尿酸在有序介孔碳_壳聚糖修饰电极上的电化学行为及其测定

收稿日期:2008210209 修回日期:2008211212

3通讯联系人:陈艳玲,女,博士,教授,博士生导师,研究方向:电分析化学、油田化学.

第25卷第2期

Vol.25　No.2分析科学学报J OU RNAL OF ANAL YTICAL SCIENCE 2009年4月Apr.2009文章编号:100626144(2009)022*******

尿酸在有序介孔碳2壳聚糖修饰电极上的

电化学行为及其测定

王小雪1,陈艳玲31,苗　琦1,贾玉萍2

(1.中国地质大学材料科学与化学工程学院,湖北武汉430074;

2.中国建筑材料工业地质勘查中心新疆总队实验室,新疆乌鲁木齐830002)

摘　要:用硬模板法合成了有序介孔碳(OMC ),并以壳聚糖(Chitosan )作为分散剂制

备了有序介孔碳2壳聚糖复合膜(OMC 2Chito san )修饰电极。应用该电极研究了尿酸

(UA )的电化学行为以及实际样品的分析检测。在0.1mol/L (p H 6.5)的磷酸盐

(PBS )缓冲溶液中,UA 在OMC 2Chitosan 修饰电极上于0.334V 处产生一灵敏的不可

逆氧化峰,氧化峰电流(i pa )与UA 的浓度在4.0×10-6～2.0×10-4mol/L 范围内呈良

好的线性关系,相关系数为0.9997,检出限为2.0×10-6mol/L 。对0.2mmol/L UA

平行测定10次,相对标准偏差为3.8%,表明该电极重现性和稳定性良好。

关键词:有序介孔碳;壳聚糖;修饰电极;尿酸

中图分类号:O657.15 文献标识码:A

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,检测UA 可间接反映与嘌呤代谢有关的一些疾病,如痛风和高尿酸血等,因此在临床医学上具有重要的现实意义。目前检测UA 的方法有光谱法、荧光法、液相色谱法、酶方法和电化学法等。在电化学方法中,采用化学修饰电极是研究UA 电化学行为及其测定的重要手段,现今碳材料、生物分子、聚合物等都广泛应用于化学修饰电极的制备。

由于具有表面积巨大、孔道排列规则、孔容大和化学稳定性好等特点,有序介孔碳(OMC )作为一种新的碳材料在催化、电容器、储能和吸附大分子等方面得到了人们的广泛关注。但是,OMC 材料用于电化学分析检测的报道较少。目前,OMC 修饰电极还仅用于一些生物分子,如L 2半胱氨酸(L 2CySH )[1]、肾上腺素(EP )[2]、多巴胺(DA )[3]等,及小分子如对苯二酚(HQ )[4]、硝基苯(NB )[5]等的分析检测。壳聚糖(Chitosan )是一种天然高分子,来源于甲壳类动物壳质的去乙酰化。与常用的一些分散剂如Nafion 、双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB )、N ,N 2二甲基甲酰胺(DM F )等相比,其具有成本低、无毒无色、可生物降解等优点。并且它具有很好的生物共容性,分子内还带有很多活性基团如—N H 2,—O H 等[6]。

本文将上述两种材料相结合,以壳聚糖为分散剂,制备出一种新的化学修饰电极OMC 2Chitosan 复合膜修饰电极,并将其用于研究UA 的电化学行为以及实际样品的检测,结果令人满意。

1　实验部分

1.1　仪器与试剂

C HI660电化学分析仪(美国,C H 仪器公司);KQ 2100DE 型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);电化学测量采用三电极系统:玻碳电极(Φ=3mm )或修饰电极为工作电极,饱和甘汞电极(SCE )为参比电极,铂丝电极为对电极。

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);0.1%壳聚9

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第2期王小雪等:尿酸在有序介孔碳2壳聚糖修饰电极上的电化学行为及其测定第25卷

糖溶液:将0.01g壳聚糖(Chitosan,孝感学院提供)溶于10mL乙酸。UA溶液用磷酸盐(PBS)缓冲溶液配制;不同p H值的0.1mol/L PBS缓冲溶液用不同比例的0.1mol/LNa H2PO4和0.1mol/LNa2HPO4溶液混合,然后用磷酸和氢氧化钠调节p H值。所用试剂均为分析纯,实验用水为二次石英蒸馏水。

1.2　有序介孔碳的合成

根据文献[7]报道的方法,以有机硅烷TEOS为硅源,三嵌段共聚化合物P123为模板剂,采用水热合成法合成制备出介孔硅SBA215。然后再按照文献[8]中的合成方法,以该介孔硅为硅模板,蔗糖为碳源,通过高温碳化制备出有序介孔碳(OMC)。

