Der verbesserte photoelektrochemische Nachweis von Harnsäure auf Au-Nanopartikel-modifizierten Glaskohlenstoffelektroden

Hintergrund

Harnsäure (UA) ist eines der Endprodukte des Purinstoffwechsels und in biologischen Flüssigkeiten wie Blut und Urin vorhanden. Die Anomalien des Harnsäurespiegels, die auf die Möglichkeit verschiedener Krankheiten hinweisen, wie Gicht, Nierenerkrankungen, Bluthochdruck und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, die mit erhöhten Harnsäurespiegeln verbunden sind, während ein reduzierter UA-Spiegel Krankheiten wie Multiple Sklerose, Parkinson-Krankheit, Alzheimer-Krankheit hervorruft , und Optikusneuritis [1]. Daher ist die Überwachung der UA-Konzentration in der menschlichen Körperflüssigkeit klinisch wertvoll und wichtig für die Vorbeugung der oben genannten oder anderer ähnlicher Krankheiten.

Da der Überwachung der Harnsäurekonzentration in der menschlichen Körperflüssigkeit eine große Bedeutung zukommt, wurden nach den bisherigen Berichten verschiedene Nachweistechniken entwickelt, wie der enzymatische Assay [2, 3], die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) [4], Massenspektrometrie [5], Kapillarelektrophorese (CE) [6], Chemilumineszenz [7] und Kolorimetrie [8, 9]. Alle diese traditionellen Methoden können jedoch komplizierte Vorbehandlungen erfordern oder zu viel Zeit in Anspruch nehmen. Aufgrund der einzigartigen elektrochemischen Aktivität kann Harnsäure in wässriger Lösung irreversibel zu Allantoin oxidiert werden, so dass sich eine Reihe von Forschungen auf die Quantifizierung von Harnsäure mit elektrochemischen Methoden konzentriert haben und die elektrochemischen Sensoren als vielversprechende Alternativen zu herkömmlichen Methoden erkannt werden. Forschungen auf diesem Gebiet sind in den letzten Jahren aufgekommen, und viele neue Sensoren wurden für die Detektion von UA ​​entwickelt, wie z ) [11], PtAu-Hybridfilm-modifizierte Elektrode [12], Chitosan-Graphen-modifizierte Elektrode [13] usw. Nicht-enzymatische Methoden wurden für den direkten elektrochemischen Nachweis von UA ​​verwendet, und der Mechanismus wurde wie folgt demonstriert [14, 15 ]:

Trotz vieler Bemühungen bei der UA-Erkennung müssen die empfindlicheren, selektiveren, stabileren und einfacheren Methoden bis jetzt noch erforscht werden.

Aufgrund der überlegenen Eigenschaften sowohl in chemischer als auch in physikalischer Hinsicht sind viele Arten von Nanometallen wie Silber (Ag) [16, 17], Gold (Au) [18, 19], Platin (Pt) [20, 21, 22, 23], Kupfer (Cu) [24, 25] und Palladium (Pd) [26, 27] haben zahlreiche Forschungen zur Herstellung elektrochemischer Sensoren für medizinische Analysen, Umweltüberwachung, Lebensmittelqualitätskontrolle usw. beschleunigt [28]. Insbesondere Goldnanopartikel (AuNPs) weisen die Überlegenheit der Leitfähigkeit, großen Oberfläche und guten Biokompatibilität auf [29] und all diese einzigartigen Eigenschaften machen AuNPs zu einer geeigneten Wahl für die elektrochemische Sensorik. Außerdem kann der einzigartige Oberflächenplasmonenresonanzeffekt (SPR) von Au zum Sammeln von sichtbarem Licht über die kollektive kohärente Oszillation von Oberflächenelektronen für die große Verbesserung der Detektion von UA ​​von Vorteil sein [30].

Basierend auf den obigen Analysen haben wir hier ein einfaches Elektroabscheidungsverfahren demonstriert, um erfolgreich gut dispergierte kugelförmige AuNPs auf der Oberfläche einer Glaskohlenstoffelektrode (GCE) herzustellen. Darüber hinaus hat eine Reihe elektrochemischer Messungen gezeigt, dass das faszinierende Au/GCE mit Hilfe der Bestrahlung mit sichtbarem Licht eine stark verbesserte Ansprechstromintensität aufwies. Angesichts dessen glaubten wir, dass diese einfache, durch sichtbares Licht unterstützte Methode und die sphärischen Au-Nanopartikel Licht für die Anwendung bei der weiteren UA-Detektion und darüber hinaus werfen.

