尿酸和腎上腺素在活化玻碳電極上的測定

1、尿酸和腎上腺素在活化的玻碳電極上的電化學行為摘 要電化學活化作用預處理的玻碳電極早已被應用于差分脈沖伏安法同步研究或測定腎上腺素或尿酸的過程中，這種預處理玻碳電極顯示出一種強烈且持續(xù)的電子調解過程，隨后出現(xiàn)明顯分開的腎上腺素和尿酸的氧化峰，電勢差為161mV，足以用來進行單獨或同時測定。最佳狀態(tài)下，腎上腺素的測量限值為8.9 10 mol/L, 尿酸的測量限值為1.6 10 mol/L。該方法已被成功運用到腎上腺素和尿酸測定實例中，并取得了令人滿意的結果。關鍵詞：電化學預處理，玻碳電極，同步測試，差分脈沖伏安法，尿酸，腎上腺素1. 介紹固態(tài)電子的表面處理已被廣泛運用于提高電極的光化學性能中，電

2、化學預處理技術尤其被用于電極表面的清潔與活化1-6。金屬和碳素電極的表面能夠被氧化，因此，其表面會附加不同種類的含氧集團，如酚醛、醌型和羧基。許多技術已經證實了這些活躍集團的存在，并且能夠催化某些反應9-11，如，循環(huán)伏安法(CV)、差分脈沖伏安法、掃描探針顯微鏡、掃描電子顯微鏡、x射線光電子能譜等7,8。尿酸是嘌呤代謝的初級產品12。在生理狀態(tài)下，血清尿酸保持在4.1到8.8 mg (100ml)，尿排泄量一般為250到750mg(100ml)13。人體內不正常血清尿酸含量可能是某些疾病的癥狀，如通風、Lesch-Nyhan綜合征（又稱為自毀容貌癥）。白血病、肺炎等也與過高的尿酸含量有關14

3、,15。因此，我們希望有一種簡單直接的方法來監(jiān)測體液中尿酸的濃度。腎上腺素（有兩個英文名稱Epinephrine 和adrenaline）是哺乳動物中樞神經系統(tǒng)中一種重要的兒茶酚胺類神經遞質16。許多生命現(xiàn)象都與血清中腎上腺素的含量有關，其也是向傳出神經器官傳遞神經脈沖的化學遞質。醫(yī)學上，腎上腺素是一種常見的急救醫(yī)療藥物17。因此，對腎上腺素的測定引起了研究人員的關注。尿酸和腎上腺素在人體體液中是共存的，所以，生物研究者和化學研究者對兩者的同時測定很感興趣。許多研究者發(fā)表過單獨測試尿酸或腎上腺素的研究，但對兩者同時測試的研究卻很少。目前，我們實驗室已研制出兩個生物傳感器，可用于腎上腺素和尿酸的

4、同時測定。這種生物傳感器基于咖啡酸改進玻碳電極和自組裝內消旋-2,3-二巰基丁二酸黃金電極18,19。在本論文中，腎上腺素和尿酸的直接同步測定采用電化學活化作用預處理的玻碳電極。研究發(fā)現(xiàn)，在預處理電極上，腎上腺素和尿酸出現(xiàn)兩個分明的氧化峰，用于同時直接測量腎上腺素和尿酸含量的方法研究成功。2. 實驗用品2.1試劑實驗使用的是收到的腎上腺素（標記）和尿酸（上海化學試劑公司，準備好尿酸儲備試劑（5.010 mol L）和腎上腺素儲備試劑（5.010 mol L），磷酸鹽緩沖液用于控制酸堿度，通過混合磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉儲備溶液備好不同pH值的緩沖液，其他所有化學品都是分析純級且沒有經過進一步凈化

5、。過程中使用二次蒸餾水。所有實驗于室溫（約25）下進行。2.2 儀器所有電化學測量使用PG302型電化學測試儀（荷蘭 ECO. CHEMIE私人有限公司）進行，并包括一個測量電阻抗的FRA2模塊、一個SCANGEN掃描發(fā)生器和GPES/FRA4.9版軟件。采用常規(guī)三電極系統(tǒng)進行測量。工作電極為玻碳電極（d=3mm），對電極為鉑絲，參比電極為一個銀/氯化銀電極。2.3 活化電極的準備首先，裸電極分別用0.3m和0.5m 的氧化鋁和拋光布拋光成一個鏡面，再分別用1:1的硝酸、二次蒸餾水，純乙烯和水進行超聲波清洗。之后，放入0.1 mol L磷酸鹽緩沖液(pH 5.0)中通電+1.75V 300秒。

