金ナノ粒子修飾ガラス状炭素電極上の尿酸の強化された光電気化学的検出

背景

尿酸（UA）は、プリン代謝の最終産物の1つであり、血液や尿などの体液に存在します。尿酸値の異常は、尿酸値の上昇に関連する、痛風、腎臓病、高血圧、心血管などのいくつかの疾患の可能性を示唆していますが、UAレベルの低下は、多発性硬化症、パーキンソン病、アルツハイマー病などの疾患を引き起こします、および視神経炎[1]。したがって、人体液中のUA濃度を監視することは、前述または他の同様の疾患の予防のために臨床的に価値があり、重要です。

人体液中の尿​​酸濃度の監視は非常に重要であるため、酵素アッセイ[2、3]、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）[4]など、これまでの報告に従ってさまざまな検出技術が開発されてきました。質量分析[5]、キャピラリー電気泳動（CE）[6]、化学発光[7]、および比色分析[8、9]。ただし、これらの従来の方法はすべて、複雑な前処理が必要になるか、時間がかかりすぎる可能性があります。独特の電気化学的活性のために、尿酸は水溶液中で不可逆的にアラントインに酸化される可能性があり、多くの研究が電気化学法による尿酸の定量に焦点を合わせており、電気化学センサーは従来の方法の有望な代替手段であると認識されています。この分野の研究は近年生まれ、多くの新しいセンサーがUAの検出用に設計されています。たとえば、パラジウムナノ粒子をロードしたカーボンナノファイバー修飾電極（Pd / CNF-CPE）[10]、カーボンイオン液体電極（CILE）などです。 ）[11]、PtAuハイブリッドフィルム修飾電極[12]、キトサン-グラフェン修飾電極[13]など。UAの直接電気化学的検出には非酵素的方法が使用され、そのメカニズムは以下のように示されました[14、15 ]：

UA検出には多くの努力が払われていますが、これまでは、より感度が高く、選択的で、安定した、簡単な方法を検討する必要があります。

化学的および物理的側面の両方で優れた特性により、銀（Ag）[16、17]、金（Au）[18、19]、白金（Pt）[20,21,22、 23]、銅（Cu）[24、25]、およびパラジウム（Pd）[26、27]は、医療分析、環境モニタリング、食品品質管理などの電気化学センサーの製造における多くの研究を加速させてきました[28]。特に、金ナノ粒子（AuNP）は、導電性、大きな表面積、および優れた生体適合性の優位性を示し[29]、これらすべての独自の特性により、AuNPは電気化学的センシングに適しています。さらに、表面電子の集団コヒーレント振動を介して可視光を収集するためのAuの独自の表面プラズモン共鳴（SPR）効果は、UAの検出を大幅に強化するのに役立つ可能性があります[30]。

上記の分析に基づいて、本明細書では、ガラス状炭素電極（GCE）の表面上に十分に分散した球形のAuNPを首尾よく製造するための簡単な電着法を示した。さらに、一連の電気化学的測定により、魅力的なAu / GCEは、可視光照射の助けを借りて大幅に強化された応答電流強度を示すことが明らかになりました。これらを考慮して、この簡単な可視光支援法と球状のAuナノ粒子は、さらなるUA検出およびそれ以降のアプリケーションに光を当てると信じていました。

メソッド

装置

得られた電極の形態を特徴づけるために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日立ＳＵ８０１０、日本）を使用した。すべての電気化学的研究は、CHI760D電気化学ワークステーション（Chenhua Instrument Co.、Ltd.、Shanghai。China）で、修飾ガラス状炭素電極（GCE）が作用電極として機能する従来の3電極システムで実行されました（表面積0.07 cm ² ）、白金線が対極（直径0.5 mm）として機能し、飽和カロメル電極（SCE）が参照電極として機能しました。溶液のpH値は、モデルpHS-2Fメーター（Instrument、上海、中国）によって決定されました。

試薬

尿酸（UA）は、Acros Organics（上海、中国）から購入しました。クロロ金酸（HAuCl ₄ ・h ₂ O）、リン酸水素二ナトリウム（Na ₂ HPO ₄ ）、リン酸二水素ナトリウム（NaH ₂ PO ₄ ）、フェロシアン化カリウム（K ₄ [Fe（CN） ₆ ]）、フェリシアン化カリウム（K ₃ [Fe（CN） ₆ ]）、および塩化カリウム（KCl）はSinopharm Chemicals Reagent Co.、Ltd。から入手しました。実験全体を通して再蒸留水を使用しました。電解質には、pHの異なる新しく調製した0.1 Mリン酸緩衝液（PBS）を選択しました。すべての試薬は他の精製なしで達成されたとおりに使用され、すべての実験は室温で実施されました。

