羧基化碳纳米管-DMF-纳米金修饰电极测定尿酸

樊雪梅，刘萍，张舒淇

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛 726000）

尿酸（2,6,8-三羟基嘌呤，分子式C5H4N4O3）是嘌呤代谢的终产物，生物体内尿酸的含量和肾脏排泄功能密切相关，大部分尿酸（约75% ）都经过肾脏排泄[1-2]。当人体产生痛风、白血病、尿毒症及心血管疾病时，血液中尿酸含量会显著升高[3-5]。已有文献报道检测尿酸的方法有光谱法[6-7]、液相色谱法[8-10]、电化学法[11-13]等，其中电化学方法具有灵敏度高、检出限低、操作简便、成本低廉的优点。碳纳米管有独特的空间结构、优良的导电性和催化活性，已成为化学修饰电极和电化学传感器等领域的研究热点[14-15]。体液中尿酸的测定常受到与之共存的物质如多巴胺的干扰，因此，建立一种选择性测定尿酸的高灵敏的分析方法就显得尤为重要。本文将羧基化的多壁碳纳米管分散在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，得到了均匀多壁碳纳米管分散液，利用碳纳米管和纳米金的协同效应，将c-MWCNT/DMF/AuNPs修饰在玻碳电极表面，形成稳定的修饰层，制备得到修饰电极。利用羧基化碳纳米管的导电性和纳米金的协同作用改善电极的导电性，从而增强电化学响应信号、提高检测灵敏度，在最优条件下建立电化学直接法检测尿酸的分析方法。

1 材料与方法

1.1 试剂及仪器

主要试剂包括尿酸、浓硫酸、氯化钾、亚铁氰化钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、氯金酸、柠檬酸钠、N-N-二甲基甲酰胺（DMF），所用试剂均为分析纯；羧基化碳纳米管（c-MWCNT）购于中国科学院成都有机化学有限公司；所用超纯水由PT-RO-10L超纯水设备提供。

主要仪器包括电化学工作站（德国Zahner）、超声清洗机（宁波海曙五方超声设备有限公司）、电子天平（赛多利斯科学仪器有限公司）。

1.2 纳米金的制备

采用柠檬酸钠法制备纳米金（AuNPs）。取250 mL锥形瓶，加入100 mL 0.01% 氯金酸溶液，在磁力拌加热器上加热，煮沸后，加入2.75 mL 1% 柠檬酸钠溶液，继续搅拌，煮沸12 min，颜色由紫红色变为酒红色，停止加热，自然冷却至室温，转移至100 mL容量瓶中，4℃保存。

1.3 c-MWCNT/DMF/AuNPs修饰电极的制备

玻碳电极处理：用0.05 μm的Al2O3粉磨成镜面，然后分别用1：1的硝酸，丙酮将玻碳电极（直径2 mm）在0.05 μm三氧化二铝抛光粉上打磨光亮（约30 min），依次分别在1：1硝酸，1：1乙醇，超纯水中超声 3～5 min，干燥后，对5 mmol/L亚铁氰化钾溶液在电压-0.2～0.8 V，扫描速率100 mV/s下进行循环伏安扫描，以此来检验电极是否打磨好，图1为裸玻碳电极在5 mmol/L K4Fe(CN)6溶液的循环伏安图，说明电极处理良好，即可进行试验。

图1 玻碳电极在5 mmol/L K4Fe(CN)6溶液的循环伏安图

修饰电极的制备：准确称取c-MWCNT 5 mg溶于5 mL的DMF中，超声分散得到1 mg/mL的c-MWCNT-DMF分散液。将得到的c-MWCNT-DMF与AuNPs以1:1体积比混合,即得到c-MWCNT-DMF-AuNPs混合液。按下列方法制备得到三种修饰电极：取10 μL的c-MWCNT/DMF于玻碳电极表面，自然晾干后得到c-MWCNT/DMF修饰电极。再取 5 μL的 c-MWCNT/DMF分散液于玻碳电极表面，自然晾干后滴加5 μL的 AuNPs得到修饰电极。最后，取10 μL的c-MWCNT-DMF-AuNPs混合液于玻碳电极表面，自然晾干后得到c-MWCNT/DMF/AuNPs修饰电极。

采用三电极体系。以c-MWCNT/DMF/AuNPs修饰电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极。在电压-0.3～1.0 V，扫描速度100mV/s下，依次用循环伏安法对尿酸进行测量。