6、再進行20次電壓+0.3V到+1.3V的掃描20。不使用時，存放于室溫下水中。3.結果與討論3.1 電化學火花玻碳電極的特性一組可逆物質的氧化還原行為可用來探究單電子層的包裹結構21,22，如表Fig.1，K3Fe(CN)6在裸電極上出現(xiàn)一對可逆還原峰。兩個峰值之間的分隔大約為76mV，峰值電流iPa/iPc出現(xiàn)概率約為1.玻碳電極經電化學處理后，峰值消失了。這表明電化學活化電極上有一層膜，能阻止K3Fe(CN)6接觸電極表面，從而使電極過程變得不可逆。Fig. 1. CVs of 1.0 103 mol L1 Fe(CN)63 /Fe(CN)64 + 0.1 mol L1 KCl(1) an

7、d 5.0 103 mol L1 Ru (NH3)63+/Ru (NH3)64+ + 0.1 mol L1 KCl (2)at the bare GCE (a) and the electrochemically activated electrode (b). Scan rate, 100 mV s1為了更加了解電化學活化玻碳電極的特性，我們使用Ru(NH3)63+/Ru(NH3)64+,與Fe(CN)63/Fe(CN)64不同，Ru(NH3)63+/Ru(NH3)64+是一種陽離子，不論是在裸電極上還是活化電極上，Ru(NH3)63+/Ru(NH3)64+幾乎都不發(fā)生任何變化，但其在活化電

8、極上的峰值結構會升高一點。這一現(xiàn)象表明，相較于裸電極，Ru(NH3)63+/Ru(NH3)64+會更快到達活化電極表面，因為活化電極表面都是負電荷，能夠吸引Ru(NH3)63+/Ru(NH3)64+。因此，我們可以得出結論：電化學活化玻碳電極上但電子層的結構幾乎都是羧基結構23。裸電極與電化學活化電極復阻抗曲線示于圖Fig.2，兩者的對比顯示出電化學活化電極上的膜的作用。腹膜電極的Rct，也就是半圓的直徑，明顯比裸電極大。這是因為膜阻隔了電子的移動，說明電極被活化了。.Fig. 2. Electrochemical impedance spectroscopy plots measured i

9、n 5.0 103 mol L1 Fe(CN)63 /Fe(CN)64 + 0.1 mol L1 KCl + PBS (pH 5.0) at the formal potential of 0.22 V for the bare GCE (a) and the electrochemically activated electrode (b). The frequency range is between 0.05 and 105 Hz.3.2 腎上腺素和尿酸在電化學活化電極上的電化學反應腎上腺素和尿酸的同步氧化示于圖Fig.3.曲線a,b分別表示其在裸電極和活化電極上的反應。從曲線b，我們可

10、以看到，腎上腺素和尿酸的峰值電勢分別為303和464mV，差值為161mV?；罨姌O上的峰值比裸電極上的大。與裸電極相比，腎上腺素和尿酸的氧化峰在活化電極上更高更陡，峰電流隨濃度增加而增加。此外，活化電極基線遠低于裸電極，更有利于測量，所以，活化電極可用于同時測定腎上腺素和尿酸。Fig. 3. DPVs of the bare GCE (a) and electrochemically activated electrode (b, c) in 0.1 mol L1 PBS (pH 5.0). (a) and (b) represent in the presence of EP (2.0 1

11、05 mol L1) and UA (4.0 105 mol L1); (c) in the absence of EP and UA.3.3 pH值對活化電極上腎上腺素和尿酸的峰電流和峰電勢的影響我們研究了磷酸鹽緩沖液的pH值對腎上腺素和尿酸的峰電流的影響。腎上腺素和尿酸的峰電流在pH值為5.0時達到最大值。首先，羧基團隨pH值升高而逐漸分離，直到pH值高于5.0時徹底分離24，而且，由于-NH-存在于腎上腺素和尿酸的分子中。H的增加有利于反應的進行，當pH值約高于5.8時，H+的濃度下降，峰電流也迅速下降。因此，我們選擇pH5.0的磷酸鹽緩沖液作為混合腎上腺素和尿酸測試的電解質。我們還進行

