首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 影像检验论文 > 检验职称论文 > 用于尿酸检测的MIL—101(Cr)生物电化学传感器

用于尿酸检测的MIL—101(Cr)生物电化学传感器

2024-05-11 8 上传者：管理员

摘要：人体血液中尿酸(UA)含量异常会引发一系列疾病，因而尿酸浓度的检测方法有广泛的应用前景。通过水热法合成金属有机框架(MOF)材料MIL—101(Cr),并通过X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)对材料进行表征；利用滴涂法将MIL—101(Cr)涂附在玻碳电极(GCE)表面制得修饰电极MIL—101(Cr)/GCE,通过循环伏安(CV)法，差分脉冲伏安(DPV)法来验证基于MIL—101(Cr)的生物电化学传感器用以定量检测尿酸的可行性。实验结果表明：该材料在尿酸的氧化还原反应中起催化作用，此尿酸生物电化学传感器能够有效地检测尿酸。

关键词：
尿酸
生物传感器
电化学检测
色谱分析
金属有机框架材料
加入收藏

尿酸(uric acid, UA)是人体主要代谢产物之一[1]。因此，有必要开发一种有效的分析技术来准确地测定尿酸浓度，并能够对人体中尿酸含量进行实时监测。光谱和色谱分析方法存在操作过程复杂、耗时较长、成本高、不够精确等缺点，在具体使用过程中受到一定程度的限制。电化学传感器[2]因其高效、精确等优点，被认为是一种新兴的、有发展前景的检测方法。例如以生物酶[3]作为催化剂运用在生物电化学传感器中的方法得到快速发展[4]。生物酶具有催化效率高、催化速率快、专一性等优点，可以快速有效地催化特定物质，但是生物酶也同时存在稳定性差，对环境要求高，蛋白质结构容易遭到破坏等缺点，限制了生物酶的进一步发展。

非酶型催化剂[5]不仅可以继承生物酶高效、专一等优点还可以避免稳定性差等缺点，是生物酶完美的替代物。近年来，金属有机骨架(metal-organic framework, MOF)[6]作为非酶催化剂在生物传感器中得到广泛应用。MOF[6]是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的材料，结合了有机和无机组分的优点，是一种具有良好的孔隙结构，较大比表面积的多孔结晶材料。因此，基于MOF材料的传感器[7]受到越来越多的关注。基于MOF材料的传感器，检测限低，灵敏度高，具有良好的应用前景。

本文采用MOF材料MIL—101(Cr)用以代替尿酸酶，在电化学检测过程中提高生物传感器的灵敏度与稳定性。此类尿酸生物传感器就是把非酶型催化剂(MIL—101(Cr))通过滴涂法在电极表面制成薄膜。此修饰电极与溶液中的尿酸接触时，尿酸在电极表面进行氧化还原反应，进而转化成尿囊素[8]、H2O2、和CO2。由于催化氧化过程存在电子转移，此过程电信号被捕捉并通过某种手段加以显示，同时不同浓度扩散速率不同，检测出所产生的反应电流强度不同；通过适当的方法将不同的电信号转换成尿酸浓度信号。

1、实验部分

1.1实验试剂

硝酸铬(Cr(NO3)3·9H2O)分析纯、对苯二甲酸(TPA)、氢氟酸(HF)、N,N—二甲基甲酰胺(DMF)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、氢氧化钠(NaOH)、乙醇、UA、Nafion溶液。

1.2样品制备

4.8 g Cr(NO3)3·9H2O和1.996 g TPA混合研磨5 min,加入60 mL去离子水，磁力搅拌30 min,然后再加入0.22 mL HF,继续搅拌10 min后再超声10 min。然后将此混合液置于不锈钢反应釜内胆中，在220℃下反应20 h,冷却至室温取出悬浊液，离心分离得浅绿色固体。为了去除未反应的对苯二甲酸空腔，将浅绿色滤渣置入不锈钢反应釜中，120℃下反应8 h,冷却至室温。得到结晶的浅绿色粉末，然后分别用去离子水、热酒精、DMF交替洗涤3次，进一步纯化，随后离心，再将沉淀物80℃真空干燥15 h,研磨，得MIL—101(Cr)材料。

1.3玻碳电极的预处理与工作电极制备

为保证电极表面干净光滑，分别用0.5,0.3,0.05μm抛光粉对玻碳电极(glassy carbon electrode, GCE)表面进行打磨至电极表面呈光滑镜面。然后分别用超纯水和酒精对电极表面进行超声处理。最后，在-0.4～0.8 V的电位和50 mV·s-1的速率下，进行循环伏安(cyclic voltammetry, CV)测试，至CV曲线稳定。

修饰电极的制备方法[9],取10 mg样品(MIL—101(Cr))超声分散于1 mL乙醇溶液中，分别用移液器取10μL混合液和6μL Nafion溶液垂直滴于GCE表面，4℃下干燥，使混合液在GCE表面形成薄膜，得修饰电极MIL—101(Cr)/GCE。