電極の準備

この作業では、Auナノ粒子で修飾された表面を可視光照明にさらすのに便利なL型ガラス状炭素電極を選択しました。 GCE（表面積0.07 cm ² ）を湿った研磨布で0.05μmのアルミナスラリーで注意深く研磨した後、エタノールと水中で数分間超音波処理して、鏡のような表面を得ました。最後に、電極を二次蒸留水で完全にすすぎ、空気中で乾燥させた。フォローアップの電気化学的プロセスの前に、2.5 mM Fe（CN） ₆ のサイクリックボルタンメトリー曲線（CV）になるまで、電極を繰り返し研磨およびすすぎました。 ^{3 / 4-} + 0.1M KCl溶液は、2つの完全な対称ピークとピーク電位分離（Δ E ）を示します _p ）そのうちの100mVより劣っていました。金ナノ粒子は、1 mM H ₃ で前処理された電極の表面に電着されました。 PO ₄ 0.24 mM HAuCl ₄ を含む溶液 -0.2 Vの定電位で。堆積プロセス中に電気量を変更することにより、AuNPのさまざまな質量負荷を制御しました。

結果と考察

電極の形態と特性評価

走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して、GCEの表面上のAuナノ粒子の形態を特徴付けました。 Auナノ粒子は、-0.2 Vの定電位で、3×10 ^-3 の特定の電気量で形成されました。 Cであり、GCE表面のAu粒子の理論密度は28.9μg/ cm ² と計算されました。 。図1aは、GCEの表面が点状の金ナノ粒子で密に覆われていることを示しています。図1bは、高倍率での表面形態を示しており、まろやかで球状のAuNPがGCEの表面に均一に分散していることを示しています。図1bの挿入図に示されている粒子サイズ分布ヒストグラムは、十分に分散されたAuNPのサイズ分布が狭く、計算された平均直径が約26.1nmであることを示しています。詳細な観察は、得られたままのAuNPがほぼ単分散であり、相互の接続が少ないことを発見するのにも役立つ可能性があります。全体として、これらの好ましい用語は、活性表面積を大幅に増加させ、最終的には検出効率の向上につながる導電性でした。

下部のAu / GCEのSEM画像（ a ）およびより高い倍率（ b ）。 挿入図 ：対応するAuナノ粒子のサイズ分布ヒストグラム

サイクリックボルタンメトリーの動作

Auで修飾した後、2.5 mM Fe（CN） ₆ のCV ^{3 / 4-} + 0.1 M KCl溶液を使用して、裸のGCEと比較しました（追加ファイル1：図S1）。 Au / GCEのCV曲線は、対称的なレドックスピークのペアを示しており、応答電流が高く、ピーク電位の分離が小さくなっています（Δ E p =63 mV）裸のGCEよりも。上記のデータから、Au / GCEでの電子移動は裸のGCEでの電子移動よりも優れていたと結論付けることができます。

図2は、1.0 mMUAを含む0.1M PBS（pH 7.0）溶液中のAu / GCEのCV曲線を示しています。それぞれ、4つの円の可視光照明あり（a）となし（b）です。キセノンランプから作用電極の表面までの距離を20cmに設定すると、最も強力な可視光強度が示されることがわかりました。詳細には、UAの陽極ピーク電流は可視光照明下で20μAでしたが、可視光照明なしの陽極ピーク電流の最大値はわずか12μAでした。さらに、可視光の存在下で、ピーク電流は安定した値を維持しました。それにもかかわらず、ピーク電流の値は、可視光照明なしで連続的な減少を示した。さらに、可視光照射下でのAu / GCEの酸化ピーク電位は、可視光照射なしの場合よりも約6mV負です。上記の調査から、可視光は、UAの電気酸化に対するAu / GCEの光電極触媒性能を向上させることができると結論付けることができます。

