活化碳布电化学传感器对尿酸的检测研究

牛博怀，王文廉*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051)

尿酸(Uric Acid,UA)是人体嘌呤核苷酸分解代谢过程中的最终产物，尿酸在体内失调会引起痛风等临床疾病，而检测尿酸可间接反映与嘌呤代谢有关的一些疾病，因此在临床医学上具有重要的现实意义[1]。目前检测尿酸的方法有光谱法、荧光法、液相色谱法、酶方法和电化学法等。电化学方法具有高灵敏度、低成本等优点[2]，其中人们对化学修饰电极法测定尿酸有着极大兴趣，出现多种修饰电极选择性测定尿酸。但是这类修饰电极经常需要较繁琐的处理过程，而且重现性及电极稳定性较差，很难用于实际样品的测定[3]。

近年来随着柔性及可穿戴电子器件的快速发展，人们对于基于柔性甚至可延展电极的需求变得更为迫切。而碳基材料就是其中最具希望的一类，这将开辟一个革命性的机会来监测患者[4]。碳布(Carbon Cloth，CC)是柔性电化学传感应用中最具吸引力的材料之一，因为它具有良好的导电性，大比表面积，高电容，化学和热稳定性，最重要的是由于其柔韧性，易于耐磨且廉价。目前在电化学传感方面，碳布作为柔性电极已应用于检测葡萄糖[5]、H2O2[6]、抗坏血酸(AA)[7]、多巴胺[8]和重金属离子[9]等。在尿酸检测方面，出现了碳布与天然尿酸酶结合来对尿酸进行比色测定[10]。

本文在不使用酶的情况下，采用H2SO4作为活化剂活化碳布，使其不仅柔软稳定，且大大增强了其电化学活性，与传统的玻碳电极和未活化的碳布相比极大提高了灵敏度。同时有较好的重复性和抗干扰性，实现了血清中的尿酸含量的测定，有令人满意的实验结果。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660E电化学分析仪(上海辰华有限公司)；KQ-500DE超声波清洗器(江苏昆山超声仪器有限公司)；DHG-9013A电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；BSA224S-CW电子天平(上海一恒科学仪器有限公司)；TG16-WS磁力搅拌器(上海实验仪器有限公司)。

碳布(CC，台湾碳能有限公司)；尿酸(UA，国药集团化学试剂有限公司)；抗坏血酸(AA，天津市凯通化学试剂有限公司)；丙酮，无水乙醇，K3[Fe(CN)6]，KCl，H2SO4，KOH，烟酸，谷氨酸，半胱氨酸，柠檬酸钠，尿素，葡萄糖，蔗糖(国药集团化学试剂有限公司)，以上试剂均为分析纯。实验用水为去离子水。

1.2 传感器的制备

活化电极的制备：将碳布(CC)裁剪为1 cm×2 cm，用去离子水冲洗干净。依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗15 min，放入HNO3∶H2SO4为3∶1的混合溶液中浸泡24 h，次日后取出用去离子水冲洗干净。然后置于2 mol/L的H2SO4中，用循环伏安法(CV)在0～2 V的范围内，以20 mV/s扫描速度扫描6圈，取出用去离子水冲洗干净即得酸化碳布(Acidified Carbon Cloth，ACC)。放入干燥箱干燥烘干后，在1 cm×1 cm上方涂覆一圈宽0.5 cm的指甲油，用医用胶带包裹此区域(该步骤起到控制工作电极面积的作用)。将电极在磷酸缓冲溶液(PBS，0.01 mol/L)中循环伏安扫描至稳定后，即可用于测定。

1.3 实验方法

把适量尿酸标准溶液或待测样液放入电解池中，以制作好的酸化碳布为工作电极，采用三电极体系，参比电极和对电极分别使用Ag/AgCl电极和铂网电极。用循环伏安法和微分脉冲伏安法(DPV)，控制扫速50 mV/s，在扫描电位为-0.2～0.8 V区间内记录电流与电位的关系曲线。每次扫描后用去离子水冲洗干净，即可进行下一次扫描。

