一种基于SWNTs/Nafion/CuNPs纳米复合材料的经济易制备型非酶尿酸传感器

张翠忠，连　欢，黄海峰，张贞发，梁彩云，蒙美香，彭金云*

(1.广西民族师范学院　化学与生物工程系，广西　崇左　532200；2.广西高校桂西南特色植物资源化学重点实验室培育基地，广西　崇左　532200)



一种基于SWNTs/Nafion/CuNPs纳米复合材料的经济易制备型非酶尿酸传感器

张翠忠1，2，连欢1，黄海峰1，张贞发1，梁彩云1，蒙美香1，彭金云1，2*

(1.广西民族师范学院化学与生物工程系，广西崇左532200；2.广西高校桂西南特色植物资源化学重点实验室培育基地，广西崇左532200)

通过电沉积金属铜于SWNTs/Nafion 修饰的玻碳电极表面构建了一种经济且简单易制备的非酶尿酸传感器。采用扫描电镜和能谱仪表征了纳米材料的形貌和成分，并考察了不同扫速和pH值对修饰电极的影响。在优化条件下，尿酸的线性范围为0.1～1 000 μmol·L-1，检出限(S/N=3)为0.058 5 μmol·L-1。采用标准加入法检测人体血清中尿酸的回收率为97.2%～103.9%，相对标准偏差(RSD)为0.04%～0.11%。该非酶法与GOD-POD酶法的结果高度一致，且传感器经济易制备、灵敏性高、稳定性好、重现性高。

单壁碳纳米管；尿酸；传感器；纳米铜；全氟聚苯乙烯磺酸

随着社会的进步，人类对自身的健康水平日益关注。生物分子尿酸(UA)是一种人体嘌呤类衍生物的代谢终产物[1],被视为人体垃圾。UA含量异常会导致痛风、高尿酸血症、慢性肾脏病等临床症状[2]。因此，快速、准确检测UA在临床诊断和治疗方面不可或缺。目前，UA的测定方法主要有液相色谱法[3-4]、非酶电化学法[5]、酶联法[6]、荧光分光光度法[7]等。而非酶电化学分析方法，因仪器体积小、方便现场检测、价格低易普及、分析速度快、灵敏度高等优势而得到了迅猛发展。

碳纳米管是一种具有重要应用潜能的分析材料， Iijima[8]早在1991年就借助高倍透射电镜观察到碳纳米管呈正五边形或六边形的网状结构，其独特的结构、机械、电子及化学特性在全球范围众多领域引起了轰动。碳纳米管经酸处理后可在其表面和两端引入许多含氧官能团或表面缺陷，为电化学反应提供较多的活性位点和良好的表面效应[9-10]，廖静敏等[11]将此用于生物电化学传感分析研究。

最近，研究者以纳米金属/金属氧化物修饰碳纳米管，如半导体SiO2[12]、TiO2[13]和纳米贵金属颗粒 Ag[14]、Pt[15]、Au[16]被广泛地引至碳纳米管上，应用于催化分析生物小分子，提高了检测灵敏度。然而，贵金属昂贵的价格制约了其进一步普及，如何在不降低催化性能的前提下节约成本，实现目标物的快速高效检测，是目前科研工作者面临的最大难题。

相对于贵金属(如铂和金)来说，非贵金属(如铜)因弹性大、韧性好、耐磨性高、价格低、导电性能好等优点备受青睐。基于此，本文通过将金属Cu电沉积到单壁碳纳米管(SWNT/Nafion)表面，合成了一种SWNT/Nafion/CuNPs纳米复合新材料。当纳米金属粒子沉积在碳纳米管基底上时，表现出更高的催化活性，这种催化效应具有碳纳米管和纳米金属粒子的协同增效作用。本文利用该材料修饰玻碳电极，并采用微分脉冲伏安法对人体血清中的UA进行了测定。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

CHI620E电化学分析仪(上海辰华仪器有限公司)；PHS-3C型pH计(上海精科实业有限公司)；移液枪(0.5～10 μL，20～200 μL，100～1 000 μL)；玻碳电极(GCE)、饱和甘汞电极(SCE)、铂丝电极；扫描电子显微镜(EVO MA 15/LS 15，德国卡尔蔡司公司)。

单壁碳纳米管(SWNTs，深圳纳米有限公司)；尿酸(UA)、CuSO4·5H2O均为国药集团化学试剂有限公司产品；抗坏血酸(AA，上海化学试剂公司)；全氟聚苯乙烯磺酸溶液(5% Nafion)、多巴胺(DA)购自Aldrich公司。以上试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2SWNTs的纯化

取2 g单壁碳纳米管样品加至装有浓硝酸和浓硫酸混合物(体积比1∶3)的圆底烧瓶中，将碳纳米管完全浸没，室温下超声分散30 min。将经过上述处理的SWNTs置于油浴中，于120 ℃下回流4 h，再将回流好的SWNTs转入离心管中，以8 000 r/min离心分离5 min，用水冲洗至中性后，于真空干燥箱中70 ℃恒温烘干备用。