1.3　有序介孔碳2壳聚糖修饰电极的制备

用金相砂纸将玻碳电极打磨至光亮后依次用1.0、0.3和0.05μm的α2Al2O3粉在麂皮上抛光成镜面,二次水冲洗,在无水乙醇和二次水中各超声振荡10min。称取1mg OMC加入到2mL0.1%的壳聚糖溶液中,超声分散30min得到浅黑色、均一的OMC2Chito san分散液。用微量注射器移取10μL OMC2 Chitosan修饰液均匀滴涂到玻碳电极上,然后将电极置于红外灯下干燥10min,冷却备用。

2　结果与讨论

2.1　UA测定条件的选择

2.1.1　底液及pH值的选择　分别考察了UA在HAc2NaAc、Na2HPO42C6H8O7、Tris2HCl、H3BO32 NaB4O7、PBS等缓冲溶液中的循环伏安行为,发现此修饰电极在上述缓冲溶液中都有氧化峰,只是峰位置、峰形、峰电流有所不同。结果表明,UA在0.1mol/L PBS溶液中的电化学响应最好。并且在p H为5.5～9.5的范围内,随着p H值的升高,UA氧化峰电流i pa先增大后减小。当p H=6.5时,i pa最大, OMC2Chito san复合膜修饰电极对UA催化氧化活性最大。故本文选择p H=6.5的0.1mol/L PBS缓冲体系。

2.1.2　修饰剂用量的选择　OMC在电极表面的用量会影响UA的氧化峰电流。氧化峰电流开始随OMC2Chito san修饰液量的增加而显著增加,这是因为电极表面富集活性位增多,对UA的富集效率提高,导致氧化峰电流增加。当修饰剂用量超过10μL后,峰电流开始逐渐降低,这是由于电极表面OMC2 Chitosan膜过厚,一定程度上阻碍了UA与电极间电子的交换传递,因而氧化峰电流降低。故本实验选择修饰剂用量为10μL。

2.1.3　扫描速率的选择　采用循环伏安法(CV)考察了UA的峰电流i pa与扫描速率v之间的关系。结果表明,扫速在30～150mV/s范围内时,随着扫速的增加,i pa逐渐增大,但扫速过高时,充电电流过大,不利于峰电流的测定。当扫速为50mV/s时,信噪比最好。实验选择扫描速率为50mV/s。

2.1.4　富集电位和富集时间的选择　首先比较了富集时间相同的情况下,富集电位对UA氧化峰电流的影响。富集电位从-0.4V到-0.2V,i pa逐渐增大,从-0.2V到0.3V峰电流逐渐减小,因此,本实验选择-0.2V为富集电位。然后固定富集电位为-0.2V,考察富集时间对UA氧化峰电流的影响。随着富集时间的延长,i pa迅速增加,说明该修饰电极具有良好的富集特性。当富集时间达到40s时,i pa最大,而富集时间超过40s后,i pa缓慢减小。因此,本实验富集时间为40s。

2.1.5　修饰电极的重现性和稳定性　实验结果显示,对同一玻碳电极进行5次修饰更新,在0.2mmol/L UA溶液中进行CV测定,相对标准偏差为

3.4%;同一修饰电极对0.2mmol/L UA连续进行10次CV 测定,相对标准偏差为3.8%。将使用后的修饰电极清洗后,浸泡在p H6.5的0.1mol/L PBS缓冲溶液中,于4℃冷藏保存一周,对相同浓度的UA进行测定,峰电流没有明显改变。以上实验结果表明OMC2 Chitosan复合膜修饰电极具有良好的重现性和稳定性,可以满足实际测定的需要。

2.2　线性范围和检出限

在最佳条件下,对不同浓度的UA进行循环伏安测定,结果显示,UA的氧化峰电流i pa与其浓度c在4.0×10-6～2.0×10-4mol/L之间呈线性相关。其线性回归方程为:i pa=0.0693c+0.3699(i pa:μA,c:μmol/L),相关系数为0.9997,检出限(3σ)为2.0×10-6mol/L。

2.3　干扰实验

实验表明:在上述最佳实验条件下,对于0.1mmol/L的UA,50倍的AA、DA略有干扰,,但实际样091

第2期分析科学学报第25卷品中其含量很低,不干扰实际样品的测定;此外,1000倍的KCl 、NaCl 、柠檬酸,300倍的N H +4,100倍的Mg 2+,50倍的蔗糖、L 2半胱氨酸,30倍的甘氨酸、Ca 2+,25倍的L 2赖氨酸,10倍的H 2O 2、Fe 3+、Cu 2+等均不干扰UA 的测定。

2.4　实际样品分析

收集2个不同的尿样,移取1mL 新鲜尿样于容量瓶中,用0.1mol/L PBS 缓冲溶液(p H 6.5)稀释至50mL ,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,测定结果见表1。

表1　实际样品中UA 的测定结果及回收率T able 1　

Determination results of UA in real samples and recoveries

Sample No.

Determined (μmol/L )Added (μmol/L )Found (μmol/L )Recovery (%)1

93.520113.399.0293.240133.9101.8

3　UA 的电化学行为及机理研究

图1　0.2mmol/L 尿酸在不同电极上的循环伏安图(扫速:50mV /s)Fig.1　The cyclic voltammogramms of 0.2mmol/L UA on different electrodes with scan rate 50mV /s a.bare GCE ;b.OMC 2Chitosan/GCE.

