趙小銣， 閆炳東， 涂進(jìn)春

(海南大學(xué)理學(xué)院∥南海海洋資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥海南大學(xué)熱帶生物資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570228)

尿酸(UA)是人體重要的生理指標(biāo)，人體內(nèi)含量過多會誘發(fā)痛風(fēng)、慢性關(guān)節(jié)炎、腎功能障礙等疾病[1-2]. 由于現(xiàn)有的檢測技術(shù)尚不完善，因此在臨床分析、生物技術(shù)、生物化學(xué)等領(lǐng)域急需高效的尿酸檢測方法. 尿酸的檢測方法包括酶技術(shù)、伏安法、高效液相色譜法、磷鎢酸還原法和酶傳感器法[3-4]. 在這些方法中，酶傳感器因其選擇性高而備受關(guān)注，同時這種基于尿酸氧化酶的傳感器因其獨(dú)特的敏感性和特異性而被應(yīng)用于尿酸檢測. 然而，酶只能在有限的條件下發(fā)揮作用，這極大地限制了酶傳感器的應(yīng)用[5]. 同時，傳感器表面酶的固定是十分復(fù)雜的過程，固定后酶的活性降低、易脫落、反應(yīng)條件苛刻等原因限制了生物傳感器的應(yīng)用，而無酶傳感器在以生物組分為敏感材料的檢測方面具有優(yōu)異的性能，成為近年來的研究熱點(diǎn)[6].

無酶傳感器旨在解決酶生物傳感器在化學(xué)與熱力學(xué)方面的不穩(wěn)定性. 目前，該研究主要集中在各種金屬(Cu、Ag、Ni、Au、Pt等)[7-9]、金屬合金(Ag-Pt、Ni-Pd、Pt-Pb、Pt-Cu等)[10-11]以及金屬氧化物(CuxO、NiO、CoO、MnO2、ZnO等)[12-14]. 在這些材料中，金屬氧化物占了絕大多數(shù)，尤其是鎳氧化物(NiO). NiO是一種p型寬禁帶半導(dǎo)體，可用于修飾電極，實(shí)現(xiàn)直接、穩(wěn)定、低成本、低毒的應(yīng)用目的. 以上優(yōu)勢增強(qiáng)了NiO的適用性，并使其在環(huán)境友好型、高效型電化學(xué)檢測中有良好的應(yīng)用前景. 然而，合成NiO所需的較高溫度和較長時間限制了它的廣泛應(yīng)用. 近年來，基于Ni(OH)2的無酶催化電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展迅速，尿酸傳感器已被報道[15-16]. 作為無酶催化尿酸傳感器的電極材料，納米形貌的Ni(OH)2具有毒性低、表面積大、自然界含量豐富、電化學(xué)活性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢. 制備Ni(OH)2的方法主要有溶膠-凝膠法、模板法和水熱合成法. 例如，YANG等[17]通過水熱法在水和醇的混合溶劑中合成了納米氫氧化鎳，盡管水熱法被認(rèn)為是一種常用且成熟的Ni(OH)2合成方法，但由于耗時長，其應(yīng)用受到了極大的限制. 微波加熱合成法以其獨(dú)有的快速加熱能力而成為近年來許多研究的熱點(diǎn)[18].

本研究采用微波輔助水熱法制備了花狀Ni(OH)2微球. 微球的平均直徑約1.6 μm. 校準(zhǔn)曲線顯示出了較寬的線性范圍(0.1～1.5 mmol/L)和較高的靈敏度(475.71 μA·L/(mmol·cm2))，相關(guān)系數(shù)R2= 0.996 4，檢出限為1.8 μmol/L (S/N=3). 微波加熱后的產(chǎn)物展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能，如良好的再現(xiàn)性、良好的穩(wěn)定性和優(yōu)良的抗干擾能力.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

六水合氯化鎳和尿素均購自廣州化學(xué)試劑廠. 無水乙醇購于廣東光華科技股份有限公司，所有原料無需進(jìn)一步提純.

