A detecção fotoeletroquímica aprimorada de ácido úrico em nanopartículas de Au Eletrodo de carbono vítreo modificado

Resumo

Neste trabalho, um método sensível e novo para determinação de ácido úrico (UA) foi desenvolvido, no qual o eletrodo de carbono vítreo (GCE) foi modificado com eletrodeposição de nanopartículas de Au e usado para monitorar a concentração de UA com o assistente de iluminação de luz visível. . A morfologia das nanopartículas de Au depositadas na superfície do GCE foi caracterizada por microscópio eletrônico de varredura (MEV) e as nanopartículas foram consideradas esferas bem dispersas com diâmetro médio de aproximadamente 26,1 nm. Uma série de medições de voltametria cíclica (CV) e voltametria de pulso diferencial (DPV) revelaram que a introdução de luz visível pode aumentar muito a força e a estabilidade da corrente de resposta devido à ressonância plasmônica de superfície (SPR). Especificamente, o DPV mostrou uma relação linear entre a corrente de pico e a concentração de UA na faixa de 2,8 a 57,5 μM com a equação de I _pa (μA) =0,0121 c _UA (μM) + 0,3122 ( R ² =0,9987). Aqui, a luz visível iluminada Au / GCE possui um potencial para ser um sensor eletroquímico sensível no futuro.

Histórico

O ácido úrico (UA) é um dos produtos terminais do metabolismo das purinas e está presente em fluidos biológicos, como sangue e urina. As anormalidades dos níveis de ácido úrico sugerem a possibilidade de várias doenças, como gota, doença renal, hipertensão e cardiovascular, que estão associadas a níveis elevados de ácido úrico, enquanto um nível reduzido de UA causa doenças como esclerose múltipla, doença de Parkinson, doença de Alzheimer e neurite óptica [1]. Portanto, monitorar a concentração de UA no fluido corporal humano é clinicamente valioso e significativo para a precaução das doenças acima mencionadas ou outras semelhantes.

Uma vez que a supervisão da concentração de ácido úrico no fluido corporal humano é de grande importância, várias técnicas de detecção foram desenvolvidas de acordo com os relatórios anteriores, como ensaio enzimático [2, 3], cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) [4], espectrometria de massa [5], eletroforese capilar (CE) [6], quimioluminescência [7] e colorimetria [8, 9]. No entanto, todos esses métodos tradicionais podem exigir pré-tratamentos complicados ou consumir muito tempo. Devido à atividade eletroquímica única, o ácido úrico pode ser irreversivelmente oxidado em alantoína em solução aquosa, de modo que várias pesquisas se concentraram na quantificação do ácido úrico por meio de métodos eletroquímicos e os sensores eletroquímicos são reconhecidos como alternativas promissoras aos métodos tradicionais. Pesquisas nesta área surgiram nos últimos anos, e muitos novos sensores foram projetados para a detecção de UA, como eletrodo modificado de nanofibras de carbono carregado com nanopartículas de paládio (Pd / CNF-CPE) [10], eletrodo de líquido iônico de carbono (CILE ) [11], eletrodo modificado com filme híbrido PtAu [12], eletrodo modificado com quitosana-grafeno [13], etc. Métodos não enzimáticos são usados para detecção eletroquímica direta de UA, e o mecanismo foi demonstrado como abaixo [14, 15 ]:

Apesar de muitos esforços na detecção de UA, os métodos mais sensíveis, seletivos, estáveis e fáceis ainda precisam ser explorados até agora.

Devido às propriedades superiores em ambos os aspectos químicos e físicos, muitos tipos de nanometais, como prata (Ag) [16, 17], ouro (Au) [18, 19], platina (Pt) [20,21,22, 23], cobre (Cu) [24, 25] e paládio (Pd) [26, 27] aceleraram inúmeras pesquisas na fabricação de sensores eletroquímicos para análises médicas, monitoramento ambiental, controle de qualidade de alimentos, etc. [28]. Especialmente, nanopartículas de ouro (AuNPs) mostram a superioridade da condutividade, grande área de superfície e boa biocompatibilidade [29] e todas essas propriedades únicas tornam os AuNPs uma escolha adequada para detecção eletroquímica. Além disso, o efeito único de ressonância plasmônica de superfície (SPR) do Au para a coleta de luz visível por meio da oscilação coerente coletiva de elétrons de superfície pode ser benéfico para o grande aprimoramento da detecção de UA [30].