1.4分析测试与电化学表征

X-ray衍射(X-ray diffraction, XRD)图谱采用XRD—7000S/L型衍射仪，衍射光源为CuKα,辐射从5°至90°,θ-2θ联动。采用(COXEM)EM—30台式扫描电子显微镜(SEM)对复合材料进行形貌分析测试。本文中所有电化学实验均在CHI660E电化学工作站(上海辰华)上进行，实验采用传统的三电极工作体系，其中以Ag/AgCl作为参比电极，铂(Pt)丝电极作为对电极，MIL—101(Cr)/GCE作为工作电极，其中改良的GCE(d为3 mm,工作表面积为0.070 7 cm2)。使用pH值为7.4的磷酸盐缓冲液(PBS),此缓冲溶液组成为Na2HPO4(0.1 mol/L)、KH2PO4(0.2 mol/L)、KCl(0.1 mol/L),pH通过NaOH (0.2 mol/L)、HCl (0.2 mol/L)进行调节。计时电流(chronoamperometry, CA)法电位跃迁ΔU=0.5 V,取0～0.25 s时间段作图，计算电量Q;CV电压范围为-0.4～0.8 V;差分脉冲伏安(differential pulse voltammetry, DPV)电压范围-0.4～1 V,脉冲幅度50 mV,脉冲宽度0.2 s,脉冲周期0.5 s。

1.5尿酸浓度的电化学检测

尿酸溶解于pH值为7.4的PBS缓冲溶液中，配置不同浓度的尿酸溶液，浓度范围为25μmol/L～1 mmol/L,记录DPV的电化学响应。

2、结果与讨论

2.1 UA氧化还原反应

一般来说，尿酸的电化学氧化还原反应过程主要表现为两点[8],如图1(a)所示，尿酸在缓冲溶液中被氧化成尿囊素，同时生成二氧化碳和过氧化氢；如图1(b)所示，生成的过氧化氢在电极表面继续被氧化生成H+,与此同时检测到相应的电流。其中，MIL—101(Cr)在此反应中为尿酸电化学氧化反应提供丰富的反应位点，起催化作用，加速尿酸的氧化。

图1尿酸氧化反应机理

2.2 MOF材料MIL—101(Cr)的表征

图2(a)为所制备的MOF材料MIL—101(Cr)的XRD图，通过上述实验方法制备的样品X射线衍射峰与模拟所得能够完美匹配，其中MIL—101(Cr)特征衍射峰集中在小角度区域，图2(b)即为制得样品在小角度区间内的特征衍射峰，与以往文献[10]相符，说明通过上述水热法合成了MIL—101(Cr)。

图2 MOF材料MIL—101(Cr)XRD

所得样品MIL—101(Cr)的形貌通过不同倍镜下的SEM进行表征。如图3为样品在10 kx和20 kx下的SEM图。从图中可以观察到非常明显的规则正八面体晶体结构。如图3所示，MIL—101(Cr)颗粒均匀，颗粒大小约为200～300 nm,颗粒之间有聚集现象，同时形成大量的孔洞结构。

图3 MIL—101(Cr)不同倍率SEM图

2.3工作电极的真实表面积

修饰电极的工作表面积=工作电极的双电层电容(C)/电极单位平整表面的双电层电容(C0) (1)

工作电极的有效表面积通过电化学方法来测量更符合本传感器的具体情况。本文实验通过计时电流法，得裸电极和工作电极的CA曲线如图4。以时间段0～0.25 s来计算Q(t),根据式(2)求得ΔQ=2.331 5×10-3A,再由式(3)计算得裸电极平整表面的双电层电容C=4.663×10-3F,则其双电层电容为6.595 F/m2。同样方法，工作电极MIL—101(Cr)/GCE的实际表面积则为2.2 cm2,远大于裸电极平整表面的表面积0.070 7 cm2,充分说明以MOF(Cr)材料修饰的工作电极可以为尿酸的氧化还原反应提供丰富的工作面积。

图4裸电极平整表面和修饰电极表面CA曲线

2.4 MIL—101(Cr)/GCE的电化学响应

在浓度为500μmol/L的尿酸溶液中，不同工作电极的循环伏安曲线如图5所示。图5中，裸GCE曲线没有明显的电化学响应，说明裸GCE在-0.4～0.8 V的电压范围内不会发生电催化氧化还原反应；MIL—101(Cr)/GCE做工作电极的CA曲线，在电压E=0.379 V处有明显的氧化峰，氧化峰在0.4 V左右对应尿酸的氧化还原反应[11]。

图5裸GCE和修饰电极在500μmol/L尿酸中CV曲线(在pH值为7.4的PBS缓冲溶液中)