图1　SWNT(A)及SWNTs/Nafion/CuNPs (B)的扫描电镜图Fig.1　SEM images of SWNT(A) and SWNTs/Nafion/CuNPs(B)

1.3电极的处理

1.3.1SWNTs /Nafion的制备将5%的Nafion溶液和已酸化处理好的单壁碳纳米管悬浊液以体积比1∶25混合均匀后，超声振荡30 min，得到分散均匀的Nafion/SWNTs溶液。

1.3.2GCE/SWNTs/Nafion/CuNPs修饰电极的制备移取2 μL 已分散均匀的Nafion/SWNTs溶液滴涂于GCE电极表面，室温下晾干，再将该修饰电极置入5 mmol·L-1的铜源溶液(5 mmol·L-1的CuSO4溶液+50 mmol·L-1的Na2SO4为支持电解质)中，采用恒电位沉积法，设置电压为-0.4 V(vs.SCE)，时间为120 s，电沉积纳米铜，制得GCE/SWNTs/Nafion/CuNPs修饰电极。

图2　不同电极的循环伏安图Fig.2　Cyclic voltammograms of different electrodes a.GCE,b.GCE/Nafion,c.GCE/Nafion/SWNTs,d.GCE/ Nafion/SWNTs/CuNPs；scan rate:100 mV·s-1

图3　不同扫速下UA在GCE/ Nafion/SWNTs/ CuNPs 上的循环伏安曲线Fig.3　CV curves of GCE/ Nafion/SWNTs/ CuNPs electrode in UA(pH 7.0) at various scan rates scan rate(from inner to outer):20,40,60,80,100,120,140, 160,180,200,220,240 mV·s-1；insert： plot of UA current versus square root of scan rate

2　结果与讨论

2.1扫描电镜与能谱仪表征

图1为SWNT 与SWNTs/Nafion/CuNPs的扫描电镜图，从图中可见单壁碳纳米管细长、均匀且交织分散在玻碳电极表面(图1A)，由于构成碳纳米管的碳原子基本处于表面位置，故其具有较大的比表面积。图1B为沉积纳米铜之后的电镜图，在Nafion的作用下，纳米铜较牢固地附着在碳纳米管上。采用能谱仪对SWNTs/Nafion/CuNPs进行表征，表明该材料含有元素C(3.13%)和Cu(3.58%)。

2.2不同修饰电极在UA中的电化学行为分析

图2为不同修饰电极在UA中的循环伏安图，由图可见，GCE能检测到UA的氧化电流(曲线a)，峰电位约0.4 V。GCE仅被修饰Nafion后，UA的氧化峰很微弱(曲线b)，未发生明显的氧化反应， 这是由于Nafion属于阳离子选择性膜，自身因带有负电荷而对UA显示出强烈的静电排斥作用，从而隔绝了UA离子与修饰电极表面的接触，故其氧化峰微弱。Nafion/SWNTs修饰玻碳电极的CV曲线显示(曲线c) ，碳纳米管很容易分散在Nafion大分子中[17]，采用此非共价键复合物修饰玻碳电极后其生物兼容性更好，这是因为Nafion不会破坏碳纳米管外壁本身的∏电子结构，而且显著降低了碳纳米管之间的范德华力[18]。GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs(曲线d)在UA中的峰电流明显提高，说明Nafion/ SWNTS复合物和纳米铜结合后能促进生物小分子发生电子转移，电催化信号增强。

2.3pH值的影响

考察了GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs修饰电极在不同pH值(5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,8.0,8.5)下对UA的峰电流响应信号。结果显示，随着pH值从5.0增至 7.0，峰电流呈上升趋势，此后，继续增大pH值则峰电流减小。因此，本实验选择pH 7.0的PBS缓冲溶液。

2.4扫描速率的应用

考察了扫速对峰电流的影响，结果见图3。从图中可以看出，扫描速率在20～240 mV·s-1范围内，当扫速以20 mV· s-1递增时，UA的氧化峰电流也呈规律递增，且UA的氧化峰电流与扫速的平方根呈线性关系(图3插图)，其线性方程为Ip=-0.016v1/2-0.049(r2=0.992 0)。说明UA在GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs电极表面受扩散控制，因此，后续实验无需采用富集方法来增大电流响应信号，可直接采用修饰电极测量UA。

2.5尿酸工作曲线的建立

采用微分脉冲伏安法(DPV)对UA的不同浓度进行研究，以获得可靠的工作曲线。首先将GCE/Nafion/SWNTs/CuNPs修饰电极在pH 7.0的PBS缓冲液中扫描10次至稳定，再按浓度从小到大的顺序依次对UA(0，0.1，5，50，100，300，500，700，1 000 μmol·L-1)进行检测。结果表明，随着浓度的增加，UA的氧化峰电流(Ip)有序增加，且在0.1～1 000 μmol·L-1浓度(c,μmol·L-1)范围内呈良好的线性关系，线性方程为Ip=-0.297-0.012c(r2=0.999 3)，检出限(S/N=3)为0.058 5 μmol·L-1。

