范詠梅+張紀(jì)梅 米超+蔡宇玲+張麗萍+朱海彬

摘要以水合肼為還原劑，硝酸鋅為前驅(qū)體，采用原位還原法同時(shí)還原氧化石墨烯（GO）和硝酸鋅，制備了聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）改性石墨烯/氧化鋅復(fù)合材料（PDDArGO/nO）。采用傅里葉紅外光譜（IR）、X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（EM）對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了表征，并通過循環(huán)伏安（CV）和線性掃描伏安（LSV）電化學(xué)測(cè)試方法，研究了PDDArGO/nO修飾玻碳電極對(duì)尿酸（UA）的檢測(cè)性能。結(jié)果表明，此修飾電極對(duì)UA表現(xiàn)出良好的電催化活性，具有良好的抗干擾性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。采用線性掃描伏安法檢測(cè)UA的線性范圍為002～010 mmol/L和010～100 mmol/L，檢出限為159 nmol/L（S/N=3）。

關(guān)鍵詞石墨烯； 氧化鋅； 復(fù)合材料； 循環(huán)伏安； 線性掃描； 尿酸

1引 言

尿酸（UA）是生物體中嘌呤核苷、腺苷和鳥苷代謝的主要終產(chǎn)物。人體尿液和血液中尿酸的正常水平分別為19～6 mmol/L和120～50 mmol/L[1]，如果體內(nèi)尿酸水平過高會(huì)導(dǎo)致痛風(fēng)、高尿酸血癥和慢性腎病等疾病[2，3]，因此尿酸檢測(cè)在臨床上具有重要意義。目前，檢測(cè)尿酸的方法主要有高效液相色譜法[]、毛細(xì)管電泳法[5]、酶催化法[6]與電化學(xué)方法[7，8] 等，其中，電化學(xué)方法因其簡(jiǎn)單、快速、靈敏的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，Sun等[9]合成了多層碳納米管/氧化石墨烯納米帶核殼異質(zhì)結(jié)修飾電極檢測(cè)UA； Guo等[10]研究了石墨烯/銀聚苯胺復(fù)合材料修飾電極對(duì)UA的電化學(xué)檢測(cè)性能。盡管各種修飾材料已經(jīng)被報(bào)道用于UA的檢測(cè)，但由于抗壞血酸（AA）和多巴胺（DA）常與UA共存，會(huì)對(duì)其檢測(cè)產(chǎn)生干擾，因此，尋找電化學(xué)性能良好的材料對(duì)玻碳電極進(jìn)行表面修飾尤為重要。

石墨烯（Graphene，G）是一種具有二維共軛結(jié)構(gòu)、大比表面積、高電子遷移率及較高的化學(xué)穩(wěn)定性的新型碳納米材料[11，12]，在儲(chǔ)能、光催化、電子以及化學(xué)傳感器等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[12，13]。但石墨烯在水中的分散性能差，限制了它的應(yīng)用。聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）是一種陽(yáng)離子聚合物，可與石墨烯通過非共價(jià)鍵吸附的方式結(jié)合，從而提高石墨烯在水中的分散性和穩(wěn)定性。氧化鋅（nO）具有無毒、電子傳遞速度快、成本低且生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。有研究表明，在石墨烯上修飾納米氧化鋅可提高復(fù)合材料的電化學(xué)活性[1，15]。

基于石墨烯、PDDA與nO材料的以上優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)通過簡(jiǎn)單的原位還原法成功合成了PDDA改性還原/nO復(fù)合材料（PDDArGO/nO），用于修飾玻碳電極，并研究了其對(duì)UA的檢測(cè)性能。結(jié)果表明，此修飾電極可實(shí)現(xiàn)UA的特異性檢測(cè)，不受共存的DA與AA的影響，而且具有穩(wěn)定性和重復(fù)性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

2實(shí)驗(yàn)部分

21儀器與試劑

NICOLEiS10型紅外光譜儀（美國(guó)熱電公司）； VersaSA3型電化學(xué)工作站（美國(guó)普林斯頓公司）； 三電極體系：修飾玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為輔助電極； itachi7650型透射電子顯微鏡（日本日立公司）； X射線衍射儀（德國(guó)BRUKER AXS公司）。

聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）、多巴胺（DA）、石墨粉（8000目）、尿酸（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）； 水合肼（80%）、抗壞血酸（天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）； n（NO3）2·62O（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）； KMnO、NaNO3（天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）； 濃2SO（98%）、2O2（30%）（天津市贏達(dá)稀貴化學(xué)試劑廠）； Cl（36%～38%， 天津市德蘭化工廠）。電化學(xué)檢測(cè)所用支持電解液均為01 mol/L磷酸鹽緩沖液（PBS， p 70，含01 mol/L KCl）。 實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水，試劑均為分析純。

