Zichtbaar-licht-geassisteerde Au nanopartikelen-gemodificeerde glazen koolstof elektroden voor gevoelige urzuur detectie

Samenvatting

We rapporteren een hooggevoelige, niet-enzymatische benadering voor urzuur (UA) bepaling die zichtbare-lichtverlichting op een glazen koolstof elektrode (GCE) gemodificeerd door elektrogedepliceerde goud nanopartikelen (AuNPs) benut. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) bevestigde dat de AuNPs goed gedisperseerd, sferische deeltjes zijn met een gemiddelde diameter van 26,1 nm. Cyclische voltammetrie (CV) en differentiële pulsvoltammetrie (DPV) studies onthulden dat zichtbaar licht zowel de magnitude als de stabiliteit van de responsestroom dramatisch verbetert door het oppervlakte-plasmon-resonantie (SPR) effect van AuNPs. DPV toonde een lineaire correlatie tussen piekstroom en UA-concentratie van 2,8 tot 57,5 µM, beschreven door I_pa (µA)=0,0121 c_UA (µM)+0,3122 (R²=0,9987). Deze resultaten demonstreren het potentieel van de zichtbaar-licht-verbeterde Au/GCE als een betrouwbare elektrochemische sensor voor UA.

Achtergrond

Urzuur is het eindproduct van purinemeta bolisme en de concentratie in bloed en urine fungeert als biomarker voor aandoeningen zoals jicht, niersiekte, hypertensie, en cardiovasculaire stoornissen. Integen, lage UA-niveaus zijn gekoppeld aan multiple sclerose, Parkinson-ziekte, Alzheimer-ziekte, en optische neuritis. Gevolgelijk is nauwkeurige monitoring van UA in biologische vloeistoffen klinisch onmisbaar.

Traditionele UA-assays—met inbegrip van enzymatische tests, HPLC, massaspectrometrie, capillair electroforese, chemiluminescentie, en colorimetrie—vereisen vaak complexe monsterbereiding en lange analysetijden. Elektrochemische methoden, die de irreversibele oxidatie van UA tot allantoïne exploiteren, bieden een snellere en eenvoudigere alternatief. Recente vooruitgang heeft een verscheidenheid aan niet-enzymatische sensoren geïntroduceerd: palladium-geladen koolstofnanovezels, koolstof ionische vloeistof elektroden, PtAu hybride films, en chitosaan-grafeen composieten, onder andere.

Nanometaalen—Ag, Au, Pt, Cu, Pd—zijn uitgebreid gebruikt om elektrochemische sensoren te fabriceren vanwege hun uitstekende geleiding, groot oppervlaktegebied, en biocompatibiliteit. Goud nanopartikelen, in het bijzonder, profiteren van een uitgesproken SPR die zichtbaar licht kan oogsten en katalytische activiteit kan verbeteren. Deze eigenschap motiveert de huidige studie, die AuNPs combineert met zichtbare-lichtverlichting om UA-detectie te versterken.

Methoden

Apparatuur

De morfologie van de gemodificeerde elektrode werd onderzocht met een Hitachi SU8010 SEM. Elektrochemische metingen werden uitgevoerd op een CHI760D werkstation met een drie-elektrode configuratie: Au/GCE (0,07 cm²) als de werkelektrode, een platina draad tegenelektrode, en een verzadigde calomeel referentie-elektrode. pH-waarden werden gemeten met een pHS-2F meter.

Reagentia

Urzuur werd afkomstig van Acros Organics. Chloorauurzuur, disodiumwaterstoffosfaat, natriumdihydrogenfosfaat, kaliumferrocyanide, kaliumferricyanide, en kaliumchloride werden aangeschaft bij Sinopharm. Alle reagentia werden zoals ontvangen gebruikt; experimenten werden bij kamertemperatuur uitgevoerd.

Elektrodebereiding

Een L-type GCE werd gepolijst met 0,05 µm alumina, ultrasoon gereinigd, en gespoeld tot de CV in 2,5 mM Fe(CN)₆³⁄⁴⁻/0,1 M KCl symmetrische pieken vertoonde met ΔE_p <100 mV. AuNPs werden elektrogedepliceerd uit 1 mM H₃PO₄/0,24 mM HAuCl₄ bij –0,2 V, met massalading afgestemd door de gedeponeerde lading.