Com base nas análises acima, demonstramos aqui um método de eletrodeposição fácil para fabricar com sucesso AuNPs semelhantes a esferas bem dispersas na superfície do eletrodo de carbono vítreo (GCE). Além disso, uma série de medições eletroquímicas revelaram que o fascinante Au / GCE exibiu intensidade de corrente de resposta bastante aumentada com o auxílio de irradiação de luz visível. Em vista disso, acreditamos que este método fácil assistido por luz visível e as nanopartículas esféricas de Au lançam luz para a aplicação na detecção de UA posterior e além.

Métodos

Aparelho

O microscópio eletrônico de varredura (MEV) (Hitachi SU8010, Japão) foi utilizado para caracterizar a morfologia do eletrodo obtido. Todos os estudos eletroquímicos foram realizados em uma estação de trabalho eletroquímica CHI760D (Chenhua Instrument Co., Ltd., Shanghai, China) com um sistema convencional de três eletrodos, onde o eletrodo de carbono vítreo modificado (GCE) atuou como o eletrodo de trabalho (área de superfície de 0,07 cm ² ), um fio de platina serviu como contra-eletrodo (diâmetro de 0,5 mm), e um eletrodo de calomelano saturado (SCE) funcionou como o eletrodo de referência, respectivamente. O valor de pH da solução foi determinado por um medidor modelo pHS-2F (Instrument, Shanghai, China).

Reagentes

O ácido úrico (UA) foi adquirido na Acros Organics (Shanghai, China). Ácido cloroáurico (HAuCl ₄ · H ₂ O), hidrogenofosfato dissódico (Na ₂ HPO ₄ ), di-hidrogenofosfato de sódio (NaH ₂ PO ₄ ), ferrocianeto de potássio (K ₄ [Fe (CN) ₆ ]), ferricianeto de potássio (K ₃ [Fe (CN) ₆ ]), e cloreto de potássio (KCl) foram obtidos de Sinopharm Chemicals Reagent Co., Ltd .. Água bidestilada foi usada ao longo dos experimentos. A solução tampão de fosfato (PBS) recém-preparada 0,1 M de pH diferente foi escolhida para ser o eletrólito. Todos os reagentes foram usados como alcançados sem outra purificação, e todos os experimentos foram realizados à temperatura ambiente.

Preparação do eletrodo

Neste trabalho, escolhemos um eletrodo de carbono vítreo tipo L pela conveniência de expor a superfície modificada com nanopartículas de Au à iluminação de luz visível. O GCE (área de superfície 0,07 cm ² ) foi polido cuidadosamente com pasta de alumina de 0,05 μm em um pano de polimento úmido seguido de ultrassom em etanol e água por vários minutos para obter uma superfície semelhante a um espelho. Finalmente, o eletrodo foi enxaguado abundantemente com água destilada secundária e seco ao ar. Antes do processo eletroquímico de acompanhamento, polimos e enxaguamos o eletrodo repetidamente até as curvas voltamétricas cíclicas (CVs) em 2,5 mM Fe (CN) ₆ ^3/4− A solução de + 0,1 M KCl exibe dois picos simétricos perfeitos e a separação do potencial de pico (Δ E _p ) deles foi inferior a 100 mV. Nanopartículas de Au foram eletrodepositadas na superfície dos eletrodos pré-tratados em H 1 mM ₃ PO ₄ solução contendo 0,24 mM de HAuCl ₄ a um potencial constante de -0,2 V. O carregamento de massa diferente de AuNPs foi controlado pela alteração da quantidade elétrica durante o processo de deposição.

Resultados e discussão

Morfologia e caracterização do eletrodo

O microscópio eletrônico de varredura (MEV) foi utilizado para caracterizar a morfologia das nanopartículas de Au na superfície do GCE. As nanopartículas de Au foram formadas a um potencial constante de -0,2 V com uma certa quantidade elétrica de 3 × 10 ⁻³ C, e a densidade teórica de partículas de Au na superfície de GCE foi calculada em 28,9 μg / cm ² . A Figura 1a mostra que a superfície GCE é densamente coberta por nanopartículas de ouro semelhantes a pontos. A Figura 1b apresenta a morfologia da superfície em uma ampliação maior e mostra que os AuNPs suaves e esféricos se dispersam uniformemente na superfície do GCE. O histograma de distribuição de tamanho de partícula representado na inserção da Fig. 1b revelou que os AuNPs bem dispersos têm uma distribuição de tamanho estreita e o diâmetro médio calculado foi de aproximadamente 26,1 nm. Uma observação detalhada também pode nos ajudar a descobrir que os AuNPs obtidos são quase monodispersos, o que mostrou menos conexões entre si. Ao todo, esses termos favoráveis foram condutores para aumentar muito a área de superfície ativa e, em última análise, conduzir ao aumento da eficiência de detecção.