Methoden

Vorrichtung

Das Rasterelektronenmikroskop (SEM) (Hitachi SU8010, Japan) wurde verwendet, um die Morphologie der erhaltenen Elektrode zu charakterisieren. Alle elektrochemischen Studien wurden an einer elektrochemischen Arbeitsstation CHI760D (Chenhua Instrument Co., Ltd., Shanghai, China) mit einem herkömmlichen Drei-Elektroden-System durchgeführt, bei dem die modifizierte Glaskohlenstoffelektrode (GCE) als Arbeitselektrode fungierte (Oberfläche 0,07 cm<.). sup> 2 ), diente ein Platindraht als Gegenelektrode (Durchmesser 0,5 mm) bzw. eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) als Referenzelektrode. Der pH-Wert der Lösung wurde mit einem Messgerät Modell pHS-2F (Instrument, Shanghai, China) bestimmt.

Reagenzien

Harnsäure (UA) wurde von Acros Organics (Shanghai, China) bezogen. Chlorgoldsäure (HAuCl₄ ·H₂ O), Dinatriumhydrogenphosphat (Na₂ .) HPO₄ ), Natriumdihydrogenphosphat (NaH₂ .) PO₄ ), Kaliumferrocyanid (K₄ .) [Fe(CN)₆ ]), Kaliumferricyanid (K₃ [Fe(CN)₆ ]) und Kaliumchlorid (KCl) wurden von Sinopharm Chemicals Reagent Co., Ltd. erhalten. Während der Experimente wurde doppelt destilliertes Wasser verwendet. Als Elektrolyt wurde eine neu hergestellte 0,1 M Phosphatpufferlösung (PBS) mit unterschiedlichem pH-Wert gewählt. Alle Reagenzien wurden wie erreicht ohne weitere Reinigung verwendet und alle Experimente wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Elektrodenvorbereitung

In dieser Arbeit haben wir uns für eine glasartige Kohlenstoffelektrode vom L-Typ entschieden, um die mit Au-Nanopartikeln modifizierte Oberfläche der Beleuchtung mit sichtbarem Licht auszusetzen. Der GCE (Oberfläche 0,07 cm ² ) wurde vorsichtig mit einer 0,05-μm-Aluminiumoxid-Aufschlämmung auf einem nassen Poliertuch poliert, gefolgt von einer Ultraschallbehandlung in Ethanol und Wasser für mehrere Minuten, um eine spiegelähnliche Oberfläche zu erhalten. Schließlich wurde die Elektrode gründlich mit sekundärem destilliertem Wasser gespült und an der Luft getrocknet. Vor dem elektrochemischen Folgeprozess haben wir die Elektrode wiederholt poliert und gespült, bis die zyklischen Voltammetriekurven (CVs) in 2,5 mM Fe(CN)₆ . erreicht wurden ^3/4− + 0,1 M KCl-Lösung zeigt zwei perfekt symmetrische Peaks und die Peakpotentialtrennung (ΔE _p ) von ihnen war unter 100 mV. Au-Nanopartikel wurden auf der Oberfläche der vorbehandelten Elektroden in 1 mM H₃ . galvanisch abgeschieden PO₄ Lösung mit 0,24 mM HAuCl₄ bei einem konstanten Potenzial von −0,2 V. Die unterschiedliche Massenbeladung von AuNPs wurde durch Änderung der elektrischen Menge während des Abscheidungsprozesses gesteuert.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologie und Charakterisierung der Elektrode

Das Rasterelektronenmikroskop (REM) wurde verwendet, um die Morphologie von Au-Nanopartikeln auf der Oberfläche von GCE zu charakterisieren. Die Au-Nanopartikel wurden bei einem konstanten Potential von –0,2 V mit einer bestimmten elektrischen Größe von 3 × 10 ^–3 . gebildet C, und die theoretische Dichte der Au-Partikel auf der GCE-Oberfläche wurde mit 28,9 μg/cm ² . berechnet . Abbildung 1a zeigt, dass die GCE-Oberfläche dicht mit punktförmigen Goldnanopartikeln bedeckt ist. Abbildung 1b zeigt die Oberflächenmorphologie bei höherer Vergrößerung und zeigt, dass sich die weichen und kugelförmigen AuNPs gleichmäßig auf der Oberfläche von GCE verteilen. Das im Einschub von Abb. 1b dargestellte Histogramm der Partikelgrößenverteilung zeigte, dass die gut dispergierten AuNPs eine enge Größenverteilung aufweisen und der berechnete durchschnittliche Durchmesser etwa 26,1 nm betrug. Eine detaillierte Beobachtung kann uns auch helfen herauszufinden, dass die so erhaltenen AuNPs fast monodispers sind, was weniger Verbindungen untereinander aufwies. Alles in allem trugen diese günstigen Bedingungen dazu bei, die aktive Oberfläche stark zu vergrößern und letztendlich zu einer Verbesserung der Detektionseffizienz zu führen.