（a）を含む1.0mMUAを含む0.1M PBS（pH 7.0）溶液中のAu / GCEのCV （b）なし 可視光照明。スキャンレート50mV s ^-1

可視光照明の効果

連続的なサイクリックボルタンメトリーの過程で特定の時間に可視光照明を追加することにより、可視光照明の影響を調べた。図3aに示すように、可視光は矢印が指している場所から始まりました。曲線1は、可視光照明のないCVの最後のラップでした。曲線2は遷移プロセスであり、可視光照明は約0.35 Vの電位から始まり、図2に従って理論的に電流が増加し始めました。電極が可視光照明にさらされると、電流は上昇傾向にあり、逆走査部のCV曲線は可視光照射下で曲線とほぼ重なっています。可視光を完全に照射した場合のCV曲線は、上記のように曲線3として示されましたが、電流は依然として安定して維持されていました。図3bは、0.48Vの電位で1.0mMUAを含む0.1M PBS（pH 7.0）溶液中の可視光照明下でのAu / GCEの光電流応答を示しています。この溶液では、電流は図2で最大に達します。準備されたままの電極の後に電流-時間（ I – t ）曲線。 UA検出の光と無光の状態を比較するために、Xeランプの照明を定期的に中断しました。照明が遮断されている間、光電流は瞬時に低下し、照明をオンにすると光電流は急速に増加し、その後短時間で平衡値に達したことがわかります。写真に示されている完全な周期性は、可視光照明に対する応答が安定しており、応答に必要な時間が等しいことを示しています。可視光照明下でのAuナノ粒子の表面プラズモン共鳴（SPR）効果は、片側のAu / GCEの光電流の増加を説明している可能性があります。調製されたままのAuNPのUV-vis分光法は、追加ファイル1：図S2に示されています。吸収ピークは597nmの波長にあり、これは以前のいくつかのレポートの波長に近似しています[31、32]。詳細には、Auナノ粒子は可視光のエネルギーを収穫することができます[33]。 SPR励起により、ホットエレクトロンの蓄積がフェルミ準位より上のより高い空の状態を一時的に占有する可能性があり、その後、Auから導電性GCEへの電子の迅速な移動が発生します[34]。 UAの酸化プロセスはAuナノ粒子の表面で起こり、UA分子は2つの電子をAuナノ粒子に移動します。別の側面では、Auナノ粒子で修飾した後、電子移動速度が大幅に向上しました。

a ポテンシャル/ V対SCE。 （1）を含まない1.0mMUAを含む0.1M PBS（pH 7.0）溶液中のAu / GCEのCV （3）を使用 可視光照明;可視光照明は、矢印の場所から始まります （2）を指しています 。スキャンレート50mV s ^-1 。 b 時間/秒。 0.48Vで1.0mMUAを含む0.1M PBS（pH 7.0）溶液中の可視光照明下でのAu / GCEの光電流応答。Xeランプからの照明は30秒ごとに中断されました

金の量の影響

電極表面に堆積した金の質量負荷を電気量で制御し、UAに対する電気化学的性能への影響を評価した。図4に示すように、金の量がわずか0.96μg/ cmの場合 ² （図4e）、ピーク電流は裸のGCEのピーク電流（図4f）とほぼ同じでしたが、わずかに減少しました。ただし、金の量が4.8から28.9μg/ cmに増加したため ² （図4（d）、（c）、および（b））、ピーク電流は連続的に増加し、酸化ピーク電位はより負でした。金の量を57.8μg/ cm ² に増やし続けます （図4a）、ピーク電流はわずかに減少し、ピーク電位はより正になりました。これは主に、28.9μg/ cm ² の品質によるものです。 Au / GCEでのUA反応に最適な表面積です。主に、裸のGCEまたは低Auナノ粒子で覆われたGCEは、十分な活性部位をサポートできず、反応のための表面積が不十分です。一方、過剰なAuナノ粒子で覆われているGCEは、Au / GCEからUAへの電子移動の速度を遅くします。したがって、金の量が28.9μg/ cm ² のAu / GCEを選択しました。 電気化学的検出プロセスの作用電極として。

異なる量の金で電着されたAu / GCEのCV：57.8 （a） 、28.9 （b） 、9.6 （c） 、4.8 （d） 、0.96μg/ cm ² （e） 、およびベアGCE （f） 可視光照明下で1.0mMUAを含む0.1M PBS（pH 7.0）溶液中。スキャンレート50mV s ^-1 。堆積電位-0.2V

pH値の影響

UA検出の最適条件をさらに評価するために、可視光照明下での1 mMUAの光電気化学応答に対するpH値の影響を調べました。図5aは、1 mMUA溶液中のAu / GCEのCVを示しており、0.1 MPBSを使用して各試験液のpHを調整しました。図5bは、pH値とピーク電流の関係を示しており、そこから I の最大値を確認できます。 _pa pH 7.0で出現し、その後pHを7.0から9.0に上げると減少しました。これにより、pH7.0がUA検出に最適なpH値であることが証明されました。

a 異なるpHPBS溶液（pH =4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、および9.0）を使用した1 mMUAのAu / GCEのCV、スキャンレート50 mV s ^-1 。 b 酸化ピーク電流とpH値の関係