Imagens SEM de Au / GCE inferior ( a ) e maior ampliação ( b ) Inserido :histograma de distribuição de tamanho de nanopartículas de Au correspondente

Comportamentos voltamétricos cíclicos

Depois de modificado por Au, CV em 2,5 mM Fe (CN) ₆ ^3/4− Solução de + 0,1 M KCl foi tomada para comparar com GCE nua (Arquivo adicional 1:Figura S1). A curva CV de Au / GCE mostra um par de picos redox simétricos, apresentando maior corrente de resposta e menor separação de potencial de pico (Δ E p =63 mV) do que o de GCE nua. A partir dos dados acima, podemos concluir que a transferência de elétrons no Au / GCE foi melhor do que no GCE puro.

A Figura 2 mostra as curvas CV de Au / GCE em solução de PBS 0,1 M (pH 7,0) contendo UA 1,0 mM com (a) e sem (b) iluminação de luz visível para quatro círculos, respectivamente. Descobrimos que quando a distância da lâmpada de xenônio à superfície do eletrodo de trabalho é definida como 20 cm, a intensidade de luz visível mais poderosa seria apresentada. Em detalhes, o pico de corrente anódica para UA foi de 20 μA sob a iluminação de luz visível, enquanto o máximo da corrente de pico anódico sem iluminação de luz visível foi de apenas 12 μA. Além disso, com a presença de luz visível, a corrente de pico manteve um valor estável; no entanto, o valor da corrente de pico mostrou uma declinação contínua sem iluminação de luz visível. Além disso, o potencial de pico de oxidação de Au / GCE sob iluminação de luz visível é de aproximadamente 6 mV negativo do que sem iluminação de luz visível. A partir das investigações acima, podemos concluir que a luz visível pode melhorar o desempenho fotoeletrocatalítico de Au / GCE em relação à eletrooxidação de UA.

CVs de Au / GCE em solução de PBS 0,1 M (pH 7,0) contendo UA 1,0 mM com (a) e sem (b) iluminação de luz visível. Taxa de varredura 50 mV s ⁻¹

Efeito da iluminação de luz visível

A influência da iluminação de luz visível foi estudada adicionando a iluminação de luz visível em um determinado momento no processo de uma voltametria cíclica sucessiva. Conforme mostrado na Fig. 3a, a luz visível começou no local onde a seta está apontando. A curva 1 foi a última volta dos CVs sem iluminação de luz visível. A curva 2 foi o processo de transição, no qual a iluminação da luz visível partiu do potencial de aproximadamente 0,35 V, onde a corrente passou a aumentar teoricamente conforme a Fig. 2. Quando o eletrodo é exposto à iluminação da luz visível, a corrente apresentou um tendência ascendente, e a curva CV da seção de varredura reversa quase se sobrepõe à curva sob a iluminação de luz visível. A curva CV sob iluminação completa de luz visível foi exibida como curva 3, conforme narrado acima, a corrente ainda mantida constante. A Figura 3b mostra a resposta de fotocorrente de Au / GCE sob iluminação de luz visível em solução de PBS 0,1 M (pH 7,0) contendo UA de 1,0 mM no potencial de 0,48 V, em que a corrente atinge seu máximo na Fig. 2. As fotocorrentes do eletrodos conforme preparados foram seguidos pelo tempo atual ( I - t ) curvas. Para comparar as condições de luz e ausência de luz para detecção de UA, interrompíamos a iluminação da lâmpada Xe periodicamente. Pode-se verificar que enquanto a iluminação foi interrompida, a fotocorrente caiu instantaneamente, e a fotocorrente aumentou rapidamente ao ligar a iluminação, chegando então ao valor de equilíbrio em um curto espaço de tempo. A periodicidade perfeita demonstrada na foto indicou que a resposta à iluminação da luz visível é constante e o tempo necessário para a resposta é igual. O efeito de ressonância plasmônica de superfície (SPR) de nanopartículas de Au sob a iluminação de luz visível pode ser responsável pelo aumento da fotocorrente de Au / GCE em um lado. A espectroscopia de UV-vis de AuNPs preparadas foi mostrada no arquivo adicional 1:Figura S2. O pico de absorção foi localizado no comprimento de onda de 597 nm, que é aproximado ao comprimento de onda em alguns relatórios anteriores [31, 32]. Em detalhes, as nanopartículas de Au podem coletar a energia da luz visível [33]. Devido à excitação SPR, o acúmulo de elétrons quentes pode ocupar transitoriamente os estados vazios superiores acima do nível de Fermi, e então ocorre uma rápida transferência de elétrons de Au para GCE condutivo [34]. O processo de oxidação do UA ocorre na superfície das nanopartículas de Au, onde a molécula de UA transfere dois elétrons para a nanopartícula de Au. Por outro lado, depois de modificado com nanopartículas de Au, a taxa de transferência de elétrons foi bastante promovida.

