CN103063717A - 一种镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用 - Google Patents

Abstract

一种镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用，该应用包括以下步骤：（１）制备镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极NiAl-LDH/G；（２）考察NiAl-LDH/G复合物的电催化性能；（３）考察UA在不同修饰电极上的DPV行为；（４）尿酸(UA)的定量检测；（５）考察电极重复性、稳定性及干扰试验。本发明的应用与现有技术相比所具备的优点在于：与其他传统的检测方式比较，检测方法简单快速，灵敏度高，检出限低，反应体系无毒害。方法稳定性高，对仪器要求简单，易于推广是用。本方法还具有操作简便、快速的特点。

Description

一种镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用

技术领域：

本发明属于电化学分析技术领域，主要涉及镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极NiAl-LDH/G在尿酸测定中的应用。

背景技术：

生物分子尿酸(UA)是人体内嘌呤代谢的最终产物，主要经酶的分解作用形成尿囊素由尿中自由排出。人体中尿酸的含量变化可以充分反映出人体新陈代谢、免疫等机能状况，同时其含量过高可以与许多疾病相关，如心血管疾病、痛风、糖尿病、肾病、心脏病等。Tomita等研究发现戒烟人群中血尿酸含量水平(6.18 mg/dL)比正在吸烟者高0.2 mg/dL。因此，建立人体体液中UA高灵敏准确定量检测的方法具有十分重要的意义。目前，测定尿酸的方法主要有光谱法，化学发光法，色谱法，酶方法，电化学方法等。这些方法中，光谱法和化学发光法对样品前处理较为复杂，并易受样品中存在的其他发色团的干扰。色谱法需要多步的样品预处理过程。酶方法虽具有较好的选择性，但其价格昂贵，大大限制了它的使用范围。直接电化学方法具有快速、简便、低成本、灵敏度高、便于实时检测和不受有色样品的干扰等优点，故引起了科研工作者的兴趣并得到了较为广泛的应用。

层状双层金属氢氧化物(LDH)是一类阴离子型层状无机功能材料，金属离子在LDH层板上以一定方式均匀分布，形成了特定的化学组成和机构。由于其独特的结构和性能优势，LDH已经被广泛的应用于催化、吸附、离子交换等领域。近年来LDH作为潜在的活性材料已被成功的应用于化学修饰电极的制备。Li等利用ZnAl-LDH本身所带正电性及催化活性，采用电沉积技术制备了ZnAl-LDH/GCE，并利用该修饰电极分别对领苯二酚、对苯二酚及尿酸、肾上腺素进行了分析检测，并得到了良好的线性范围、较低的检出限。Gong等同样采用电沉积技术制备了NiAl-LDH修饰电极，并将该材料作为固相萃取装置对甲基对硫磷进行了分析检测，该方法的检出限为0.6 ng/ml。Yin等将合成好的MgAl-LDH作为修饰电极的材料对水样中的2-硝基酚进行了分析检测，获得了良好的线性范围(1 mM- 600 mM)及较低的检出限(0.5 mM)。 

作为单原子厚度的二维碳原子材料，石墨烯具有大的比表面积、良好的导热导电性能、优异的力学性能和生物相容性在对小分子的电化学分析检测、生物传感器的制备等方面得到了普遍的应用。Wang等利用石墨烯良好的导电性作为掺杂材料制备修饰电极对多巴胺进行了分析检测，并获得了良好的线性范围及检出限。石墨烯作为基体材料通过共价键、离子键及与插层分子之间的相互作用可以与多种材料进行杂化，如Ni(OH)₂，ZnO，TiO₂，Pt。这些杂化后的材料具有良好的电子转移能力，较大的比表面积和结构稳定性，从而具有优良的电化学性能。 

发明内容：

本发明的目的正是基于上述现有技术状况而提供的一种镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用：该应用包括以下步骤： 