SEM-Bilder von Au/GCE bei niedrigerem (a ) und höhere Vergrößerung (b ). Einschub :entsprechendes Histogramm der Au-Nanopartikel-Größenverteilung

Zyklisches voltammetrisches Verhalten

Nach Modifizierung durch Au, CV in 2,5 mM Fe(CN)₆ ^3/4− + 0,1 M KCl-Lösung wurde zum Vergleich mit bloßem GCE verwendet (zusätzliche Datei 1:Abbildung S1). Die CV-Kurve von Au/GCE zeigt ein Paar symmetrischer Redoxpeaks, die einen höheren Ansprechstrom und eine kleinere Peakpotentialtrennung (ΔE p = 63 mV) als bei reinem GCE. Aus den obigen Daten können wir schließen, dass der Elektronentransfer auf Au/GCE besser war als auf reinem GCE.

Abbildung 2 zeigt die CV-Kurven von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0)-Lösung mit 1,0 mM UA mit (a) bzw. ohne (b) Beleuchtung mit sichtbarem Licht für vier Kreise. Wir haben festgestellt, dass bei einem Abstand von der Xenonlampe zur Oberfläche der Arbeitselektrode von 20 cm die stärkste Intensität des sichtbaren Lichts angezeigt wird. Im Detail betrug der anodische Spitzenstrom für UA 20 μA unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht, während das Maximum des anodischen Spitzenstroms ohne Beleuchtung mit sichtbarem Licht nur 12 μA betrug. Darüber hinaus behielt der Spitzenstrom bei Vorhandensein von sichtbarem Licht einen stabilen Wert bei; dennoch zeigte der Wert des Spitzenstroms eine kontinuierliche Deklination ohne Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Außerdem ist das Oxidationspeakpotential von Au/GCE unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht ungefähr 6 mV negativ als ohne Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Aus den obigen Untersuchungen können wir schließen, dass sichtbares Licht die photoelektrokatalytische Leistung von Au/GCE gegenüber der Elektrooxidation von UA ​​verbessern kann.

CVs von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0)-Lösung mit 1,0 mM UA mit (a) und ohne (b) Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Abtastrate 50 mV s ⁻¹

Effekt der Beleuchtung durch sichtbares Licht

Der Einfluss der Beleuchtung mit sichtbarem Licht wurde untersucht, indem die Beleuchtung mit sichtbarem Licht zu einem bestimmten Zeitpunkt im Prozess einer sukzessiven zyklischen Voltammetrie hinzugefügt wurde. Wie in Abb. 3a gezeigt, begann das sichtbare Licht an der Stelle, auf die der Pfeil zeigt. Kurve 1 war die letzte Runde der CVs ohne Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Kurve 2 war der Übergangsprozess, bei dem die Beleuchtung mit sichtbarem Licht bei einem Potenzial von ungefähr 0,35 V begann, wobei der Strom gemäß Abb. 2 theoretisch zu steigen begann. Wenn die Elektrode der Beleuchtung mit sichtbarem Licht ausgesetzt wurde, wurde der Strom an ansteigende Tendenz, und die CV-Kurve des Rückwärtsabtastabschnitts überlappt fast die Kurve unter der Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Die CV-Kurve unter vollständiger Beleuchtung mit sichtbarem Licht wurde als Kurve 3 dargestellt, wie oben beschrieben, der Strom wurde immer noch konstant gehalten. Abbildung 3b zeigt die Photostromantwort von Au/GCE unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht in einer 0,1 M PBS-Lösung (pH 7,0), die 1,0 mM UA enthält, bei einem Potenzial von 0,48 V, bei dem der Strom sein Maximum in Abbildung 2 erreicht. Die Photoströme der Auf die vorbereiteten Elektroden folgte die Stromzeit (I –t ) Kurven. Um die Licht- und Nicht-Lichtbedingungen für die UA-Erkennung zu vergleichen, haben wir die Beleuchtung der Xe-Lampe periodisch unterbrochen. Es kann festgestellt werden, dass, während die Beleuchtung unterbrochen wurde, der Photostrom sofort abfiel und der Photostrom beim Einschalten der Beleuchtung schnell zunahm und dann in kurzer Zeit den Gleichgewichtswert erreichte. Die im Bild gezeigte perfekte Periodizität zeigt, dass die Reaktion auf die Beleuchtung mit sichtbarem Licht stetig ist und die für die Reaktion erforderliche Zeit gleich ist. Der Oberflächenplasmonenresonanzeffekt (SPR) von Au-Nanopartikeln unter der Beleuchtung mit sichtbarem Licht kann für den erhöhten Photostrom von Au/GCE auf einer Seite verantwortlich sein. Die UV-Vis-Spektroskopie von frisch hergestellten AuNPs wurde in Additional file 1:Figure S2 gezeigt. Der Absorptionspeak lag bei der Wellenlänge von 597 nm, was ungefähr der Wellenlänge in einigen früheren Berichten entspricht [31, 32]. Im Detail könnten die Au-Nanopartikel die Energie des sichtbaren Lichts ernten [33]. Aufgrund der SPR-Anregung kann die Ansammlung heißer Elektronen vorübergehend die höheren leeren Zustände über dem Fermi-Niveau besetzen, und dann findet ein schneller Elektronentransfer von Au auf leitfähiges GCE statt [34]. Der Oxidationsprozess von UA ​​findet auf der Oberfläche von Au-Nanopartikeln statt, wo das UA-Molekül zwei Elektronen auf das Au-Nanopartikel überträgt. Auf der anderen Seite wurde die Elektronentransferrate nach der Modifizierung mit Au-Nanopartikeln stark gefördert.