Resultaten en discussie

Morfologie en karakterisering van elektrode

SEM-beelden (Figuur 1) tonen een dichtgepakte, monodisperse verdeling van sferische AuNPs op het GCE-oppervlak. De groottehistogram geeft een gemiddelde diameter van 26,1 nm, wat een smalle grootteverdeling bevestigt die het actieve oppervlaktegebied voor UA-oxidatie vergroot.

Cyclische voltammetrische gedragingen

CV's in 0,1 M PBS (pH 7,0) bevattende 1,0 mM UA (Figuur 2) tonen aan dat zichtbare-lichtverlichting (20 cm van een Xe-lamp) de anodische piekstroom verhoogt van 12 µA (donker) naar 20 µA (verlicht) en de respons stabiliseert over opeenvolgende scans. De piekpotentiaal verschuift ~6 mV negatief onder verlichting, wat verbeterde elektronenoverdracht aangeeft.

Effect van zichtbare-lichtverlichting

Tijdens opeenvolgende CV-cycli, triggerde verlichting een snelle stijging in stroom (Figuur 3a). Fotostroom-tijd kurven (Figuur 3b) tonen directe dalingen wanneer de lamp wordt uitgeschakeld en snelle herstellingen bij herverlichting, wat een stabiele en reversibele SPR-gedreven verbetering bevestigt. UV–Vis spectra (Bijlage 1: Figuur S2) vertonen een absorptiepiek bij 597 nm, consistent met SPR van AuNPs. Heet-elektronenoverdracht van Au naar het GCE-oppervlak versnelt UA-oxidatie en verbetert gevoeligheid.

Effect van goudhoeveelheid

Variërende Au-lading (0,96–57,8 µg cm⁻²) onthulde een optimale dichtheid van 28,9 µg cm⁻², waar piekstroom gemaximaliseerd was en potentiaal meest negatief. Overmatige Au (>57,8 µg cm⁻²) verminderde de stroom licht door gehinderde elektronenoverdracht. De gekozen lading biedt de beste balans van oppervlaktegebied en geleiding.

Effect van pH-waarde

De optimale pH voor UA-detectie werd gevonden op 7,0, zoals aangegeven door de maximale anodische piekstroom (Figuur 5). De stroom daalde geleidelijk van pH 7,0 tot 9,0, wat bevestigt dat neutrale condities de elektrochemische oxidatie van UA gunstigen.

Effect van scansnelheid

Het verhogen van de scansnelheid van 20 tot 200 mV s⁻¹ produceerde een positieve verschuiving in piekpotentiaal, wat een quasi-reversibele reactie aangeeft. Een lineaire relatie tussen anodische piekstroom en √ν (R²=0,9702) bevestigt diffusie-gecontroleerde UA-oxidatie (Figuur 6).

Bepaling van UA

DPV-analyse (Figuur 7) vertoonde een lineaire respons van 2,8 tot 57,5 µM UA, beschreven door I_pa (µA)=0,0121 c_UA (µM)+0,3122 (R²=0,9987). Zonder verlichting vernauwde het lineaire bereik tot 3–21 µM (R²=0,9943). De sensor toonde 7,88% RSD over acht elektroden en een 9,8% signaalverlies na één week opslag, wat goede reproduceerbaarheid en stabiliteit aangeeft. Interferentie-studies en echte-monsteranalyse (menselijk serum) leverden 96,3% herstel, wat praktische toepasbaarheid bevestigt.

Conclusies

Homogene, sferische AuNPs werden elektrogedepliceerd op GCE, wat een goed-gedisperseerde nanostructuur opleverde met een gemiddelde diameter van 26,1 nm. De zichtbaar-licht-geassisteerde Au/GCE vertoonde superieure elektrochemische prestaties, uitstekend de donkere conditie door SPR-geïnduceerde fotostroomverbetering. De resulterende sensor biedt een eenvoudige, snelle, en betrouwbare methode voor UA-kwantificering, met potentiële uitbreiding naar andere biomoleculen.

Afkortingen

AuNPs:

Goud nanopartikelen

CE:

Capillair electroforese

CV:

Cyclische voltammetrie

DPV:

Differentiele pulsvoltammetrie

GCE:

Glazen koolstof elektrode

HPLC:

Hoge-prestatie vloeistofchromatografie

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

SPR:

Oppervlakte-plasmon-resonantie

UA:

Urzuur