a Potencial / V vs.SCE. O CV de Au / GCE em solução de PBS 0,1 M (pH 7,0) contendo UA 1,0 mM sem (1) e com (3) iluminação de luz visível; a iluminação de luz visível começa no local onde a seta está apontando (2) . Taxa de varredura 50 mV s ⁻¹ . b Tempo / s. Resposta fotocorrente de Au / GCE sob iluminação de luz visível em solução PBS 0,1 M (pH 7,0) contendo UA 1,0 mM a 0,48 V. A iluminação de uma lâmpada Xe foi interrompida a cada 30 s

Efeito da quantidade de ouro

O carregamento de massa de Au depositado na superfície do eletrodo foi controlado por grandeza elétrica, e sua influência no desempenho eletroquímico em relação ao UA foi avaliada. Como pode ser visto na Fig. 4, quando a quantidade de ouro é apenas 0,96 μg / cm ² (Fig. 4e), a corrente de pico foi quase a mesma do GCE vazio (Fig. 4f), mesmo com um pequeno declínio. No entanto, como a quantidade de ouro se estendeu de 4,8 para 28,9 μg / cm ² (Fig. 4 (d), (c) e (b)), a corrente de pico aumentou sucessivamente e o potencial de pico de oxidação foi mais negativo. Continue a aumentar a quantidade de ouro para 57,8 μg / cm ² (Fig. 4a), a corrente de pico manifestou uma ligeira diminuição e o potencial de pico tornou-se mais positivo. É principalmente devido ao fato de que a qualidade de 28,9 μg / cm ² é a área de superfície mais adequada para a reação de UA em Au / GCE. Em principalmente, o GCE nu ou GCE coberto com nanopartículas de baixo Au não pode suportar os locais de atividade suficientes e tem área de superfície insuficiente para a reação. Enquanto isso, o GCE, que é coberto com excesso de nanopartículas de Au, diminuirá a velocidade de transferência de elétrons de Au / GCE para UA. Portanto, escolhemos o Au / GCE com quantidade de ouro de 28,9 μg / cm ² como o eletrodo de trabalho no processo de detecção eletroquímica.

CVs de Au / GCE eletrodepositados com diferentes quantidades de ouro:57,8 (a) , 28,9 (b) , 9,6 (c) , 4,8 (d) , 0,96 μg / cm ² (e) , e GCE nua (f) em solução de PBS 0,1 M (pH 7,0) contendo UA 1,0 mM sob iluminação de luz visível. Taxa de varredura 50 mV s ⁻¹ . Potencial de depósito -0,2 V

Efeito do valor do pH

Para avaliar ainda mais as condições ideais para a detecção de UA, foi estudada a influência do valor do pH nas respostas fotoeletroquímicas de UA 1 mM sob iluminação de luz visível. A Figura 5a descreve os CVs de Au / GCE em solução de UA 1 mM e PBS 0,1 M foi usado para modular o pH de cada líquido de teste. A Figura 5b mostra a relação entre o valor de pH e a corrente de pico, da qual podemos ver o valor máximo de I _pa apareceu a um pH de 7,0 e subsequentemente diminuiu com o aumento do pH de 7,0 para 9,0, o que provou que o pH 7,0 é o valor de pH ideal para detecção de UA.

a CVs do Au / GCE em UA 1 mM com solução de PBS de pH diferente (pH =4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0 e 9,0), taxa de varredura 50 mV s ⁻¹ . b Relação entre a corrente de pico de oxidação e o valor de pH