產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)通過X射線衍射儀(D8,德國布魯克)分析，使用銅(kα=1.540 6)作為靶材，操作電壓為40 kV，電流為30 mA . 設(shè)置掃描速率為0.02°/s，掃描速率范圍為5°～75°. 采用掃描電子顯微鏡(S-3000,日本日立)觀察Ni(OH)2的形貌. 使用透射電子顯微鏡(JEOL-2100F，日本電子)拍攝顯微照片. 樣品的拉曼光譜通過反射激光拉曼光譜儀(DXR Smart Raman,美國賽默飛世爾)測得.

循環(huán)伏安(CV)曲線和電流-時間曲線(i-t)的測試采用電化學(xué)工作站(CHI 660E，上海辰華). 參比電極為Ag/AgCl(飽和KCl溶液)電極，對電極為鉑絲.

1.2 Ni(OH)2的制備

將0.93 g六水合氯化鎳(NiCl2·6H2O)和0.19 g尿素溶于28 mL蒸餾水和乙醇的混合溶液中，V(乙醇)∶V(H2O)=1∶1. 劇烈攪拌，其中乙醇的作用是改變?nèi)芤旱臉O性，有利于Ni(OH)2納米結(jié)構(gòu)的生成. 將混合物轉(zhuǎn)移到帶有容積為88 mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，該反應(yīng)釜對微波輻射是透明的. 將反應(yīng)釜密封，在微波箱內(nèi)以90 ℃恒溫加熱15 min，自然冷卻至室溫. 用蒸餾水和無水乙醇洗滌產(chǎn)物并過濾. 最后將得到的納米顆粒在80 ℃下烘干24 h.

尿素對花狀結(jié)構(gòu)的形成起到至關(guān)重要的作用[19]，在一定的原料配比和適宜的反應(yīng)條件下可以合成花狀Ni(OH)2：

CO(NH2)2+H2O → 2NH3+CO2↑

(1)

(2)

Ni2++2OH-→Ni(OH)2↓.

(3)

尿素在反應(yīng)體系中逐漸分解為NH3和CO2，溫度從室溫升高至90 ℃. NH3溶于H2O產(chǎn)生OH-. Ni2+和OH-反應(yīng)生成Ni(OH)2納米顆粒. 不穩(wěn)定的微小Ni(OH)2納米顆粒很容易聚集成大尺寸的納米顆粒，此過程仍然保留其原有的晶體結(jié)構(gòu). Ni(OH)2納米顆粒表現(xiàn)出一致的行為——由于被水包圍的CO2氣泡具有較高的表面能，它們自動聚集在水和CO2的氣/液相界面周圍，這是軟模板方法. 游離的、花瓣狀的Ni(OH)2納米結(jié)構(gòu)被CO2吸引并誘導(dǎo)進(jìn)一步的自組裝，最后生成花狀Ni(OH)2微球，合成示意圖如圖1所示.

圖1 Ni(OH)2的合成示意圖

1.3 Ni(OH)2/GCE的制備

用0.05 μm氧化鋁粉末拋光玻碳電極(GCEs)表面. 將該電極在乙醇和去離子水中連續(xù)超聲5 min. 將Ni(OH)2水溶液滴在GCE表面，并在空氣氛圍下干燥.

1.4 尿酸的檢測及抗干擾實(shí)驗(yàn)

在0.1 mol/L NaOH溶液中，通過循環(huán)伏安(CV)法測定Ni(OH)2氧化尿酸的電化學(xué)反應(yīng)活性，掃描速率為50 mV/s，電位范圍為-0.2～0.7 V. 通過電流變化檢測Ni(OH)2修飾電極對不同濃度尿酸的響應(yīng)性能，擬合得到尿酸濃度在0.1～1.5 mmol/L范圍的線性函數(shù).

抗干擾實(shí)驗(yàn)分別選用0.15 mmol/L多巴胺(DA)、抗壞血酸(AA)、肌酐(Cre)與1.5 mmol/L尿酸混合溶液作為實(shí)驗(yàn)組，對照組為不添加干擾物質(zhì)的1.5 mmol/L尿酸，依次檢測電流響應(yīng).

1.5 檢出限計算

利用公式XL=S/k求得，其中XL為檢出限，S為3倍數(shù)據(jù)波動的標(biāo)準(zhǔn)差，k為響應(yīng)電流-尿酸濃度擬合曲線的斜率.