3.1　OMC 2Chitosan 修饰电极对UA 的电催化作用

图1为0.2mmol/L UA 在OMC 2Chitosan 复合膜修饰

电极和裸玻碳电极上的循环伏安曲线。由图可见,UA 在裸

玻碳电极上于0.439V 处产生一个宽而弱的不可逆氧化峰

(曲线a ),在OMC 2Chito san 修饰电极上则于0.334V 处出现

一强氧化峰(曲线b ),UA 的峰电位E pa 负移了105mV ,峰电

流i pa 提高了10倍。结果说明OMC 2Chit san 修饰剂提高了

UA 与电极间的电子转移速率,降低了UA 在裸电极上的超

电位,并使电极有效面积增加,最终使UA 的E pa 负移,i pa 升

高。

3.2　扫描速率对UA 电化学行为的影响

为了讨论UA 在OMC 2Chito san 复合膜修饰电极上的氧

化还原过程,我们采用循环伏安法考察了UA 的峰电流与扫

描速率之间的关系。结果表明,扫描速率在30～150mV/s 范围内时,随着扫速的增加,i pa 增大,氧化峰电流i pa 与扫速的平方根v 1/2呈良好的线性关系,其线性回归方

程为:i pa =284.36v 1/2-25.335(i pa :

μA ,v :V/s ),相关系数r =0.9953。将OMC 2Chitosan 修饰电极在0.2mmol/L UA 中浸泡10min 后取出,洗净,插入空白PBS 溶液中在-0.3～0.9V 范围内循环伏安扫描,没有任何UA 的氧化峰出现,由此说明UA 在OMC 2Chito san 复合膜上的氧化反应是受扩散控制的电极过程[9]。

当吸附的UA 以完全不可逆反应被氧化时,氧化峰电位E pa 与扫描速率v 遵循Bulter 2Volmer 公

式[10]:E pa =E θpa -(R T/αn F )ln (R T k/αn F )+(R T/αn F )ln v 。氧化峰电位E pa 随扫速v 的增大而正移,且

E pa 与ln v 呈良好的线性关系,其线性回归方程为:E pa =0.3838+0.0212ln v (E pa :V ,v :V/s ),相关系数为0.9993。根据直线的斜率,可以计算出αn =1.21。而对于不可逆过程,电子转移系数α可取0.6[11],据此求得电极反应的电子转移数n ≈2,证明UA 在OMC 2Chito san 复合膜上的氧化反应是两电子过程。

3.3　pH 对UA 电化学行为的影响

在PBS 缓冲溶液中,p H 5.5～9.5的范围内,UA 氧化峰电位E pa 与p H 成线性关系,其回归方程为:E pa (V )=0.7416-0.0631p H ,相关系数为0.9994。E pa 随p H 的增大而线性减小,且E pa 2p H 斜率为-63.1mV/p H ,该值与25℃时等电子等质子传递的R T/F 理论值-59mV/p H 相近,说明在该电极反应过程中有相同数目的质子和电子参与电极反应[12],即UA 的氧化为两电子两质子的过程。

由于E pa 随p H 的增大而减小,所以在反应方程式中,H +应出现在UA 的氧化态一边。因此,可以推

1

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第2期王小雪等:尿酸在有序介孔碳2壳聚糖修饰电极上的电化学行为及其测定第25卷测UA在OMC2Chitosan修饰电极上发生的电化学反应如下所示:

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Study on the Electrochemical Behaviors of U ric Acid at OMC2Chitosan Film Modif ied Electrode

WAN G Xiao2xue1,C H EN Yan2ling31,M IAO Qi1,J IA Yu2ping2

(1.Facult y of M ateri al S cience and Chemist ry Engi neeri ng,Chi na U ni versit y of Geosciences,

W uhan430074;2.X i nj i ang General Team,Geological Ex ploration Cent re

of Chi na B uil di n g M ateri al I nd ust ry,W ul um uqi830002)

Abstract:The ordered mesoporous carbons(OMC)were synt hesized by templating SBA215mesoporous silica materials.A novel OMC modefied electrode was prepared by using t he chito san as dispersant.The electrochemical behavior of uric acid(UA)was st udied by cyclic voltammet ry at t his elect rode.The result showed t hat t he anodic peak potential of UA was0.334V in0.1mol/L PBS(p H=6.5)buffer solution at t he scan rate of50mV/s.Under t he optimal conditions,linear respo nses of UA was obtained over t he range f rom4.0×10-6mol/L to2.0×10-4mol/L wit h a detection limit of2.0×10-6mol/L. The voltammet ric behavior and reaction mechanism were st udied also.The proposed met hod was applied to t he detection of UA in real uric samples.

K eyw ords:Ordered mesoporous carbons;Chito san;Modified electrode;Uric acid 291