12、了pH值對峰電勢的影響的研究。在pH值為4.0到7.0之間時，腎上腺素和尿酸的峰電勢隨pH值的上升而迅速下降，得到線性回歸方程式EEP= 0.87580.0902pH (EEP, V;r= 0.9945) andEUA= 0.88470.09130pH (EUA, V);r= 0.9950)，表明，電子的吸收過程伴隨著同等數(shù)量的質子被吸收的發(fā)生。3.4掃描頻率的影響圖Fig. 4是不同掃描速率下腎上腺素和尿酸在活化電極上的循環(huán)伏安曲線圖，從圖中可以看出腎上腺素和尿酸的峰值氧化電勢隨掃描速率提升而上升，兩者的峰電流也隨之上升，而且在5到150mV s1之間時兩者的峰電流分別與掃描速率呈線性關系。

13、腎上腺素的線性回歸方程為ip = 0.1858 + 153.6941v (ip: 106 A, v : V s1: r: 0.9998)，尿酸的線性回歸方程為ip= 2.0900 + 132.4953v (ip: 106 A, v : V s1, r: 0.9980)。可以得出，活化電極上的腎上腺素和尿酸的氧化過程中吸附作用受到抑制。Fig. 4. CVs of PBS (pH 5.0) containing 2.0 105 mol L1 EP and 5.0 105 mol L1 UA on the electrochemically activated electrode at diffe

14、rent scan rates. The scan rate (from 1 to 8, mV s1) is 5, 10, 30, 50, 80, 100, 120, and 150, respectively.3.5 腎上腺素和尿酸得同時測量在最佳條件下，我們測試了混合腎上腺素和尿酸中一者濃度不變，另一者濃度發(fā)生變化時的電氧化作用。結果如圖Fig.5，圖Fig.5a測試表明，當尿酸濃度不變時，腎上腺素的峰電流隨腎上腺素濃度上升而增大。盡管腎上腺素氧化后變化趨勢稍有增強，但尿酸的峰值電流仍然不變。顯而易見，如圖Fig. 5b，保持腎上腺素濃度不變，尿酸的峰值氧化電流同樣與其濃度成正比。由上述實

15、驗結果可以看出，兩者峰值氧化電勢明顯分離。Fig. 5. (a) DPVs of EP with different concentrations in the presence of UA (1.0 105 mol L1). Concentration of EP (from 1 to 6, mol L1):5.0 106, 1.0 105, 2.0 105, 3.0 105, 4.0 105 and 5.0 105, respectively.Fig.5.(b) DPVs of UA with different concentrations in the presence of EP(5

16、.0 106 mol L1). Concentration of UA (from 1 to 7 , mol L1): 5.0 106, 1.0 105, 1.5 105, 2.5 105, 3.5 105, 4.5 105 and 5.5 105,respectively.為證明活化電極是否能用于來同時測量腎上腺素和尿酸，我們通過同時改變腎上腺素和尿酸的濃度，測試了兩者的電流反應。圖Fig.6是同時改變腎上腺素和尿酸的濃度，活化電極上差分脈沖伏安法測量結果，峰電流分別與腎上腺素和尿酸的濃度成正比，腎上腺素和尿酸的曲線在1.0 106 到 4.0 105 段和1.0 106 到5.5 105

17、mol L1段呈線性。腎上腺素的線性回歸方程為 ipa = 0.4218 + 1.7006c (ipa: 106 A, c: 105 mol L1, r = 0.9991)，尿酸的為ipa = 0.2286 + 0.9490c (ipa: 106 A, c: 105 mol L1, r = 0.9943)。所以，該方法可用于同時測量腎上腺素和尿酸，腎上腺素和尿酸的測量限值分別為 8.9 108 和1.6 107 mol L1（約為聲音信號比率的3倍）。 Fig.6. DPVs of PBS (ph 5.0) containing UA and EP with different concent

18、rations.Concentration of EP(from 1 to 9,mol-1) is 0.110-5，0.510-5，0.810-5，1.010-5，1.510-5，2.010-5，2.510-5，3.510-5，and 4.510-5，respectively；concentraion of UA (from 1 to 9，mol-1) is 0.110-5，1.010-5，2.510-5，3.010-5，3.510-5，4.010-5，4.510-5，5.010-5，and 5.510-5，respectively.Inset:relationship between the