2 結(jié)果與討論

2.1 分級Ni(OH)2的形貌表征與分析

通過XRD表征產(chǎn)物的晶體學(xué)信息(圖2). 在2θ=13.0°、25.5°、33.0°、36.0°、43.0°和60.0°處的衍射峰分別對應(yīng)于Ni(OH)2的(001)、(002)、(100)、(101)、(102)和(110)晶面(JCPDS No:14-0117). 沒有檢測到雜質(zhì)的衍射峰，表明最終產(chǎn)物是純凈的Ni(OH)2，且獲得的產(chǎn)物具有高度的結(jié)晶性.

掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)圖片表明，微波輔助水熱法制備的產(chǎn)物呈花狀微球結(jié)構(gòu)(圖3). 由Ni(OH)2的SEM圖(圖3A)可知Ni(OH)2微球的平均直徑約1.6 μm. 通過TEM圖進(jìn)一步分析Ni(OH)2的納米結(jié)構(gòu)(圖3B)，微球整體是均勻的，這與圖3A的SEM圖分析結(jié)果一致. 在圖3B中，可以清楚地觀察到花狀Ni(OH)2微球是由Ni(OH)2片組成的.

圖2 Ni(OH)2的XRD譜

圖3 Ni(OH)2的SEM與TEM圖

為了探究合成的花狀Ni(OH)2微球的比表面積與孔徑分布，對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行比表面積(BET)分析(圖4)，結(jié)果表明：合成樣品的比表面積為54.489 m2/g(圖4A)，且樣品的表面孔徑分布為5～15 nm(圖4B). 這些結(jié)果充分證明花狀Ni(OH)2微球具有分級多孔的納米結(jié)構(gòu).

2.2 Ni(OH)2修飾電極的電化學(xué)測試

將Ni(OH)2修飾電極浸入0.1 mol/L的NaOH溶液中，以50 mV/s的掃描速率測試循環(huán)伏安(CV)曲線(圖5)，與無尿酸的循環(huán)伏安特征不同，添加0.1 mmol/L尿酸后，在循環(huán)伏安曲線中出現(xiàn)一對明顯的氧化還原峰，說明Ni(OH)2修飾電極對尿酸有電化學(xué)響應(yīng). 第一、二圈CV曲線峰形吻合，說明所制備的電極穩(wěn)定性良好.

圖4 Ni(OH)2的氮?dú)馕摳角€和孔徑分布

Figure 4 The nitrogen adsorption and desorption curve and pore size distribution of Ni(OH)2

圖5 在NaOH溶液中存在和不存在尿酸情況下的循環(huán)伏安曲線

Figure 5 The CVs of NaOH solutions in absence and presence of UA

注：NaOH溶液濃度為0.1 mol/L；尿酸濃度為0.1 mmol/L；掃描速率為50 mV/s.

可推測在0.1 mol/L NaOH溶液中，在0.1 mmol/L的尿酸存在情況下，在電位0.3～0.5 V之間出現(xiàn)的一對氧化還原峰是由Ni2+/Ni3+氧化還原反應(yīng)引起的：

Ni(OH)2+ OH-→ NiOOH + H2O + e-

(4)

在含有0.1 mmol/L 尿酸的NaOH(0.1 mol/L)溶液中，通過不同掃描速率的循環(huán)伏安曲線對Ni(OH)2修飾電極反應(yīng)的控速步驟進(jìn)行了研究. 圖6顯示了該電極在掃描速率從10 mV/s到100 mV/s的CV曲線，峰形沒有發(fā)生明顯變化，由此可以判斷出修飾電極的循環(huán)性能具有較好的可重復(fù)性.

圖6 Ni(OH)2電極在0.1 mol/L NaOH溶液中以不同掃描速率(10～100 mV/s)的循環(huán)伏安曲線

Figure 6 The CVs of the Ni(OH)2electrode in 0.1 mol/L NaOH solutions at different scan rates(10～100 mV/s)

根據(jù)25 ℃時氧化還原峰電流與掃描速率的關(guān)系

(5)

探究電極表面控速步驟.

圖7中給出了陽極峰值電流與掃描速率的平方根(v1/2)的線性擬合圖. 修飾電極的陽極峰值電流與掃描速率的平方根(v1/2)呈線性關(guān)系(R2=0.988 0)，說明在Ni(OH)2修飾電極上，尿酸的氧化是一個典型的擴(kuò)散控制過程. 結(jié)果表明:制備的修飾電極對尿酸具有較好的電化學(xué)催化性能.