22氧化石墨烯（GO）的制備

采用改進(jìn)的文獻(xiàn)[16，17]方法制備GO： 分別稱取2 g石墨粉和2 g NaNO3于圓底燒瓶中，在冰水浴下加入5 mL濃2SO，攪拌1 h； 然后緩慢加入6 g KMnO， ℃以下攪拌反應(yīng)2 h； 隨后將水浴溫度調(diào)至35℃，恒溫反應(yīng)3 h； 用恒壓漏斗向混合物中逐滴加入90 mL水，并將水浴溫度升至98℃繼續(xù)反應(yīng)1 h； 最后加00 mL水稀釋，待溫度降到60℃以下時(shí)加入10 mL 2O2和00 mL 5% Cl溶液，攪拌反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物用水離心洗滌至溶液p值為中性， 60℃下真空干燥，得到GO。

23PDDArGO /nO復(fù)合材料的制備

稱取003 g GO超聲分散在水中，配制成1 mg/mL的分散液； 加入30 mL 05% PDDA溶液，攪拌30 min，然后加入10 mL 50 mmol/L n（NO3）2溶液和2 mL水合肼，95℃恒溫水浴反應(yīng)3 h。將產(chǎn)物離心，用水洗滌，60℃真空干燥，得到PDDArGO/nO復(fù)合材料。同樣的條件下制備G/nO和PDDArGO復(fù)合材料作為對(duì)照，rGO/nO的制備不加入PDDA溶液，PDDA rGO制備過程中不加n（NO3）2溶液。

2修飾玻碳電極的制備

玻碳電極（GCE，直徑 mm）用05和03 μm的氧化鋁拋光粉依次進(jìn)行打磨光滑，用水和乙醇交替超聲洗滌3次，晾干備用。 分別稱取適量GO、rGO/nO、PDDArGO和PDDArGO/nO，在超聲作用下分散在水中，制備05 mg/mL的分散液； 然后移取5 μL分散液滴在預(yù)處理好的玻碳電極表面，室溫下晾干，得到不同材料修飾的玻碳電極，備用。

3結(jié)果與討論

31材料的表征

由GO與PDDA rGO /nO復(fù)合材料的紅外光譜圖（圖1）可見，GO在317、1730、1622、1392和1072 cSymbolm@@ 1處出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收峰，endprint

分別對(duì)應(yīng)GO中O、CO、CC、CO以及CO的伸縮振動(dòng)峰。而在復(fù)合材料中，CO和CO的吸收峰消失，在20 cmSymbolm@@ 1處出現(xiàn)了nO的伸縮振動(dòng)峰，1565、1387和1210 cmSymbolm@@ 1處分別對(duì)應(yīng)CC、CO和COC的特征吸收峰，說明合成材料過程中還有部分CO和COC含氧官能團(tuán)剩余，但與GO相比，官能團(tuán)位置發(fā)生偏移，這可能是nO及PDDA的摻入導(dǎo)致。

由GO、nO和PDDArGO/nO的X射線衍射譜圖（圖2）可見，GO在116°有一個(gè)強(qiáng)晶面衍射峰（001），這與文獻(xiàn)[18]報(bào)道的結(jié)果一致。PDDArGO/nO復(fù)合材料在23°有一個(gè)晶面衍射峰（002），對(duì)應(yīng)GO的（001）晶面，說明合成復(fù)合材料的過程中GO被還原。除此之外，PDDArGO/nO在315°、31°、361°、72°、563°、626°、662°、677°和689°還擁有nO的特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（200）、（112）和（201）晶面，表明PDDArGO/nO復(fù)合材料中含有nO粒子。

圖3為GO、PDDArGO/nO和rGO/nO透射電鏡圖。從圖3A可見，GO為片狀結(jié)構(gòu)，而且由于氧化官能團(tuán)的存在，其邊緣部分呈現(xiàn)卷曲和褶皺狀態(tài)。圖3B和3C顯示了PDDArGO/nO與rGO/nO復(fù)合材料的形貌，石墨烯表面分布著nO顆粒，并且nO為梭狀結(jié)構(gòu)，粒子直徑在360～30 nm之間。