a Potenzial/V vs. SCE. CV von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0)-Lösung mit 1,0 mM UA ohne (1) und mit (3) Beleuchtung mit sichtbarem Licht; Die Beleuchtung mit sichtbarem Licht beginnt an der Stelle, an der der Pfeil zeigt auf (2) . Abtastrate 50 mV s ⁻¹ . b Mal. Photostromantwort von Au/GCE unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht in 0,1 M PBS (pH 7,0)-Lösung mit 1,0 mM UA bei 0,48 V. Die Beleuchtung einer Xe-Lampe wurde alle 30 s unterbrochen

Auswirkung der Goldmenge

Die Massenbeladung von auf der Oberfläche der Elektrode abgeschiedenem Au wurde durch die elektrische Größe gesteuert und ihr Einfluss auf die elektrochemische Leistung gegenüber UA wurde bewertet. Wie in Abb. 4 zu sehen ist, beträgt die Goldmenge nur 0,96 μg/cm ² (Abb. 4e) war der Spitzenstrom fast der gleiche wie der von blankem GCE (Abb. 4f), sogar mit einem leichten Rückgang. Als sich jedoch die Goldmenge von 4,8 auf 28,9 μg/cm ² erhöhte (Fig. 4 (d), (c) und (b)) stieg der Spitzenstrom sukzessive an und das Oxidationsspitzenpotential war negativer. Erhöhen Sie die Goldmenge weiter auf 57,8 μg/cm ² (Abb. 4a) zeigte der Spitzenstrom eine leichte Abnahme und das Spitzenpotential wurde positiver. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Qualität von 28,9 μg/cm ² ist die am besten geeignete Oberfläche für die UA-Reaktion auf Au/GCE. In erster Linie können das bloße GCE oder das mit wenig Au-Nanopartikeln bedeckte GCE nicht genügend Aktivitätszentren unterstützen und haben eine unzureichende Oberfläche für die Reaktion. Währenddessen wird die GCE, die mit überschüssigen Au-Nanopartikeln bedeckt ist, die Geschwindigkeit des Elektronentransfers von Au/GCE zu UA verlangsamen. Daher haben wir uns für Au/GCE mit einer Goldmenge von 28,9 μg/cm ² . entschieden als Arbeitselektrode im elektrochemischen Detektionsprozess.

CVs von galvanisch abgeschiedenem Au/GCE mit unterschiedlichen Goldmengen:57,8 (a) , 28,9 (b) , 9,6 (c) , 4,8 (d) , 0,96 μg/cm ² (e) , und nackte GCE (f) in 0,1 M PBS (pH 7,0)-Lösung mit 1,0 mM UA unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Abtastrate 50 mV s ⁻¹ . Ablagerungspotential −0,2 V

Auswirkung des pH-Werts

Um die optimalen Bedingungen für die UA-Detektion weiter zu bewerten, wurde der Einfluss des pH-Werts auf die photoelektrochemischen Reaktionen von 1 mM UA unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht untersucht. Abbildung 5a beschreibt die CVs von Au/GCE in 1 mM UA-Lösung, und 0,1 M PBS wurde verwendet, um den pH-Wert jeder Testflüssigkeit zu modulieren. Abbildung 5b zeigt die Beziehung zwischen pH-Wert und Spitzenstrom, aus der wir den Maximalwert von I . erkennen können _pa trat bei einem pH-Wert von 7,0 auf und nahm anschließend mit steigendem pH-Wert von 7,0 auf 9,0 ab, was bewies, dass pH 7,0 der optimale pH-Wert für die UA-Erkennung ist.