圖7 氧化峰值電流與v1/2的線性擬合

Figure 7 The linear fitting curve of oxidation peak current vs. thev1/2

根據(jù)Ni(OH)2修飾電極的時間-電流曲線，探討修飾電極對尿酸的檢測性能. 本實(shí)驗(yàn)采用0.6 V的工作電位，在0.1 mmol/L的NaOH溶液中加入不同濃度的尿酸，在濃度0.1～1.5 mmol/L的范圍內(nèi)測量修飾電極的響應(yīng)電流(圖8)，在添加尿酸后電極幾乎立即響應(yīng)，并在10 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)水平，從而顯示出對尿酸的快速響應(yīng)特性，從側(cè)面說明了Ni(OH)2修飾的電極對尿酸具有良好的電化學(xué)催化性能.

圖8 Ni(OH)2電極的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)曲線

Figure 8 The typical steady-state responses of the Ni(OH)2electrode

注：施加電壓為0.6 V，將UA連續(xù)注入0.1 mol/L NaOH溶液中的同時進(jìn)行穩(wěn)態(tài)響應(yīng)測試.

在加入尿酸后電流穩(wěn)定的臺階中，選取后30 s的數(shù)據(jù)計算平均值，作為該濃度下的響應(yīng)電流大小，以加入的尿酸濃度與響應(yīng)電流作圖(圖9)，從電流強(qiáng)度與尿酸濃度的線性擬合曲線可以看出，電流強(qiáng)度與尿酸濃度在0.1～1.5 mmol/L范圍內(nèi)線性相關(guān)，R2=0.996 4. 從擬合直線的斜率計算可知，靈敏度高達(dá)475.71 μA·L/(mmol·cm2). 與此同時，取3倍數(shù)據(jù)波動的標(biāo)準(zhǔn)差(S)除以斜率(k)計算出Ni(OH)2修飾電極的檢出限為1.8 μmol/L(S/N=3)，與目前的文獻(xiàn)相比，本文檢測尿酸濃度的檢測上限較高[20-21].

圖9 不同濃度UA的電流響應(yīng)校準(zhǔn)曲線

Figure 9 The calibration curve of amperometric responses to different concentration of UA

2.3 Ni(OH)2修飾電極的抗干擾性能測試

在非酶檢測中如何避免內(nèi)源性干擾物是一個重大的挑戰(zhàn). 在尿酸檢測中，其他存在的電化學(xué)活性物質(zhì)可能引起干擾. 抗干擾評估結(jié)果表明，與尿酸相比，對DA、AA和Cre的反應(yīng)可以忽略不計(圖10)，因此所制備的尿酸傳感器具有顯著的選擇性.

圖10 含不同干擾劑的UA溶液中Ni(OH)2電極的電流響應(yīng)

Figure 10 The amperometric response of the Ni(OH)2electrodes in the UA solution with different interfering agents

注:在1.5 mmol/L UA中分別添加多巴胺(DA,0.15 mmol/L)、抗壞血酸(AA,0.15 mmol/L)和肌酐(Cre,0.15 mmol/L)后進(jìn)行檢測.

3 結(jié)論

利用微波輔助水熱法制備了Ni(OH)2微球. 所制備的Ni(OH)2由平均直徑約1.6 μm的花狀微球組成. 修飾電極的陽極峰值電流與掃描速率的平方根(v1/2)呈線性關(guān)系(R2=0.988)，說明在Ni(OH)2修飾電極上的尿酸氧化是一個典型的擴(kuò)散控制過程. 電流響應(yīng)-濃度校準(zhǔn)曲線表明，該電極對UA具有較寬的濃度檢測線性范圍(0.1～1.5 mmol/L)，且靈敏度高(475.71 μA·L/(mmol·cm2))，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 4，檢出限為1.8 μmol/L (S/N=3). 微波輔助水熱法突破了傳統(tǒng)水熱法耗時長的局限性，且Ni(OH)2修飾電極選擇性較好，不易受內(nèi)源性干擾物的影響. 同時，Ni(OH)2具有應(yīng)用于無酶生物傳感器測定尿酸濃度的潛力，從而開辟了具有實(shí)用價值的電化學(xué)方法檢測尿酸的新途徑.