Sichtlicht-unterstützte Au-Nanopartikel-modifizierte Glaskohle-Elektroden für sensitiven Harnsäure-Nachweis

Zusammenfassung

Wir berichten über einen hochsensitiven, nicht-enzymatischen Ansatz zur Harnsäure (UA) Bestimmung, der sichtbare Lichtbestrahlung auf einer glaskohleelektrode (GCE) nutzt, die mit elektrodeponierten Goldnanopartikeln (AuNPs) modifiziert ist. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bestätigte, dass die AuNPs gut dispergierte, kugelförmige Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 26,1 nm sind. Cyclovoltammetrie (CV) und Differentialpulsvoltammetrie (DPV) Studien zeigten, dass sichtbares Licht sowohl die Amplitude als auch die Stabilität des Antwortstroms durch den Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) Effekt der AuNPs dramatisch erhöht. DPV zeigte eine lineare Korrelation zwischen Spitzenstrom und UA-Konzentration von 2,8 bis 57,5 µM, beschrieben durch I_pa (µA) = 0,0121 c_UA (µM) + 0,3122 (R² = 0,9987). Diese Ergebnisse demonstrieren das Potenzial der sichtlichtverstärkten Au/GCE als zuverlässiger elektrochemischer Sensor für UA.

Hintergrund

Harnsäure ist das Endprodukt des Purinstoffwechsels und ihre Konzentration in Blut und Urin dient als Biomarker für Erkrankungen wie Gicht, Nierenerkrankungen, Hypertonie und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Umgekehrt wurden niedrige UA-Werte mit Multipler Sklerose, Parkinson-Krankheit, Alzheimer-Krankheit und Optikusneuritis in Verbindung gebracht. Folglich ist die genaue Überwachung von UA in biologischen Flüssigkeiten klinisch unverzichtbar.

Traditionelle UA-Assays – einschließlich enzymatischer Tests, HPLC, Massenspektrometrie, Kapillarelektrophorese, Chemilumineszenz und Kolorimetrie – erfordern oft komplexe Probenvorbereitung und lange Analysezeiten. Elektrochemische Methoden, die die irreversible Oxidation von UA zu Allantoin ausnutzen, bieten eine schnellere und einfachere Alternative. Jüngste Fortschritte haben eine Vielzahl nicht-enzymatischer Sensoren eingeführt: Palladium-beladene Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstoff-Ionenflüssigkeits-Elektroden, PtAu-Hybridfilme und Chitosan-Graphen-Komposite, unter anderen.

Nanometalle – Ag, Au, Pt, Cu, Pd – wurden aufgrund ihrer hervorragenden Leitfähigkeit, großen Oberfläche und Biokompatibilität umfangreich zur Herstellung elektrochemischer Sensoren eingesetzt. Goldnanopartikel profitieren insbesondere von einem ausgeprägten SPR, der sichtbares Licht einfangen und die katalytische Aktivität erhöhen kann. Diese Eigenschaft motiviert die vorliegende Studie, die AuNPs mit sichtbarer Lichtbestrahlung kombiniert, um den UA-Nachweis zu verstärken.

Methoden

Apparatur

Die Morphologie der modifizierten Elektrode wurde mit einem Hitachi SU8010 SEM untersucht. Elektrochemische Messungen wurden an einem CHI760D Arbeitsplatz mit einer Drei-Elektroden-Konfiguration durchgeführt: Au/GCE (0,07 cm²) als Arbeitselektrode, Platin-Draht-Gegenelektrode und gesättigte Kalomelelektrode als Referenz. pH-Werte wurden mit einem pHS-2F Messgerät gemessen.

Reagenzien

Harnsäure stammte von Acros Organics. Chlorgoldsaure, Dinatriumhydrogenphosphat, Natriumdihydrogenphosphat, Kaliumferrocyanid, Kaliumferricyanid und Kaliumchlorid wurden von Sinopharm bezogen. Alle Reagenzien wurden unverändert verwendet; Experimente wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Elektrodenherstellung

Eine L-förmige GCE wurde mit 0,05 µm Aluminiumoxid poliert, ultraschallgereinigt und gespült, bis die CV in 2,5 mM Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻/0,1 M KCl symmetrische Peaks mit ΔE_p < 100 mV zeigte. AuNPs wurden aus 1 mM H₃PO₄/0,24 mM HAuCl₄ bei –0,2 V elektrodeponiert, wobei die Massenbeladung durch die deponierte Ladung eingestellt wurde.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologie und Charakterisierung der Elektrode

SEM-Bilder (Abbildung 1) zeigen eine dicht gepackte, monodisperse Verteilung kugelförmiger AuNPs auf der GCE-Oberfläche. Das Größenhistogramm weist einen durchschnittlichen Durchmesser von 26,1 nm auf, was eine enge Größenverteilung bestätigt, die die aktive Oberfläche für UA-Oxidation erhöht.

SEM-Bilder von Au/GCE bei niedrigerer (a) und höherer Vergrößerung (b). Inset: entsprechendes Au-Nanopartikel-Größenverteilungshistogramm

Cyclovoltammetrisches Verhalten

CVs in 0,1 M PBS (pH 7,0) mit 1,0 mM UA (Abbildung 2) demonstrieren, dass sichtbare Lichtbestrahlung (20 cm von einer Xe-Lampe) den anodischen Spitzenstrom von 12 µA (Dunkelheit) auf 20 µA (beleuchtet) erhöht und die Antwort über aufeinanderfolgende Scans stabilisiert. Der Spitzenpotential verschiebt sich um ~6 mV negativ unter Beleuchtung, was verbesserten Elektronentransfer anzeigt.