（1）制备镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极NiAl-LDH/G：

a、石墨烯的制备：以天然石墨为原料制备氧化石墨，将所制备的氧化石墨超声分散半小时制备片层氧化石墨，加入葡萄糖到溶液中，然后将氨水加入到上述溶液，剧烈搅拌，将所得到的黑色分散液过滤，用去离子水彻底洗涤干净，然后重新分散到去离子水中备用；

b、NiAl-LDH/G复合材料的制备：将NaOH，Na₂CO₃加入到上述分散好的石墨烯分散液中，超声，室温条件并不断搅拌，将上述溶液加入到含有Ni(NO₃)₂和Al(NO₃)₃溶液中，并用NaOH补充液控制溶液的pH值，将四口瓶移置60℃的水浴锅中，晶化6 h，反应结束后抽滤，用去离子水洗涤至中性，并用无水乙醇洗涤三次，产物在60℃条件下真空干燥12 h，即得到NiAl-LDH/G复合材料；

c、将玻碳电极抛光成镜面，超声清洗干净，使用壳聚糖醋酸溶液，将制备好的NiAl-LDH/G复合材料加入到壳聚糖溶液中，超声混合，将上述超声好的分散液滴涂在洁净的玻碳电极表面，在红外灯条件下干燥至溶剂全部挥发，在玻碳电极表面形成一层含有NiAl-LDH/G复合物的膜，即得到了NiAl-LDH/G电极。

（2）考察NiAl-LDH/G复合物的电催化性能： 

在室温条件下(20±1℃)，采用CHI660D电化学工作站进行循环伏安测试，测试体系为不同pH值PBS配制的尿酸标准溶液和吸烟者尿液样本（测试前用PBS缓冲溶液稀释10倍），以饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，上述复合物电极为工作电极，组成电催化氧化尿酸体系。在静态体系下进行电化学测试，扫描电位窗口为-0.1-0.6 V。DPV的实验参数为：振幅50 mV，脉冲宽度60 ms，脉冲周期200 ms。所用目标溶液均提前配制，并在4 ℃冰箱中保存备用。

（3）考察UA在不同修饰电极上的DPV行为： 

在-0.1~0.6 V电位窗口及0.1 M PBS (pH 7.0)水溶液中研究了100 μM UA在裸GCE电极(图1中 a) 和NiAl-LDH/G复合材料修饰电极(图1中 b)上的差示脉冲伏安图。由图可见，在裸GCE电极上，在0.263 V出现了UA的较宽的氧化峰，峰电流为3.2 μA。然而，在NiAl-LDH/G复合材料修饰电极上，与裸GCE相比，UA的出峰电位没有太大变化，但是，峰电流比裸电极高3.2倍，并且峰型更好。这说明NiAl-LDH/G复合材料具有较高的电催化能力，可以加速电化学反应的电子转移。其可能原因是由于石墨烯本身具有提高电子转移的能力，以及其作为载体使NiAl-LDH粒子的分散性提高，暴露出更多的具有电催化活性分子的Ni²⁺。

（4）尿酸(UA)的定量检测： 

在上述优化的实验条件下，采用检测灵敏度较高的DPV方法对不同浓度的UA进行定量测定。UA的氧化峰电流I_pa与其浓度在30 μM ~ 800 μM范围内呈良好的线性关系，线性回归方程I_pa =0.02173 C (μM) + 8.01669，r=0.9956，检出限为6 μM。

（5）考察电极重复性、稳定性及干扰试验： 

对同一玻碳电极在相同条件下修饰五次，在500 μM UA溶液中进行测定，其RSD为3.14%；同一修饰电极对在500 μM UA平行测定7次，其氧化峰电流的RSD为2.69%。将该修饰电极置于0.1 M PBS (pH 7.0)在4℃冰箱中保存7天，峰电流仍能够保持初始值的95.1%。上述结果表明NiAl-LDH/G修饰电极具有良好的稳定性和重现性。

该实验还考察了尿酸中常见物质对UA电化学响应信号测定的干扰影响。实验结果表明，500倍的蔗糖、柠檬酸盐、葡糖糖，250倍的尿素、K⁺、Na⁺、NH₄ ⁺，100倍的Mg²⁺、Zn²⁺对500 μM UA测定的相对误差均小于5%，故认为这些常见物质对UA的测定不存在干扰。可见本方法对尿酸的测定具有良好的选择性，因此可用于人体尿样中尿酸含量的测定。 

  

本发明通过一种简单的方法，以石墨烯(G)作为载体，通过简单、低温的共沉淀的方法，将NiAl-LDH原位负载在石墨烯表面，制备NiAl-LDH/G复合材料。在合成的过程中，NiAl-LDH能够均匀、稳定地在石墨烯表面成核生长。由于石墨烯的载体作用，NiAl-LDH粒子的分散性提高，暴露出更多的电催化活性中心Ni²⁺，而且石墨烯加速电子传递的作用提高了NiAl-LDH中电活性物种Ni²⁺对电活性分子的电催化氧化活性。通过X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)对制备的复合材料进行形貌、组成、形态分析，然后将制备的复合材料作为修饰电极的材料，利用该修饰电极对尿酸进行电催化性能研究。