2 结果与讨论

2.1 尿酸在不同电极上的电化学行为

2.1.1 活化碳布的性能分析通过在K3[Fe(CN)3]溶液中氧化还原反应来研究活化后的玻碳电极(GCE)、有效工作面积为1×1 cm2和0.5×0.5 cm2的活化碳布电极的电化学行为。待测液使用5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.1 mol/L KCl配制，用循环伏安法以50 mV/s的扫速进行测试。如图1，0.5×0.5 cm2和1×1 cm2酸化碳布电极的阳极峰值电流(Ipa)分别为0.82 mA、3.25 mA。它们的电活性表面积同Mahesh等[8]通过Randles-Sevcik公式使用所获得的Ipa值来计算[11]，0.5×0.5 cm2酸化碳布的电活性表面积为3.60 cm2，1×1 cm2酸化碳布的电活性表面积为14.34 cm2。即碳布整体的电化学活性与真实面积在一定范围内是正比关系，本文以下实验均采用1×1 cm2酸化碳布。同时由于酸处理碳材料的特性，酸化碳布电极显示出比GCE更大的背景电流响应[12]。在K3[Fe(CN)6]溶液中尿酸的氧化电流峰值比GCE高约300倍，在0.1 mmol/L的尿酸溶液中活化后GCE氧化电流峰值为14.33 μA[13]，1×1 cm2的酸化碳布电极氧化电流峰值比其高约40倍，这意味着酸化碳布有更强的电子传递能力。

图1 GCE(a)，0.5×0.5 cm2ACC(b)和1×1 cm2ACC(c)电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的循环伏安图Fig.1 Cyclic voltammograms of GCE(a),0.5×0.5 cm2ACC(b),and 1×1 cm2 ACC (c) electrode in K3[Fe(CN)6] solution

2.1.2 活化碳布的改性分析电化学处理以进行改性时，阳极氧化会发生电能向化学能的转变，电解质为氧化还原过程提供了必要的电化学环境。其中电解质的种类包括酸性电解质和碱性电解质，可以产生氢氧自由基和新生态氧两种强氧化活性基团，与碳双键发生反应[14]。

采用酸性电解液进行阳极氧化时，水在阳极发生分解，反应如下：

(1)

采用碱性电解质时，OH-在阳极发生放电反应，产生新生态氧，反应如下：

(2)

(3)

用H2SO4和KOH分别对碳布进行改性，比较得出较好的活化方式。碱性活化在1 mol/L的KOH溶液中用阳极极化法在2.0 V的电压下扫描300 s，其他步骤同酸化碳布的处理以进行制备。如图2，碳布、碱化碳布、酸化碳布电极对0.15 mmol/L尿酸的响应图，采用酸碱两种电解质都提高了碳布的表面活性，在纤维上形成了羰基、酚羟基和羧基等官能团，增强了对尿酸的催化氧化能力。酸化碳布的响应峰值比碱化后更高，故下面所有实验均采用酸化的方式对碳布进行处理。

2.2 扫速对电位的影响

为了讨论尿酸在酸化碳布电极上的电化学行为，采用循环伏安法考察了尿酸的峰电流与扫描速率之间的关系。如图3，在0.1 mmol/L尿酸(pH=7.4)中设置扫描速率在10～300 mV/s范围内时，随着扫速增加，Ipa增大，氧化峰电流Ipa与扫速的平方根v1/2呈良好的线性关系，其线性回归方程为:Ipa=0.16766v1/2-0.46421(I:mA,v:mV/s)，相关系数R2=0.9802。同时将酸化碳布电极在0.1 mmol/L尿酸中浸泡10 min后取出，洗净，在空白PBS中进行循环伏安扫描，未出现尿酸的氧化峰，由此说明尿酸在酸化碳布电极的氧化反应是受扩散控制的电极过程[15]。

图3 不同扫速下0.1 mmol/L尿酸在PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)中响应的CV曲线Fig.3 CV curves of 0.1 mmol/L uric acid at different sweep rates in PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)v(a-k):a.300 mV/s;b.200 mV/s;c.150 mV/s;d.100 mV/s;e.70 mV/s;f.60 mV/s;g.50 mV/s;h.40 mV/s;i.30 mV/s;j.20 mV/s;k.10 mV/s.