2.5扫描速率的影响

分析扫描速率对峰电流的影响，对MIL—101(Cr)/GCE工作电极在不同的扫描速率下进行的循环伏安测试。从图6(a)中可以看出，在范围10～100 mV·s-1的扫描速率下，随着扫描速率的增加，氧化峰电流的响应强度也逐渐增加，同时伴随峰值右移。为了验证峰值电流密度与扫描速率之间的关系对峰值电流密度与扫描速率的平方根进行线性拟合，从拟合曲线(图6(b))中可以看出，峰值电流密度(Jp)与扫描速率(υ)的平方根在10～100 mV·s-1的范围内具有良好的线性关系，线性拟合方程为

,说明以在工作电极MIL—101(Cr)/GCE表面的电化学反应是一个典型的扩散控制过程[12]。

图6工作电极在不同扫描速率下的循环伏安测试

2.6尿酸的电化学检测

以MIL—101(Cr)/GCE为工作电极制得尿酸生物电化学传感器，在不同浓度尿酸下的DPV如图7所示，峰值电流对应电位0.3 V左右，为尿酸的特征响应[13]。对此曲线进行分析，在尿酸浓度范围为25μmol/L～1 mmol/L,从图7中可以看出，随着尿酸浓度的增加，对应DPV曲线的峰值电流密度也逐渐增大，峰值电流密度与尿酸浓度呈正比，且峰值电流密度(Jp)与尿酸浓度(c)线性相关，如图7(a)中尿酸浓度范围为25～250μmol/L时，线性拟合方程为Jp(μA·cm-2)=0.010 3c(μmol/L)+4.082 4(R2=0.999);图7(b)中尿酸浓度范围为0.6～1 mmol/L时，线性拟合方程为Jp(μA·cm-2)=0.011 9c(μmol/L)+6.394 6(R2=0.992)。

图7 MIL—101(Cr)/GCE在不同浓度尿酸溶液中的DPV曲线

由此可知，MIL—101(Cr)/GCE修饰电极对尿酸的氧化还原反应有良好的催化作用。根据上述可得，检出限为5.53μmol/L(S/N=3)[14];在浓度为25μmol/L～1 mmol/L范围内，峰值电流密度与尿酸浓度线性相关。因此，可根据峰值电流密度的大小来对尿酸浓度进行测定，同时由低浓度下尿酸与电流密度的线性关系，可对微量的尿酸进行测定。说明以MIL—101(Cr)/GCE为工作电极制得传感器在尿酸浓度检测方面具有潜在的应用发展前景[15]。

2.7尿酸电化学生物传感器的稳定性和重现性

以MIL—101(Cr)/GCE为工作电极制得的用于尿酸浓度检测的生物传感器，具有良好的稳定性以及可重现性。以此生物传感器检测尿酸时，每个尿酸浓度下分别进行3次测试，每时都选取最稳定的DPV曲线的峰值电流密度。最后对响应电流的峰值密度与对应浓度作图。

如图8所示，在不同尿酸浓度中进行多次测试时峰值电流密度误差较小，且峰值电流密度之间标准差小于1;将此修饰电极于4℃下保存10天后，以同样的方法进行电化学测试，所得峰值电流密度与原始数据相比，准确度仍可保持在90 %以上。综上所述，以MIL—101(Cr)/GCE为工作电极制得的用于尿酸浓度检测的生物传感器具有良好的稳定性和重现性。

图8不同浓度下多次测量的电流峰值密度的误差柱状图

3、结论

本文通过水热反应合成MIL—101(Cr),并以MIL—101(Cr)/GCE为工作电极所制得尿酸生物电化学传感器。通过分析此传感器的电化学工作行为，可知基于MIL—101(Cr)的传感器在尿酸浓度为25μmol/L～1 mmol/L范围内线性相关，线性拟合度高，检出限5.53μmol/L较低，此生物传感器灵敏度高，可用于微量尿酸检测，同时该生物电化学传感器还具有良好的稳定性和重现性。

参考文献:

[2]刘冉彤,于浩,宋诗稳,等.纳米银/石墨烯电化学传感器的制备及应用研究[J].传感器与微系统,2018,37(7):22-24,28.

[4]伍林,曹淑超,易德莲,等.酶生物传感器的研究进展[J].传感器技术,2005,24(7):4-6,9.

[9]张伟,甄生航,谢国明,等.电化学极化玻碳电极构建的葡萄糖生物传感器[J].传感器与微系统,2011,30(8):110-112,119.

[14]祝旭初.空白批内标准偏差和方法检出限的计算[J].化学分析计量,2014,23(3):96-98.

基金资助:云南省科技重大专项(202202AG050003—1);

文章来源:赵微微,张正富,王劲松,等.用于尿酸检测的MIL—101(Cr)生物电化学传感器[J].传感器与微系统,2024,43(05):133-136.