO提供了较大的比表面积。

图4 在(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE上UA的循环伏安图Fig.4 CVs of UA on(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE

图5 在(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE上UA的差分脉冲伏安图Fig.5 DPVs of UA on(a):ERGO/GCE,(b):PLA-ERGO/GCE,(c):GCE

2.4 pH的影响

利用DPV和CV法，控制其它测定参数不变，只改变测定底液的pH值试验，结果见图6和图7及表1。说明随着pH值的不断增大，UA的氧化峰电位向负方向移动，且两者有较好的线性关系，当pH=7.0时，峰电流数值最大，且峰形最好。故实验选择最佳的测定酸度是pH为7.0。

图6 UA在不同pH溶液中的DPV曲线Fig.6 DPVs of UA in different pH pH 1-17:1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9;Scan rate of 0.13 V/s

图7 UA在不同pH下CV曲线Fig.7 CVs of UA in different pHpH1-11:3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8;Scan rate of 0.13 V/s

表1 pH与UA的峰电位的关系Tab.1 The relationship between peak potential and pH of UA

2.5 扫速与峰电流，峰电位的关系

在最佳的电位范围-0.2~1.0 V，pH=7.0的测定底液中，改变扫速进行实验。图8和表2表明，在0.02~0.40 V/s范围内，UA的氧化峰电位随着扫速的增加正向移动，峰电流逐渐增高，且扫描速率与峰电流在0.02~0.40 V/s之间满足线性方程lg Ia=2.282+0.7494 lg v，r=0.9931。 表明UA 的电化学氧化过程以扩散和吸附共同控制，实验选取0.13 V/s作为最佳的扫速条件。

图8 不同扫速下UA的CV图Fig.8 CVs of UA at different scan rate υ(V/s):0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.12,0.14,0.16,0.18,0.20,0.22,0.24,0.26,0.28,0.30,0.32,0.34,0.36,0.38,0.40

表2 扫速与峰电流，峰电位的关系Tab.2 The relationship between scan rate and peak current,peak potential

2.6 工作曲线

采用示差脉冲伏安法，最佳的实验参数设置如下，在-0.2~1.0 V电位范围内，电位增量0.009，振幅0.09，脉冲宽度0.03，采样间隔0.02，脉冲周期0.1，静置时间50 s。采用不同的修饰电极测定不同浓度的尿酸溶液，结果见表3。

2.7 稳定性和精密度

在最佳的实验条件下，对5.00×10-5mol/L的尿酸溶液平行测定20次，相对标准偏差RSD分别为 3.8%(PLA-ERGO/GCE)和 4.6%(ERGO/GCE)，说明复合修饰电极重现性较好，两电极在室温下放置2周，再进行测定时，峰电流和峰电位基本不变，说明修饰电极具有较好的稳定性。

表3 UA的线性范围、回归方程、相关系数和检出限Tab.3 Linear ranges,regression equations,correlation coefficients and detection limits of UA

2.8 干扰实验

对一定浓度的UA溶液(5.00×10-5mol/L)进行相关的干扰测定，在允许误差范围±5%内，加入干扰组分，测定加入干扰组分前后尿酸电流和峰电位的变化，结果表明，尿素、抗坏血酸、葡萄糖、曲酸、缬氨酸、左旋多巴、组氨酸、苏氨酸、硫脲、柠檬酸、 曲酸、C2O42-、Na+、SO32-、SO42-、NH4+、Cl-、Ba2+、Al3+、Mg2+、CO32-、HCO3-、NO3-、K+、Pb2+、Zn2+、Ag+、Fe3+加入量为1mg时（未做最高限）均不干扰尿酸的测定，说明方法的选择性高。

2.9 样品分析

人体尿液稀释至所需浓度配制成待测液进行测定，记录实验数据，再向待测液中加入一定量的尿酸标准溶液进行回收实验，实验结果见表4。

表4 样品中UA的分析测定Tab.4 The analysis of uric acid in samples

3 结论

通过简单的方法制备了PLA-ERGO/GCE，ERGO/GCE，并研究了UA的电化学行为。实验表明，UA在 PLA-ERGO/GCE，ERGO/GCE上产生较灵敏的响应信号，UA在电极表面的氧化过程受扩散和吸附共同控制。采用DPV技术，建立了对UA定量分析的新方法，对样品中UA进行测定，结果令人满意。

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