裸電極（GCE）、GO、rGO/nO，PDDArGO和PDDArGO/nO修飾電極在UA溶液中的循環(huán)伏安曲線如圖A所示，不同修飾電極在UA溶液中均出現(xiàn)了氧化還原峰，通過對(duì)比可知，PDDArGO/nO電極比其它電極的峰電流強(qiáng)度大，氧化峰電流值與還原峰電流值分別達(dá)到0036和00165 mA，是裸電極的58倍和1808倍，而且氧化還原峰電位相對(duì)其它電極負(fù)移。這是由于PDDA的加入使PDDArGO/nO復(fù)合材料帶正電，而UA在p=7的條件下帶負(fù)電，增大了電極對(duì)UA分子的靜電吸引力，加快了電子的轉(zhuǎn)移。

nO的加入使復(fù)合材料擁有更大的電活性表面積，進(jìn)一步提高了電極對(duì)UA的電催化活性。

GCE、GO、rGO/nO、PDDArGO和PDDArGO/nO修飾電極在UA、DA和AA共存時(shí)的循環(huán)伏安曲線見圖B，GCE、GO和rGO/nO修飾電極無法實(shí)現(xiàn)UA、AA、DA的峰分離，而PDDArGO與PDDArGO/nO修飾電極出現(xiàn)了3個(gè)峰，但相對(duì)PDDArGO/nO修飾電極，PDDArGO修飾電極的3種物質(zhì)的峰與峰之間的電位差及峰電流強(qiáng)度較小，說明PDDArGO和PDDArGO/nO修飾電極檢測(cè)UA均不受溶液中AA和DA的影響，但PDDArGO/nO修飾電極檢測(cè)UA具有更好的靈敏度。

33掃描速率對(duì)UA檢測(cè)的影響

PDDArGO/nO/GCE在UA溶液中不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線見圖5A，UA的峰電流強(qiáng)度隨著掃描速率的增加而增大（圖5B），掃描速率的平方根與峰電流強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)存在線性關(guān)系，線性方程分別為Ipa=01608v1/2-00116（R2=09911）； Ipc= Symbolm@@ 0117v1/2+00118（R2=099116）。表明UA在PDDArGO/nO修飾電極上的電化學(xué)行為是擴(kuò)散控制過程[19，20]。

3p值對(duì)檢測(cè)UA的影響

圖6顯示了p值對(duì)PDDArGO/nO修飾電極檢測(cè)UA的影響。峰電位隨著p值的增大向負(fù)電位移動(dòng)，表明UA在電極上的電化學(xué)過程有質(zhì)子參與[21]，而峰電流強(qiáng)度則隨著p值的增大呈現(xiàn)先增大后減弱的趨勢(shì)，p=70時(shí)，峰電流達(dá)到最大，因此，后續(xù)研究中選擇p=70的PBS緩沖液 。

35方法的檢測(cè)性能

圖7A是PDDArGO/nO修飾電極在不同濃度UA溶液中線性伏安掃描曲線，圖7B是UA濃度與峰電流強(qiáng)度的關(guān)系圖，在002～010 mmol/L和010～100 mmol/L的范圍內(nèi)，UA的峰電流強(qiáng)度與濃度具有良好的線性關(guān)系，線性方程分別為I=02995C+000865（R2=099817）和I=01379C+00235（R2=099215）， 檢出限為159 nmol/L（S/N=3），與文獻(xiàn)報(bào)道的UA檢測(cè)方法相比（表1），PDDArGO/nO修飾電極檢測(cè)UA的檢出限低，靈敏度高。

36選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

采用線性掃描伏安法考察了PDDArGO/nO修飾電極的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。在02 mmol/L UA中， 加入5 mmol/L葡萄糖、2O2、AA和DA， 對(duì)UA測(cè)定基本無影響（信號(hào)變化的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Symbolm@@ 8 his work[BG）][5]

（RSD）<10%）。 為了考察電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，制備5支PDDArGO/nO修飾電極，在含有02 mmol/L UA 的PBS（p 70， 01 mol/L KCl）溶液中進(jìn)行線性掃描伏安。結(jié)果表明，峰電流響應(yīng)值的RSD=29%； 將修飾電極在℃儲(chǔ)存20 d，電流響應(yīng)為原來的97%，重現(xiàn)性及穩(wěn)定性良好。

37尿液樣品分析

選取10個(gè)正常人的臨床尿液樣本檢測(cè)UA的含量，將尿液樣品用PBS（p 70， 01 mol/L KCl）溶液稀釋10倍，用PDDArGO/nO修飾電極進(jìn)行檢測(cè)（見表2）。結(jié)果表明，10個(gè)尿液樣品中UA的濃度均在正常范圍內(nèi)，平均濃度為321 mmol/L。將此結(jié)果與臨床檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者測(cè)定結(jié)果一致，表明此修飾電極能用于實(shí)際樣本中UA的檢測(cè)，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