スキャンレートの影響

スキャンレートがUAソリューションのAu / GCEの電気化学的応答にどのように影響するかを調査するために、CVを20〜200 mV s ^-1 のさまざまなスキャンレートで動作させました。 20 mV s ^-1 の間隔で 。結果を図6に示しました。この図から、スキャン速度の加速として酸化ピーク電位の明らかな正のシフトが見られます。これは、電極表面でのUAの反応が準可逆的な化学プロセスであることを示しています。つまり、0.1 M PBS（pH 7.0）溶液では、電極の表面にUAの吸着は発生しませんでした。さらに、陽極ピーク電流とスキャンレートの平方根の間の線形相関が簡単に見つかり、キャリブレーション式は I として表されます。 _pa （μA）=1.9254ν ^1/2 （mV / s） ^1/2 + 9.3766（ R ² =0.9702）、反応速度がUAの拡散によって決定されたことを示します[35]。

20〜200 mV s ^-1 の範囲のスキャンレートで1mMUAを含む0.1M PBS（pH =7.0）溶液中のAu / GCEのCV 。 挿入図 ：ピーク電流対v ^1/2 の検量線

UAの決定

Au / GCEの特性評価には、CVよりも優れた分解能と高感度の機能を備えた差動パルスボルタンメトリー（DPV）も採用されています。酸化ピーク電流とUA濃度の間には、2.8〜57.5μMの範囲で比例関係がありました（図7）。線形回帰方程式は、 I として表すことができます。 _pa （μA）=0.0121 c _UA （μM）+ 0.3122（ R ² =0.9987）。比較のために、可視光照明なしのUAに対するAu / GCEのDPV分析を追加ファイル1：図S3に示しました。これは、3〜21μMの狭い線形範囲を示し、線形回帰方程式は I _pa （μA）=0.0112 c _UA （μM）+ 0.2766（ R ² =0.9943）。このセクションのすべての実験は、以前の実験データから達成された最良の条件下で進められました。 Au / GCEの再利用性は、同じ条件下で可視光照明下で1.0 mMUAを含む0.1M PBS（pH 7.0）溶液中の8つの電極のCV応答を測定することによって推定されました。酸化ピーク電流の相対標準偏差は7.88％です。可視光照明下でのAu / GCEの安定性は、実験前に25°Cで1週間保管された変更された電極を実行することによってもチェックされました。ピーク電流は9.8％減少しました。上記のこれらの結果は、可視光照明を備えた変更された電極が、良好な再利用性および良好な安定性を示すことを示している。そして、この方法は一般的な干渉を許容することができます。実際のサンプル分析では、96.3％の回収率が得られました。上記の調査から、可視光で照らされたAu / GCEは、将来的に高感度の電気化学センサーになる可能性を示していると結論付けることができます。

a さまざまな濃度のUAでの0.1M PBS（pH 7.0）中のAu / GCEのDPV曲線。 b 陽極ピーク電流とUAの濃度のプロット

結論

要約すると、均質な球状のAuナノ粒子は、定電位電着でGCEの表面上で単純に修飾されました。 SEM画像とサイズ分布ヒストグラムにより、十分に分散されたAuNPのサイズ分布が狭く、平均直径が26.1nmと計算されたことがわかりました。これは、活性表面積を大幅に増加させ、最終的には検出効率の向上につながる導電性である可能性があります。可視光照明下で調製されたままのAu / GCEの電気分析結果は、表面プラズモン共鳴（SPR）により、非可視光照明と比較して明らかな優位性を示しました。さらに、この研究は、尿酸の濃度を検出するための簡単で簡単な方法を示しています。これは、他の生物学的物質の監視に適用できる可能性があります。

略語

AuNPs：

金ナノ粒子

CE：

キャピラリー電気泳動

CV：

サイクリックボルタンメトリー

DPV：

微分パルスボルタンメトリー

GCE：

ガラス状炭素電極

HPLC：

高速液体クロマトグラフィー

SEM：

走査型電子顕微鏡

SPR：

表面プラズモン共鳴

UA：

尿酸