19、 anodic peak current of DPV and the concentration of EP or UA.3.6 活化電極的重復性重復性是電機的另一個重要特性。深入研究表明，活化電極表現(xiàn)出高靈敏度和優(yōu)秀的重復能力。在10次連續(xù)測試中， 2.0 105 mol L1腎上腺素和4.0 105 mol L1 尿酸的電流反應沒有發(fā)生變化。腎上腺素相對標準偏差為2.3%，尿酸相對標準偏差為3.8%。3.7干擾我們研究了不同異物對 2.0 105 mol L1腎上腺素和4.0 105 mol L1 尿酸的影響。將能造成5%相對誤差的異物的最大濃度設為控制標準。測試中，腎上腺素和尿酸中異物

20、的容忍率分別是： Cl 和 K+為1000; NH4+：300; Mg2+ 為100 ; 甘氨酸為30 ; L-甘氨酸為25; L-天冬酰胺, 葡萄糖和谷氨酸為15；果糖和AA 為5，樣品中大量的Na+ and PO43并不影響測試。3.8 實際樣品分析我們采用先進方法測量鹽酸腎上腺素注射液中的腎上腺素和血清中的尿酸。3次測量結果中，注射液中腎上腺素平均含量為0.99 mg mL1符合注射規(guī)范量（1.00 mg mL1）。在稀釋腎上腺素注射劑（1.09 105 mol L1）中加入不同標準濃度的腎上腺素，3次測量的恢復率在96.3% and 101.1% 之間，結果列于表1。將由西南大學醫(yī)院提

21、供的不同體積的血清（0.5；0.8和1.0mL）與3.0mL pH值為5.0的磷酸鹽緩沖液用移液管倒入一系列10mL量瓶中，并用水稀釋至標點位置。將10mL試液的一等份放入電化學電池中，并測量峰電流。根據三次測量和計算，血清中尿酸含量為 4.03 104 mol L1 (6.8 mg/100 mL)，處于生理血清水平范圍內。結果如表2，可以看出，此方法可有效測量實際樣品中的腎上腺素和尿酸。4.結論在本論文中，采用差分脈沖伏安法，使用電化學活化玻碳電極同時對腎上腺素和尿酸進行測量，腎上腺素和尿酸的氧化峰明顯分開，這在目前發(fā)表的論文中少有報告。與其他方法14,17,18,2527相比，制作活化電極

22、更加簡單，方便，成本更低，而且，電化學活化玻碳電極表現(xiàn)出極好的精確性、專一性、重復性，并對測量腎上腺素和尿酸有較低的測量限值。最后，活化電極在同時測試腎上腺素和尿酸方面展現(xiàn)出極大的便利性，可用于實際樣品測試中并取得滿意結果。鳴謝本項目由中國國家自然科學基金會 (No. 20575054) 和重慶市城市科學基金會(No. CSTC-2004BA4024, No. CSTC-2006BB0342)提供支持，本文所有作者在此表示衷心感謝。 參 考 文 獻：1 R.J. Taylor, A.A. Humffray, J. Electroanal. Chem. 42 (1973) 347.2 W.J.

23、Blaedel, R.A. Jenkins, Anal. Chem. 47 (1975) 1337.3 R.C. Engstrom, Anal. Chem. 54 (1982) 2310.4 R.C. Engstrom, V.A. Strasser, Anal. Chem. 56 (1984) 136.5 G.E. Cabaniss, A.A. Diamantis, J.W.R. Murphy, et al., J. Am. Chem. Soc. 107 (1985) 1845.6 I.F. Hu, D.H. Karwelk, J. Kuwana1, J. Electroanal. Chem.

24、 188 (1985) 59.7 H. Dai, K.K. Shiu, J. Electroanal. Chem. 419 (1996) 7.8 H.Y. Gu, A.M. Yu, H.Y. Chen, Anal. Lett. 34 (2001) 2361.9 J. Mattusch, K.H. Hallmeier, K. Stulik, et al., Electroanalysis 1 (1989) 405.10 J. Wang, M.S. Lin, Anal. Chem. 60 (1988) 499.11 L.J. Kepley, A.J. Bard, Anal. Chem. 60 (1

25、988) 1459.12 H. Kaur, B. Halliwell, Chem. Biol. Interact. 73 (1990) 235.13 L.Z. Zheng, S.G. Wu, X.Q. Lin, et al., Electroanalysis 13 (2001) 1351.14 S. Kang, K.K. Shiu, Electroanalysis 13 (2001) 1319.15 E. Miland, A.J.M. Ordieres, P.T. Blanco, et al., Talanta 43 (1996) 785. 16 P. Hernandez, O. Sanchez, F. Paton, et al., Ta