研究結(jié)果表明， 所合成的PDDArGO/nO復(fù)合材料具有良好的穩(wěn)定性和分散性， 用此材料修飾玻碳電極測(cè)定UA顯示出高靈敏度，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，用于實(shí)際尿液樣品檢測(cè)，結(jié)果與臨床檢測(cè)值一致。endprint

References

1Ghanbari K， Moludi M Anal Biochem， 2016， 512： 91-102

2ig G A， Gunendi G， Pekyardmc S Appl Electrochem， 2017， 7（5）： 607-618

3Wang ， Yang B， hong B Y， hang K， hai C， Shiraishi Y， Du Y， Yang P Colloid Interface Sci， 2017， 97： 172-180

Dai X， ang X， hang C， Xu R， Xu B Chromatogr， 2007， 857（2）： 287-295

5Chen S， heng ， Wang ， ou ， e Q， Liu ， Xiong C， Kong X， Nie Anal Chem， 2013， 85（1）： 666-6652

6heng Y， Wang A， Lin ， u L， Cai WRSC Adv， 2015， 5（20）： 1525-1530

7Ye S， Wen Y， Wei D ， Gan L， Xu G Electroanalysis， 2010， 15（21）： 1693-1698

8errasti ， Martínez ， Baldrich E Sens Actuators B， 2016， 23： 667-673

9Sun C L， Chang C ， Lee ， hou ， Wang ， Sham K， Pong W ACS Nano， 2011， 5（10）： 7788-7795

10Guo ， Luo X K，Li Y ， Li D D， hao Q， Li M M， Ma C， Yanting Chem Res Chinese Universites， 2017， 33（3）： 507-512

11hang X， Dong ， Qian X， hao C Sens Actuators B， 2015， 221： 528-536

12AO ongCai， ANG Pu， LI Sheong， LUO ongXia Chinese Anal Chem， 2017， 5（6）： 830-836

趙鴻彩， 張 璞， 李社紅， 羅紅霞 分析化學(xué)， 2017， 5（6）： 830-836

13OU Qi， ONG Yongui， CEN Xing， WANG Yan， LIU Ping， WU YuCheng Acta Materiae Compositae Sinica， 201， 31（2）： 255-262

周 琪， 鐘永輝， 陳 星， 王 巖， 劉 平， 吳玉程 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 201， 31（2）： 255-262

1hang X， Dong ，Qian X， hao C Sens Actuators B， 2015， 221： 528-536

15iang L， Gu S， Ding Y， hang Nanoscale， 201， 6（1）： 207

16r W S ， Offeman R E Am Chem Soc， 1958， 80（6）： 1339

17N I K， P O， B R M， E M， S A C， E V B， A D G Chem Mater， 1999， 11（3）： 771-778

18u L， heng Y， Wang A， Cai W， Deng B， hang Arab Sci Eng， 2016， 1（1）： 135-11

19Liu A， Wei M D， onma I， hou Adv unct Mater， 2010， 16（3）： 371-376

20hang X， hang Y C， Ma L X Sens Actuators B， 2016， 227（11）： 88-96

21Sheng ， heng X Q， Xu Y， Bao W ， Wang B， Xia X Biosens Bioelectron， 2012， 3（1）： 125-131

22Li S M， Wang Y S， siao S ， Liao W ， Lin C W， Yang S Y， ien W， M Ma C C， u C C Mater Chem C， 2015， 3（36）： 9-953

AbstractBy using zinc nitrate as precursor and hydrazine hydrate as reducing agent， polydiallyl dimethyl ammonium chloride modified reduced graphene oxide/zinc oxide composite materials （PDDArGO/nO） were prepared by simultaneous reduction of graphene oxide （GO） and zinc nitrate he composite materials were characterized by ourier transform infrared （IR） spectroscopy， Xray diffractometer （XRD） and transmission electron microscopy （EM）， and their electrochemical catalytic activity for uric acid was studied by cyclic voltammetry （CV） and linear sweep voltammetry （LSV） measurements he result showed that PDDArGO/nO modified glassy carbon electrode prepared here was sensitive， reproducible and stable， and had significant electrocatalytic activity for UA When using linear sweep voltammetry for detection of UA， the responses of modified electrode were linear with UA concentration in the ranges of 002-01 mmol/L and 01-10 mmol/L respectively， with detection limit of 159 nmol/L （S/N=3）

KeywordsGraphene； inc oxide； Composite material； Cyclic voltammetry； Linear sweep voltammetry； Uric acidendprint