当吸附的尿酸以完全不可逆反应被氧化时，氧化峰电位Epa与扫描速率v遵循Bulter-Volmer公式[16]:

(4)

氧化峰电位Epa随扫速v的增大而正移，且Epa与lnv呈良好的线性关系，其线性回归方程为:Epa=0.0237lnv+0.4050(Epa:V,v:V/s)，R2=0.9611。并且对于不可逆过程，电子转移系数α可取0.6[17]，再根据Epa与lnv线性关系的斜率，可求得电极反应的电子转移数n≈2，证明了尿酸在酸化碳布电极上的氧化反应是两电子过程。

2.3 线性范围和检出限

配制不同浓度的尿酸待测液，先加入少量KOH使其溶解，后利用0.1 mol/L的PBS调整pH为7.4。不同浓度的尿酸在酸化碳布电极上的循环伏安伏安曲线见图4，可知随尿酸浓度的增大，电流值也逐渐增大。在10～400 μmol/L的浓度范围内峰电流与相应尿酸浓度具有良好的线性关系，线性方程为：Ipa=2.4445c+0.2833(I:mA,c:mmol/L)，相关系数R2=0.9981，检出限(S/N=3)为4.083 μmol/L。

图4 不同浓度的尿酸在PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)中响应的CV曲线Fig.4 CV curves of different concentrations of uric acid in PBS(0.01 mol/L,pH=7.4)c(a-k):a.0.4 mmol/L;b.0.35 mmol/L;c.0.3 mmol/L;d.0.25 mmol/L;e.0.2 mmol/L;f.0.15 mmol/L;g.0.05 mmol/L;h.0.04 mmol/L;i.0.03 mmol/L;j.0.02 mmol/L;k.0.01 mmol/L.

2.4 干扰实验

配制尿酸和抗坏血酸的混合溶液，测定差分脉冲伏安图。如图5所示，1到20倍浓度的抗坏血酸对尿酸峰电流影响的相对误差在10%之内，超过50倍会使尿酸的电流信号有明显的增强。实验结果表明，相对误差在5%之内，以下物质对尿酸(5.0×10-5mol/L)的测定不干扰：50倍烟酸、谷氨酸、半胱氨酸、柠檬酸钠、尿素；100倍的葡萄糖、蔗糖；大量的NO2-、Na+、K+、Cl-、Ca2+。结果表明该电极具有一定的选择性。

图5 在PBS(0.1 mol/L，pH=7.4)中加入0.05 mol/L的尿酸和不同浓度的抗坏血酸响应的DPV曲线Fig.5 DPV curves of 0.05 mol/L uric acid mixed with different concentrations of AA in PBS(0.1 mol/L,pH=7.4)c(a-i):a.0.05 mmol/L;b.0.05 mmol/L +0.05 mmol/L;c.0.05 mmol/L+0.1 mmol/L;d.0.05 mmol/L+0.15 mmol/L;e.0.05 mmol/L+0.2 mmol/L;f.0.05 mmol/L+0.25 mmol/L;g.0.05 mmol/L+0.5 mmol/L;h.0.05 mmol/L+1 mmol/L;i.0.05 mmol/L+2.5 mmol/L.

2.5 电极的重现性和稳定性

同时制作5块酸化碳布电极，在0.2 mmol/L尿酸溶液中进行差分脉冲伏安测定，相对标准偏差为4.7%；同一酸化碳布电极对0.2 mmol/L尿酸连续进行7次测定，相对标准偏差为3.9%。将酸化碳布进行不同程度的弯曲后对测定0.2 mmol/L尿酸，相对标准偏差为3.1%；将使用后的修饰电极清洗后，浸泡在pH=7.4的0.1 mol/L PBS中，于4 ℃冷藏保存一周，对相同浓度的尿酸在第1、3、7 d进行测定，相对标准偏差为5.5%。以上实验结果表明酸化碳布电极具有良好的重现性和稳定性。

2.6 血清中尿酸含量的测定

为进一步探究电极的实用性，采集人体血清样品，用PBS(0.1 mol/L,pH=7.4)将血清样品稀释10倍，按分析方法操作测定，并用标准加入法进行样品回收率实验，结果见表1。从表1中可见，该传感器对血清样品中尿酸浓度检测的结果令人满意。

表1 血清中尿酸的测定及回收率

3 结论

本文用酸化碳布构建电化学传感器对尿酸进行检测及其电化学行为的研究，酸化碳布电极不仅柔软稳定而且对尿酸的测定有很好的电催化性能。尿酸浓度在10～400 μmol/L范围内与氧化峰电流呈良好的线性关系，检出限为4.083 μmol/L。该电极的主要优点是柔软稳定，可用于中性环境无酶检测尿酸，且电极成本低廉、制作简单，具有很高的灵敏度，在柔性可穿戴传感和生物分析应用领域有重要借鉴意义。