本发明的应用与现有技术相比所具备的优点在于： 

①与其他传统的检测方式比较，检测方法简单快速，灵敏度高，检出限低，反应体系无毒害。

②方法稳定性高，对仪器要求简单，易于推广是用。 

③本方法还具有操作简便、快速的特点。 

  

附图说明

图1为尿液样本稀释十倍后检测的差示脉冲伏安图；图中a、b、c浓度分别为85.75 μM， 229.32 μM， 247.74 μM。 

具体实施方式

本发明以下结合实例（附图）做进一步描述，但并不是限制本发明。 

制备镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极NiAl-LDH/G实例：

石墨烯的制备：以天然石墨为原料制备氧化石墨。将所制备的氧化石墨超声分散半小时即可制备片层氧化石墨。将2 g 葡萄糖加入到250 mL上述分散好的溶液中（0.5 mg/mL），充分搅拌30 min。然后将1 mL氨水（25%，v/v）加入到上述溶液，剧烈搅拌数分钟，并在95℃下搅拌一小时。将所得到的黑色分散液过滤，用去离子水彻底洗涤干净，然后重新分散到去离子水中备用。

NiAl-LDH/G复合材料的制备：将一定质量的NaOH，Na₂CO₃加入到上述重新分散好的50 mL 0.5 mg/mL石墨烯分散液中，其中NaOH浓度为0.2 M，Na₂CO₃浓度为0.05 M，超声30 min。室温条件并不断搅拌的情况下，将上述溶液加入到50 mL含有Ni(NO₃)₂ (0.075 M) 和Al(NO₃)₃ (0.025 M)。并用NaOH补充液（0.2 M）控制溶液的pH值为10.5。将四口瓶移置60℃的水浴锅中，晶化6 h。反应结束后抽滤，用去离子水洗涤至中性，并用无水乙醇洗涤三次，产物在60℃条件下真空干燥12 h，即得到NiAl-LDH/G复合材料。 

NiAl-LDH/G复合物电极的制备：将玻碳电极分别用1.0 μm、0.3 μm 和 0.05 μm Al₂O₃粉末抛光成镜面，水冲洗之后，依次在无水乙醇和二次蒸馏水中超声清洗1~2分钟。为了进一步验证电极表面是否处理干净，选用三电极系统，其中打磨后的玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，以浓度为1 mM、0.1 M 的K₃Fe(CN)₆ 和KNO₃溶液为电极探针，采用CHI660D进行循环伏安测试，电压扫描范围为-0.1-0.6 V，扫速为50 mV/ s。当两者峰峰电位差小于75 mV，阴阳极峰对称，两峰的电流值相等时，再换用0.5 M的H₂SO₄溶液进行循环伏安测试，其中电压窗口为-0.2-0.8 V，扫速为0.1 V/s，当阴阳两极峰的峰电压不超过70 mV时，表明玻碳电极已经处理干净。 

配制质量分数为0.3% 的壳聚糖醋酸溶液，使用之前将其稀释五倍。称取2 mg NiAl-LDH/G复合材料加入到1 ml上述稀释后的溶液中，在室温条件下超声混合30 min，将10 μl上述超声好的分散液滴涂在洁净的玻碳电极表面，在红外灯条件下干燥至溶剂全部挥发，在玻碳电极表面形成一层含有NiAl-LDH/G复合物的膜，即得到了NiAl-LDH/G复合物电极。采用同样的方法制备NiAl-LDH膜电极以进行对比实验。 

应用检测：

考察NiAl-LDH/G复合物的电催化性能：

在室温条件下(20±1℃)，采用CHI660D电化学工作站进行循环伏安测试，测试体系为不同pH值PBS配制的尿酸标准溶液和吸烟者尿液样本（测试前用PBS缓冲溶液稀释10倍），以饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，上述复合物电极为工作电极，组成电催化氧化尿酸体系。在静态体系下进行电化学测试，扫描电位窗口为-0.1-0.6 V。DPV的实验参数为：振幅50 mV，脉冲宽度60 ms，脉冲周期200 ms。所用目标溶液均提前配制，并在4 ℃冰箱中保存备用。