a CVs von Au/GCE in 1 mM UA mit unterschiedlicher pH-PBS-Lösung (pH = 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0 und 9,0), Scanrate 50 mV s ⁻¹ . b Zusammenhang zwischen dem Oxidationsspitzenstrom und dem pH-Wert

Auswirkung der Scanrate

Um zu untersuchen, wie die Scanrate die elektrochemische Reaktion von Au/GCE in einer UA-Lösung beeinflusst, wurden CVs mit unterschiedlichen Scanraten von 20 bis 200 mV s ⁻¹ . betrieben mit einem Intervall von 20 mV s ⁻¹ . Die Ergebnisse sind in Abb. 6 dargestellt, aus der wir eine offensichtliche positive Verschiebung des Oxidationspeakpotentials als Beschleunigung der Abtastrate erkennen können, was darauf hindeutet, dass die Reaktion von UA ​​auf der Elektrodenoberfläche ein quasireversibler chemischer Prozess ist. Mit anderen Worten, die Adsorption von UA ​​fand nicht auf der Oberfläche der Elektrode in einer 0,1 M PBS-Lösung (pH 7,0) statt. Darüber hinaus wurde leicht eine lineare Korrelation zwischen anodischen Spitzenströmen und der Quadratwurzel der Abtastraten gefunden und die Kalibrierungsgleichung liegt als I . vor _pa (μA) = 1,9254ν ^1/2 (mV/s) ^1/2 +9,3766  (R ² = 0.9702), was darauf hinweist, dass die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Diffusion von UA ​​bestimmt wurde [35].

CVs von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH = 7,0)-Lösung mit 1 mM UA bei Scanraten von 20 bis 200 mV s ⁻¹ . Einschub :Kalibrierkurve des Spitzenstroms vs. v ^1/2

Bestimmung der UA

Zur Charakterisierung von Au/GCE wurde auch die Differenzpulsvoltammetrie (DPV) mit den Merkmalen einer besseren Auflösung und höheren Empfindlichkeit als CV verwendet. Es bestand eine proportionale Beziehung zwischen dem Oxidationsspitzenstrom und der UA-Konzentration im Bereich von 2,8 bis 57,5 μM (Abb. 7). Die lineare Regressionsgleichung kann als I . ausgedrückt werden _pa (μA) = 0.0121c _UA (μM) + 0,3122 (R ² = 0,9987). Zum Vergleich wurde die DPV-Analyse von Au/GCE in Richtung UA ohne Beleuchtung mit sichtbarem Licht in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S3, die einen engeren linearen Bereich von 3 bis 21 μM aufwies, wobei die lineare Regressionsgleichung als I _pa (μA) = 0,0112c _UA (μM) + 0,2766 (R ² = 0,9943).Alle Experimente in diesem Abschnitt wurden unter den besten Bedingungen durchgeführt, die aus früheren experimentellen Daten erreicht wurden. Die Wiederverwendbarkeit von Au/GCE wurde durch Messung der CV-Reaktionen von acht Elektroden in 0,1 M PBS (pH 7,0)-Lösung mit 1,0 mM UA unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht unter denselben Bedingungen geschätzt. Die relative Standardabweichung der Oxidationsspitzenströme beträgt 7,88%. Die Stabilität von Au/GCE unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht wurde auch überprüft, indem die modifizierte Elektrode durchgeführt wurde, die vor dem Experiment eine Woche bei 25 °C gelagert wurde. Die Spitzenströme gingen um 9,8 % zurück. Diese obigen Ergebnisse zeigen, dass die modifizierte Elektrode bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht eine gute Wiederverwendbarkeit und gute Stabilität zeigt. Und diese Methode könnte die allgemeinen Störungen tolerieren. Bei der realen Probenanalyse wurde eine Wiederfindung von 96,3% erhalten. Aus den obigen Untersuchungen konnten wir den Schluss ziehen, dass das mit sichtbarem Licht beleuchtete Au/GCE in Zukunft das Potenzial hat, ein empfindlicher elektrochemischer Sensor zu sein.

a DPV-Kurven von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0) bei verschiedenen UA-Konzentrationen. b Diagramme der anodischen Spitzenströme gegen die Konzentration von UA