CVs von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0) mit 1,0 mM UA mit (a) und ohne (b) sichtbare Lichtbestrahlung. Scanrate 50 mV s⁻¹

Einfluss der sichtbaren Lichtbestrahlung

Während aufeinanderfolgender CV-Zyklen löste die Beleuchtung einen raschen Stromanstieg aus (Abbildung 3a). Photostrom-Zeit-Kurven (Abbildung 3b) zeigen sofortige Abfälle beim Ausschalten der Lampe und schnelle Erholung bei erneuter Beleuchtung, was eine stetige und reversible SPR-getriebene Verstärkung bestätigt. UV-Vis-Spektren (Zusatzdatei 1: Abbildung S2) zeigen einen Absorptionspeak bei 597 nm, konsistent mit SPR von AuNPs. Heiße-Elektronen-Übertragung von Au zur GCE-Oberfläche beschleunigt UA-Oxidation und verbessert die Empfindlichkeit.

a Potential vs. SCE. CV von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0) mit 1,0 mM UA ohne (1) und mit (3) sichtbare Lichtbestrahlung; Beleuchtung beginnt am Pfeil (2). Scanrate 50 mV s⁻¹. b Zeit/s. Photostromantwort bei 0,48 V mit 30-s Lampe an/aus Zyklen.

Einfluss der Goldmenge

Die Variation der Au-Beladung (0,96–57,8 µg cm⁻²) ergab eine optimale Dichte von 28,9 µg cm⁻², wo Spitzenstrom maximiert und Potential am negativsten war. Überschüssiges Au (>57,8 µg cm⁻²) reduzierte den Strom leicht aufgrund behinderten Elektronentransfers. Die gewählte Beladung bietet das beste Gleichgewicht aus Oberfläche und Leitfähigkeit.

CVs von Au/GCE mit verschiedenen Au-Beladungen (57,8 (a), 28,9 (b), 9,6 (c), 4,8 (d), 0,96 (e), blankes GCE (f)) in 0,1 M PBS (pH 7,0) mit 1,0 mM UA unter sichtbare Lichtbestrahlung. Scanrate 50 mV s⁻¹; Depositions-potential –0,2 V.

Einfluss des pH-Werts

Der optimale pH für UA-Nachweis wurde als 7,0 gefunden, wie durch maximalen anodischen Spitzenstrom angezeigt (Abbildung 5). Der Strom nahm allmählich von pH 7,0 bis 9,0 ab, was bestätigt, dass neutrale Bedingungen die elektrochemische Oxidation von UA begünstigen.

a CVs von Au/GCE in 1 mM UA bei verschiedenen pH (4,0–9,0). b Spitzenstrom vs. pH. Scanrate 50 mV s⁻¹

Einfluss der Scanrate

Erhöhung der Scanrate von 20 auf 200 mV s⁻¹ erzeugte eine positive Verschiebung des Spitzenpotentials, was eine quasi-reversible Reaktion anzeigt. Eine lineare Beziehung zwischen anodischem Spitzenstrom und √ν (R² = 0,9702) bestätigt diffusionskontrollierte UA-Oxidation (Abbildung 6).

CVs von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0) mit 1 mM UA bei Scanraten 20–200 mV s⁻¹. Inset: Kalibrationskurve Spitzenstrom vs. √ν.

Bestimmung von UA

DPV-Analyse (Abbildung 7) zeigte eine lineare Antwort von 2,8 bis 57,5 µM UA, beschrieben durch I_pa (µA) = 0,0121 c_UA (µM) + 0,3122 (R² = 0,9987). Ohne Beleuchtung verengte sich der lineare Bereich auf 3–21 µM (R² = 0,9943). Der Sensor demonstrierte 7,88 % RSD über acht Elektroden und einen 9,8 % Signalverlust nach einwöchiger Lagerung, was gute Reproduzierbarkeit und Stabilität anzeigt. Interferenzstudien und Echtprobenanalyse (humanes Serum) ergaben 96,3 % Rückgewinnung, was praktische Anwendbarkeit bestätigt.

a DPV-Kurven von Au/GCE in 0,1 M PBS (pH 7,0) bei verschiedenen UA-Konzentrationen. b Anodischer Spitzenstrom vs. UA-Konzentration.

Schlussfolgerungen

Homogene, kugelförmige AuNPs wurden auf GCE elektrodeponiert, was eine gut dispersierte Nanostruktur mit durchschnittlichem Durchmesser von 26,1 nm ergab. Die sichtlicht-unterstützte Au/GCE zeigte überlegene elektrochemische Leistung, die die Dunkelbedingung durch SPR-induzierte Photostromverstärkung übertraf. Der resultierende Sensor bietet eine einfache, schnelle und zuverlässige Methode zur UA-Quantifizierung, mit potenzieller Erweiterung auf andere Biomoleküle.

Abkürzungen

AuNPs:

Goldnanopartikel

CE:

Kapillarelektrophorese

CV:

Cyclovoltammetrie

DPV:

Differentialpulsvoltammetrie

GCE:

Glaskohleelektrode

HPLC:

Hochleistungsflüssigkeitschromatographie

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

SPR:

Oberflächenplasmonenresonanz

UA:

Harnsäure