Efeito da taxa de varredura

Para investigar como a taxa de varredura influencia a resposta eletroquímica de Au / GCE na solução de UA, os CVs foram operados sob diferentes taxas de varredura de 20 a 200 mV s ⁻¹ com um intervalo de 20 mV s ⁻¹ . Os resultados foram mostrados na Fig. 6, a partir da qual podemos ver uma óbvia mudança positiva no potencial de pico de oxidação como a aceleração da taxa de varredura, indicando que a reação do UA na superfície do eletrodo é um processo químico quase reversível. Em outras palavras, a adsorção de UA não ocorreu na superfície do eletrodo em solução 0,1 M de PBS (pH 7,0). Além disso, uma correlação linear entre as correntes de pico anódico e a raiz quadrada das taxas de varredura foi facilmente encontrada e a equação de calibração está presente como I _pa (μA) =1,9254ν ^1/2 (mV / s) ^1/2 + 9,3766 ( R ² =0,9702), indicando que a taxa de reação foi determinada pela difusão de UA [35].

CVs do Au / GCE em solução de PBS 0,1 M (pH =7,0) contendo UA 1 mM em taxas de varredura que variam de 20 a 200 mV s ⁻¹ . Inserido :curva de calibração da corrente de pico vs. v ^1/2

Determinação de UA

A voltametria de pulso diferencial (DPV), com as características de melhor resolução e maior sensibilidade que a CV, também tem sido empregada para a caracterização de Au / GCE. Houve uma relação proporcional entre a corrente de pico de oxidação e a concentração de UA na faixa de 2,8 a 57,5 μM (Fig. 7). A equação de regressão linear pode ser expressa como I _pa (μA) =0,0121 c _UA (μM) + 0,3122 ( R ² =0,9987). Para comparação, a análise DPV de Au / GCE em direção a UA sem iluminação de luz visível foi mostrada no arquivo adicional 1:Figura S3, que exibiu uma faixa linear mais estreita de 3 a 21 μM com a equação de regressão linear representada como I _pa (μA) =0,0112 c _UA (μM) + 0,2766 ( R ² =0,9943). Todos os experimentos nesta seção foram realizados nas melhores condições obtidas a partir de dados experimentais anteriores. A reutilização de Au / GCE foi estimada medindo as respostas CV de oito eletrodos em solução de PBS 0,1 M (pH 7,0) contendo UA 1,0 mM sob iluminação de luz visível nas mesmas condições. O desvio padrão relativo das correntes de pico de oxidação é de 7,88%. A estabilidade de Au / GCE sob iluminação de luz visível também foi verificada realizando o eletrodo modificado que foi armazenado uma semana a 25 ° C antes do experimento. As correntes de pico diminuíram 9,8%. Os resultados acima indicam que o eletrodo modificado com iluminação de luz visível apresenta uma boa capacidade de reutilização e boa estabilidade. E este método poderia tolerar as interferências gerais. Na análise da amostra real, obteve-se uma recuperação de 96,3%. A partir da pesquisa acima, podemos concluir que o Au / GCE iluminado com luz visível apresenta potencial para ser um sensor eletroquímico sensível no futuro.

a Curvas DPV do Au / GCE em PBS 0,1 M (pH 7,0) em diferentes concentrações de UA. b Gráficos de correntes de pico anódico vs. concentração de UA

Conclusões

Em resumo, nanopartículas esféricas homogêneas de Au foram simplesmente modificadas na superfície do GCE com eletrodeposição de potencial constante. As imagens de SEM e o histograma de distribuição de tamanho revelaram que os AuNPs bem dispersos tinham uma distribuição de tamanho estreita e o diâmetro médio foi calculado em 26,1 nm. Isso pode ser condutor para aumentar muito a área de superfície ativa e, em última análise, levar ao aumento da eficiência de detecção. Os resultados eletroanalíticos de como preparado Au / GCE sob iluminação de luz visível exibiram superioridade óbvia em comparação com a iluminação de luz não visível devido à ressonância de plasma de superfície (SPR). Além disso, este estudo apresenta um método simples e fácil de detecção da concentração de ácido úrico, que tem potencial para ser aplicado no monitoramento de outras substâncias biológicas.

Abreviações

AuNPs:

Nanopartículas de ouro

CE:

Electroforese capilar

CV:

Voltametria cíclica

DPV:

Voltametria de pulso diferencial

GCE:

Eletrodo de carbono vítreo

HPLC:

Cromatografia líquida de alta performance

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura

SPR:

Ressonância de plasmon de superfície

UA:

Ácido úrico

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