2 结果与讨论

2.1 尿酸在不同电极上的电化学行为

采用循环伏安法以100 mV/s的扫描速率在-0.3～1.0 V电压范围内进行扫描，考察了不同修饰电极在尿酸的PBS（pH=7.4）缓冲溶液中的电化学行为，图2为尿酸在不同修饰电极下的循环伏安图，曲线a为裸玻碳电极，曲线b为c-MWCNT/DMF修饰玻碳电极，曲线c为在c-MWCNT/DMF已经修饰玻碳电极的基础上再次涂滴AuNPS制备得到的c-MWCNT/DMF/AuNPs修饰玻碳电极，曲线d为一次性混合涂滴得到的c-MWCNT/DMF/AuNPs修饰玻碳电极。以尿酸浓度为3.3×10-6mol/L进行循环伏安扫描。从图2中可以看出，在裸玻碳电极上很难看到氧化还原峰，涂滴c-MWCNT/DMF后峰值变大，峰对称较明显，继续涂滴纳米金后氧化还原峰变小，但将c-MWCNT/DMF/AuNPs混合溶液一次涂滴得到的修饰电极的氧化还原峰分别位于0.19 V和0.22 V，峰高分别为 8.15 μA 和-9.06 μA，可明显看出峰行尖锐对称。因此，后续试验采用一次性涂滴c-MWCNT/DMF/AuNPs混合溶液的方式修饰电极来测定尿酸。

2.2 电化学阻抗谱

图3 GCE和c-MWCNT/DMF/AuNPs/GCE在10mmol/L K4Fe(CN)6中的阻抗图

2.3 电压扫描速度的影响

研究20～300 mV/s范围内不同扫速下的循环伏安图，如图4所示。从图4（a）可见，随着扫速的增大，尿酸的氧化峰峰电流和还原峰峰电流均增大，氧化峰峰电位略微正移，还原峰峰电位略微负移。图4（b）为氧化峰峰电流与扫速的关系，可知氧化峰峰电流与扫速呈良好的线性关系，线性方程为 I=0.03011v+0.26071（r=0.999），说明尿酸在修饰电极上的氧化还原过程是一个表面吸附控制过程。当扫描速度过高时，充电电流变得很大，伏安曲线变形扭曲，不利于峰电流的稳定。因此，为获得较大峰电流的同时又要防止充电电流过大，最优扫描速度选为100 mV/s。

图4 不同扫速下的循环伏安图

2.4 pH的影响

其它条件相同下，缓冲溶液PBS（Na2HPO4-KH2PO4）的pH值显著地影响着尿酸在修饰电极上的电流响应强度，结果如图5，其中尿酸浓度为 1.18×10-5mol/L，pH值范围为 5.8～8.0。由图5可知，pH从5.8上升到7.0时，氧化峰峰电流逐渐增大，pH从7.0到8.0时氧化峰峰电流逐渐下降。峰电流值先增大后减小，在pH为7.0处取得最大值，随着pH值逐渐升高，氧化峰峰电位随之负移，这可能是质子参与了尿酸的电极反应。为获得较高的峰电流，提高检测灵敏度，后续试验取缓冲溶液PBS的pH为7.0。

图5 pH对尿酸氧化峰峰电流的影响

2.5 标准曲线的建立

配制一系列标准溶液，在最佳优化条件下通过循环伏安法，测定不同浓度尿酸溶液的氧化峰峰电流，结果见图6。由图6（a）可知，氧化峰峰电流随着尿酸浓度的增加而升高。图6（b）显示了尿酸浓度为 1.98×10-7～1.18×10-4mol/L和氧化峰峰电流呈线性关系，线性方程为Ip=10.48168c+3.46147，相关系数r=0.9975。

2.6 实际样品的测定

取0.5 mL尿液试样于容量瓶中，定容至刻度。将该溶液稀释10倍后作为测试样品，按优化条件下进行测定，并进行加标回收试验，测定结果见表1。加标回收率为95.67% ～107.02% ，说明该方法可用于实际样品的测定。

表1 样品测定及回收率

3 结论

本文利用碳纳米管和纳米金的协同效应，将c-MWCNT/DMF/AuNPs修饰在玻碳电极表面形成稳定的修饰层，制备修饰电极。充分利用羧基化碳纳米管的导电性和纳米金的协同作用，大大改善了电极的导电性，进一步提高了测量的灵敏度，建立了具有操作简单、测定快速特点的，用于尿酸检测的电化学传感方法。本研究发现，该传感器检测尿酸的线性范围为1.98×10-7～1.18×10-4mol/L，线性回归方程为Ip=10.48168c+3.46147，相关系数 r=0.9975，检出限为1.4×10-8mol/L，该法可成功地应用于实际样品尿液中尿酸的测定。