考察UA在不同修饰电极上的DPV行为：

在-0.1~0.6 V电位窗口及0.1 M PBS (pH 7.0)水溶液中研究了100 μM UA在裸GCE电极(图1中 a) 和NiAl-LDH/G复合材料修饰电极(图1中 b)上的差示脉冲伏安图。由图可见，在裸GCE电极上，在0.263 V出现了UA的较宽的氧化峰，峰电流为3.2 μA。然而，在NiAl-LDH/G复合材料修饰电极上，与裸GCE相比，UA的出峰电位没有太大变化，但是，峰电流比裸电极高3.2倍，并且峰型更好。这说明NiAl-LDH/G复合材料具有较高的电催化能力，可以加速电化学反应的电子转移。其可能原因是由于石墨烯本身具有提高电子转移的能力，以及其作为载体使NiAl-LDH粒子的分散性提高，暴露出更多的具有电催化活性分子的Ni²⁺。

尿酸(UA)的定量检测：

在上述优化的实验条件下，采用检测灵敏度较高的DPV方法对不同浓度的UA进行定量测定。UA的氧化峰电流I_pa与其浓度在30 μM ~ 800 μM范围内呈良好的线性关系，线性回归方程I_pa =0.02173 C (μM) + 8.01669，r=0.9956，检出限为6 μM。

考察电极重复性、稳定性及干扰试验：

对同一玻碳电极在相同条件下修饰五次，在500 μM UA溶液中进行测定，其RSD为3.14%；同一修饰电极对在500 μM UA平行测定7次，其氧化峰电流的RSD为2.69%。将该修饰电极置于0.1 M PBS (pH 7.0)在4℃冰箱中保存7天，峰电流仍能够保持初始值的95.1%。上述结果表明NiAl-LDH/G修饰电极具有良好的稳定性和重现性。

该实验还考察了尿酸中常见物质对UA电化学响应信号测定的干扰影响。实验结果表明，500倍的蔗糖、柠檬酸盐、葡糖糖，250倍的尿素、K⁺、Na⁺、NH₄ ⁺，100倍的Mg²⁺、Zn²⁺对500 μM UA测定的相对误差均小于5%，故认为这些常见物质对UA的测定不存在干扰。可见本方法对尿酸的测定具有良好的选择性，因此可用于人体尿样中尿酸含量的测定。 

本发明修饰电极的应用实例：

分别取3个健康人的尿液样本于4℃冰箱中保存备用。测试前移取1 mL用0.1 M PBS (pH 7.0)稀释10倍，摇匀。用DPV方法进行测定，所得结果如图1。每个样本平行测定五次，根据所得峰电流平均值根据标准曲线计算其浓度分别为85.75 μM， 229.32 μM， 247.74 μM。然后分别加入100 μM的尿酸进行回收率测定(平行测定7次)，回收率均在96.1% ~ 101.6%之间，所得结果令人满意。

Claims (3)

1.一种镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用。

2.根据权利要求1所述的镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用，其特征在于：该应用包括以下步骤：

（１）制备镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极NiAl-LDH/G；

（２）考察NiAl-LDH/G复合物的电催化性能；

（３）考察UA在不同修饰电极上的DPV行为；

（４）尿酸(UA)的定量检测；

（５）考察电极重复性、稳定性及干扰试验。

3.根据权利要求1或2所述的镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极在尿酸测定中的应用，其特征在于：所述镍铝层状双金属氢氧化物修饰电极NiAl-LDH/G通过以下工艺步骤制备：

a、石墨烯的制备：以天然石墨为原料制备氧化石墨，将所制备的氧化石墨超声分散半小时制备片层氧化石墨，加入葡萄糖到溶液中，然后将氨水加入到上述溶液，剧烈搅拌，将所得到的黑色分散液过滤，用去离子水彻底洗涤干净，然后重新分散到去离子水中备用；

b、NiAl-LDH/G复合材料的制备：将NaOH，Na₂CO₃加入到上述分散好的石墨烯分散液中，超声，室温条件并不断搅拌，将上述溶液加入到含有Ni(NO₃)₂和Al(NO₃)₃溶液中，并用NaOH补充液控制溶液的pH值，将四口瓶移置60℃的水浴锅中，晶化6 h，反应结束后抽滤，用去离子水洗涤至中性，并用无水乙醇洗涤三次，产物在60℃条件下真空干燥12 h，即得到NiAl-LDH/G复合材料；

c、将玻碳电极抛光成镜面，超声清洗干净，使用壳聚糖醋酸溶液，将制备好的NiAl-LDH/G复合材料加入到壳聚糖溶液中，超声混合，将上述超声好的分散液滴涂在洁净的玻碳电极表面，在红外灯条件下干燥至溶剂全部挥发，在玻碳电极表面形成一层含有NiAl-LDH/G复合物的膜，即得到了NiAl-LDH/G电极。

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