2.6电极性能测试

2.6.1抗干扰性多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)和UA共存于动物血液，而且三者的峰电位很接近，在实际测量中会彼此干扰。配制DA,AA,UA的浓度均为500 μmol·L-1，采用微分脉冲伏安法进行测试，结果表明，DA和AA的加入对UA的峰电位和峰电流几乎不产生影响，在线性范围内不断改变DA和AA的浓度，实验结果仍不变。这表明该修饰电极具有良好的抗AA、DA干扰能力，有望用于实际测量。

2.6.2重现性与稳定性将GCE/CuNPs/SWNTs/Nafion修饰电极避光保存于4 ℃冰箱中，采用DPV法考察了该修饰电极的稳定性和重现性。规定观察时长40 d，观察频次为1次/5 d，每次平行3组实验。结果表明，随着存放天数的不断增加，响应电流不断降低，当存放第25 d时，修饰电极的响应电流不低于91%，存放第40 d时，修饰电极的响应电流降为初始的81.5%，表明该电极寿命长、稳定性好；3组平行实验的最大相对标准偏差(RSD)不大于2.1%，说明修饰电极的重现性好，精密度高。

2.7血清中尿酸含量的测定

为进一步探究该电极的实用性，收集糖尿病患者的血清样品，以pH 7.0 PBS溶液将血样稀释10倍，分别采用DPV法测定，每个血样测定3次，同时与GOD-POD酶联法(罗氏P800仪器测定)结果进行对照，结果见表1。从表中可见，本法的回收率为97.2%～103.9%，说明采用GCE/CuNPs/SWNTs/Nafion修饰电极检测实际样品中的UA含量准确，具有较大的可行性。人体血清中尿酸浓度的参考范围为208～428 μmol·L-1，而表1的数据表明该糖尿病患者血清中的尿酸值属正常水平。

表1　糖尿病患者血清中尿酸的测定

进一步比较了本修饰电极与其他修饰电极对UA的检测结果(表2)，可以看出使用GCE/CuNPs/ SWNTs/Nafion修饰电极检测UA可得到较理想的线性范围和检出限。

表2　不同修饰电极检测UA的线性范围和检出限

*no data

3　结　论

本研究采用方便简单的电沉积法制备了GCE/CuNPs/SWNTs/Nafion修饰电极。该修饰电极结合了SWNTs的导电、催化性能，Nafion良好的电子交换能力及纳米铜粒子的电子传递能力，对于UA的测定具有很高的电催化性能。UA浓度在0.1～1 000 μmol·L-1范围内与其峰电流呈良好线性关系，检出限为0.058 5 μmol·L-1。在干扰物质DA和AA存在下，该修饰电极能实现UA的准确测定，显示出较强的抗干扰能力，且电极的寿命长、稳定性好；将该电极用于糖尿病患者血清中UA的测定，测得UA的回收率为97.2%～103.9%。

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Facile Preparation of an Economic Nonenzymatic Uric Acid Sensor Based on SWNTs/Nafion/CuNPs Nanocomposites

ZHANG Cui-zhong1，2， LIAN Huan1， HUANG Hai-feng1， ZHANG Zhen-fa1，LIANG Cai-yun1，MENG Mei-xiang1，PENG Jin-yun1，2*

(1.Chemical and Biological Engineering,Guangxi Normal University for Nationalities,Chongzuo532200,China；2.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Chemistry of Guangxi Southwest Plant Resources,Chongzuo532200,China)

An economic and facile preparation nonenzymatic uric acid sensor was successfully fabricated by electrodeposition of copper on SWNTs/Nafion-modified glassy carbon electrode.The morphology of the material was observed by scanning electron microscopy(SEM)，and the element composition of the material was investigated by energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX).Effects of various scan rates and pH conditions on the modified electrode were investigated.The linear range of detected UA was in the range of 0.1-1 000 μmol·L-1and the limit of detection(LOD,S/N=3) was 0.058 5μmol·L-1.The sensor was applied in the detection of UA in human serum by the standard addition method with recoveries of 97.2%-103.9% and relative standard deviation(RSD)of 0.04%-0.11%.The results of the nonenzymatic method are highly consistent with that of the GOD-POD enzymatic method.The sensor shows the advantages of facile fabrication,high sensitivity,good stability and high reproducibility.

single-walled carbon nanotubes(SWNTs);uric acid(UA);sensor;copper nanoparticles(CuNPs);Nafion

2015-11-25；

2016-02-02

国家自然科学基金资助项目(21465004)；广西高等学校科学技术研究项目(2013YB271)

彭金云，博士，教授，研究方向：电化学，Tel:0771-7870708，E-mail:pengjinyun@yeah.net

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.07.020

O657.1;R686.6

A

1004-4957(2016)07-0888-05